一种简易蓄水池的设计及其在地表水滴灌工程中的应用

姚 贤

（民乐县抗旱防汛服务队，甘肃 民乐 734500）

0 引言

近年来，随着高标准农田建设的逐步推进，人们对滴灌技术的节水增产效果有了更清晰的认识，加快了河水灌区滴灌工程的建设步伐，在田间地头修建了大量的蓄水池。这些蓄水池作为地表水滴灌工程的水源设施，为当地的农业节水灌溉提供了有力保障。本着经济、适用、耐久等原则，笔者设计了一种结构简单、技术含量低、施工快速方便、造价较低的简易蓄水池，并从布置形式、防渗结构设置、引水和出水设施设置等方面系统地介绍该蓄水池设计方案。从已建成并运行3 a的简易蓄水池应用情况来看，池体无渗漏，坡面无滑塌，引水入池快捷，坝底取水方便，其设计功能发挥正常，基本达到了造价低、建造易、寿命长等目的。

1 工程地概况

民乐县位于甘肃省张掖市东南约65 km处，地处甘肃段祁连山北麓，区域总面积3 687 km。第三次全国国土调查数据显示，民乐县耕地面积9.123万hm，其中水浇地8.275万hm，占全县耕地面积的90.71%。民乐县自2019年开始实施高标准农田建设项目，截至2021年底，已建成适宜现代农业生产、旱涝保收、高产稳产的高标准农田2.133万hm，为县域农业经济的快速发展注入了新的活力。在建成的高标准农田中，地表水高效节水滴灌工程覆盖面积占比87%，达到了1.900万hm，分布在全县10个乡镇的28个村。同时，该县按照整村推进、分片灌溉、多样种植、施肥独立和互不打架等原则，在灌区骨干渠道附近设置简易蓄水池28座，库容0.5万～5.0万m不等，作为地表水滴灌工程田间地头的水源，对其水量的调蓄、水质的净化发挥了极大的作用，保证了滴灌工程正常运行，实现了科学灌溉、施肥，增产效果明显，农民收益大大提高。

2 简易蓄水池设计

2.1 蓄水池布置

按照从渠道引水方便、水头损失小、就高不就低等原则，蓄水池一般布置在耕地与来水支渠现状斗口的交叉位置。充分利用支渠上设有的斗口分水入池，并以蓄水池长边与支渠平行为先决条件，充分利用地形地貌条件，本着节约耕地的原则，可将蓄水池设置为长方形、正方形、梯形、三角形等平面形式。蓄水池由池体部分、上游进水部分、下游出水部分和坝顶防护设施等组成。其中，池体部分包括四周坝体和防渗体，上游进水部分包括池外引水渠、入池坝坡陡槽段、渠口沉砂池、池底消力池等，下游出水部分包括坝底出水管、管首进水池、拦污罩、管尾闸阀室等，防护设施包括坝顶四周安全防护网和安全标志牌等。

2.2 蓄水池容积确定

蓄水池库容参照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189—2013）中的兴利库容计算公式计算确定：

式（1）中：表示损失占兴利库容百分比，取值0.1；表示灌溉面积（hm）；表示667 m灌水定额（m）；表示有效利用系数，取值0.9。

将拟建蓄水池控制灌溉面积中的夏禾作物面积作为灌溉面积，同步取作物最大灌水定额和灌溉水利用系数等参数计算蓄水池容积。

2.3 池体设计

蓄水池正常水深设计为3.0 m，坝体采用一坡到底形式，池底水平，坝坡迎水面坡比为1∶4，背水面坡比为1∶3。筑坝材料采用蓄水池的开挖料。根据地质勘探结果，项目区内的耕地土层厚度为1～3 m不等，其下为巨厚的砂卵砾石层，蓄水池开挖料适宜作为筑坝料。

2.3.1 坝体设计。

2.3.1 .1 坝顶超高确定。坝顶超高只考虑波浪爬高和设计风壅增水高度。根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189—2013）坝顶在静水面以上的超高，按下式计算：

式（2）中：表示坝顶超高（m）；表示波浪沿着坝坡的最大爬高（m），按《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189—2013）推荐的公式计算；表示坝前静水位因风浪引起的涌高（m）；表示安全加高，正常运用情况下取值0.5 m，非常运用情况下取值0.3 m，不考虑地震加高。取主风向水面宽度为120 m计算坝顶超高值，如表1所示。

表1 坝顶超高计算结果

由表1计算可知，在正常蓄水情况下，蓄水池坝顶超高值为0.99 m。该项目设计取值为1.00 m，则设计蓄水池深4.0 m，正常蓄水位3.0 m，安全超 高1.0 m。

2.3.1 .2 坝顶宽度确定。考虑施工要求、蓄水池构造、抗震等因素，蓄水池坝顶宽度取值为4.0 m，并铺设5 cm厚砂砾石作为坝顶岸面保护层。

2.3.1 .3 坝体结构设计。坝体截面设计为梯形，其迎水面坡比为1∶4，背水面坡比为1∶3。坝体用池内开挖土料逐层碾压成形，要求压实度不小于96%。

2.3.2 防渗结构设计。蓄水池采用全断面铺设土工膜防渗，防渗结构自下而上依次为20 cm厚黏土保护层、两布一膜防渗层、20 cm厚黏土保护层、30 cm厚砂砾石压重体。

2.3.2 .1 土工膜设计。选用SN2/PE-14-400-0.4规格的复合土工膜，即短纤针刺非织造/PE复合两布一膜，单位面积总质量为400 g/m，每层200 g/m，幅宽≥6 m，搭接强度不低于母材强度。复合土工膜质量应符合《土工合成材料非织造布复合土工膜》（GB/T 17642—2008）规范要求（见表2）。

表2 两布一膜复合土工膜物理力学指标

2.3.2 .2 保护层设计。为了防止膜上荷载作业时基底尖物刺破土工膜，在露天暴晒下降低质量性能，减少使用寿命，土工膜必须设置上、下两层保护层。保护层应就地取材。该项目采用蓄水池开挖的地表黏土作为保护层材料，要求黏土颗粒均匀、无杂质、含水量适宜，最大粒径不大于10 mm，铺设厚度20 cm。

2.3.2 .3 压重体设计。为了防止土工膜上面黏土保护层亲水流失，在黏土保护层上面均匀覆盖一层砂砾石压重体，作为黏土保护层的屏障。压重体就地取材，采用蓄水池开挖的砂砾石料作为压重体料，要求处理后的砂砾石颗粒级配连续，无杂质，最大粒径不大于150 mm，铺设厚度30 cm。

2.4 进水段设计

2.4.1 引水渠设计。根据灌区配水要求，引水渠道设计流量不小于0.4 m/s。根据严寒地区环境条件，采用C35混凝土预制块衬砌梯形断面渠道，纵坡不小于1/100，抗冻等级F150，抗渗等级W4。其横断面尺寸见图1。

2.4.2 陡槽段设计。在坝坡上布置陡槽段，作为防止水流冲刷坡面防渗结构体的保护措施。陡槽段长度等于坡面长度，断面形式和结构尺寸同引水渠设计。由于陡槽岸顶高于坡面，为防止槽内水流侧向出槽冲刷坡面，要求岸顶宽度不小于1.0 m，且岸面外侧与坡面接茬处做成缓坡。

2.4.3 沉砂池设计。在坝顶外引水渠段合适位置布置1座沉砂池，作为入池水流的第一道过滤设施，目的是拦截渠道上游带来的泥沙和杂物。沉砂池内尺寸为长×宽×深=1.00 m×0.90 m×0.85 m。根据严寒地区环境条件，该项目采用C30砼现浇结构，底板厚度0.2 m，墙体厚度0.2 m，在出口处设置一道拦污栅，栅孔间隙10 cm。

2.4.4 消力池设计。为了防止入池水流对池底造成冲刷，在陡槽末端设置1座小型消力池，作为入池水流的消能工。该项目设计消力池内尺寸为长×宽×深=2.4 m×2.4 m×0.5 m，采用C30砼现浇结构，池底厚0.2 m，侧墙厚0.2 m。

2.5 出水段设计

2.5.1 出水管。为了便于运行管理，出水方式采用坝下埋管出水。埋管采用防腐处理后的焊接螺旋钢管，壁厚8 mm，钢管公称直径采用DN350和DN310。独立灌溉面积在80.00 hm以内时，埋设1根DN310钢管；在80.00～133.33 hm时，埋设1根DN350钢管；超过133.33 hm时，可采用同管径或者两种管径的组合。为了防止池内漂浮物进入管道造成堵塞，在管端设置1个由三通和弯头组成的同径“T”形钢弯头进水，弯头进水口离出水池底20 cm，见图2。

2.5.2 出水池。为了防止池内沉积物随水流动进入管口，在“T”形钢弯头处设置1座出水池，作为池内水流进入管道的第一道清洁关口。该项目出水池内尺寸为长×宽×深=1.5 m×1.5 m×0.5 m，采用C30砼现浇结构。为了防止漂浮物入池进入管口，按照池体大小和“T”形弯头高度设置1个网罩，将出水池和“T”形进水弯头罩住，作为池内水流进入管道的第二道清洁关口。

2.5.3 闸阀室。在坝底埋管，管尾处设置1座挖深式闸阀室，安装闸阀控制池内水流。闸阀室尺寸根据节制阀体和管道出口安装的分水口个数以及配套安装的加压水泵数量等确定，其形体为矩形，长边与坝底埋管垂直布局。该项目阀室底板为C30砼现浇结构，厚度为0.3 m，墙身为红砖砌体结构，墙体厚度为 0.37 m，墙体内外侧均抹1∶2.5水泥砂浆防水；盖板为C35钢筋砼现浇结构，厚度为0.15 m，在拐角处预留进入孔，孔的大小以便于室内水泵和闸阀维修更换起吊为宜。

图1 引水渠横断面

图2 “T”形钢弯头进水

2.6 坝顶防护设计

蓄水池建成后，沿蓄水池坝顶设置安全防护栏。该项目护栏高度为1.7 m，单片宽幅为3.0 m，采用浸塑电焊铁丝网，网孔孔径为170 mm×90 mm，丝径+浸塑厚度4 mm，网柱间距为3.0 m，网柱高度为2.1 m，立柱外径48 mm，立柱钢管壁厚0.8 mm；采用混凝土浇筑基座固定立柱，基座尺寸为长×宽×高=0.3 m× 0.3 m×0.4 m；并且在安全防护栏四周悬挂安全防护警示标语。

3 抗滑稳定计算

该项目中的简易蓄水池为半挖半填形式，正常蓄水深度3.0 m，最大坝高2.0 m，坝体水压力部位高度只有1.0 m，碾压坝体结构完全满足稳定要求，无须进行稳定校核计算。但坝面防渗结构的保护层与土工膜之间可能存在相对滑动情形，故对上游坝坡进行土工膜与防护层之间的抗滑稳定计算是必要的。根据《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》（SL/T 231—98），PE土工膜与膜上保护层之间的抗滑稳定可按下式计算：

式（3）中：表示安全系数；表示坡角，该坝体上游坝坡为1∶4，坡角取值14.04°；表示土工膜与防护层的摩擦系数，干燥状态下取值0.5，饱和状态下取值0.45。

按照保护层在干燥状态和饱和状态两种情况分别计算土工膜与保护层之间的抗滑稳定程度，截取坝中断面计算两种状态下的保护层最小安全系数，计算结果见表3。

表3 坝体抗滑稳定计算成果

由表3可知，在两种工作状态下的最小安全系数均大于《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》（SL/T 231—98）规定的允许值，上游坝坡土工膜与防护层在正常运用及非常运用条件下均是稳定的。

4 应用效果

自2018年开始，民乐县已专门为高效节水滴灌工程建设简易蓄水池50多座。从运行效果来看，其坝体稳定，防渗结构完好，池底、坡面无塌陷，砂砾石压重体完好，冬季蓄水满池无渗漏，说明此种简易蓄水池在民乐县高标准农田建设中的应用是可行的。从建造周期上来讲，由于其结构简单、就地取材，从开工到完工工期可缩短至40 d，可根据当地的气候条件，在农作物播种前建池蓄水，为农作物灌溉提供保障。

5 结语

笔者根据高标准农田建设中地表水滴灌工程水源设施的特点，设计了一种简易水池，并从蓄水池的布置、容积确定、池体设计等方面总结了设计要点，在实际应用中也达到了预期效果。蓄水池池体大部分嵌入原地面以下，整体稳定；池体采用常规的土工膜防渗，用黏土保护膜面，取材方便，铺设简便；引水渠采用混凝土预制块衬砌，工序简单；坝底出水钢管规格统一、埋设方便，质量易于控制。此种蓄水池结构简单、技术含量低、施工快速方便、造价较低，可建在田间地头作为地表水滴灌工程的补充水源。