塔尔朗水库坝址比选研究分析

2023-08-15曹凯

水利科学与寒区工程 2023年7期

曹凯

(吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司，新疆吐鲁番 838000)

1 工程概述

塔尔朗水库枢纽工程拟建于高昌区西北部塔尔朗河上，位于河道的中下游峡谷区河段。塔尔朗水库工程的开发方式为：在塔尔朗河狭口处建造拦河坝修建调蓄水库，为吐鲁番市高昌区工业园区提供工业供水及少量生活用水，利用水库调蓄功能改善灌区灌溉面积，提高保证率，有效解决灌溉春旱问题，该水库是一座兼顾工业供水及农业灌溉的综合性调蓄水库。

塔尔朗河位于新疆维吾尔自治区中东部，是高昌区“五河”流域中的河流之一，发源于博格达山南坡，源头高程4858 m，总体流向由北向南，出山后流入吐鲁番盆地，河道总长50 km。塔尔朗渠渠首以上河段河道狭窄，呈窄“U”形河谷，平均坡降约68‰，塔尔朗渠渠首上游1 km以上河床宽5～20 m，两岸岸坡陡峭，河床狭窄，为狭谷区，建坝条件差，须建百米以上高坝才能满足水量要求，工程难度和费用均较高；塔尔朗渠渠首至出山口段，呈较宽“U”形河谷，平均坡降约13‰；山口段往下游，河床宽度200～400 m，两岸为低山与阶地，坝轴线较长，建坝条件较差。故本工程选择在塔尔朗渠渠首上游1 km、下游4 km，总共5 km长的河流山谷地带进行坝址选择[1]。

2 坝址拟选

因塔尔朗河河床均为砂卵石层，最深厚度达99.5 m，两岸山体岩石连续出露地段较少，塔尔朗沟沿河适合建库的坝址较少，通过对塔尔朗河拟建坝址河段进行多次实地踏勘，对坝址段区域进行了详细分析：

(1)塔尔朗渠渠首上游段，河床两岸相对对称的地形地质条件很少，且两岸地形地质条件复杂，布置建筑物困难；越往上游，河道纵坡越大，河床宽度越小，且河道弯曲回旋，两岸阶地高陡，水流湍急，行人无法上行。通过综合比较，本阶段选择将塔尔朗渠渠首上游680 m处作为比选坝址，为上坝址。

(2)塔尔朗渠渠首至下游出山口河段总长约4 km，呈较宽“U”形河谷，平均坡降约13‰。通过多次实地踏勘，塔尔朗渠渠首下游2～3 km范围内有两处适合建坝的河段，分别为塔尔郎渠渠首下游1.5 km和2.1 km处，两岸相对较为对称，基岩裸露较为连续，有布置建筑物的可行性。1998年，由新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院及吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院联合设计的《新疆维吾尔自治区吐鲁番市“五河”流域规划报告》中，塔尔朗水库坝址定为塔尔朗渠渠首下游约2.1 km处，即现塔尔朗水文站附近。本次拟将其作为设计比选坝址，为下坝址。上、下坝址间距约为2.8 km。

本次在下坝址选择了两条轴线，即上线、下线，上线位于塔尔朗水文站上游约63 m，轴线方向为S78°W；下线位于水文站上游约35 m，轴线方向为S69°W。两线左岸坝肩位于同一个位置，右坝肩相距约55 m，其工程地质条件基本相同。

3 拟建坝址条件及布置

3.1 上坝址地质条件及布置

(1)上坝址地形及地质条件。上坝址位于塔尔朗渠首上游约680 m，处于较不对称的“U”形河谷内，河床高程1174～1190 m，河床宽30～95 m，平时水面宽3.0～8.0 m，水深0.3～1.0 m，总体流向由北东流向南西，河床坡降较陡，纵坡坡度平均为29.8‰。两岸山顶高程1400～1700 m，相对高差200～500 m，山坡坡度一般为35°～60°，局部形成直立陡坎，山坡上部一般基岩裸露，下部多为第四系覆盖。河床及河漫滩为砂卵砾石夹漂石、孤石，结构松散-中密，卵砾石多呈次圆状及棱角状，粒径一般10～30 cm，表部最大孤石约5 m，厚度50～58 m；坡脚、陡坎下为碎块石、卵砾石、孤石夹土，结构松散，厚度1～10 m。

两岸沿河零星残留有Ⅰ～Ⅳ级阶地，右岸分布有较连续的Ⅳ级阶地，其后缘多为坡洪积物、崩坡积物所覆盖，前缘形成70°左右的陡坎。两岸共发育分布有4条小冲沟，沟长100～250 m，阶地内切割最大深度约30 m。两岸Ⅰ～Ⅳ阶地为含泥砂卵砾石夹漂石，卵砾石主要成分以砂岩、安山岩、玢岩及石英岩为主，粒径一般5～20 cm，厚度10～80 m；坝址区位于塔尔朗向斜构造北翼，基本为一倾向下游的单斜构造，近于横河向[2]。

上坝址主要存在工程地质问题有：河床与右岸阶地深厚堆积层的渗漏及渗透变形问题、两岸坝肩沿断层渗漏问题、边坡开挖稳定问题、坝基不均匀沉降问题。

(2)上坝址枢纽布置。枢纽布置方案由沥青混凝土心墙砂砾坝、溢洪洞、灌溉洞及导流兼放空冲沙洞等建筑物组成。水库正常蓄水位1295.5 m，相应库容2151万m3。根据上坝址的地形地质条件，坝轴线垂直于河道布置[3]。

沥青混凝土心墙砂砾坝。大坝填筑从上游至下游依次分为：上游围堰区、上游砂砾料区、上游过渡料区、沥青混凝土心墙、下游过渡料区和下游砂砾料区、排水棱体，坝长389 m。

溢洪洞。考虑本工程为地震区，河床砂卵石埋深较深等实际情况将泄洪建筑物布置在岸边岩基上，从左、右岸岸坡地形地质条件看，左岸上游侧的冲沟较为宽敞，适宜布置泄洪建筑物进口。但因左岸山体覆盖层厚、山脊较高，岸边坡度较陡，若布置溢洪道则开挖量较大，故本次考虑溢洪洞方案。该坝址最大下泄流量792 m3/s，溢洪洞与坝轴线斜交103°，由进口控制段、泄槽洞段、出口明渠段、底流消能防冲段组成，每段长度分别为26 m、423 m、32 m、103 m，溢洪洞总长584 m。

灌溉洞。为方便取水，灌溉隧洞布置在河床左岸，平面布置中除进口拐弯外，其余洞身段与坝轴线正交，过坝下游直线进入下游河床中。灌溉洞总长1137.2 m，由进口闸井段、有压隧洞段、工作闸井段、无压隧洞段、消力池段和海曼段组成，主要承担工业、农业灌溉供水任务。设计引用流量6.0 m3/s。灌溉洞出山体后，与原有塔尔朗渠道相接。

导流兼放空冲沙洞。布置在河道右岸，全长为1067.5 m，包括进口段、有压段、工作闸井段、无压段、出口明渠段和消力池护坦段组成。

3.2 下坝址地质条件及布置

(1)下坝址地形及地质条件。坝址区处于不对称的“U”形河谷内，左岸为一倾向右岸偏上游的条形山脊，走向N50°W，山脊高程1139～1300 m，后缘山体雄厚，山顶高程1500 m，坝址轴线处山脊高程为1235 m，高于河床133 m，山脊北侧为N3号冲沟，沟底高程1122～1205 m，沟宽5.0～40.0 m，沟底中下游基岩裸露。河床高程1095～1112 m，河床宽90～190 m，总体流向由北西流向南东，河床坡降较陡，平均坡度为13‰。

两岸Ⅰ～Ⅳ阶地为含泥砂卵砾石夹漂石，卵砾石主要成分以砂岩、安山岩、玢岩及石英岩为主，多呈次圆状，粒径一般5～20 cm，最大可见约50 cm，其厚度4～20 m；河床及漫滩为砂卵砾石夹漂石，结构松散-中密，卵砾石多呈次圆状及棱角状，粒径一般5～30 cm，最大约1 m，最大厚度约99.5 m；两岸山坡缓坡地带及阶地上部为碎石土、卵砾石土夹块石、孤石，厚2～5 m；人工堆积的砂卵砾石主要分布于防洪墙内侧，其结构松散，厚度0.5～3.2 m；浆砌石、混凝土主要分布于渠道、过水公路、防洪墙及水文站，厚度0.5～2.0 m。坝址区物理地质现象主要为风化、卸荷和崩塌[2]。

下坝址主要存在工程地质问题有：河床深厚堆积层的渗漏及渗透变形问题、边坡开挖稳定问题、坝基不均匀沉降问题。

(2)下坝址枢纽布置。下坝址枢纽建筑物组成与上坝址相似，水库正常蓄水位1295.5 m，相应库容2151万m3。根据下坝址的地形地质条件，坝轴线与河道夹角81°布置。

沥青混凝土心墙砂砾坝上游至下游布置形式与上坝址一致，下坝址(上线)坝长301 m，下坝址(下线)坝长330 m。

溢洪洞亦布置在河道左岸，建筑物由进口段、控制段、开敞式泄槽段、无压洞身段、出口明洞段、斜坡泄槽段、底流消能防冲段组成，每段长度分别为20 m、26 m、40 m、293 m、80 m，总长459 m。

灌溉洞布置在河床右岸，全长为711.87 m，设计引用流量6 m3/s。灌溉洞出山体后，与原有塔尔朗渠道相接。

导流兼放空冲沙洞，全长为818.98 m，建筑物组成与上坝址导流兼放空冲沙洞一样。

4 坝址比较分析

上、下坝址总库容相近，水库承担的工程任务相同，气候条件相同、导流规模相同。本阶段对上、下坝址从地形地质条件、施工条件、淹没损失、运行管理及投资进行综合比较[3-4]，详见表1。

表1 塔尔朗水库上、下坝址综合比较

上、下坝址总库容相近，调节库容均可满足本工程承担的下游农业灌溉、防洪、生态等各项任务的要求。由于下坝址下线和上线枢纽布置相近，但下线坝线长度较长，大坝工程量相对较多，投资也相对较多，所以本次比选将下坝址下线排除在外，下坝址以上线作为代表。上、下坝址从技术、经济及运行管理上比较。

4.1 从技术方面比较

(1)从地形地质条件分析。两个坝址处于同一河段，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相同。但建坝的具体工程地形地质条件上有很大差别，上坝址坝顶长度408.2 m，最大坝高为120 m；下坝址坝顶长度327.5 m，最大坝高为71.0 m；因此上坝址坝体填筑量比下坝址多。下坝址两岸岩石出露高程较高，岩体厚度较厚，对建筑物基础有利。从大坝布置上看，下坝址有利[5-6]。

(2)从工程水文条件分析。两坝址建库后的有效调节库容基本相同，但下坝址集水面积较大，对于干旱地区保证水库蓄水引水有利。

(3)从枢纽布置分析。上坝址左岸为弯道凸岸，溢洪洞、导流洞、灌溉洞均布置在大坝左岸，进出口均为基岩，相对稍有利。

(4)从施工条件分析。上坝址距离出山口较远，需建设较长的公路及输电线路来满足施工；从水库引水至出山口下游已建好的塔尔朗渠，管线较长，渠系配套工程量大；河流两岸山体凹凸，冲沟较多，对外道路交通不便；下坝址离塔尔朗渠较近，对外交通便利，有利于施工。