张家口乌拉哈达水电站工程设计及分析

朱贵有，席建强

（1.河北省张家口市清水河河务管理处，河北 张家口 075000；2.张家口市水利发展规划中心，河北 张家口 075000）

张家口市位于河北省西北部，是该地区的政治、经济和文化的中心，具有重要的战略地位，是沟通中原与北疆、连接中西部资源产区与东部经济带的重要纽带。

清水河洪水源短流急、陡涨陡落，由于流经张家口市区，是张家口市主城区的主要洪水威胁，且清水河两岸为城市建成区，无法再通过河道治理满足防洪要求。因此，在城市上游清水河上修建乌拉哈达水利枢纽工程，是解决张家口市防洪的根本措施。本文围绕张家口乌拉哈达水电站设计展开分析。

1 概况

乌拉哈达水利枢纽位于河北省张家口市崇礼区境内，东、西水库分别坐落于清水河上游的东、西沟上。清水河是永定河上游洋河的一条较大支流，流域面积2380 km2，河道全长122 km，河道纵坡8‰～10‰，河网密度0.51，河流弯曲度1.5。

2 设计洪水及泥沙分析

清水河干流设有张家口水文站，支流西沟设有啕喇庙水文站。此外，在东沟曾设有崇礼水文站和榆树林水文站，正沟曾设有中山沟水文站。成果质量符合《水文资料整编规范》（SL 247-2012）和《水文年鉴汇编刊印规范》（SL 460-2009）的要求，资料质量可靠，可供水文分析计算使用。

2.1 设计洪水

清水河流域的暴雨特性是笼罩面积小，雨量大、历时短，经常出现局部地区短历时降雨。与暴雨相对应，洪水也多为局部性洪水。流域内河道坡度较陡，各支流沟短坡陡，加之植被较差，洪水具有源短流急，骤降骤落的特点。历年最大洪水出现时间多为7月、8月两月，仅有个别年份出现在6月和9月。洪水在年际变化上与降雨基本相同，具有年际变化悬殊的特点。历史洪水重现期分析成果见表1。

表1 历史洪水重现期分析成果表

根据各区域洪水系列，结合历史洪水重现期考证及分析结果，采用P-Ⅲ曲线适线，进行张家口站、啕喇庙站、啕喇庙—张家口站区间设计洪水的计算，东、西水库设计洪水计算成果见表2:

表2 乌拉哈达水利枢纽设计洪水成果表

（1）东水库设计洪水依据啕喇庙—张家口站区间分析成果，按面积比的方法计算。啕喇庙—张家口站区间控制流域面积1469 km2，东水库控制流域面积1231 km2，占啕—张区间控制流域面积的84%；

（2）西水库设计洪水依据啕喇庙站分析成果，按面积比的方法计算。啕喇庙水文站控制流域面积722 km2，西水库控制流域面积为670 km2，占水文站控制流域面积的93%。

2.2 泥沙

张家口水文站控制流域面积为2191 km2，有1954年～2013年60年实测悬移质泥沙资料，经计算，其多年平均悬移质输沙量为254.1万t，平均含沙量为53.3 kg/m3。啕喇庙水文站控制流域面积为722 km2，有1959年～1962年、1964年～1967年、1984年～2013年共38年的实测悬移质泥沙资料，利用张家口站、啕喇庙站同步实测系列建立两站相关关系，经分析两站年径流系列相关程度较高。通过两站相关关系对啕喇庙站缺测的年份进行插补延长，经计算啕喇庙站多年平均悬移质输沙量为141.2万t，平均含沙量为97.9 kg/m3。东水库坝址多年平均悬移质年输沙量采用啕喇庙—张家口站区间成果推求。西水库坝址采用啕喇庙水文站成果推求。推移质输沙量按悬移质输沙量的15%计算。东、西水库年输沙量成果见表3。

表3 乌拉哈达水利枢纽输沙量统计成果表

3 水库设计

3.1 水库建设方案布局

乌拉哈达水利枢纽工程主要任务是解决张家口市的防洪问题。根据清水河现状河道地形情况、库区淹没和工程地质条件，支流两中库方案应在满足水库原规划的防洪、供水等功能前提下进行坝址选定。

清水河流域面积为2380 km2，有西沟和东沟两条主要支流，流域面积分别为722 km2和1315 km2，分别占清水河总流域面积的30%和55%。为尽量减小区间洪水过大对下游张家口市区的防洪影响和尽量加大水库供水量，东水库、西水库坝址应尽量向下游靠近两沟汇合口布置，东沟上游坝址不宜超过东沟与正沟汇合口，西沟上游坝址宜在西沟与其支流狮子沟汇合口以下。

本次根据东、西两水库拟建大坝河段的地形地质条件，并考虑减小移民淹没、矿藏和军用设施的前提下，拟定两沟坝址位置。其中东沟自下而上较适合建坝位置为汇合上游10.5 km南地村东的南地坝址和汇合上游15 km上新营子村东的新营子坝址。西沟自下而上较适合建坝位置为汇合上游5.2 km啕北营坝址和汇合上游6.0 km五十家坝址。

3.2 工程选址

经分析，清水河上游西沟可建坝河段位于其支流五十家沟汇合口至东、西沟汇合口之间的河段长约6.8 km，经相关部门沟通，同意建坝河段为胜利沟上、下游约1 km～2 km范围。

根据地形、地质条件，东水库选择南地和新营子两坝址进行比选。两坝型均选取土质心墙坝作为代表坝型，经技术经济综合比较，从地形、地质角度来看，新营子坝址略优；南地坝址虽主体建筑程投资较大，但水库移民迁建及专项投资较少，且南地坝址兴利库容较兴利库容增大，其它方面两坝址基本相当。另外，由于南地坝址距张家口市区较新营子坝址近5 km左右，后期供水线路将节省约5 km，投资亦有所节省，因此东水库选取经审查通过的南地坝址作为推荐坝址。

西水库选取五十家坝址、啕北营坝址进行比选，两坝址均采用坝型比选确定的土质心墙砂砾坝作为推荐坝型，经技术经济综合比较，两坝址地形、地质条件基本相当，五十家坝址工程部分投资和移民迁建及专项投资均较省，因此西水库推荐五十家坝址。

3.3 建筑物选型

（1）拦河坝坝型选择

根据地形、地质及枢纽布置条件，东、西水库均选取土质心墙坝和碾压混凝土重力坝两种坝型[1]，拟定主要建筑物规模和尺寸后，从地形地质条件、工程布置和管理、建筑材料、施工条件和工期、征地移民、对环境影响和工程投资等多方面对两坝型进行同精度比选。

经比选，碾压混凝土重力坝在工程布置和管理、对环境影响、和可靠度方面占优；土质心墙坝在适应地基变形能力、施工条件和工期、投资方面占优，两坝型各具优缺点。综合分析比较，东水库土质心墙坝方案投资节省约2.05亿元，西水库投资较碾压混凝土重力坝方案节省3.77亿元，因此推荐土质心墙坝方案作为代表坝型。

（2）泄洪建筑物方案确定

考虑水库洪峰、洪水总量等因素，对泄洪排沙洞单独泄洪、溢洪道和泄洪洞联合泄洪两种泄洪方案[2]进行比选。

从经济角度考虑，溢洪道和泄洪洞联合泄洪方案投资较高；从工程运行期泄洪运用及水库安全可靠性的角度考虑，单独泄洪方案为深孔单一泄洪设施，而坝址以上控制流域来沙量较大，且其洪水过程为“尖瘦型”，其洪峰流量较大，但历时较短（不足1 h），防洪调度困难，且泄洪排沙洞一旦因故不能及时开启，将造成水库出险乃至失事，危及下游张家口市区及工程自身安全。联合泄洪方案较单独泄洪方案增设了开敞式溢洪道，其超泄能力较深孔隧洞大大增加，可以明显提高主体工程安全可靠性。经综合分析后，虽联合泄洪方案投资有所增加，但从洪水过程、泥沙及主体工程安全性角度分析角度综合分析，推荐采用溢洪道和泄洪排沙洞联合泄洪方案。

（3）输水建筑物选型

项目考虑隧洞输水和管道输水两个方案。经比选，管道输水虽投资略为节省，但后期难以检修，且管道布置于坝体内部，存在一定的安全隐患，故推荐采用隧洞供水方案。

4 结语

乌拉哈达水利枢纽工程位于河北省张家口市崇礼区境内，东、西水库分别坐落于清水河上游的东、西沟上，工程开发任务以防洪为主，结合城市供水，兼顾灌溉等综合利用。作为张家口市区供水水源之一，该工程提升了整个城市的环境水平和供水保证率，同时，供水将不再受季节的影响，特别是可与现有其它水源联合调度，并在用水高峰期起调峰作用，从而大大提高城市供水的保证程度，为市区工业发展与人民生活提供稳定可靠的水源。