張家口烏拉哈達(dá)水電站工程設(shè)計及分析

朱貴有，席建強(qiáng)

（1.河北省張家口市清水河河務(wù)管理處，河北 張家口 075000；2.張家口市水利發(fā)展規(guī)劃中心，河北 張家口 075000）

張家口市位于河北省西北部，是該地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化的中心，具有重要的戰(zhàn)略地位，是溝通中原與北疆、連接中西部資源產(chǎn)區(qū)與東部經(jīng)濟(jì)帶的重要紐帶。

清水河洪水源短流急、陡漲陡落，由于流經(jīng)張家口市區(qū)，是張家口市主城區(qū)的主要洪水威脅，且清水河兩岸為城市建成區(qū)，無法再通過河道治理滿足防洪要求。因此，在城市上游清水河上修建烏拉哈達(dá)水利樞紐工程，是解決張家口市防洪的根本措施。本文圍繞張家口烏拉哈達(dá)水電站設(shè)計展開分析。

1 概況

烏拉哈達(dá)水利樞紐位于河北省張家口市崇禮區(qū)境內(nèi)，東、西水庫分別坐落于清水河上游的東、西溝上。清水河是永定河上游洋河的一條較大支流，流域面積2380 km2，河道全長122 km，河道縱坡8‰～10‰，河網(wǎng)密度0.51，河流彎曲度1.5。

2 設(shè)計洪水及泥沙分析

清水河干流設(shè)有張家口水文站，支流西溝設(shè)有啕喇廟水文站。此外，在東溝曾設(shè)有崇禮水文站和榆樹林水文站，正溝曾設(shè)有中山溝水文站。成果質(zhì)量符合《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）和《水文年鑒匯編刊印規(guī)范》（SL 460-2009）的要求，資料質(zhì)量可靠，可供水文分析計算使用。

2.1 設(shè)計洪水

清水河流域的暴雨特性是籠罩面積小，雨量大、歷時短，經(jīng)常出現(xiàn)局部地區(qū)短歷時降雨。與暴雨相對應(yīng)，洪水也多為局部性洪水。流域內(nèi)河道坡度較陡，各支流溝短坡陡，加之植被較差，洪水具有源短流急，驟降驟落的特點(diǎn)。歷年最大洪水出現(xiàn)時間多為7月、8月兩月，僅有個別年份出現(xiàn)在6月和9月。洪水在年際變化上與降雨基本相同，具有年際變化懸殊的特點(diǎn)。歷史洪水重現(xiàn)期分析成果見表1。

表1 歷史洪水重現(xiàn)期分析成果表

根據(jù)各區(qū)域洪水系列，結(jié)合歷史洪水重現(xiàn)期考證及分析結(jié)果，采用P-Ⅲ曲線適線，進(jìn)行張家口站、啕喇廟站、啕喇廟—張家口站區(qū)間設(shè)計洪水的計算，東、西水庫設(shè)計洪水計算成果見表2:

表2 烏拉哈達(dá)水利樞紐設(shè)計洪水成果表

（1）東水庫設(shè)計洪水依據(jù)啕喇廟—張家口站區(qū)間分析成果，按面積比的方法計算。啕喇廟—張家口站區(qū)間控制流域面積1469 km2，東水庫控制流域面積1231 km2，占啕—張區(qū)間控制流域面積的84%；

（2）西水庫設(shè)計洪水依據(jù)啕喇廟站分析成果，按面積比的方法計算。啕喇廟水文站控制流域面積722 km2，西水庫控制流域面積為670 km2，占水文站控制流域面積的93%。

2.2 泥沙

張家口水文站控制流域面積為2191 km2，有1954年～2013年60年實(shí)測懸移質(zhì)泥沙資料，經(jīng)計算，其多年平均懸移質(zhì)輸沙量為254.1萬t，平均含沙量為53.3 kg/m3。啕喇廟水文站控制流域面積為722 km2，有1959年～1962年、1964年～1967年、1984年～2013年共38年的實(shí)測懸移質(zhì)泥沙資料，利用張家口站、啕喇廟站同步實(shí)測系列建立兩站相關(guān)關(guān)系，經(jīng)分析兩站年徑流系列相關(guān)程度較高。通過兩站相關(guān)關(guān)系對啕喇廟站缺測的年份進(jìn)行插補(bǔ)延長，經(jīng)計算啕喇廟站多年平均懸移質(zhì)輸沙量為141.2萬t，平均含沙量為97.9 kg/m3。東水庫壩址多年平均懸移質(zhì)年輸沙量采用啕喇廟—張家口站區(qū)間成果推求。西水庫壩址采用啕喇廟水文站成果推求。推移質(zhì)輸沙量按懸移質(zhì)輸沙量的15%計算。東、西水庫年輸沙量成果見表3。

表3 烏拉哈達(dá)水利樞紐輸沙量統(tǒng)計成果表

3 水庫設(shè)計

3.1 水庫建設(shè)方案布局

烏拉哈達(dá)水利樞紐工程主要任務(wù)是解決張家口市的防洪問題。根據(jù)清水河現(xiàn)狀河道地形情況、庫區(qū)淹沒和工程地質(zhì)條件，支流兩中庫方案應(yīng)在滿足水庫原規(guī)劃的防洪、供水等功能前提下進(jìn)行壩址選定。

清水河流域面積為2380 km2，有西溝和東溝兩條主要支流，流域面積分別為722 km2和1315 km2，分別占清水河總流域面積的30%和55%。為盡量減小區(qū)間洪水過大對下游張家口市區(qū)的防洪影響和盡量加大水庫供水量，東水庫、西水庫壩址應(yīng)盡量向下游靠近兩溝匯合口布置，東溝上游壩址不宜超過東溝與正溝匯合口，西溝上游壩址宜在西溝與其支流獅子溝匯合口以下。

本次根據(jù)東、西兩水庫擬建大壩河段的地形地質(zhì)條件，并考慮減小移民淹沒、礦藏和軍用設(shè)施的前提下，擬定兩溝壩址位置。其中東溝自下而上較適合建壩位置為匯合上游10.5 km南地村東的南地壩址和匯合上游15 km上新營子村東的新營子壩址。西溝自下而上較適合建壩位置為匯合上游5.2 km啕北營壩址和匯合上游6.0 km五十家壩址。

3.2 工程選址

經(jīng)分析，清水河上游西溝可建壩河段位于其支流五十家溝匯合口至東、西溝匯合口之間的河段長約6.8 km，經(jīng)相關(guān)部門溝通，同意建壩河段為勝利溝上、下游約1 km～2 km范圍。

根據(jù)地形、地質(zhì)條件，東水庫選擇南地和新營子兩壩址進(jìn)行比選。兩壩型均選取土質(zhì)心墻壩作為代表壩型，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，從地形、地質(zhì)角度來看，新營子壩址略優(yōu)；南地壩址雖主體建筑程投資較大，但水庫移民遷建及專項投資較少，且南地壩址興利庫容較興利庫容增大，其它方面兩壩址基本相當(dāng)。另外，由于南地壩址距張家口市區(qū)較新營子壩址近5 km左右，后期供水線路將節(jié)省約5 km，投資亦有所節(jié)省，因此東水庫選取經(jīng)審查通過的南地壩址作為推薦壩址。

西水庫選取五十家壩址、啕北營壩址進(jìn)行比選，兩壩址均采用壩型比選確定的土質(zhì)心墻砂礫壩作為推薦壩型，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，兩壩址地形、地質(zhì)條件基本相當(dāng)，五十家壩址工程部分投資和移民遷建及專項投資均較省，因此西水庫推薦五十家壩址。

3.3 建筑物選型

（1）攔河壩壩型選擇

根據(jù)地形、地質(zhì)及樞紐布置條件，東、西水庫均選取土質(zhì)心墻壩和碾壓混凝土重力壩兩種壩型[1]，擬定主要建筑物規(guī)模和尺寸后，從地形地質(zhì)條件、工程布置和管理、建筑材料、施工條件和工期、征地移民、對環(huán)境影響和工程投資等多方面對兩壩型進(jìn)行同精度比選。

經(jīng)比選，碾壓混凝土重力壩在工程布置和管理、對環(huán)境影響、和可靠度方面占優(yōu)；土質(zhì)心墻壩在適應(yīng)地基變形能力、施工條件和工期、投資方面占優(yōu)，兩壩型各具優(yōu)缺點(diǎn)。綜合分析比較，東水庫土質(zhì)心墻壩方案投資節(jié)省約2.05億元，西水庫投資較碾壓混凝土重力壩方案節(jié)省3.77億元，因此推薦土質(zhì)心墻壩方案作為代表壩型。

（2）泄洪建筑物方案確定

考慮水庫洪峰、洪水總量等因素，對泄洪排沙洞單獨(dú)泄洪、溢洪道和泄洪洞聯(lián)合泄洪兩種泄洪方案[2]進(jìn)行比選。

從經(jīng)濟(jì)角度考慮，溢洪道和泄洪洞聯(lián)合泄洪方案投資較高；從工程運(yùn)行期泄洪運(yùn)用及水庫安全可靠性的角度考慮，單獨(dú)泄洪方案為深孔單一泄洪設(shè)施，而壩址以上控制流域來沙量較大，且其洪水過程為“尖瘦型”，其洪峰流量較大，但歷時較短（不足1 h），防洪調(diào)度困難，且泄洪排沙洞一旦因故不能及時開啟，將造成水庫出險乃至失事，危及下游張家口市區(qū)及工程自身安全。聯(lián)合泄洪方案較單獨(dú)泄洪方案增設(shè)了開敞式溢洪道，其超泄能力較深孔隧洞大大增加，可以明顯提高主體工程安全可靠性。經(jīng)綜合分析后，雖聯(lián)合泄洪方案投資有所增加，但從洪水過程、泥沙及主體工程安全性角度分析角度綜合分析，推薦采用溢洪道和泄洪排沙洞聯(lián)合泄洪方案。

（3）輸水建筑物選型

項目考慮隧洞輸水和管道輸水兩個方案。經(jīng)比選，管道輸水雖投資略為節(jié)省，但后期難以檢修，且管道布置于壩體內(nèi)部，存在一定的安全隱患，故推薦采用隧洞供水方案。

4 結(jié)語

烏拉哈達(dá)水利樞紐工程位于河北省張家口市崇禮區(qū)境內(nèi)，東、西水庫分別坐落于清水河上游的東、西溝上，工程開發(fā)任務(wù)以防洪為主，結(jié)合城市供水，兼顧灌溉等綜合利用。作為張家口市區(qū)供水水源之一，該工程提升了整個城市的環(huán)境水平和供水保證率，同時，供水將不再受季節(jié)的影響，特別是可與現(xiàn)有其它水源聯(lián)合調(diào)度，并在用水高峰期起調(diào)峰作用，從而大大提高城市供水的保證程度，為市區(qū)工業(yè)發(fā)展與人民生活提供穩(wěn)定可靠的水源。