小流域治理中蓄水池工程设计探讨

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　　摘要：蓄水池是较为常见的小型水利水保工程，在小流域治理中具有重要意义。针对江西省的水土流失特点，以国家水土保持重点建设工程江西省莲花县神路项目区神泉小流域为典型实例，根据“技术先进、经济合理、安全可靠”的原则，以《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）为基础，从蓄水池工程布置、容量计算、组成与工程设计、安全稳定性计算等方面探讨了适宜江西省小流域治理中蓄水池工程的设计标准，对江西省以及南方红壤区的水土流失防治与水土保持规划设计具有一定的技术指导意义。
　　关 键 词：水土保持; 小流域治理; 蓄水池; 江西省
　　中图法分类号： S157 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.027
　　2014年國家制定了《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）[1]，对规范全国各地的水土保持工程设计具有重要意义。江西省地处长江中下游南岸，特定的自然条件加上人类活动的影响，造成了该省水土流失易发、多发、面广、量大、形式多样等特点，且随着国家生态文明试验区（江西）建设的推进，对江西省小流域治理工程设计的要求越来越高[2-6]。蓄水池是较为常见的小型水利水保工程，在南北方均得到了广泛应用。由于南北方的气候、土壤、不同地域地貌等的差异，江西省小流域治理中蓄水池工程的设计要求与北方存在较大的不同，需在国家标准《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）的基础上，根据江西省多年来的治理经验对其进行细化[7-10]。本文针对江西省水土流失的特点，以国家水土保持重点建设工程江西省莲花县神路项目区神泉小流域为典型实例，结合该省多年来的实践，以及最新的水土流失防治科研、规划设计成果，江西省小流域治理中蓄水池工程设计的标准和要求，并根据“技术先进、经济合理、安全可靠”的原则，在国标《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）的基础上探讨了适宜江西省小流域治理中蓄水池工程设计的标准，以期对江西省以及南方红壤区水土流失防治、水土保持规划设计提供一定参考。
　　1 工程项目概况
　　国家水土保持重点建设工程江西省莲花县神路项目区神泉小流域地处南岭山地水源涵养保土区，该水土保持三级区划的水土保持主导基础功能是水源涵养、土壤保持。水土保持社会经济功能包括综合农业生产、林业生产、牧业生产、河源区保护、水源地保护、自然景观保护、生物多样性保护、土地生产力保护等[11-12]。神泉小流域土地总面积42.13 km2，地理位置在东经113°48′09′′～113°55′0′′，北纬27°0′44′′～27°05′23′′之间。小流域地貌类型以低山、丘陵为主，现有植被类型主要是松杉残次林为主的针叶林。据外业调查，小流域内现有水土流失总面积6.15 km2，占土地总面积的14.60%。水土流失类型主要为水蚀，年土壤侵蚀模数为1 970 t/km2，年土壤侵蚀量达2.53万t[13-16]。根据神泉小流域的自然条件、水土流失特点、经济社会状况和农业发展方向，坚持工程措施、林草措施与封禁治理相结合，治理与开发相结合，乔、灌、草相结合，经济效益、生态效益和社会效益相结合，在土地利用结构调整的基础上，对小流域水土保持措施进行综合配置。其中，对属于小流域内立地条件较好、交通便利、水源较近的疏林地类型图斑，采用反坡梯田或水平阶整地，营造经济果木林，发展特色、优质林果业。在营造经济果木林的地块，根据实际情况，合理配置蓄水池、截排沟渠和沉沙池等坡面小型蓄排工程，修建田间道路，以改善农业生产条件，发展水土保持经济[17-18]。
　　神泉小流域水土保持措施体系见图1。
　　2 蓄水池工程的布设位置
　　有关蓄水池的工程布置，《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）15.2.2-1规定：“蓄水池宜布设在坡脚或坡面局部低洼处，与排水沟相连，容蓄坡面排水”。根据多年来江西省水土保持工程建设的实际情况，需以国标为基础对蓄水池位置的布设进行细化。在建设实践中，考虑到水肥一体化的现代农业发展趋势，在一部分地块需在坡顶布设蓄水池，并与提灌措施一起使用。因此，虽然蓄水池大多宜布设在坡脚或坡面局部低洼处，但应因地制宜选择蓄水池布设位置，对于确需布设在坡顶的蓄水池，应与提灌措施结合使用，蓄水池与排水沟相连，容蓄坡面排水。
　　莲花县神泉小流域蓄水池工程布置在果木林及经济林地块内，处于坡面水汇流低凹处或中部地势相对平坦部位，与截排沟渠连通，排水沟布置在截水沟两端或低端再接沉沙池、蓄水池。
　　3 蓄水池容量的计算
　　《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）中有关蓄水池的容量规定为10～500 m3。在江西省水土保持工程设计实际中，未发现容量大于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设计中蓄水池的单池容量宜为20～100 m3。主要原因为：与北方设计不同，江西省蓄水池布局设计关键不是通过计算一定面积汇流量来确定容积大小，因为雨季水量足够大，核心问题是应基于蓄水池的占地以及与作物季节性缺水的对应关系来确定蓄水池的大小和数量。根据相关课题研究成果，出于水压力对结构的限制和方便管理考虑，蓄水池的深度一般应当控制在2 m以下，若修建一个容量50 m3的蓄水池，占地就要超过20 m2;若修建一个容量110 m3的蓄水池，占地则要超过40 m2，在江西省经果林开发的丘陵区很难具备这样的地形条件。因此，蓄水池的容量一般宜为20～50 m3，按照“容量小，分布广”原则布设，在条件许可的地方也可修建容量50～100 m3的蓄水池，但必须充分论证比较。将蓄水池作为灌溉补充水源之一，可有效解决江西省果园最需水的关键期补水灌溉问题。经计算，在特旱年95%频率下柑橘果实膨大期净耕果园需灌水156.5 mm，整个柑橘果实膨大期需灌溉水18次。江西省果园常用蓄水池容积约为30 m3，有效容积90%～80%。如提高抗旱天数15 d左右，需每个蓄水池灌溉3～4次，则每公顷果园需蓄水池0.6～0.9个。 　　蓄水池的容量验证按下式计算
　　V=K（Vw+Vs） （1）
　　式中， V 表示蓄水池容量，m3; Vw 表示设计频率暴雨径流量，m3; Vs 表示设计清淤年累计泥沙淤积量，m3; K 为安全系数，取1.2。
　　蓄水池与坡面排水沟终端相连并以沟中排水为主要水源时，其 Vw值与Vs 值根据排水沟的设计排水量和淤积量计算。因蓄水池前端设沉沙池沉淀泥沙，排入蓄水池的泥沙较少，因此淤积量可忽略不计。
　　神泉小流域蓄水池容量计算结果见表1。
　　按照前文所述，蓄水池的容量一般宜为20～50 m3，按照“容量小，分布广”原则布设。江西省属南方红壤地区，应以排为主，排蓄结合，综合蓄水池功能（主要是方便喷洒农药及化肥），根据地形条件、群众意愿以及常用蓄水池规格确定神泉小流域蓄水池。池体为矩形，规格为35 m3。
　　4 蓄水池的组成与工程设计
　　以《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）为基础，补充蓄水池设计中的一般组成部分，在水土保持工程的实际设计和应用过程中，蓄水池一般应由池体、人梯、进水口、溢水口、放水管和护栏等部分组成，有必要时可补充盖板或其他封闭设施。这样既保证了蓄水池工程的安全性，又保证了实用性、美观性。
　　莲花县神泉小流域的蓄水池工程选用矩形开敞式，由水池、人梯、进水口、溢水口、放水管和护栏等部分组成。经果林地块附近水源较丰富，作物用水有保证。蓄水池池体为矩形，规格为35 m3（长5.0 m，宽4.0 m，深1.75 m），多余来水经溢水口排至排水沟。为防止地基应力、不均匀沉陷以及温度变化等情况导致底板开裂、渗漏，先压实土壤，并铺筑15 cm的卵石垫层，以封闭土壤空隙。池底板采用C15钢筋混凝土浇筑，厚20 cm。侧墙高度2.25 m，侧墙断面采用砖砌24墙，表面抹2 cm厚的M10水泥砂浆。
　　根据蓄水池人工用水和清淤的需要，设置人梯一座，人梯宽度1.0 m，高1.75 m，采用机砖砌筑。蓄水池四周设砖砌露花围栏，护栏高1.0 m。池下部设排水管，排水管出口与池下方的截排沟渠相连。蓄水池典型设计详见图2与图3，每座蓄水池断面尺寸及工程量如下。
　　（1） 侧墙。断面尺寸：侧墙断面采用砖砌24墙，高2.25 m水泥砂浆抹面，抹面厚度2 cm。工程量：机砖5.65千块，砌筑砂浆2.52 m3，M10抹面砂浆1.30 m3。
　　（2） 底板。断面尺寸：水池底板厚20 cm，C15钢筋混凝土浇筑。工程量：C15混凝土4.86 m3，钢筋17.85 kg，抗渗剂24.0 kg，卵石垫层3.29 m3。
　　（3） 人梯。断面尺寸：人梯宽度1.0 m，高1.75 m，采用机砖砌筑，人梯步阶为20 cm×25 cm每台。工程量：机砖0.8千块，M10砂浆抹面6.94 m2。
　　（4） 围栏。断面尺寸：高1.0 m，采用机砖砌筑。工程量：机砖2.65千块。
　　5 蓄水池工程稳定性计算
　　按照目前国家生态文明试验区（江西省）建设的要求，蓄水池尤其是丘陵区蓄水池应确保安全稳定使用，使它能够长期发挥效益。因此，蓄水池的安全稳定计算应在国标的基础上进一步提高要求和细化，供设计人员参考。
　　根据江西省长期的水土保持工程设计与实施情况，以《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）为基础，因地制宜补充有关蓄水池抗滑、抗倾覆、地基承载力验算等稳定计算的规定，明确稳定安全系数阈值和符合稳定要求的条件[19-20]。
　　5.1 抗倾覆验算
　　（1） 工况的确定。侧墙断面尺寸在正常工况下稳定分析拟定，正常工况分为墙外填土、池内无水和墙外填土、池内满水两种情况，稳定性分析以最不利工况，即池内无水、墙外填土的情况进行计算。
　　（2） 验算结果。抗倾覆验算按下式计算：
　　K=（W+P ay ）fP ax   （2）
　　P=12γH2·tan2（45°-φ2）  （3）
　　式中， K表示稳定安全系数;W 为砌砖重量，t;砖砌体容重为2.2 t/m3; P 表示主动土压力，t; P ax  表示主动土压力的水平分力，t，  P ax =P·sin（ε+δ）;P ay  表示主動土压力的垂直分力，t， P ay =P·cos（ε+δ） ;ε表示墙背倾斜角度;δ表示墙摩擦角;f表示土基地摩擦系数，取值0.35;γ 表示土容重，t/m3，取值1.8 t/m3; H 表示墙高，m; φ 表示土的内摩擦角，22.3°。
　　神泉小流域蓄水池侧墙稳定性计算结果见表2。
　　根据稳定验算，侧墙稳定安全系数 K =1.32> 1.2 ，符合稳定要求。
　　5.2 地基承载力验算
　　（1） 基底应力按下式计算：
　　Pk=Gk/A  （4）
　　Gk=Gc+Gw+Gt+Gh （5）
　　式中， Pk 表示基底压强，kN/m2; Gk 表示由蓄水池向下传导的全部竖向标准荷载，kN; A 表示池底面积，m2; Gc 表示池体结构自重，kN; Gw表示 池内水重，kN; Gt 表示覆土重量，kN; Gh 表示活载作用，kN。 　　神泉小流域蓄水池地基承载力计算成果见表3。
　　（2） 根据基础规范的要求，修正地基承载力按下式计算：
　　Fa=F ak +ηdγm（d-0.5）  （6）
　　式中， Fa 表示地基承载力修正值，kPa; F ak  表示地基承载力特征值，取120.0 kPa; ηd 表示埋深修正系数，取1.0; γm表示计算基础底面以上土的加权平均重度γm ，kN/m3; d 表示池体埋深，m。
　　神泉小流域蓄地基承载力修正计算成果见表4。
　　（3） 验算结果。根据验算， Pk=44.21kN·m 2<Fa =150.24 kPa，地基承载力满足要求。
　　5.3 抗滑验算
　　抗滑验算按下式计算：
　　K=f·WP  （7）
　　式中， K表示墙体抗滑稳定安全系数;f 表示墙体与基础的摩擦系数;W 表示垂直于滑动面的荷载总和，m3; P 为平行于滑动面的荷载总和，m3。
　　神泉小流域蓄水池抗滑稳定计算成果见表5。
　　根据稳定验算，抗滑稳定安全系数 K =1.29> 1.2 ，符合稳定要求。
　　6 进（溢）水口设计
　　过水断面公式为：
　　Q=M2gbh 3/2  （8）
　　式中， Q 表示进（溢）水最大流量，m3/s; M 表示流量系数，取0.35; g 表示重力加速度，取9.81 m3/s; b 表示堰顶宽，m; h 表示堰顶水深，m。
　　蓄水池承接截排沟渠排水，因此进（溢）水口最大流量应满足截排沟渠设计流量。经计算，进（溢）水口宽0.3 m，深0.3 m，能满足设计流量，加上0.1 m安全超高，确定进（溢）水口宽0.3 m，深0.4 m。
　　7 结 语
　　蓄水池工程是小流域治理中较为常见、应用较为广泛的一项重要措施，与生态草沟等截排沟渠连通形成完整的坡面水系工程，对保护农村河道水生态有重要意义。但目前有关江西省小流域治理中蓄水池工程设计标准的研究相对缺乏。由于南北方的气候、土壤、不同地域地貌等的差异，江西省小流域治理中蓄水池工程的设计标准宜在国家标准《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）的基础上根据本省的实际情况进行细化，包括工程布置、容量计算、工程设计的安全性、一般组成部分、蓄水池抗倾覆验算、地基承载力验算、抗滑验算以及稳定安全系数阈值参数等。为此，本文以国家水土保持重点建设工程江西省莲花县神路项目区神泉小流域为例，对江西省小流域治理中蓄水池工程设计标准进行了一定的探索与研究，对提高江西省蓄水池工程措施的效益、促进生态鄱阳湖流域建设及国家生态文明试验区（江西省）建设具有重要的技术指导意义。
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　　引用本文：张利超，谢颂华，喻荣岗，钱 堃，龚长春.小流域治理中蓄水池工程设计探讨[J].人民长江，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
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