小流域治理中蓄水池工程設計探討

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工程江西省蓮花縣神路項目區神泉小流域為典型實例，根據“技術先進、經濟合理、安全可靠”的原則，以《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）為基礎，從蓄水池工程布置、容量計算、組成與工程設計、安全穩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計標準，對江西省以及南方紅壤區的水土流失防治與水土保持規劃設計具有一定的技術指導意義。

關?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《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）[1]，對規范全國各地的水土保持工程設計具有重要意義。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、多發、面廣、量大、形式多樣等特點，且隨著國家生態文明試驗區（江西）建設的推進，對江西省小流域治理工程設計的要求越來越高[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計要求與北方存在較大的不同，需在國家標準《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）的基礎上，根據江西省多年來的治理經驗對其進行細化[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工程江西省蓮花縣神路項目區神泉小流域為典型實例，結合該省多年來的實踐，以及最新的水土流失防治科研、規劃設計成果，江西省小流域治理中蓄水池工程設計的標準和要求，并根據“技術先進、經濟合理、安全可靠”的原則，在國標《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）的基礎上探討了適宜江西省小流域治理中蓄水池工程設計的標準，以期對江西省以及南方紅壤區水土流失防治、水土保持規劃設計提供一定參考。

1?工程項目概況

國家水土保持重點建設工程江西省蓮花縣神路項目區神泉小流域地處南嶺山地水源涵養保土區，該水土保持三級區劃的水土保持主導基礎功能是水源涵養、土壤保持。水土保持社會經濟功能包括綜合農業生產、林業生產、牧業生產、河源區保護、水源地保護、自然景觀保護、生物多樣性保護、土地生產力保護等[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，現有植被類型主要是松杉殘次林為主的針葉林。據外業調查，小流域內現有水土流失總面積6.15 km2，占土地總面積的14.60%。水土流失類型主要為水蝕，年土壤侵蝕模數為1 970 t/km2，年土壤侵蝕量達2.53萬t[13-16]。根據神泉小流域的自然條件、水土流失特點、經濟社會狀況和農業發展方向，堅持工程措施、林草措施與封禁治理相結合，治理與開發相結合，喬、灌、草相結合，經濟效益、生態效益和社會效益相結合，在土地利用結構調整的基礎上，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，營造經濟果木林，發展特色、優質林果業。在營造經濟果木林的地塊，根據實際情況，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，以改善農業生產條件，發展水土保持經濟[17-18]。

神泉小流域水土保持措施體系見圖1。

2?蓄水池工程的布設位置

有關蓄水池的工程布置，《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）15.2.2-1規定：“蓄水池宜布設在坡腳或坡面局部低洼處，與排水溝相連，容蓄坡面排水”。根據多年來江西省水土保持工程建設的實際情況，需以國標為基礎對蓄水池位置的布設進行細化。在建設實踐中，考慮到水肥一體化的現代農業發展趨勢，在一部分地塊需在坡頂布設蓄水池，并與提灌措施一起使用。因此，雖然蓄水池大多宜布設在坡腳或坡面局部低洼處，但應因地制宜選擇蓄水池布設位置，對于確需布設在坡頂的蓄水池，應與提灌措施結合使用，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濟林地塊內，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

《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）中有關蓄水池的容量規定為10～500 m3。在江西省水土保持工程設計實際中，未發現容量大于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計中蓄水池的單池容量宜為20～100 m3。主要原因為：與北方設計不同，江西省蓄水池布局設計關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，核心問題是應基于蓄水池的占地以及與作物季節性缺水的對應關系來確定蓄水池的大小和數量。根據相關課題研究成果，出于水壓力對結構的限制和方便管理考慮，蓄水池的深度一般應當控制在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，在江西省經果林開發的丘陵區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，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鍵期補水灌溉問題。經計算，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?表示設計頻率暴雨徑流量，m3;?Vs?表示設計清淤年累計泥沙淤積量，m3;?K?為安全系數，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?值根據排水溝的設計排水量和淤積量計算。因蓄水池前端設沉沙池沉淀泥沙，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。江西省屬南方紅壤地區，應以排為主，排蓄結合，綜合蓄水池功能（主要是方便噴灑農藥及化肥），根據地形條件、群眾意愿以及常用蓄水池規格確定神泉小流域蓄水池。池體為矩形，規格為35 m3。

4?蓄水池的組成與工程設計

以《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）為基礎，補充蓄水池設計中的一般組成部分，在水土保持工程的實際設計和應用過程中，蓄水池一般應由池體、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，規格為35 m3（長5.0 m，寬4.0 m，深1.75 m），多余來水經溢水口排至排水溝。為防止地基應力、不均勻沉陷以及溫度變化等情況導致底板開裂、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。側墻高度2.25 m，側墻斷面采用磚砌24墻，表面抹2 cm厚的M10水泥砂漿。

根據蓄水池人工用水和清淤的需要，設置人梯一座，人梯寬度1.0 m，高1.75 m，采用機磚砌筑。蓄水池四周設磚砌露花圍欄，護欄高1.0 m。池下部設排水管，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） 側墻。斷面尺寸：側墻斷面采用磚砌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，抗滲劑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?蓄水池工程穩定性計算

按照目前國家生態文明試驗區（江西省）建設的要求，蓄水池尤其是丘陵區蓄水池應確保安全穩定使用，使它能夠長期發揮效益。因此，蓄水池的安全穩定計算應在國標的基礎上進一步提高要求和細化，供設計人員參考。

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

5.1?抗傾覆驗算

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

（2） 驗算結果。抗傾覆驗算按下式計算：

K=（W+P?ay?）fP?ax???（2）

P=12γH2·tan2（45°-φ2）??（3）

式中，?K表示穩定安全系數;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，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?表示土的內摩擦角，22.3°。

神泉小流域蓄水池側墻穩定性計算結果見表2。

根據穩定驗算，側墻穩定安全系數?K?=1.32>?1.2?，符合穩定要求。

5.2?地基承載力驗算

（1） 基底應力按下式計算：

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的全部豎向標準荷載，kN;?A?表示池底面積，m2;?Gc?表示池體結構自重，kN;?Gw表示?池內水重，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） 根據基礎規范的要求，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，取1.0;?γm表示計算基礎底面以上土的加權平均重度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） 驗算結果。根據驗算，?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表示墻體抗滑穩定安全系數;f 表示墻體與基礎的摩擦系數;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定計算成果見表5。

根據穩定驗算，抗滑穩定安全系數?K?=1.29>?1.2?，符合穩定要求。

6?進（溢）水口設計

過水斷面公式為：

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，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）水口最大流量應滿足截排溝渠設計流量。經計算，進（溢）水口寬0.3 m，深0.3 m，能滿足設計流量，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 語

蓄水池工程是小流域治理中較為常見、應用較為廣泛的一項重要措施，與生態草溝等截排溝渠連通形成完整的坡面水系工程，對保護農村河道水生態有重要意義。但目前有關江西省小流域治理中蓄水池工程設計標準的研究相對缺乏。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計標準宜在國家標準《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）的基礎上根據本省的實際情況進行細化，包括工程布置、容量計算、工程設計的安全性、一般組成部分、蓄水池抗傾覆驗算、地基承載力驗算、抗滑驗算以及穩定安全系數閾值參數等。為此，本文以國家水土保持重點建設工程江西省蓮花縣神路項目區神泉小流域為例，對江西省小流域治理中蓄水池工程設計標準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、促進生態鄱陽湖流域建設及國家生態文明試驗區（江西省）建設具有重要的技術指導意義。

參考文獻：

[1]GB 51018-2014水土保持工程設計規范[S].

[2]張利超.江西省水土保持區劃及防治布局研究[J].中國水土保持，2016（2）：36-41.

[3]張利超，謝頌華.江西省水土流失重點防治區的復核和劃分[J].水土保持通報，2016，36（1）：230-235.

[4]張利超，王輝文，謝頌華. 江西省水土流失現狀與發展趨勢分析[J].水土保持研究，2016，23（1）：356-359.

[5]張利超，王農.江西省水土保持現狀分析及防治對策研究[J].水土保持應用技術，2015（6）：42-46.

[6]張利超，喻榮崗，陳浩，等.江西省水土流失易發區劃分研究[J].水土保持應用技術，2017（6）：39-42.

[7]張平倉，丁文峰.長江中上游坡耕地侵蝕產沙調控理論與實踐[J].人民長江，2018，49（1）：23-27.

[8]陳高貴.貴州織金縣石漠化防治對策及效益分析[J].人民長江，2010，41（9）：101-103.

[9]胡玉法.長江流域坡耕地治理探討[J].人民長江，2009，40（8）：72-75.

[10]張金生，張利超，王農.江西省“四型”小流域綜合治理模式初探[J].江西水利科技，2016，42（2）：148-152.

[11]張金生，張利超，謝頌華.江西省水土保持措施普查成果分析[J].亞熱帶水土保持，2016，28（2）：39-41，59.

[12]李杰，周全，徐昕.小流域綜合治理實施方案編制探討[J].人民長江，2017，48（12）：15-17，54.

[13]王化翠，雷興順，劉志明.水利水電勘測設計標準體系的演變與優化[J].人民長江，2016，47（16）：105-109.

[14]王輝，鄭彩霞，黃靜.小流域蓄水池設計方案探討[J].山東水利，2011（3）：23，25.

[15]高寶林，鄭珉姣，周薇，等.水資源豐缺程度評價在水土保持規劃中的應用[J].人民長江，2017，48（24）：48-51.

[16]汪邦穩，方少文，沈樂，等.贛北紅壤區坡面水系工程截流攔沙控污效應分析[J].人民長江，2013，44（5）：95-99.

[17]王禹生，田紅.鐵瓦河小流域水土保持經濟效益計算[J].人民長江，1999，30（4）：27-29，48.

[18]王正秋.“長治”工程區坡耕地治理技術創新與推廣[J].人民長江，2010，41（13）：97-101.

[19]鐘厚彬.遵義龍壩小流域治理蓄水池方案對比[J].中國水利，2008（18）：45-46.

[20]雷祥.溪口河小流域坡耕地整治中坡面水系工程設計[J].水利科技與經濟，2014，20（3）：79-81.

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