東疆某水庫壩軸線及樞紐布置方案比選分析

孫飛飛

（新疆新水建設(shè)工程造價(jià)咨詢有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

烏斯通溝水庫位于托克遜縣境內(nèi)阿拉溝流域?yàn)跛雇仙?，烏斯通溝出山口以上流域面積617 km2，地表水資源量為4 084萬m3，年內(nèi)分布不均。水庫總庫容1 440萬m3，死庫容315萬m3，綜合放水設(shè)計(jì)流量3 m3/s，控制灌溉面積1 720 hm2。通過建設(shè)烏斯通溝水庫，對壩址以上徑流進(jìn)行調(diào)節(jié)，在滿足生態(tài)水量和灌溉需求的條件下，還可以為伊拉湖工業(yè)園區(qū)及一般工業(yè)提供水量，基本遏制灌區(qū)地下水的超采。

2 壩軸線選擇

2.1 壩軸線擬定

工程區(qū)位于中天山山脈博羅科努山和天格爾山北麓，吐魯番盆地西緣，地勢西高東低，高差懸殊，河道蜿蜒于峽谷中，總體流向北東，出山后匯入阿拉溝河，河道全長68 km，河槽縱坡4.53‰左右，河谷狹窄。經(jīng)地質(zhì)踏勘選址，在烏斯通溝出山前長約9 km的河段內(nèi)選擇上、下兩個(gè)壩址進(jìn)行比較：上壩線下游370 m處河床寬度較窄，山體雄厚，選擇上壩線下游370 m處為下壩線，除此處外由上壩址至山谷出口1.40 km均無合適壩線可選擇。

2.2 地形地質(zhì)條件

上壩線距峽谷出口1.40 km，為基本對稱的“U”形河谷，河床面高程833～843 m，河床寬50～70 m，常年水面寬10 m 左右，水深約0.50 m，總體流向由南西流向北東，河床坡降較陡，其縱坡坡度平均為25.60‰，水流湍急。兩岸山頂相對高差500～600 m，兩岸山坡較陡，山坡坡度35°～45°，一般基巖裸露。兩岸分布有較連續(xù)的Ⅰ級階地。

下壩線位于峽谷出口段，為基本對稱的“V”形河谷，河床面高程820～832 m，河床寬30～40 m，平時(shí)水面寬約10 m，水深約0.50 m，總體流向由南西流向北東，河床坡降較陡，其縱坡坡度平均為27.40‰，水流湍急。兩岸山頂相對高差500～600 m，兩岸山坡陡峭，山坡坡度60°～65°，一般基巖裸露。右岸分布有較連續(xù)的Ⅰ級階地。

2.3 兩壩線樞紐布置及主要建筑物

上、下壩線相距僅370 m，由于河床自然坡降較陡，水庫可調(diào)節(jié)庫容一致的情況下，兩壩線水庫的特征水位與壩頂高程相差較大，建筑物布置位置有調(diào)整。根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，壩軸線均與河道基本垂直布置。上、下壩線比選應(yīng)均采用最優(yōu)樞紐布置方案進(jìn)行比選，擋水建筑物采用瀝青混凝土心墻砂礫石壩。

上壩線樞紐布置由瀝青混凝土心墻砂礫壩、右岸溢洪洞及放空沖沙兼導(dǎo)流洞、左岸灌溉洞等建筑物組成。根據(jù)水庫綜合利用功能，為保證下游供水、灌溉等綜合利用要求，經(jīng)過調(diào)洪演算，上壩線正常蓄水位為905 m，死水位為876 m?？値烊? 440萬m3，興利庫容1 022萬m3，死庫容315萬m3。

下壩線樞紐布置由瀝青混凝土心墻砂礫壩、右岸溢洪洞、左岸灌溉洞及左岸放空沖沙兼導(dǎo)流洞等建筑物組成。經(jīng)過調(diào)洪演算，下壩線正常蓄水位為897 m，死水位為868 m?？値烊? 403萬m3，興利庫容998萬m3，死庫容309萬m3。

2.4 比選分析

上、下兩個(gè)壩線興利庫容相近，水庫承擔(dān)的工程任務(wù)相同，氣候條件相同、導(dǎo)流規(guī)模相同。①從地形地質(zhì)條件分析，兩壩線處于同一河段，相距僅370 m，為同一個(gè)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，地震基本烈度與區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性基本相同。但建壩的具體工程地形地質(zhì)條件稍有差別，上壩線上部河床較寬，比下壩線寬40～50 m，兩壩線下部河床寬度相差不大，但下壩線壩肩山體順坡向節(jié)理多，山體陡峭且處于極限平衡狀態(tài)，坡腳開挖易造成順坡滑塌，建壩時(shí)壩肩基礎(chǔ)處理工程量大，且下壩線各洞進(jìn)出口處卸荷體多，開挖量較大。兩壩線地質(zhì)條件比較見表1。②從配套工程分析，兩壩線相差370 m，兩壩線輸水工程、輸電線路和對外公路工程上壩線較下壩線長，從整體布置上看三通一平方面，下壩線較有利，投資節(jié)省約38.50 萬元。③從施工條件分析，由于壩區(qū)兩壩線方案位置接近，且均位于中低山區(qū)，施工場地布置均比較方便，施工條件基本相同。經(jīng)分析論證兩條壩線方案施工進(jìn)度相同，均為25 個(gè)月。④由于壩線僅差距370 m，金屬結(jié)構(gòu)、征地移民、環(huán)評水保及運(yùn)行管理?xiàng)l件基本一致。⑤從經(jīng)濟(jì)上比較，上壩線可比總投資48 197.29萬元，比下壩線總投資共節(jié)省1 578.79萬元，從投資上看，上壩線較優(yōu)。

綜合所述，上、下壩線方案各有優(yōu)劣，相差不大，但上壩線投資略省，還能有效的避免高邊坡開挖及處理，大幅降低施工難度，因此，選擇上壩線。

3 樞紐建筑物布置方案比選

3.1 布置原則

樞紐布置應(yīng)綜合考慮地形地質(zhì)條件的適用性、安全可靠性、施工條件等因素。烏斯通溝水庫樞紐主要建筑物包括攔河大壩、溢洪洞、灌溉洞及沖沙放空兼導(dǎo)流洞，為了使工程安全可靠、工程施工和運(yùn)行管理方便，在樞紐布置選擇時(shí)充分考慮建筑物之間無相互制約因素存在，大壩軸線和壩型確定后，為確保大壩安全運(yùn)行，優(yōu)先考慮泄洪建筑物布置，在確定泄洪建筑物的前提下，再對灌溉放水洞和導(dǎo)流沖沙兼放空洞兩個(gè)單體建筑物布置。

3.2 樞紐布置方案

按照樞紐布置原則，結(jié)合樞紐地質(zhì)條件，選擇瀝青混凝土心墻砂礫石壩左岸灌溉洞為方案一，瀝青混凝土心墻砂礫石壩右岸灌溉洞為方案二，作為樞紐布置的兩個(gè)比較方案，兩個(gè)方案水庫特征參數(shù)均相同，只是溢洪洞、灌溉洞、導(dǎo)流沖沙放空洞布置位置不同，壩軸線垂直于河道布置。水庫正常蓄水位905 m，1 000 年一遇校核洪水位為906.89 m，水庫總庫容1 440 萬m3。兩方案樞紐總體布置主要工程量及投資比較情況見表2。

表2 樞紐總體布置主要工程量及投資比較表

方案一：瀝青混凝土心墻砂礫石壩左岸灌溉洞方案，溢洪洞位于右岸壩肩位置，采用明流溢洪洞，全長393.37 m；放空沖沙兼導(dǎo)流洞布置于河床右岸，隧洞在平面上布置1 個(gè)轉(zhuǎn)彎，中心角48.70°轉(zhuǎn)彎半徑為100 m，采用有壓洞來調(diào)整水流。由進(jìn)水檢修段、隧洞有壓段、工作閘井段、隧洞無壓段和出口消能段組成，總長514 m；灌溉洞布置在左岸，選用前段有壓，后段無壓灌溉洞，全長340.90 m。

方案二：瀝青混凝土心墻砂礫石壩右岸灌溉洞方案，溢洪洞位于大壩右岸，全長524.99 m。放空沖沙兼導(dǎo)流洞布置于河床右岸，全長540.45 m，灌溉洞布置在右岸，全長410.06 m。方案二考慮到拉沙效果等問題，將灌溉洞進(jìn)口布置于放空沖沙兼導(dǎo)流洞進(jìn)口上方。平面上如將溢洪洞布置于灌溉洞及導(dǎo)流放空洞左側(cè)，即方案一位置上，則灌溉洞出口及導(dǎo)流放空洞出口由于交叉2 倍洞徑要求，無法就近從大壩下游側(cè)出口，需從溢洪洞右側(cè)山體后出口，導(dǎo)致2 洞洞身較長，且灌溉洞出口消力池也無法布置，如為節(jié)省投資將溢洪洞向大壩方向移動(dòng)，則導(dǎo)致溢洪洞出口及消力池離大壩下游壩腳太近，具有較大的安全隱患，因此只能將溢洪洞布置于灌溉洞及導(dǎo)流放空洞右側(cè)，故需將溢洪洞洞軸線向山體內(nèi)移，經(jīng)比較，溢洪洞進(jìn)口控制段前移至山前，開挖最省，水流條件最好，雖洞線延長較多，但仍較沿山側(cè)布置進(jìn)口控制段節(jié)省投資。

3.3 方案比選

①地形地貌方面，方案一的溢洪洞控制段及放空導(dǎo)流閘井均靠近大壩壩肩，可通過交通橋與公路到達(dá)；方案二需沿半山腰邊修約200 m公路通溢洪洞進(jìn)口控制段，修交通橋至灌溉洞與導(dǎo)流放空洞控制閘井，修交通公路需沿山體進(jìn)行開挖，邊坡高達(dá)50 m，地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化層，存在高邊坡處理的不利因素，因此從地形來說方案一較優(yōu)。②施工條件方面，方案二的溢洪洞的正堰進(jìn)水口布置在右岸山前的臨沖溝斜坡上，方案一的溢洪洞的正堰進(jìn)水口布置在大壩右壩肩前不遠(yuǎn)處，方案一的溢洪洞施工與大壩施工會互有干擾，如不能合理調(diào)配，施工會有沖突，方案二則施工互不干擾；方案二的溢洪洞、灌溉洞、導(dǎo)流放空洞的出口消力池均在大壩下游右側(cè)，如不能合理調(diào)配，施工同樣也會有沖突，且施工布置較方案一擁擠，因此從施工方面來說二方案相差不大，各有優(yōu)劣。③兩方案均可通過汛期放空沖沙洞的下拉沖沙，兩方案灌溉洞進(jìn)口高程均高于於砂高程872.50 m，方案二的灌溉洞進(jìn)口在放空沖沙洞上方約27 m 處，灌溉洞前能更好的防淤積，做到“門前清”，這是方案二的優(yōu)點(diǎn)。④方案二的溢洪洞進(jìn)水口遠(yuǎn)離大壩，從地形來說可以從容布置正堰進(jìn)口，相對于方案一來說泄流時(shí)對大壩的影響略小，進(jìn)水流態(tài)也相對略好，但兩方案均能保證泄流時(shí)建筑物安全。⑤從運(yùn)行管理上來說，兩方案均有壩上交通相連，交通均較為方便，方案一的2 洞均在左岸，1 洞右岸，方案二的3 洞雖均在右岸，但溢洪洞控制段相距較遠(yuǎn)，因此運(yùn)行管理上兩方案相差不大。⑥從投資角度來說，由于方案二溢洪洞洞線較長，交通道路較長，且高邊坡處理工程量更大，導(dǎo)致方案二經(jīng)濟(jì)性較差，比方案一多1 538.24萬元。因此投資方面方案一占優(yōu)。

經(jīng)綜合比較后，兩方案在水工布置、施工布置、運(yùn)行管理等方面相差不大，各有優(yōu)劣，但在投資方面及高邊坡處理方面方案一占優(yōu)，故方案一瀝青混凝土心墻砂礫石壩左岸灌溉洞方案為推薦方案。

4 結(jié)論

①烏斯通溝出山前長約9 km 的河段內(nèi)選擇上、下兩個(gè)壩址，從地形地質(zhì)條件、配套工程、施工條件及經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行綜合比較，上壩線投資略省，還能有效地避免高邊坡開挖及處理，大幅降低施工難度，因此，選擇上壩線為烏斯通溝水庫壩線。②選擇瀝青混凝土心墻砂礫石壩左岸灌溉洞和瀝青混凝土心墻砂礫石壩右岸灌溉洞作為樞紐布置的兩個(gè)比較方案，兩個(gè)方案水庫特征參數(shù)均相同，只是溢洪洞、灌溉洞、導(dǎo)流沖沙放空洞布置位置不同，壩軸線垂直于河道布置。經(jīng)綜合比較后，兩方案在水工布置、施工布置、運(yùn)行管理等方面相差不大，各有優(yōu)劣，但在投資方面及高邊坡處理方面方案一占優(yōu)，選擇瀝青混凝土心墻砂礫石壩左岸灌溉洞方案為樞紐布置方案。③實(shí)例中的壩線、樞紐布置比選設(shè)計(jì)均利用相對傳統(tǒng)的方法，由于地質(zhì)條件復(fù)雜、壩軸線位置調(diào)整、樞紐布置變動(dòng)易造成比選設(shè)計(jì)工作量大、不易修改、表達(dá)抽象，今后宜結(jié)合水利行業(yè)信息化建模軟件提高計(jì)算精度和速度，實(shí)現(xiàn)水利樞紐的參數(shù)化建模及工程建設(shè)全過程分析計(jì)算，為最優(yōu)方案的選定提供量化參考。