五一水库管理区供水方案比选研究

2021-11-08常胜

陕西水利 2021年10期

常胜

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

五一水库工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州轮台县境内的迪那河中下游河段，具有工业供水、防洪、灌溉等综合效益。主要建筑物包括拦河大坝、左岸导流兼泄洪冲沙洞、左岸溢洪洞、引水发电建筑物和厂房等。工程属Ⅲ等中型工程，大坝为2 级建筑物；导流兼泄洪冲沙洞、溢洪洞、发电洞为3 级建筑物；大坝为沥青心墙坝，坝顶高程为1374.50 m，最大坝高102.50 m，坝长399.8m。水库正常蓄水位1370 m，设计洪水位1370.69 m，校核洪水位1373.17 m，死水位1340 m。水库总库容0.995 亿m3，死库容0.320 亿m3，调节库容0.591 亿m3。

五一水库管理区供水工程承担管理区生活及消防的供水任务，设计流量100 m3/h。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）的规定，确定管理区供水系统工程等别Ⅴ等，工程规模为小（2）型，主要建筑物和次要建筑物均为5 级。工程区地震基本烈度为Ⅷ度，主要建筑物设防烈度Ⅷ度。现初步拟定坝前式取水和坝后式取水两个方案进行比选。

2 坝前式供水方案

水库取水构筑物形式包括浮船式取水，缆车式取水，湿式竖井泵房取水等取水形式[1]。库区取水已有不少工程实例，运行效果较好。刘忠发[2]提出了浮船和岸边式泵站组合取水方案，较彻底地解决了某氧化铝厂从构皮滩电站库区取水问题。邵国洪[3]以思南县枫芸乡河坡供水工程中的移动式泵站为例，对缆车式移动泵站设计进行了介绍。孙高升等[4]介绍了某大型水库库区取水工程实例，在左岸台地修建沉井，利用沉井作为工作井向库区顶管，形成取水泵站的引水系统，然后将沉井改建成取水泵站。

根据工程区水文站实测冰情资料分析，冬季库区多流冰天数较多，需进行流冰清理，运行管理不便，浮船易受流冰撞击，对浮船安全不利，因此工程区取水建筑物不宜选取浮船式移动取水泵站。

库区一带为峡谷地貌，河谷形态呈“V”形（部分段为U型宽谷），库区岸坡较陡，河谷坡度多为75°～85°。岸道边坡布置缆车式取水轨道较为困难。并且工程区河道流冰天数较多，运行期间需进行人工排冰，运行管理不便，且易造成缆车轨道结冰，对工程安全不利。故工程区不宜使用缆车式移动取水。

根据工程区特点，可采用湿井型深井泵取水，集水井设在泵房下部，其优点是结构简单，面积较小，造价较低，操作条件较好。

坝前式供水方案水源为五一水库，取水方式采用湿井型深井泵取水，取水口平纵布置见图1。库区左岸阶地设置2 孔供水机井，机井末端伸入供水平洞，平洞连接至库区引水；机井内设井用潜水泵，铺设供水管线至管理区蓄水池。

图1 坝前式供水方案取水口纵剖面图

2.1 地形地质条件

坝址区河谷狭窄，呈“U”型，底宽30 m 左右，顶宽60 m，谷深70 m～80 m，两岸谷坡近直立，谷底下部局部形成倒坡。谷顶高程1366 m～1380 m，主要由Ⅳ、Ⅴ级阶地组成，左岸分布古河槽。古河槽成平缓“U”字形态，古河槽顶宽420 m，底宽200 m 左右，古河槽顶部高程1377 m～1405 m，底部高程1340 m～1360 m，率1 Lu～3 Lu；微风化岩体的波速为Vp＞2800 m/s。水库古河槽塌岸预测塌岸宽度40 m～70 m 不等，需考虑塌岸影响。

2.1.1 供水平洞

（1）进口段

进口段位于Ⅴ级阶地前缘，阶地陡坡自然坡度65°～75°，高约60m，下部残留有Ⅱ级阶地，宽约20m。陡坡顶Ⅴ级阶地表层为2m～5m 厚第四系上更新统砂卵砾石层，下部为中更新统砂卵砾石层，厚约30m，下伏岩体为第四系下更新统西域砾岩与新近系上新统地层。西域砾岩为泥砂质、钙质胶结或半胶结，呈厚层状，岩层走向80°～89°SE∠15～18°，与洞线交角60°～70°，新近系上新统为泥岩、砂砾岩、泥质砂岩互层，单层厚0.5m～4m，岩层产状80°～89°SE∠15°～18°与上部西域砾岩整合接触。

进口库岸自然边坡较陡，需对岸坡进行适当削坡，洞脸边坡开挖坡度：覆盖层水上1∶1.75，水下1∶2.0；基岩临时1∶0.3，永久1∶0.75，因基岩抗冲蚀能力弱，应采取相应保护措施。

（2）洞身段

洞身段位于新近系上新统秋里塔克组泥岩、砂砾岩、泥质砂岩岩体与下更新统西域砾岩内，强风化层厚5m～8m，弱风化厚15m～25m。其中0+000～0+010m 位于基岩强风化层，属Ⅴ类围岩，Ko=3 MPa/cm～4 MPa/cm，fk=1.0～1.5，稳定条件差。0+010～0+098m 位于基岩弱风化岩体内，出露地层主要为泥岩、砂砾岩、泥质砂岩互层，属Ⅳ类围岩，Ko=4MPa/cm～6MPa/cm，fk=1.5～2.0，岩体较完整，洞身上覆岩体厚6m～38m，具备成洞条件。但遇水易软化，强度不高，洞身段应进行全断面砼衬砌。

2.1.2 供水机井

供水平洞桩号0+089～0+098m 处布设抽水机井，地层表层为2m～5m 厚第四系上更新统砂卵砾石层，下部为中更新统砂卵砾石层，厚约32m，下伏岩体为第四系下更新统西域砾岩与新近系上新统的泥岩、砂砾岩。西域砾岩为泥砂质、钙质胶结或半胶结，呈厚层状，岩层走向80°～89°SE∠15°～18°，新近系上新统泥岩、砂砾岩、泥质砂岩互层，单层厚0.5m～4m，岩层产状80°～89°SE∠15°～18°与上部西域砾岩整合接触。砾岩地基承载力特征值500kPa～600kPa，泥岩地基承载力特征值350kPa。

2.1.3 供水管线

供水管线段（0+000～0+790.438)m：该段发育Ⅳ-Ⅷ级阶地，各级阶地比高2m～5m，各级阶地阶面平坦，开阔，地面高程1381m～1408m，岩性上部为第四系上更新统冲积砂卵砾石及全新统洪积含土砂卵砾石层，厚度4m～9m；其下为古河槽。上部岩性天然湿密度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，相对密度0.59～0.60，基础承载力建议值300kPa～350kPa，临时开挖边坡1∶0.75～1∶1.0。

2.2 工程布置

坝前式供水方案主要建筑物包括供水平洞，机井，泵房和供水管线等。

供水平洞布置在左岸阶地，长约98 m，底板高程1338 m。其中桩号0+000～0+089 段，城门洞型，开挖尺寸3.1 m×3.45 m（宽×高），洞身净尺寸2.0 m×2.5 m（宽×高），全断面砼衬砌；其中桩号0+089～0+098 段，城门洞型，开挖尺寸3.1 m×8.45 m（宽×高），洞身净尺寸2.0 m×7.5 m，全断面砼衬砌。考虑水库古河槽塌岸预测塌岸宽度40 m～70 m 影响，需对平洞进口进行开挖处理，覆盖层开挖边坡水上1∶1.75，水下1∶2.0。

机井选用φ325 mm 螺旋焊钢管，壁厚6 mm，井深为45 m，井孔与井壁管之间灌注水泥浆固定。

泵站取水高程1340 m，直接从机井取水，扬程80 m。铺设0.8 km 管线扬水至管理区蓄水池，管道采用DN200PE 管（壁厚11.9 mm，1.6 MPa）。

3 坝后式供水方案

新疆的河流大多为山溪性河流，河床多覆盖有颗粒较粗、厚度不大的冲积层，蕴含有河床潜流水，渗管正是开采此类地下水最适宜的取水构筑物[5]。廖柯[6]等介绍了新疆拜城八钢工业园区供水工程以天然河道为供水水源，采用埋设于河床沙层的钢制渗管引取河床渗透水的工程实例。贠立明[7]展示了渗管取水在金沟河引水工程中的运用。徐程成[8]等分析了新疆某水源渗管取水工程近几年水质浑浊度超标的原因，提出了相应技改和整改措施，保障了该水源正常生产的安全运行。

坝后式供水方案水源为天然河道，取水方式采用渗管取水，取水口平纵布置见图2 和图3。φ800 渗管布置在引水隧洞的1#施工支洞附近左岸河床滩地，汇水至集水池；集水池内设井用潜水泵，铺设管线至管理区蓄水池。

图2 坝后式供水方案取水口平面布置图

图3 坝后式供水方案取水口纵剖面图

3.1 地形地质条件

左岸河谷坡度70°～80°，基岩裸露，谷坡在1288 m 和1295 m 高程处发育有Ⅰ、Ⅱ级阶地，阶地砂卵砾石层厚2 m～3 m，其上覆少量坡积含土砾石，厚度1 m～3 m。下伏基岩岩性为第四系下更新统西域砾岩，岩层产状82°SE∠13°，岩体强风化层厚4 m～8 m，Vp=1800 m/s～2300 m/s，弱风化层厚15 m～25 m，Vp=2300 m/s～2800 m/s，微风化～新鲜岩体Vp=2800 m/s～3400 m/s。

河床段宽100 m 左右，河床地面高程1274 m～1275 m，覆盖层厚3 m 左右，岩性为第四系全新统冲积含漂石砂卵砾石层，砾石粒径>200 mm 占1.0%，200 mm～5 mm 占72.83%，<5 mm约占26.16%，天然干密度2.21 g/cm3，干密度2.13 g/cm3，相对密度dr=0.73，不均匀系数Cu=59.0，曲率系数Cc=3.61，渗透系数K20=6.4×10-2cm/s，为强透水层，饱和状态直剪试验建议值：c=0，φ=36.0°。下伏基岩岩性为第四系下更新统西域砾岩，岩层产状82°SE∠13°，岩体强风化层厚4 m～8 m，Vp=1800 m/s～2300 m/s，弱风化层厚15 m～25 m，Vp=2300 m/s～2800 m/s，微风化～新鲜岩体Vp=2800 m/s～3400 m/s。

右岸河谷岸坡为陡壁，坡度为87°～90°，基岩裸露，岩性为第四系下更新统西域砾岩（Q1），岩体较完整，泥砂质、钙质胶结或半胶结。成岩作用差，强度低。坡顶为Ⅳ级阶地，该段岩体强风化层厚3 m～7 m，Vp=1800 m/s～2300 m/s，弱风化岩体厚19 m～33 m，Vp=2300 m/s～2800 m/s，微风化～新鲜岩体Vp=2800 m/s～3400 m/s。

3.2 工程布置

坝后式供水方案主要建筑物包括渗管、导水管、检修井、集水池、泵房和供水管线等。

渗管布置在引水隧洞的1#施工支洞附近左岸河床滩地，设计流量为100 m3/h；采用φ800 防腐螺旋焊钢管长度150 m，纵坡i=0.5%。

导水管布置在渗管末端检修井至集水池之间，采用φ300防腐螺旋焊钢管长度26 m，纵坡i=0.5%。

检修井共布置4 处，分别位于渗管桩号L0+035.000，L0+071.000，L0+093.000，L0+150.000。检修井结构为钢筋混凝土结构；井筒长2 m，外径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滩地，外观尺寸6.6m×5.6m×17.0m（长×宽×高），底板厚度1000mm，壁厚800m，顶板厚200mm；采用混凝土现浇施工。集水池外部周围由砂砾石填筑而成泵房平台，长×宽尺寸为22m×16.8m 左右，边坡采用格宾石笼护坡+土工布形式防护。

泵站取水高程1271.15m，直接从集水池取水，扬程145m。铺设1.47km 管线扬水至管理区蓄水池，管道采用DN200 涂塑钢管（壁厚6.0mm，1.6MPa）。

4 供水方案比选

供水工程取水部分通过坝前式方案和坝后式方案比选可以看出：

1)从投资方面分析：坝前式方案投资约567.17 万元，坝后式方案约702.92 万元，坝前式方案占优。

2)水文地质条件对两种取水方式的适应性：坝前式方案供水平洞伸入库区（平洞底板高程1338m，五一水库死水位高程1340m），机井内井用潜水泵可置于平洞末端扩大硐室工作，直接抽取库区水。坝后式方案中渗管是水平式取水构筑物，是水平铺设在含水层中的集水管（渠），可用于收集浅层地下水。可铺设在河流、水库地表水体之下或旁边。渗渠的埋深一般在4～7m。本工程覆盖层厚度仅3m～4m 左右。两种方案均适应于本工程，前者较后者取水保证率更具优势。

3)从施工方面分析：坝前式取水方案供水平洞，机井，泵站附近已有道路、供电设施，施工方便。坝后式渗管，集水池附近无道路、供电设施等，施工条件较差。从施工方面分析，坝前式方案占优。

4)从运行管理分析：坝前式方案自库区取水，扬程约80m；坝后式方案扬程较高，约145m。

坝前式方案供水平洞位于库区，无需检修。坝后式方案渗管出水量很大，但渗管的渗流距离一般较短，特别是位于河床下的渗管。河水不能得到河流渗滤系统的充分净化，河水水质相对于大口井方案较差，另外，洪水期水的浊度较高，水质可能变差。渗管在运行中常存在程度不同的出水量衰减问题，渗管反滤层和周围含水层容易受地表水中泥砂杂质淤塞。对于以集取地表水为主的渗管，此种淤塞现象普遍存在，考虑到本河流的含沙量较大，估计每隔五年左右时间将更换一次渗管滤料。从运行管理方面，坝前式方案占优。

根据工程建设难易程度，取水条件，运行检修，投资大小等，综上得出轮台县五一水库工程（中型）配套附属工程管理区推荐取水方案采用坝前式取水方案。