一種簡易蓄水池的設計及其在地表水滴灌工程中的應用

姚 賢

（民樂縣抗旱防汛服務隊，甘肅 民樂 734500）

0 引言

近年來，隨著高標準農田建設的逐步推進，人們對滴灌技術的節水增產效果有了更清晰的認識，加快了河水灌區滴灌工程的建設步伐，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施，為當地的農業節水灌溉提供了有力保障。本著經濟、適用、耐久等原則，筆者設計了一種結構簡單、技術含量低、施工快速方便、造價較低的簡易蓄水池，并從布置形式、防滲結構設置、引水和出水設施設置等方面系統地介紹該蓄水池設計方案。從已建成并運行3 a的簡易蓄水池應用情況來看，池體無滲漏，坡面無滑塌，引水入池快捷，壩底取水方便，其設計功能發揮正常，基本達到了造價低、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，區域總面積3 687 km。第三次全國國土調查數據顯示，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年開始實施高標準農田建設項目，截至2021年底，已建成適宜現代農業生產、旱澇保收、高產穩產的高標準農田2.133萬hm，為縣域農業經濟的快速發展注入了新的活力。在建成的高標準農田中，地表水高效節水滴灌工程覆蓋面積占比87%，達到了1.900萬hm，分布在全縣10個鄉鎮的28個村。同時，該縣按照整村推進、分片灌溉、多樣種植、施肥獨立和互不打架等原則，在灌區骨干渠道附近設置簡易蓄水池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，對其水量的調蓄、水質的凈化發揮了極大的作用，保證了滴灌工程正常運行，實現了科學灌溉、施肥，增產效果明顯，農民收益大大提高。

2 簡易蓄水池設計

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狀斗口的交叉位置。充分利用支渠上設有的斗口分水入池，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，本著節約耕地的原則，可將蓄水池設置為長方形、正方形、梯形、三角形等平面形式。蓄水池由池體部分、上游進水部分、下游出水部分和壩頂防護設施等組成。其中，池體部分包括四周壩體和防滲體，上游進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、管首進水池、攔污罩、管尾閘閥室等，防護設施包括壩頂四周安全防護網和安全標志牌等。

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計規范》（SL 189—2013）中的興利庫容計算公式計算確定：

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，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等參數計算蓄水池容積。

2.3 池體設計

蓄水池正常水深設計為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。根據地質勘探結果，項目區內的耕地土層厚度為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 壩體設計。

2.3.1 .1 壩頂超高確定。壩頂超高只考慮波浪爬高和設計風壅增水高度。根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189—2013）壩頂在靜水面以上的超高，按下式計算：

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計規范》（SL 189—2013）推薦的公式計算；表示壩前靜水位因風浪引起的涌高（m）；表示安全加高，正常運用情況下取值0.5 m，非常運用情況下取值0.3 m，不考慮地震加高。取主風向水面寬度為120 m計算壩頂超高值，如表1所示。

表1 壩頂超高計算結果

由表1計算可知，在正常蓄水情況下，蓄水池壩頂超高值為0.99 m。該項目設計取值為1.00 m，則設計蓄水池深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。考慮施工要求、蓄水池構造、抗震等因素，蓄水池壩頂寬度取值為4.0 m，并鋪設5 cm厚砂礫石作為壩頂岸面保護層。

2.3.1 .3 壩體結構設計。壩體截面設計為梯形，其迎水面坡比為1∶4，背水面坡比為1∶3。壩體用池內開挖土料逐層碾壓成形，要求壓實度不小于96%。

2.3.2 防滲結構設計。蓄水池采用全斷面鋪設土工膜防滲，防滲結構自下而上依次為20 cm厚黏土保護層、兩布一膜防滲層、20 cm厚黏土保護層、30 cm厚砂礫石壓重體。

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

表2 兩布一膜復合土工膜物理力學指標

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

2.3.2 .3 壓重體設計。為了防止土工膜上面黏土保護層親水流失，在黏土保護層上面均勻覆蓋一層砂礫石壓重體，作為黏土保護層的屏障。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，無雜質，最大粒徑不大于150 mm，鋪設厚度30 cm。

2.4 進水段設計

2.4.1 引水渠設計。根據灌區配水要求，引水渠道設計流量不小于0.4 m/s。根據嚴寒地區環境條件，采用C35混凝土預制塊襯砌梯形斷面渠道，縱坡不小于1/100，抗凍等級F150，抗滲等級W4。其橫斷面尺寸見圖1。

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

2.4.3 沉砂池設計。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施，目的是攔截渠道上游帶來的泥沙和雜物。沉砂池內尺寸為長×寬×深=1.00 m×0.90 m×0.85 m。根據嚴寒地區環境條件，該項目采用C30砼現澆結構，底板厚度0.2 m，墻體厚度0.2 m，在出口處設置一道攔污柵，柵孔間隙10 cm。

2.4.4 消力池設計。為了防止入池水流對池底造成沖刷，在陡槽末端設置1座小型消力池，作為入池水流的消能工。該項目設計消力池內尺寸為長×寬×深=2.4 m×2.4 m×0.5 m，采用C30砼現澆結構，池底厚0.2 m，側墻厚0.2 m。

2.5 出水段設計

2.5.1 出水管。為了便于運行管理，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。獨立灌溉面積在80.00 hm以內時，埋設1根DN310鋼管；在80.00～133.33 hm時，埋設1根DN350鋼管；超過133.33 hm時，可采用同管徑或者兩種管徑的組合。為了防止池內漂浮物進入管道造成堵塞，在管端設置1個由三通和彎頭組成的同徑“T”形鋼彎頭進水，彎頭進水口離出水池底20 cm，見圖2。

2.5.2 出水池。為了防止池內沉積物隨水流動進入管口，在“T”形鋼彎頭處設置1座出水池，作為池內水流進入管道的第一道清潔關口。該項目出水池內尺寸為長×寬×深=1.5 m×1.5 m×0.5 m，采用C30砼現澆結構。為了防止漂浮物入池進入管口，按照池體大小和“T”形彎頭高度設置1個網罩，將出水池和“T”形進水彎頭罩住，作為池內水流進入管道的第二道清潔關口。

2.5.3 閘閥室。在壩底埋管，管尾處設置1座挖深式閘閥室，安裝閘閥控制池內水流。閘閥室尺寸根據節制閥體和管道出口安裝的分水口個數以及配套安裝的加壓水泵數量等確定，其形體為矩形，長邊與壩底埋管垂直布局。該項目閥室底板為C30砼現澆結構，厚度為0.3 m，墻身為紅磚砌體結構，墻體厚度為 0.37 m，墻體內外側均抹1∶2.5水泥砂漿防水；蓋板為C35鋼筋砼現澆結構，厚度為0.15 m，在拐角處預留進入孔，孔的大小以便于室內水泵和閘閥維修更換起吊為宜。

圖1 引水渠橫斷面

圖2 “T”形鋼彎頭進水

2.6 壩頂防護設計

蓄水池建成后，沿蓄水池壩頂設置安全防護欄。該項目護欄高度為1.7 m，單片寬幅為3.0 m，采用浸塑電焊鐵絲網，網孔孔徑為170 mm×90 mm，絲徑+浸塑厚度4 mm，網柱間距為3.0 m，網柱高度為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；并且在安全防護欄四周懸掛安全防護警示標語。

3 抗滑穩定計算

該項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，碾壓壩體結構完全滿足穩定要求，無須進行穩定校核計算。但壩面防滲結構的保護層與土工膜之間可能存在相對滑動情形，故對上游壩坡進行土工膜與防護層之間的抗滑穩定計算是必要的。根據《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術規范》（SL/T 231—98），PE土工膜與膜上保護層之間的抗滑穩定可按下式計算：

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

按照保護層在干燥狀態和飽和狀態兩種情況分別計算土工膜與保護層之間的抗滑穩定程度，截取壩中斷面計算兩種狀態下的保護層最小安全系數，計算結果見表3。

表3 壩體抗滑穩定計算成果

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

4 應用效果

自2018年開始，民樂縣已專門為高效節水滴灌工程建設簡易蓄水池50多座。從運行效果來看，其壩體穩定，防滲結構完好，池底、坡面無塌陷，砂礫石壓重體完好，冬季蓄水滿池無滲漏，說明此種簡易蓄水池在民樂縣高標準農田建設中的應用是可行的。從建造周期上來講，由于其結構簡單、就地取材，從開工到完工工期可縮短至40 d，可根據當地的氣候條件，在農作物播種前建池蓄水，為農作物灌溉提供保障。

5 結語

筆者根據高標準農田建設中地表水滴灌工程水源設施的特點，設計了一種簡易水池，并從蓄水池的布置、容積確定、池體設計等方面總結了設計要點，在實際應用中也達到了預期效果。蓄水池池體大部分嵌入原地面以下，整體穩定；池體采用常規的土工膜防滲，用黏土保護膜面，取材方便，鋪設簡便；引水渠采用混凝土預制塊襯砌，工序簡單；壩底出水鋼管規格統一、埋設方便，質量易于控制。此種蓄水池結構簡單、技術含量低、施工快速方便、造價較低，可建在田間地頭作為地表水滴灌工程的補充水源。