一種簡易蓄水池的設(shè)計(jì)及其在地表水滴灌工程中的應(yīng)用

姚 賢

（民樂縣抗旱防汛服務(wù)隊(duì)，甘肅 民樂 734500）

0 引言

近年來，隨著高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的逐步推進(jìn)，人們對滴灌技術(shù)的節(jié)水增產(chǎn)效果有了更清晰的認(rèn)識(shí)，加快了河水灌區(qū)滴灌工程的建設(shè)步伐，在田間地頭修建了大量的蓄水池。這些蓄水池作為地表水滴灌工程的水源設(shè)施，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉提供了有力保障。本著經(jīng)濟(jì)、適用、耐久等原則，筆者設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)含量低、施工快速方便、造價(jià)較低的簡易蓄水池，并從布置形式、防滲結(jié)構(gòu)設(shè)置、引水和出水設(shè)施設(shè)置等方面系統(tǒng)地介紹該蓄水池設(shè)計(jì)方案。從已建成并運(yùn)行3 a的簡易蓄水池應(yīng)用情況來看，池體無滲漏，坡面無滑塌，引水入池快捷，壩底取水方便，其設(shè)計(jì)功能發(fā)揮正常，基本達(dá)到了造價(jià)低、建造易、壽命長等目的。

1 工程地概況

民樂縣位于甘肅省張掖市東南約65 km處，地處甘肅段祁連山北麓，區(qū)域總面積3 687 km。第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，民樂縣耕地面積9.123萬hm，其中水澆地8.275萬hm，占全縣耕地面積的90.71%。民樂縣自2019年開始實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目，截至2021年底，已建成適宜現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、旱澇保收、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田2.133萬hm，為縣域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展注入了新的活力。在建成的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田中，地表水高效節(jié)水滴灌工程覆蓋面積占比87%，達(dá)到了1.900萬hm，分布在全縣10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的28個(gè)村。同時(shí)，該縣按照整村推進(jìn)、分片灌溉、多樣種植、施肥獨(dú)立和互不打架等原則，在灌區(qū)骨干渠道附近設(shè)置簡易蓄水池28座，庫容0.5萬～5.0萬m不等，作為地表水滴灌工程田間地頭的水源，對其水量的調(diào)蓄、水質(zhì)的凈化發(fā)揮了極大的作用，保證了滴灌工程正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)灌溉、施肥，增產(chǎn)效果明顯，農(nóng)民收益大大提高。

2 簡易蓄水池設(shè)計(jì)

2.1 蓄水池布置

按照從渠道引水方便、水頭損失小、就高不就低等原則，蓄水池一般布置在耕地與來水支渠現(xiàn)狀斗口的交叉位置。充分利用支渠上設(shè)有的斗口分水入池，并以蓄水池長邊與支渠平行為先決條件，充分利用地形地貌條件，本著節(jié)約耕地的原則，可將蓄水池設(shè)置為長方形、正方形、梯形、三角形等平面形式。蓄水池由池體部分、上游進(jìn)水部分、下游出水部分和壩頂防護(hù)設(shè)施等組成。其中，池體部分包括四周壩體和防滲體，上游進(jìn)水部分包括池外引水渠、入池壩坡陡槽段、渠口沉砂池、池底消力池等，下游出水部分包括壩底出水管、管首進(jìn)水池、攔污罩、管尾閘閥室等，防護(hù)設(shè)施包括壩頂四周安全防護(hù)網(wǎng)和安全標(biāo)志牌等。

2.2 蓄水池容積確定

蓄水池庫容參照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189—2013）中的興利庫容計(jì)算公式計(jì)算確定：

式（1）中：表示損失占興利庫容百分比，取值0.1；表示灌溉面積（hm）；表示667 m灌水定額（m）；表示有效利用系數(shù)，取值0.9。

將擬建蓄水池控制灌溉面積中的夏禾作物面積作為灌溉面積，同步取作物最大灌水定額和灌溉水利用系數(shù)等參數(shù)計(jì)算蓄水池容積。

2.3 池體設(shè)計(jì)

蓄水池正常水深設(shè)計(jì)為3.0 m，壩體采用一坡到底形式，池底水平，壩坡迎水面坡比為1∶4，背水面坡比為1∶3。筑壩材料采用蓄水池的開挖料。根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的耕地土層厚度為1～3 m不等，其下為巨厚的砂卵礫石層，蓄水池開挖料適宜作為筑壩料。

2.3.1 壩體設(shè)計(jì)。

2.3.1 .1 壩頂超高確定。壩頂超高只考慮波浪爬高和設(shè)計(jì)風(fēng)壅增水高度。根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189—2013）壩頂在靜水面以上的超高，按下式計(jì)算：

式（2）中：表示壩頂超高（m）；表示波浪沿著壩坡的最大爬高（m），按《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189—2013）推薦的公式計(jì)算；表示壩前靜水位因風(fēng)浪引起的涌高（m）；表示安全加高，正常運(yùn)用情況下取值0.5 m，非常運(yùn)用情況下取值0.3 m，不考慮地震加高。取主風(fēng)向水面寬度為120 m計(jì)算壩頂超高值，如表1所示。

表1 壩頂超高計(jì)算結(jié)果

由表1計(jì)算可知，在正常蓄水情況下，蓄水池壩頂超高值為0.99 m。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)取值為1.00 m，則設(shè)計(jì)蓄水池深4.0 m，正常蓄水位3.0 m，安全超 高1.0 m。

2.3.1 .2 壩頂寬度確定?？紤]施工要求、蓄水池構(gòu)造、抗震等因素，蓄水池壩頂寬度取值為4.0 m，并鋪設(shè)5 cm厚砂礫石作為壩頂岸面保護(hù)層。

2.3.1 .3 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。壩體截面設(shè)計(jì)為梯形，其迎水面坡比為1∶4，背水面坡比為1∶3。壩體用池內(nèi)開挖土料逐層碾壓成形，要求壓實(shí)度不小于96%。

2.3.2 防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。蓄水池采用全斷面鋪設(shè)土工膜防滲，防滲結(jié)構(gòu)自下而上依次為20 cm厚黏土保護(hù)層、兩布一膜防滲層、20 cm厚黏土保護(hù)層、30 cm厚砂礫石壓重體。

2.3.2 .1 土工膜設(shè)計(jì)。選用SN2/PE-14-400-0.4規(guī)格的復(fù)合土工膜，即短纖針刺非織造/PE復(fù)合兩布一膜，單位面積總質(zhì)量為400 g/m，每層200 g/m，幅寬≥6 m，搭接強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度。復(fù)合土工膜質(zhì)量應(yīng)符合《土工合成材料非織造布復(fù)合土工膜》（GB/T 17642—2008）規(guī)范要求（見表2）。

表2 兩布一膜復(fù)合土工膜物理力學(xué)指標(biāo)

2.3.2 .2 保護(hù)層設(shè)計(jì)。為了防止膜上荷載作業(yè)時(shí)基底尖物刺破土工膜，在露天暴曬下降低質(zhì)量性能，減少使用壽命，土工膜必須設(shè)置上、下兩層保護(hù)層。保護(hù)層應(yīng)就地取材。該項(xiàng)目采用蓄水池開挖的地表黏土作為保護(hù)層材料，要求黏土顆粒均勻、無雜質(zhì)、含水量適宜，最大粒徑不大于10 mm，鋪設(shè)厚度20 cm。

2.3.2 .3 壓重體設(shè)計(jì)。為了防止土工膜上面黏土保護(hù)層親水流失，在黏土保護(hù)層上面均勻覆蓋一層砂礫石壓重體，作為黏土保護(hù)層的屏障。壓重體就地取材，采用蓄水池開挖的砂礫石料作為壓重體料，要求處理后的砂礫石顆粒級配連續(xù)，無雜質(zhì)，最大粒徑不大于150 mm，鋪設(shè)厚度30 cm。

2.4 進(jìn)水段設(shè)計(jì)

2.4.1 引水渠設(shè)計(jì)。根據(jù)灌區(qū)配水要求，引水渠道設(shè)計(jì)流量不小于0.4 m/s。根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)環(huán)境條件，采用C35混凝土預(yù)制塊襯砌梯形斷面渠道，縱坡不小于1/100，抗凍等級F150，抗?jié)B等級W4。其橫斷面尺寸見圖1。

2.4.2 陡槽段設(shè)計(jì)。在壩坡上布置陡槽段，作為防止水流沖刷坡面防滲結(jié)構(gòu)體的保護(hù)措施。陡槽段長度等于坡面長度，斷面形式和結(jié)構(gòu)尺寸同引水渠設(shè)計(jì)。由于陡槽岸頂高于坡面，為防止槽內(nèi)水流側(cè)向出槽沖刷坡面，要求岸頂寬度不小于1.0 m，且岸面外側(cè)與坡面接茬處做成緩坡。

2.4.3 沉砂池設(shè)計(jì)。在壩頂外引水渠段合適位置布置1座沉砂池，作為入池水流的第一道過濾設(shè)施，目的是攔截渠道上游帶來的泥沙和雜物。沉砂池內(nèi)尺寸為長×寬×深=1.00 m×0.90 m×0.85 m。根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)環(huán)境條件，該項(xiàng)目采用C30砼現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，底板厚度0.2 m，墻體厚度0.2 m，在出口處設(shè)置一道攔污柵，柵孔間隙10 cm。

2.4.4 消力池設(shè)計(jì)。為了防止入池水流對池底造成沖刷，在陡槽末端設(shè)置1座小型消力池，作為入池水流的消能工。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)消力池內(nèi)尺寸為長×寬×深=2.4 m×2.4 m×0.5 m，采用C30砼現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，池底厚0.2 m，側(cè)墻厚0.2 m。

2.5 出水段設(shè)計(jì)

2.5.1 出水管。為了便于運(yùn)行管理，出水方式采用壩下埋管出水。埋管采用防腐處理后的焊接螺旋鋼管，壁厚8 mm，鋼管公稱直徑采用DN350和DN310。獨(dú)立灌溉面積在80.00 hm以內(nèi)時(shí)，埋設(shè)1根DN310鋼管；在80.00～133.33 hm時(shí)，埋設(shè)1根DN350鋼管；超過133.33 hm時(shí)，可采用同管徑或者兩種管徑的組合。為了防止池內(nèi)漂浮物進(jìn)入管道造成堵塞，在管端設(shè)置1個(gè)由三通和彎頭組成的同徑“T”形鋼彎頭進(jìn)水，彎頭進(jìn)水口離出水池底20 cm，見圖2。

2.5.2 出水池。為了防止池內(nèi)沉積物隨水流動(dòng)進(jìn)入管口，在“T”形鋼彎頭處設(shè)置1座出水池，作為池內(nèi)水流進(jìn)入管道的第一道清潔關(guān)口。該項(xiàng)目出水池內(nèi)尺寸為長×寬×深=1.5 m×1.5 m×0.5 m，采用C30砼現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。為了防止漂浮物入池進(jìn)入管口，按照池體大小和“T”形彎頭高度設(shè)置1個(gè)網(wǎng)罩，將出水池和“T”形進(jìn)水彎頭罩住，作為池內(nèi)水流進(jìn)入管道的第二道清潔關(guān)口。

2.5.3 閘閥室。在壩底埋管，管尾處設(shè)置1座挖深式閘閥室，安裝閘閥控制池內(nèi)水流。閘閥室尺寸根據(jù)節(jié)制閥體和管道出口安裝的分水口個(gè)數(shù)以及配套安裝的加壓水泵數(shù)量等確定，其形體為矩形，長邊與壩底埋管垂直布局。該項(xiàng)目閥室底板為C30砼現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，厚度為0.3 m，墻身為紅磚砌體結(jié)構(gòu)，墻體厚度為 0.37 m，墻體內(nèi)外側(cè)均抹1∶2.5水泥砂漿防水；蓋板為C35鋼筋砼現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，厚度為0.15 m，在拐角處預(yù)留進(jìn)入孔，孔的大小以便于室內(nèi)水泵和閘閥維修更換起吊為宜。

圖1 引水渠橫斷面

圖2 “T”形鋼彎頭進(jìn)水

2.6 壩頂防護(hù)設(shè)計(jì)

蓄水池建成后，沿蓄水池壩頂設(shè)置安全防護(hù)欄。該項(xiàng)目護(hù)欄高度為1.7 m，單片寬幅為3.0 m，采用浸塑電焊鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)孔孔徑為170 mm×90 mm，絲徑+浸塑厚度4 mm，網(wǎng)柱間距為3.0 m，網(wǎng)柱高度為2.1 m，立柱外徑48 mm，立柱鋼管壁厚0.8 mm；采用混凝土澆筑基座固定立柱，基座尺寸為長×寬×高=0.3 m× 0.3 m×0.4 m；并且在安全防護(hù)欄四周懸掛安全防護(hù)警示標(biāo)語。

3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

該項(xiàng)目中的簡易蓄水池為半挖半填形式，正常蓄水深度3.0 m，最大壩高2.0 m，壩體水壓力部位高度只有1.0 m，碾壓壩體結(jié)構(gòu)完全滿足穩(wěn)定要求，無須進(jìn)行穩(wěn)定校核計(jì)算。但壩面防滲結(jié)構(gòu)的保護(hù)層與土工膜之間可能存在相對滑動(dòng)情形，故對上游壩坡進(jìn)行土工膜與防護(hù)層之間的抗滑穩(wěn)定計(jì)算是必要的。根據(jù)《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL/T 231—98），PE土工膜與膜上保護(hù)層之間的抗滑穩(wěn)定可按下式計(jì)算：

式（3）中：表示安全系數(shù)；表示坡角，該壩體上游壩坡為1∶4，坡角取值14.04°；表示土工膜與防護(hù)層的摩擦系數(shù)，干燥狀態(tài)下取值0.5，飽和狀態(tài)下取值0.45。

按照保護(hù)層在干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種情況分別計(jì)算土工膜與保護(hù)層之間的抗滑穩(wěn)定程度，截取壩中斷面計(jì)算兩種狀態(tài)下的保護(hù)層最小安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

由表3可知，在兩種工作狀態(tài)下的最小安全系數(shù)均大于《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL/T 231—98）規(guī)定的允許值，上游壩坡土工膜與防護(hù)層在正常運(yùn)用及非常運(yùn)用條件下均是穩(wěn)定的。

4 應(yīng)用效果

自2018年開始，民樂縣已專門為高效節(jié)水滴灌工程建設(shè)簡易蓄水池50多座。從運(yùn)行效果來看，其壩體穩(wěn)定，防滲結(jié)構(gòu)完好，池底、坡面無塌陷，砂礫石壓重體完好，冬季蓄水滿池?zé)o滲漏，說明此種簡易蓄水池在民樂縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)中的應(yīng)用是可行的。從建造周期上來講，由于其結(jié)構(gòu)簡單、就地取材，從開工到完工工期可縮短至40 d，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，在農(nóng)作物播種前建池蓄水，為農(nóng)作物灌溉提供保障。

5 結(jié)語

筆者根據(jù)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)中地表水滴灌工程水源設(shè)施的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種簡易水池，并從蓄水池的布置、容積確定、池體設(shè)計(jì)等方面總結(jié)了設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中也達(dá)到了預(yù)期效果。蓄水池池體大部分嵌入原地面以下，整體穩(wěn)定；池體采用常規(guī)的土工膜防滲，用黏土保護(hù)膜面，取材方便，鋪設(shè)簡便；引水渠采用混凝土預(yù)制塊襯砌，工序簡單；壩底出水鋼管規(guī)格統(tǒng)一、埋設(shè)方便，質(zhì)量易于控制。此種蓄水池結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)含量低、施工快速方便、造價(jià)較低，可建在田間地頭作為地表水滴灌工程的補(bǔ)充水源。