小流域治理中蓄水池工程設(shè)計探討

張利超 謝頌華 喻榮崗 錢堃 龔長春

摘要：蓄水池是較為常見的小型水利水保工程，在小流域治理中具有重要意義。針對江西省的水土流失特點，以國家水土保持重點建設(shè)工程江西省蓮花縣神路項目區(qū)神泉小流域為典型實例，根據(jù)“技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠”的原則，以《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018-2014）為基礎(chǔ)，從蓄水池工程布置、容量計算、組成與工程設(shè)計、安全穩(wěn)定性計算等方面探討了適宜江西省小流域治理中蓄水池工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對江西省以及南方紅壤區(qū)的水土流失防治與水土保持規(guī)劃設(shè)計具有一定的技術(shù)指導(dǎo)意義。

關(guān)?鍵?詞：水土保持; 小流域治理; 蓄水池; 江西省

中圖法分類號： S157?文獻標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.027

2014年國家制定了《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018-2014）[1]，對規(guī)范全國各地的水土保持工程設(shè)計具有重要意義。江西省地處長江中下游南岸，特定的自然條件加上人類活動的影響，造成了該省水土流失易發(fā)、多發(fā)、面廣、量大、形式多樣等特點，且隨著國家生態(tài)文明試驗區(qū)（江西）建設(shè)的推進，對江西省小流域治理工程設(shè)計的要求越來越高[2-6]。蓄水池是較為常見的小型水利水保工程，在南北方均得到了廣泛應(yīng)用。由于南北方的氣候、土壤、不同地域地貌等的差異，江西省小流域治理中蓄水池工程的設(shè)計要求與北方存在較大的不同，需在國家標(biāo)準(zhǔn)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018-2014）的基礎(chǔ)上，根據(jù)江西省多年來的治理經(jīng)驗對其進行細化[7-10]。本文針對江西省水土流失的特點，以國家水土保持重點建設(shè)工程江西省蓮花縣神路項目區(qū)神泉小流域為典型實例，結(jié)合該省多年來的實踐，以及最新的水土流失防治科研、規(guī)劃設(shè)計成果，江西省小流域治理中蓄水池工程設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)和要求，并根據(jù)“技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠”的原則，在國標(biāo)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018-2014）的基礎(chǔ)上探討了適宜江西省小流域治理中蓄水池工程設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，以期對江西省以及南方紅壤區(qū)水土流失防治、水土保持規(guī)劃設(shè)計提供一定參考。

1?工程項目概況

國家水土保持重點建設(shè)工程江西省蓮花縣神路項目區(qū)神泉小流域地處南嶺山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)，該水土保持三級區(qū)劃的水土保持主導(dǎo)基礎(chǔ)功能是水源涵養(yǎng)、土壤保持。水土保持社會經(jīng)濟功能包括綜合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、林業(yè)生產(chǎn)、牧業(yè)生產(chǎn)、河源區(qū)保護、水源地保護、自然景觀保護、生物多樣性保護、土地生產(chǎn)力保護等[11-12]。神泉小流域土地總面積42.13 km2，地理位置在東經(jīng)113°48′09′′～113°55′0′′，北緯27°0′44′′～27°05′23′′之間。小流域地貌類型以低山、丘陵為主，現(xiàn)有植被類型主要是松杉殘次林為主的針葉林。據(jù)外業(yè)調(diào)查，小流域內(nèi)現(xiàn)有水土流失總面積6.15 km2，占土地總面積的14.60%。水土流失類型主要為水蝕，年土壤侵蝕模數(shù)為1 970 t/km2，年土壤侵蝕量達2.53萬t[13-16]。根據(jù)神泉小流域的自然條件、水土流失特點、經(jīng)濟社會狀況和農(nóng)業(yè)發(fā)展方向，堅持工程措施、林草措施與封禁治理相結(jié)合，治理與開發(fā)相結(jié)合，喬、灌、草相結(jié)合，經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益相結(jié)合，在土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整的基礎(chǔ)上，對小流域水土保持措施進行綜合配置。其中，對屬于小流域內(nèi)立地條件較好、交通便利、水源較近的疏林地類型圖斑，采用反坡梯田或水平階整地，營造經(jīng)濟果木林，發(fā)展特色、優(yōu)質(zhì)林果業(yè)。在營造經(jīng)濟果木林的地塊，根據(jù)實際情況，合理配置蓄水池、截排溝渠和沉沙池等坡面小型蓄排工程，修建田間道路，以改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，發(fā)展水土保持經(jīng)濟[17-18]。

神泉小流域水土保持措施體系見圖1。

2?蓄水池工程的布設(shè)位置

有關(guān)蓄水池的工程布置，《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018-2014）15.2.2-1規(guī)定：“蓄水池宜布設(shè)在坡腳或坡面局部低洼處，與排水溝相連，容蓄坡面排水”。根據(jù)多年來江西省水土保持工程建設(shè)的實際情況，需以國標(biāo)為基礎(chǔ)對蓄水池位置的布設(shè)進行細化。在建設(shè)實踐中，考慮到水肥一體化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢，在一部分地塊需在坡頂布設(shè)蓄水池，并與提灌措施一起使用。因此，雖然蓄水池大多宜布設(shè)在坡腳或坡面局部低洼處，但應(yīng)因地制宜選擇蓄水池布設(shè)位置，對于確需布設(shè)在坡頂?shù)男钏?，?yīng)與提灌措施結(jié)合使用，蓄水池與排水溝相連，容蓄坡面排水。

蓮花縣神泉小流域蓄水池工程布置在果木林及經(jīng)濟林地塊內(nèi)，處于坡面水匯流低凹處或中部地勢相對平坦部位，與截排溝渠連通，排水溝布置在截水溝兩端或低端再接沉沙池、蓄水池。

3?蓄水池容量的計算

《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018-2014）中有關(guān)蓄水池的容量規(guī)定為10～500 m3。在江西省水土保持工程設(shè)計實際中，未發(fā)現(xiàn)容量大于100 m3的蓄水池，20～100 m3基本包括了江西省水土保持工程所采用的全部蓄水池的容量，因此，江西省小流域治理水土保持工程設(shè)計中蓄水池的單池容量宜為20～100 m3。主要原因為：與北方設(shè)計不同，江西省蓄水池布局設(shè)計關(guān)鍵不是通過計算一定面積匯流量來確定容積大小，因為雨季水量足夠大，核心問題是應(yīng)基于蓄水池的占地以及與作物季節(jié)性缺水的對應(yīng)關(guān)系來確定蓄水池的大小和數(shù)量。根據(jù)相關(guān)課題研究成果，出于水壓力對結(jié)構(gòu)的限制和方便管理考慮，蓄水池的深度一般應(yīng)當(dāng)控制在2 m以下，若修建一個容量50 m3的蓄水池，占地就要超過20 m2;若修建一個容量110 m3的蓄水池，占地則要超過40 m2，在江西省經(jīng)果林開發(fā)的丘陵區(qū)很難具備這樣的地形條件。因此，蓄水池的容量一般宜為20～50 m3，按照“容量小，分布廣”原則布設(shè)，在條件許可的地方也可修建容量50～100 m3的蓄水池，但必須充分論證比較。將蓄水池作為灌溉補充水源之一，可有效解決江西省果園最需水的關(guān)鍵期補水灌溉問題。經(jīng)計算，在特旱年95%頻率下柑橘果實膨大期凈耕果園需灌水156.5 mm，整個柑橘果實膨大期需灌溉水18次。江西省果園常用蓄水池容積約為30 m3，有效容積90%～80%。如提高抗旱天數(shù)15 d左右，需每個蓄水池灌溉3～4次，則每公頃果園需蓄水池0.6～0.9個。

蓄水池的容量驗證按下式計算

V=K（Vw+Vs）?（1）

式中，?V?表示蓄水池容量，m3;?Vw?表示設(shè)計頻率暴雨徑流量，m3;?Vs?表示設(shè)計清淤年累計泥沙淤積量，m3;?K?為安全系數(shù)，取1.2。

蓄水池與坡面排水溝終端相連并以溝中排水為主要水源時，其?Vw值與Vs?值根據(jù)排水溝的設(shè)計排水量和淤積量計算。因蓄水池前端設(shè)沉沙池沉淀泥沙，排入蓄水池的泥沙較少，因此淤積量可忽略不計。

神泉小流域蓄水池容量計算結(jié)果見表1。

按照前文所述，蓄水池的容量一般宜為20～50 m3，按照“容量小，分布廣”原則布設(shè)。江西省屬南方紅壤地區(qū)，應(yīng)以排為主，排蓄結(jié)合，綜合蓄水池功能（主要是方便噴灑農(nóng)藥及化肥），根據(jù)地形條件、群眾意愿以及常用蓄水池規(guī)格確定神泉小流域蓄水池。池體為矩形，規(guī)格為35 m3。

4?蓄水池的組成與工程設(shè)計

以《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018-2014）為基礎(chǔ)，補充蓄水池設(shè)計中的一般組成部分，在水土保持工程的實際設(shè)計和應(yīng)用過程中，蓄水池一般應(yīng)由池體、人梯、進水口、溢水口、放水管和護欄等部分組成，有必要時可補充蓋板或其他封閉設(shè)施。這樣既保證了蓄水池工程的安全性，又保證了實用性、美觀性。

蓮花縣神泉小流域的蓄水池工程選用矩形開敞式，由水池、人梯、進水口、溢水口、放水管和護欄等部分組成。經(jīng)果林地塊附近水源較豐富，作物用水有保證。蓄水池池體為矩形，規(guī)格為35 m3（長5.0 m，寬4.0 m，深1.75 m），多余來水經(jīng)溢水口排至排水溝。為防止地基應(yīng)力、不均勻沉陷以及溫度變化等情況導(dǎo)致底板開裂、滲漏，先壓實土壤，并鋪筑15 cm的卵石墊層，以封閉土壤空隙。池底板采用C15鋼筋混凝土澆筑，厚20 cm。側(cè)墻高度2.25 m，側(cè)墻斷面采用磚砌24墻，表面抹2 cm厚的M10水泥砂漿。

根據(jù)蓄水池人工用水和清淤的需要，設(shè)置人梯一座，人梯寬度1.0 m，高1.75 m，采用機磚砌筑。蓄水池四周設(shè)磚砌露花圍欄，護欄高1.0 m。池下部設(shè)排水管，排水管出口與池下方的截排溝渠相連。蓄水池典型設(shè)計詳見圖2與圖3，每座蓄水池斷面尺寸及工程量如下。

（1） 側(cè)墻。斷面尺寸：側(cè)墻斷面采用磚砌24墻，高2.25 m水泥砂漿抹面，抹面厚度2 cm。工程量：機磚5.65千塊，砌筑砂漿2.52 m3，M10抹面砂漿1.30 m3。

（2） 底板。斷面尺寸：水池底板厚20 cm，C15鋼筋混凝土澆筑。工程量：C15混凝土4.86 m3，鋼筋17.85 kg，抗?jié)B劑24.0 kg，卵石墊層3.29 m3。

（3） 人梯。斷面尺寸：人梯寬度1.0 m，高1.75 m，采用機磚砌筑，人梯步階為20 cm×25 cm每臺。工程量：機磚0.8千塊，M10砂漿抹面6.94 m2。

（4） 圍欄。斷面尺寸：高1.0 m，采用機磚砌筑。工程量：機磚2.65千塊。

5?蓄水池工程穩(wěn)定性計算

按照目前國家生態(tài)文明試驗區(qū)（江西?。┙ㄔO(shè)的要求，蓄水池尤其是丘陵區(qū)蓄水池應(yīng)確保安全穩(wěn)定使用，使它能夠長期發(fā)揮效益。因此，蓄水池的安全穩(wěn)定計算應(yīng)在國標(biāo)的基礎(chǔ)上進一步提高要求和細化，供設(shè)計人員參考。

根據(jù)江西省長期的水土保持工程設(shè)計與實施情況，以《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018-2014）為基礎(chǔ)，因地制宜補充有關(guān)蓄水池抗滑、抗傾覆、地基承載力驗算等穩(wěn)定計算的規(guī)定，明確穩(wěn)定安全系數(shù)閾值和符合穩(wěn)定要求的條件[19-20]。

5.1?抗傾覆驗算

（1） 工況的確定。側(cè)墻斷面尺寸在正常工況下穩(wěn)定分析擬定，正常工況分為墻外填土、池內(nèi)無水和墻外填土、池內(nèi)滿水兩種情況，穩(wěn)定性分析以最不利工況，即池內(nèi)無水、墻外填土的情況進行計算。

（2） 驗算結(jié)果?？箖A覆驗算按下式計算：

K=（W+P?ay?）fP?ax???（2）

P=12γH2·tan2（45°-φ2）??（3）

式中，?K表示穩(wěn)定安全系數(shù);W?為砌磚重量，t;磚砌體容重為2.2 t/m3;?P?表示主動土壓力，t;?P?ax??表示主動土壓力的水平分力，t， ?P?ax?=P·sin（ε+δ）;P?ay??表示主動土壓力的垂直分力，t，?P?ay?=P·cos（ε+δ） ;ε表示墻背傾斜角度;δ表示墻摩擦角;f表示土基地摩擦系數(shù)，取值0.35;γ?表示土容重，t/m3，取值1.8 t/m3;?H?表示墻高，m;?φ?表示土的內(nèi)摩擦角，22.3°。

神泉小流域蓄水池側(cè)墻穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

根據(jù)穩(wěn)定驗算，側(cè)墻穩(wěn)定安全系數(shù)?K?=1.32>?1.2?，符合穩(wěn)定要求。

5.2?地基承載力驗算

（1） 基底應(yīng)力按下式計算：

Pk=Gk/A??（4）

Gk=Gc+Gw+Gt+Gh?（5）

式中，?Pk?表示基底壓強，kN/m2;?Gk?表示由蓄水池向下傳導(dǎo)的全部豎向標(biāo)準(zhǔn)荷載，kN;?A?表示池底面積，m2;?Gc?表示池體結(jié)構(gòu)自重，kN;?Gw表示?池內(nèi)水重，kN;?Gt?表示覆土重量，kN;?Gh?表示活載作用，kN。

神泉小流域蓄水池地基承載力計算成果見表3。

（2） 根據(jù)基礎(chǔ)規(guī)范的要求，修正地基承載力按下式計算：

Fa=F?ak?+ηdγm（d-0.5）??（6）

式中，?Fa?表示地基承載力修正值，kPa;?F?ak??表示地基承載力特征值，取120.0 kPa;?ηd?表示埋深修正系數(shù)，取1.0;?γm表示計算基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度γm?，kN/m3;?d?表示池體埋深，m。

神泉小流域蓄地基承載力修正計算成果見表4。

（3） 驗算結(jié)果。根據(jù)驗算，?Pk=44.21kN·m?2

5.3?抗滑驗算

抗滑驗算按下式計算：

K=f·WP??（7）

式中，?K表示墻體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f 表示墻體與基礎(chǔ)的摩擦系數(shù);W?表示垂直于滑動面的荷載總和，m3;?P?為平行于滑動面的荷載總和，m3。

神泉小流域蓄水池抗滑穩(wěn)定計算成果見表5。

根據(jù)穩(wěn)定驗算，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)?K?=1.29>?1.2?，符合穩(wěn)定要求。

6?進（溢）水口設(shè)計

過水?dāng)嗝婀綖椋?/p>

Q=M2gbh?3/2??（8）

式中，?Q?表示進（溢）水最大流量，m3/s;?M?表示流量系數(shù)，取0.35;?g?表示重力加速度，取9.81 m3/s;?b?表示堰頂寬，m;?h?表示堰頂水深，m。

蓄水池承接截排溝渠排水，因此進（溢）水口最大流量應(yīng)滿足截排溝渠設(shè)計流量。經(jīng)計算，進（溢）水口寬0.3 m，深0.3 m，能滿足設(shè)計流量，加上0.1 m安全超高，確定進（溢）水口寬0.3 m，深0.4 m。

7?結(jié) 語

蓄水池工程是小流域治理中較為常見、應(yīng)用較為廣泛的一項重要措施，與生態(tài)草溝等截排溝渠連通形成完整的坡面水系工程，對保護農(nóng)村河道水生態(tài)有重要意義。但目前有關(guān)江西省小流域治理中蓄水池工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的研究相對缺乏。由于南北方的氣候、土壤、不同地域地貌等的差異，江西省小流域治理中蓄水池工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)宜在國家標(biāo)準(zhǔn)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018-2014）的基礎(chǔ)上根據(jù)本省的實際情況進行細化，包括工程布置、容量計算、工程設(shè)計的安全性、一般組成部分、蓄水池抗傾覆驗算、地基承載力驗算、抗滑驗算以及穩(wěn)定安全系數(shù)閾值參數(shù)等。為此，本文以國家水土保持重點建設(shè)工程江西省蓮花縣神路項目區(qū)神泉小流域為例，對江西省小流域治理中蓄水池工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行了一定的探索與研究，對提高江西省蓄水池工程措施的效益、促進生態(tài)鄱陽湖流域建設(shè)及國家生態(tài)文明試驗區(qū)（江西?。┙ㄔO(shè)具有重要的技術(shù)指導(dǎo)意義。

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引用本文：張利超，謝頌華，喻榮崗，錢?堃，龔長春.小流域治理中蓄水池工程設(shè)計探討[J].人民長江，2019，50（1）：148-152.

Discussion on engineering design of cisterns in small watershed management

ZHANG Lichao， XIE Songhua， YU Ronggang， QIAN Kun， GONG Changchun

（Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Protection， Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation， Nanchang 330029 China）

Abstract：Cistern is a common small-scale water conservancy project， but has significant importance in small watershed management. In the light of the characteristics of soil and water loss in Jiangxi Province， Shenquan watershed， a part of Shenlu project located in Lianhua County， Jiangxi province and a state key project of soil and water conservation， is taken as an object to study the design criteria of cistern adapting to the practical condition of Jiangxi Province from the aspects of project layout， capacity calculation， composition and design， as well as safety and stability calculation and etc. following the principle of "advanced technology， economic feasible， safe and reliable"， and by referring to the national standard of Specifications for design of soil and water conservation engineering （GB 51018-2014）. The experience has some reference for the plan and design of soil-water loss prevention and conservation in red soil area of Jiangxi Province and south China.

Key words：?soil and water conservation; small watershed management; cistern; Jiangxi