五一水庫管理區(qū)供水方案比選研究

常 勝

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

五一水庫工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺縣境內(nèi)的迪那河中下游河段，具有工業(yè)供水、防洪、灌溉等綜合效益。主要建筑物包括攔河大壩、左岸導流兼泄洪沖沙洞、左岸溢洪洞、引水發(fā)電建筑物和廠房等。工程屬Ⅲ等中型工程，大壩為2 級建筑物；導流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、發(fā)電洞為3 級建筑物；大壩為瀝青心墻壩，壩頂高程為1374.50 m，最大壩高102.50 m，壩長399.8m。水庫正常蓄水位1370 m，設(shè)計洪水位1370.69 m，校核洪水位1373.17 m，死水位1340 m。水庫總庫容0.995 億m3，死庫容0.320 億m3，調(diào)節(jié)庫容0.591 億m3。

五一水庫管理區(qū)供水工程承擔管理區(qū)生活及消防的供水任務(wù)，設(shè)計流量100 m3/h。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）的規(guī)定，確定管理區(qū)供水系統(tǒng)工程等別Ⅴ等，工程規(guī)模為小（2）型，主要建筑物和次要建筑物均為5 級。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，主要建筑物設(shè)防烈度Ⅷ度?，F(xiàn)初步擬定壩前式取水和壩后式取水兩個方案進行比選。

2 壩前式供水方案

水庫取水構(gòu)筑物形式包括浮船式取水，纜車式取水，濕式豎井泵房取水等取水形式[1]。庫區(qū)取水已有不少工程實例，運行效果較好。劉忠發(fā)[2]提出了浮船和岸邊式泵站組合取水方案，較徹底地解決了某氧化鋁廠從構(gòu)皮灘電站庫區(qū)取水問題。邵國洪[3]以思南縣楓蕓鄉(xiāng)河坡供水工程中的移動式泵站為例，對纜車式移動泵站設(shè)計進行了介紹。孫高升等[4]介紹了某大型水庫庫區(qū)取水工程實例，在左岸臺地修建沉井，利用沉井作為工作井向庫區(qū)頂管，形成取水泵站的引水系統(tǒng)，然后將沉井改建成取水泵站。

根據(jù)工程區(qū)水文站實測冰情資料分析，冬季庫區(qū)多流冰天數(shù)較多，需進行流冰清理，運行管理不便，浮船易受流冰撞擊，對浮船安全不利，因此工程區(qū)取水建筑物不宜選取浮船式移動取水泵站。

庫區(qū)一帶為峽谷地貌，河谷形態(tài)呈“V”形（部分段為U型寬谷），庫區(qū)岸坡較陡，河谷坡度多為75°～85°。岸道邊坡布置纜車式取水軌道較為困難。并且工程區(qū)河道流冰天數(shù)較多，運行期間需進行人工排冰，運行管理不便，且易造成纜車軌道結(jié)冰，對工程安全不利。故工程區(qū)不宜使用纜車式移動取水。

根據(jù)工程區(qū)特點，可采用濕井型深井泵取水，集水井設(shè)在泵房下部，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，面積較小，造價較低，操作條件較好。

壩前式供水方案水源為五一水庫，取水方式采用濕井型深井泵取水，取水口平縱布置見圖1。庫區(qū)左岸階地設(shè)置2 孔供水機井，機井末端伸入供水平洞，平洞連接至庫區(qū)引水；機井內(nèi)設(shè)井用潛水泵，鋪設(shè)供水管線至管理區(qū)蓄水池。

圖1 壩前式供水方案取水口縱剖面圖

2.1 地形地質(zhì)條件

壩址區(qū)河谷狹窄，呈“U”型，底寬30 m 左右，頂寬60 m，谷深70 m～80 m，兩岸谷坡近直立，谷底下部局部形成倒坡。谷頂高程1366 m～1380 m，主要由Ⅳ、Ⅴ級階地組成，左岸分布古河槽。古河槽成平緩“U”字形態(tài)，古河槽頂寬420 m，底寬200 m 左右，古河槽頂部高程1377 m～1405 m，底部高程1340 m～1360 m，率1 Lu～3 Lu；微風化巖體的波速為Vp＞2800 m/s。水庫古河槽塌岸預測塌岸寬度40 m～70 m 不等，需考慮塌岸影響。

2.1.1 供水平洞

（1）進口段

進口段位于Ⅴ級階地前緣，階地陡坡自然坡度65°～75°，高約60m，下部殘留有Ⅱ級階地，寬約20m。陡坡頂Ⅴ級階地表層為2m～5m 厚第四系上更新統(tǒng)砂卵礫石層，下部為中更新統(tǒng)砂卵礫石層，厚約30m，下伏巖體為第四系下更新統(tǒng)西域礫巖與新近系上新統(tǒng)地層。西域礫巖為泥砂質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)或半膠結(jié)，呈厚層狀，巖層走向80°～89°SE∠15～18°，與洞線交角60°～70°，新近系上新統(tǒng)為泥巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖互層，單層厚0.5m～4m，巖層產(chǎn)狀80°～89°SE∠15°～18°與上部西域礫巖整合接觸。

進口庫岸自然邊坡較陡，需對岸坡進行適當削坡，洞臉邊坡開挖坡度：覆蓋層水上1∶1.75，水下1∶2.0；基巖臨時1∶0.3，永久1∶0.75，因基巖抗沖蝕能力弱，應(yīng)采取相應(yīng)保護措施。

（2）洞身段

洞身段位于新近系上新統(tǒng)秋里塔克組泥巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖巖體與下更新統(tǒng)西域礫巖內(nèi)，強風化層厚5m～8m，弱風化厚15m～25m。其中0+000～0+010m 位于基巖強風化層，屬Ⅴ類圍巖，Ko=3 MPa/cm～4 MPa/cm，fk=1.0～1.5，穩(wěn)定條件差。0+010～0+098m 位于基巖弱風化巖體內(nèi)，出露地層主要為泥巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖互層，屬Ⅳ類圍巖，Ko=4MPa/cm～6MPa/cm，fk=1.5～2.0，巖體較完整，洞身上覆巖體厚6m～38m，具備成洞條件。但遇水易軟化，強度不高，洞身段應(yīng)進行全斷面砼襯砌。

2.1.2 供水機井

供水平洞樁號0+089～0+098m 處布設(shè)抽水機井，地層表層為2m～5m 厚第四系上更新統(tǒng)砂卵礫石層，下部為中更新統(tǒng)砂卵礫石層，厚約32m，下伏巖體為第四系下更新統(tǒng)西域礫巖與新近系上新統(tǒng)的泥巖、砂礫巖。西域礫巖為泥砂質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)或半膠結(jié)，呈厚層狀，巖層走向80°～89°SE∠15°～18°，新近系上新統(tǒng)泥巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖互層，單層厚0.5m～4m，巖層產(chǎn)狀80°～89°SE∠15°～18°與上部西域礫巖整合接觸。礫巖地基承載力特征值500kPa～600kPa，泥巖地基承載力特征值350kPa。

2.1.3 供水管線

供水管線段（0+000～0+790.438)m：該段發(fā)育Ⅳ-Ⅷ級階地，各級階地比高2m～5m，各級階地階面平坦，開闊，地面高程1381m～1408m，巖性上部為第四系上更新統(tǒng)沖積砂卵礫石及全新統(tǒng)洪積含土砂卵礫石層，厚度4m～9m；其下為古河槽。上部巖性天然濕密度2.07g/cm3～2.10g/cm3，天然干密度2.06g/cm3～2.08g/cm3，天然含水率0.5%～1.0%，最大干密度2.27g/cm3～2.29g/cm3，最小干密度1.82g/cm3～1.83g/cm3，相對密度0.59～0.60，基礎(chǔ)承載力建議值300kPa～350kPa，臨時開挖邊坡1∶0.75～1∶1.0。

2.2 工程布置

壩前式供水方案主要建筑物包括供水平洞，機井，泵房和供水管線等。

供水平洞布置在左岸階地，長約98 m，底板高程1338 m。其中樁號0+000～0+089 段，城門洞型，開挖尺寸3.1 m×3.45 m（寬×高），洞身凈尺寸2.0 m×2.5 m（寬×高），全斷面砼襯砌；其中樁號0+089～0+098 段，城門洞型，開挖尺寸3.1 m×8.45 m（寬×高），洞身凈尺寸2.0 m×7.5 m，全斷面砼襯砌。考慮水庫古河槽塌岸預測塌岸寬度40 m～70 m 影響，需對平洞進口進行開挖處理，覆蓋層開挖邊坡水上1∶1.75，水下1∶2.0。

機井選用φ325 mm 螺旋焊鋼管，壁厚6 mm，井深為45 m，井孔與井壁管之間灌注水泥漿固定。

泵站取水高程1340 m，直接從機井取水，揚程80 m。鋪設(shè)0.8 km 管線揚水至管理區(qū)蓄水池，管道采用DN200PE 管（壁厚11.9 mm，1.6 MPa）。

3 壩后式供水方案

新疆的河流大多為山溪性河流，河床多覆蓋有顆粒較粗、厚度不大的沖積層，蘊含有河床潛流水，滲管正是開采此類地下水最適宜的取水構(gòu)筑物[5]。廖柯[6]等介紹了新疆拜城八鋼工業(yè)園區(qū)供水工程以天然河道為供水水源，采用埋設(shè)于河床沙層的鋼制滲管引取河床滲透水的工程實例。贠立明[7]展示了滲管取水在金溝河引水工程中的運用。徐程成[8]等分析了新疆某水源滲管取水工程近幾年水質(zhì)渾濁度超標的原因，提出了相應(yīng)技改和整改措施，保障了該水源正常生產(chǎn)的安全運行。

壩后式供水方案水源為天然河道，取水方式采用滲管取水，取水口平縱布置見圖2 和圖3。φ800 滲管布置在引水隧洞的1#施工支洞附近左岸河床灘地，匯水至集水池；集水池內(nèi)設(shè)井用潛水泵，鋪設(shè)管線至管理區(qū)蓄水池。

圖2 壩后式供水方案取水口平面布置圖

圖3 壩后式供水方案取水口縱剖面圖

3.1 地形地質(zhì)條件

左岸河谷坡度70°～80°，基巖裸露，谷坡在1288 m 和1295 m 高程處發(fā)育有Ⅰ、Ⅱ級階地，階地砂卵礫石層厚2 m～3 m，其上覆少量坡積含土礫石，厚度1 m～3 m。下伏基巖巖性為第四系下更新統(tǒng)西域礫巖，巖層產(chǎn)狀82°SE∠13°，巖體強風化層厚4 m～8 m，Vp=1800 m/s～2300 m/s，弱風化層厚15 m～25 m，Vp=2300 m/s～2800 m/s，微風化～新鮮巖體Vp=2800 m/s～3400 m/s。

河床段寬100 m 左右，河床地面高程1274 m～1275 m，覆蓋層厚3 m 左右，巖性為第四系全新統(tǒng)沖積含漂石砂卵礫石層，礫石粒徑>200 mm 占1.0%，200 mm～5 mm 占72.83%，<5 mm約占26.16%，天然干密度2.21 g/cm3，干密度2.13 g/cm3，相對密度dr=0.73，不均勻系數(shù)Cu=59.0，曲率系數(shù)Cc=3.61，滲透系數(shù)K20=6.4×10-2cm/s，為強透水層，飽和狀態(tài)直剪試驗建議值：c=0，φ=36.0°。下伏基巖巖性為第四系下更新統(tǒng)西域礫巖，巖層產(chǎn)狀82°SE∠13°，巖體強風化層厚4 m～8 m，Vp=1800 m/s～2300 m/s，弱風化層厚15 m～25 m，Vp=2300 m/s～2800 m/s，微風化～新鮮巖體Vp=2800 m/s～3400 m/s。

右岸河谷岸坡為陡壁，坡度為87°～90°，基巖裸露，巖性為第四系下更新統(tǒng)西域礫巖（Q1），巖體較完整，泥砂質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)或半膠結(jié)。成巖作用差，強度低。坡頂為Ⅳ級階地，該段巖體強風化層厚3 m～7 m，Vp=1800 m/s～2300 m/s，弱風化巖體厚19 m～33 m，Vp=2300 m/s～2800 m/s，微風化～新鮮巖體Vp=2800 m/s～3400 m/s。

3.2 工程布置

壩后式供水方案主要建筑物包括滲管、導水管、檢修井、集水池、泵房和供水管線等。

滲管布置在引水隧洞的1#施工支洞附近左岸河床灘地，設(shè)計流量為100 m3/h；采用φ800 防腐螺旋焊鋼管長度150 m，縱坡i=0.5%。

導水管布置在滲管末端檢修井至集水池之間，采用φ300防腐螺旋焊鋼管長度26 m，縱坡i=0.5%。

檢修井共布置4 處，分別位于滲管樁號L0+035.000，L0+071.000，L0+093.000，L0+150.000。檢修井結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；井筒長2 m，外徑1200 mm，井筒壁厚200 mm；井身尺寸2.6 m×2.6 m×2.6 m，底板及壁厚300 mm。

集水池位于引水隧洞的1# 施工支洞附近左岸河床灘地，外觀尺寸6.6m×5.6m×17.0m（長×寬×高），底板厚度1000mm，壁厚800m，頂板厚200mm；采用混凝土現(xiàn)澆施工。集水池外部周圍由砂礫石填筑而成泵房平臺，長×寬尺寸為22m×16.8m 左右，邊坡采用格賓石籠護坡+土工布形式防護。

泵站取水高程1271.15m，直接從集水池取水，揚程145m。鋪設(shè)1.47km 管線揚水至管理區(qū)蓄水池，管道采用DN200 涂塑鋼管（壁厚6.0mm，1.6MPa）。

4 供水方案比選

供水工程取水部分通過壩前式方案和壩后式方案比選可以看出：

1)從投資方面分析：壩前式方案投資約567.17 萬元，壩后式方案約702.92 萬元，壩前式方案占優(yōu)。

2)水文地質(zhì)條件對兩種取水方式的適應(yīng)性：壩前式方案供水平洞伸入庫區(qū)（平洞底板高程1338m，五一水庫死水位高程1340m），機井內(nèi)井用潛水泵可置于平洞末端擴大硐室工作，直接抽取庫區(qū)水。壩后式方案中滲管是水平式取水構(gòu)筑物，是水平鋪設(shè)在含水層中的集水管（渠），可用于收集淺層地下水?？射佋O(shè)在河流、水庫地表水體之下或旁邊。滲渠的埋深一般在4～7m。本工程覆蓋層厚度僅3m～4m 左右。兩種方案均適應(yīng)于本工程，前者較后者取水保證率更具優(yōu)勢。

3)從施工方面分析：壩前式取水方案供水平洞，機井，泵站附近已有道路、供電設(shè)施，施工方便。壩后式滲管，集水池附近無道路、供電設(shè)施等，施工條件較差。從施工方面分析，壩前式方案占優(yōu)。

4)從運行管理分析：壩前式方案自庫區(qū)取水，揚程約80m；壩后式方案揚程較高，約145m。

壩前式方案供水平洞位于庫區(qū)，無需檢修。壩后式方案滲管出水量很大，但滲管的滲流距離一般較短，特別是位于河床下的滲管。河水不能得到河流滲濾系統(tǒng)的充分凈化，河水水質(zhì)相對于大口井方案較差，另外，洪水期水的濁度較高，水質(zhì)可能變差。滲管在運行中常存在程度不同的出水量衰減問題，滲管反濾層和周圍含水層容易受地表水中泥砂雜質(zhì)淤塞。對于以集取地表水為主的滲管，此種淤塞現(xiàn)象普遍存在，考慮到本河流的含沙量較大，估計每隔五年左右時間將更換一次滲管濾料。從運行管理方面，壩前式方案占優(yōu)。

根據(jù)工程建設(shè)難易程度，取水條件，運行檢修，投資大小等，綜上得出輪臺縣五一水庫工程（中型）配套附屬工程管理區(qū)推薦取水方案采用壩前式取水方案。

表1 供水方案比選表

5 結(jié)語

根據(jù)工程建設(shè)難易程度，取水條件，運行檢修，投資大小等，對壩前式和壩后式兩種供水方案進行比選，分析得出，壩前式供水方案相較于壩后式供水方案具有投資省、取水保證率高、施工條件好、運行管理方便等優(yōu)勢。綜上，輪臺縣五一水庫工程（中型）配套附屬工程管理區(qū)推薦取水方案采用壩前式取水方案。