东疆某水库坝轴线及枢纽布置方案比选分析

孙飞飞

（新疆新水建设工程造价咨询有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

乌斯通沟水库位于托克逊县境内阿拉沟流域乌斯通沟上，乌斯通沟出山口以上流域面积617 km2，地表水资源量为4 084万m3，年内分布不均。水库总库容1 440万m3，死库容315万m3，综合放水设计流量3 m3/s，控制灌溉面积1 720 hm2。通过建设乌斯通沟水库，对坝址以上径流进行调节，在满足生态水量和灌溉需求的条件下，还可以为伊拉湖工业园区及一般工业提供水量，基本遏制灌区地下水的超采。

2 坝轴线选择

2.1 坝轴线拟定

工程区位于中天山山脉博罗科努山和天格尔山北麓，吐鲁番盆地西缘，地势西高东低，高差悬殊，河道蜿蜒于峡谷中，总体流向北东，出山后汇入阿拉沟河，河道全长68 km，河槽纵坡4.53‰左右，河谷狭窄。经地质踏勘选址，在乌斯通沟出山前长约9 km的河段内选择上、下两个坝址进行比较：上坝线下游370 m处河床宽度较窄，山体雄厚，选择上坝线下游370 m处为下坝线，除此处外由上坝址至山谷出口1.40 km均无合适坝线可选择。

2.2 地形地质条件

上坝线距峡谷出口1.40 km，为基本对称的“U”形河谷，河床面高程833～843 m，河床宽50～70 m，常年水面宽10 m 左右，水深约0.50 m，总体流向由南西流向北东，河床坡降较陡，其纵坡坡度平均为25.60‰，水流湍急。两岸山顶相对高差500～600 m，两岸山坡较陡，山坡坡度35°～45°，一般基岩裸露。两岸分布有较连续的Ⅰ级阶地。

下坝线位于峡谷出口段，为基本对称的“V”形河谷，河床面高程820～832 m，河床宽30～40 m，平时水面宽约10 m，水深约0.50 m，总体流向由南西流向北东，河床坡降较陡，其纵坡坡度平均为27.40‰，水流湍急。两岸山顶相对高差500～600 m，两岸山坡陡峭，山坡坡度60°～65°，一般基岩裸露。右岸分布有较连续的Ⅰ级阶地。

2.3 两坝线枢纽布置及主要建筑物

上、下坝线相距仅370 m，由于河床自然坡降较陡，水库可调节库容一致的情况下，两坝线水库的特征水位与坝顶高程相差较大，建筑物布置位置有调整。根据坝址地形地质条件，坝轴线均与河道基本垂直布置。上、下坝线比选应均采用最优枢纽布置方案进行比选，挡水建筑物采用沥青混凝土心墙砂砾石坝。

上坝线枢纽布置由沥青混凝土心墙砂砾坝、右岸溢洪洞及放空冲沙兼导流洞、左岸灌溉洞等建筑物组成。根据水库综合利用功能，为保证下游供水、灌溉等综合利用要求，经过调洪演算，上坝线正常蓄水位为905 m，死水位为876 m。总库容1 440万m3，兴利库容1 022万m3，死库容315万m3。

下坝线枢纽布置由沥青混凝土心墙砂砾坝、右岸溢洪洞、左岸灌溉洞及左岸放空冲沙兼导流洞等建筑物组成。经过调洪演算，下坝线正常蓄水位为897 m，死水位为868 m。总库容1 403万m3，兴利库容998万m3，死库容309万m3。

2.4 比选分析

上、下两个坝线兴利库容相近，水库承担的工程任务相同，气候条件相同、导流规模相同。①从地形地质条件分析，两坝线处于同一河段，相距仅370 m，为同一个区域地质构造环境，地震基本烈度与区域构造稳定性基本相同。但建坝的具体工程地形地质条件稍有差别，上坝线上部河床较宽，比下坝线宽40～50 m，两坝线下部河床宽度相差不大，但下坝线坝肩山体顺坡向节理多，山体陡峭且处于极限平衡状态，坡脚开挖易造成顺坡滑塌，建坝时坝肩基础处理工程量大，且下坝线各洞进出口处卸荷体多，开挖量较大。两坝线地质条件比较见表1。②从配套工程分析，两坝线相差370 m，两坝线输水工程、输电线路和对外公路工程上坝线较下坝线长，从整体布置上看三通一平方面，下坝线较有利，投资节省约38.50 万元。③从施工条件分析，由于坝区两坝线方案位置接近，且均位于中低山区，施工场地布置均比较方便，施工条件基本相同。经分析论证两条坝线方案施工进度相同，均为25 个月。④由于坝线仅差距370 m，金属结构、征地移民、环评水保及运行管理条件基本一致。⑤从经济上比较，上坝线可比总投资48 197.29万元，比下坝线总投资共节省1 578.79万元，从投资上看，上坝线较优。

综合所述，上、下坝线方案各有优劣，相差不大，但上坝线投资略省，还能有效的避免高边坡开挖及处理，大幅降低施工难度，因此，选择上坝线。

3 枢纽建筑物布置方案比选

3.1 布置原则

枢纽布置应综合考虑地形地质条件的适用性、安全可靠性、施工条件等因素。乌斯通沟水库枢纽主要建筑物包括拦河大坝、溢洪洞、灌溉洞及冲沙放空兼导流洞，为了使工程安全可靠、工程施工和运行管理方便，在枢纽布置选择时充分考虑建筑物之间无相互制约因素存在，大坝轴线和坝型确定后，为确保大坝安全运行，优先考虑泄洪建筑物布置，在确定泄洪建筑物的前提下，再对灌溉放水洞和导流冲沙兼放空洞两个单体建筑物布置。

3.2 枢纽布置方案

按照枢纽布置原则，结合枢纽地质条件，选择沥青混凝土心墙砂砾石坝左岸灌溉洞为方案一，沥青混凝土心墙砂砾石坝右岸灌溉洞为方案二，作为枢纽布置的两个比较方案，两个方案水库特征参数均相同，只是溢洪洞、灌溉洞、导流冲沙放空洞布置位置不同，坝轴线垂直于河道布置。水库正常蓄水位905 m，1 000 年一遇校核洪水位为906.89 m，水库总库容1 440 万m3。两方案枢纽总体布置主要工程量及投资比较情况见表2。

表2 枢纽总体布置主要工程量及投资比较表

方案一：沥青混凝土心墙砂砾石坝左岸灌溉洞方案，溢洪洞位于右岸坝肩位置，采用明流溢洪洞，全长393.37 m；放空冲沙兼导流洞布置于河床右岸，隧洞在平面上布置1 个转弯，中心角48.70°转弯半径为100 m，采用有压洞来调整水流。由进水检修段、隧洞有压段、工作闸井段、隧洞无压段和出口消能段组成，总长514 m；灌溉洞布置在左岸，选用前段有压，后段无压灌溉洞，全长340.90 m。

方案二：沥青混凝土心墙砂砾石坝右岸灌溉洞方案，溢洪洞位于大坝右岸，全长524.99 m。放空冲沙兼导流洞布置于河床右岸，全长540.45 m，灌溉洞布置在右岸，全长410.06 m。方案二考虑到拉沙效果等问题，将灌溉洞进口布置于放空冲沙兼导流洞进口上方。平面上如将溢洪洞布置于灌溉洞及导流放空洞左侧，即方案一位置上，则灌溉洞出口及导流放空洞出口由于交叉2 倍洞径要求，无法就近从大坝下游侧出口，需从溢洪洞右侧山体后出口，导致2 洞洞身较长，且灌溉洞出口消力池也无法布置，如为节省投资将溢洪洞向大坝方向移动，则导致溢洪洞出口及消力池离大坝下游坝脚太近，具有较大的安全隐患，因此只能将溢洪洞布置于灌溉洞及导流放空洞右侧，故需将溢洪洞洞轴线向山体内移，经比较，溢洪洞进口控制段前移至山前，开挖最省，水流条件最好，虽洞线延长较多，但仍较沿山侧布置进口控制段节省投资。

3.3 方案比选

①地形地貌方面，方案一的溢洪洞控制段及放空导流闸井均靠近大坝坝肩，可通过交通桥与公路到达；方案二需沿半山腰边修约200 m公路通溢洪洞进口控制段，修交通桥至灌溉洞与导流放空洞控制闸井，修交通公路需沿山体进行开挖，边坡高达50 m，地质为强风化层，存在高边坡处理的不利因素，因此从地形来说方案一较优。②施工条件方面，方案二的溢洪洞的正堰进水口布置在右岸山前的临冲沟斜坡上，方案一的溢洪洞的正堰进水口布置在大坝右坝肩前不远处，方案一的溢洪洞施工与大坝施工会互有干扰，如不能合理调配，施工会有冲突，方案二则施工互不干扰；方案二的溢洪洞、灌溉洞、导流放空洞的出口消力池均在大坝下游右侧，如不能合理调配，施工同样也会有冲突，且施工布置较方案一拥挤，因此从施工方面来说二方案相差不大，各有优劣。③两方案均可通过汛期放空冲沙洞的下拉冲沙，两方案灌溉洞进口高程均高于於砂高程872.50 m，方案二的灌溉洞进口在放空冲沙洞上方约27 m 处，灌溉洞前能更好的防淤积，做到“门前清”，这是方案二的优点。④方案二的溢洪洞进水口远离大坝，从地形来说可以从容布置正堰进口，相对于方案一来说泄流时对大坝的影响略小，进水流态也相对略好，但两方案均能保证泄流时建筑物安全。⑤从运行管理上来说，两方案均有坝上交通相连，交通均较为方便，方案一的2 洞均在左岸，1 洞右岸，方案二的3 洞虽均在右岸，但溢洪洞控制段相距较远，因此运行管理上两方案相差不大。⑥从投资角度来说，由于方案二溢洪洞洞线较长，交通道路较长，且高边坡处理工程量更大，导致方案二经济性较差，比方案一多1 538.24万元。因此投资方面方案一占优。

经综合比较后，两方案在水工布置、施工布置、运行管理等方面相差不大，各有优劣，但在投资方面及高边坡处理方面方案一占优，故方案一沥青混凝土心墙砂砾石坝左岸灌溉洞方案为推荐方案。

4 结论

①乌斯通沟出山前长约9 km 的河段内选择上、下两个坝址，从地形地质条件、配套工程、施工条件及经济上进行综合比较，上坝线投资略省，还能有效地避免高边坡开挖及处理，大幅降低施工难度，因此，选择上坝线为乌斯通沟水库坝线。②选择沥青混凝土心墙砂砾石坝左岸灌溉洞和沥青混凝土心墙砂砾石坝右岸灌溉洞作为枢纽布置的两个比较方案，两个方案水库特征参数均相同，只是溢洪洞、灌溉洞、导流冲沙放空洞布置位置不同，坝轴线垂直于河道布置。经综合比较后，两方案在水工布置、施工布置、运行管理等方面相差不大，各有优劣，但在投资方面及高边坡处理方面方案一占优，选择沥青混凝土心墙砂砾石坝左岸灌溉洞方案为枢纽布置方案。③实例中的坝线、枢纽布置比选设计均利用相对传统的方法，由于地质条件复杂、坝轴线位置调整、枢纽布置变动易造成比选设计工作量大、不易修改、表达抽象，今后宜结合水利行业信息化建模软件提高计算精度和速度，实现水利枢纽的参数化建模及工程建设全过程分析计算，为最优方案的选定提供量化参考。