張家口烏拉哈達水電站工程設計及分析

朱貴有，席建強

（1.河北省張家口市清水河河務管理處，河北 張家口 075000；2.張家口市水利發展規劃中心，河北 張家口 075000）

張家口市位于河北省西北部，是該地區的政治、經濟和文化的中心，具有重要的戰略地位，是溝通中原與北疆、連接中西部資源產區與東部經濟帶的重要紐帶。

清水河洪水源短流急、陡漲陡落，由于流經張家口市區，是張家口市主城區的主要洪水威脅，且清水河兩岸為城市建成區，無法再通過河道治理滿足防洪要求。因此，在城市上游清水河上修建烏拉哈達水利樞紐工程，是解決張家口市防洪的根本措施。本文圍繞張家口烏拉哈達水電站設計展開分析。

1 概況

烏拉哈達水利樞紐位于河北省張家口市崇禮區境內，東、西水庫分別坐落于清水河上游的東、西溝上。清水河是永定河上游洋河的一條較大支流，流域面積2380 km2，河道全長122 km，河道縱坡8‰～10‰，河網密度0.51，河流彎曲度1.5。

2 設計洪水及泥沙分析

清水河干流設有張家口水文站，支流西溝設有啕喇廟水文站。此外，在東溝曾設有崇禮水文站和榆樹林水文站，正溝曾設有中山溝水文站。成果質量符合《水文資料整編規范》（SL 247-2012）和《水文年鑒匯編刊印規范》（SL 460-2009）的要求，資料質量可靠，可供水文分析計算使用。

2.1 設計洪水

清水河流域的暴雨特性是籠罩面積小，雨量大、歷時短，經常出現局部地區短歷時降雨。與暴雨相對應，洪水也多為局部性洪水。流域內河道坡度較陡，各支流溝短坡陡，加之植被較差，洪水具有源短流急，驟降驟落的特點。歷年最大洪水出現時間多為7月、8月兩月，僅有個別年份出現在6月和9月。洪水在年際變化上與降雨基本相同，具有年際變化懸殊的特點。歷史洪水重現期分析成果見表1。

表1 歷史洪水重現期分析成果表

根據各區域洪水系列，結合歷史洪水重現期考證及分析結果，采用P-Ⅲ曲線適線，進行張家口站、啕喇廟站、啕喇廟—張家口站區間設計洪水的計算，東、西水庫設計洪水計算成果見表2:

表2 烏拉哈達水利樞紐設計洪水成果表

（1）東水庫設計洪水依據啕喇廟—張家口站區間分析成果，按面積比的方法計算。啕喇廟—張家口站區間控制流域面積1469 km2，東水庫控制流域面積1231 km2，占啕—張區間控制流域面積的84%；

（2）西水庫設計洪水依據啕喇廟站分析成果，按面積比的方法計算。啕喇廟水文站控制流域面積722 km2，西水庫控制流域面積為670 km2，占水文站控制流域面積的93%。

2.2 泥沙

張家口水文站控制流域面積為2191 km2，有1954年～2013年60年實測懸移質泥沙資料，經計算，其多年平均懸移質輸沙量為254.1萬t，平均含沙量為53.3 kg/m3。啕喇廟水文站控制流域面積為722 km2，有1959年～1962年、1964年～1967年、1984年～2013年共38年的實測懸移質泥沙資料，利用張家口站、啕喇廟站同步實測系列建立兩站相關關系，經分析兩站年徑流系列相關程度較高。通過兩站相關關系對啕喇廟站缺測的年份進行插補延長，經計算啕喇廟站多年平均懸移質輸沙量為141.2萬t，平均含沙量為97.9 kg/m3。東水庫壩址多年平均懸移質年輸沙量采用啕喇廟—張家口站區間成果推求。西水庫壩址采用啕喇廟水文站成果推求。推移質輸沙量按懸移質輸沙量的15%計算。東、西水庫年輸沙量成果見表3。

表3 烏拉哈達水利樞紐輸沙量統計成果表

3 水庫設計

3.1 水庫建設方案布局

烏拉哈達水利樞紐工程主要任務是解決張家口市的防洪問題。根據清水河現狀河道地形情況、庫區淹沒和工程地質條件，支流兩中庫方案應在滿足水庫原規劃的防洪、供水等功能前提下進行壩址選定。

清水河流域面積為2380 km2，有西溝和東溝兩條主要支流，流域面積分別為722 km2和1315 km2，分別占清水河總流域面積的30%和55%。為盡量減小區間洪水過大對下游張家口市區的防洪影響和盡量加大水庫供水量，東水庫、西水庫壩址應盡量向下游靠近兩溝匯合口布置，東溝上游壩址不宜超過東溝與正溝匯合口，西溝上游壩址宜在西溝與其支流獅子溝匯合口以下。

本次根據東、西兩水庫擬建大壩河段的地形地質條件，并考慮減小移民淹沒、礦藏和軍用設施的前提下，擬定兩溝壩址位置。其中東溝自下而上較適合建壩位置為匯合上游10.5 km南地村東的南地壩址和匯合上游15 km上新營子村東的新營子壩址。西溝自下而上較適合建壩位置為匯合上游5.2 km啕北營壩址和匯合上游6.0 km五十家壩址。

3.2 工程選址

經分析，清水河上游西溝可建壩河段位于其支流五十家溝匯合口至東、西溝匯合口之間的河段長約6.8 km，經相關部門溝通，同意建壩河段為勝利溝上、下游約1 km～2 km范圍。

根據地形、地質條件，東水庫選擇南地和新營子兩壩址進行比選。兩壩型均選取土質心墻壩作為代表壩型，經技術經濟綜合比較，從地形、地質角度來看，新營子壩址略優；南地壩址雖主體建筑程投資較大，但水庫移民遷建及專項投資較少，且南地壩址興利庫容較興利庫容增大，其它方面兩壩址基本相當。另外，由于南地壩址距張家口市區較新營子壩址近5 km左右，后期供水線路將節省約5 km，投資亦有所節省，因此東水庫選取經審查通過的南地壩址作為推薦壩址。

西水庫選取五十家壩址、啕北營壩址進行比選，兩壩址均采用壩型比選確定的土質心墻砂礫壩作為推薦壩型，經技術經濟綜合比較，兩壩址地形、地質條件基本相當，五十家壩址工程部分投資和移民遷建及專項投資均較省，因此西水庫推薦五十家壩址。

3.3 建筑物選型

（1）攔河壩壩型選擇

根據地形、地質及樞紐布置條件，東、西水庫均選取土質心墻壩和碾壓混凝土重力壩兩種壩型[1]，擬定主要建筑物規模和尺寸后，從地形地質條件、工程布置和管理、建筑材料、施工條件和工期、征地移民、對環境影響和工程投資等多方面對兩壩型進行同精度比選。

經比選，碾壓混凝土重力壩在工程布置和管理、對環境影響、和可靠度方面占優；土質心墻壩在適應地基變形能力、施工條件和工期、投資方面占優，兩壩型各具優缺點。綜合分析比較，東水庫土質心墻壩方案投資節省約2.05億元，西水庫投資較碾壓混凝土重力壩方案節省3.77億元，因此推薦土質心墻壩方案作為代表壩型。

（2）泄洪建筑物方案確定

考慮水庫洪峰、洪水總量等因素，對泄洪排沙洞單獨泄洪、溢洪道和泄洪洞聯合泄洪兩種泄洪方案[2]進行比選。

從經濟角度考慮，溢洪道和泄洪洞聯合泄洪方案投資較高；從工程運行期泄洪運用及水庫安全可靠性的角度考慮，單獨泄洪方案為深孔單一泄洪設施，而壩址以上控制流域來沙量較大，且其洪水過程為“尖瘦型”，其洪峰流量較大，但歷時較短（不足1 h），防洪調度困難，且泄洪排沙洞一旦因故不能及時開啟，將造成水庫出險乃至失事，危及下游張家口市區及工程自身安全。聯合泄洪方案較單獨泄洪方案增設了開敞式溢洪道，其超泄能力較深孔隧洞大大增加，可以明顯提高主體工程安全可靠性。經綜合分析后，雖聯合泄洪方案投資有所增加，但從洪水過程、泥沙及主體工程安全性角度分析角度綜合分析，推薦采用溢洪道和泄洪排沙洞聯合泄洪方案。

（3）輸水建筑物選型

項目考慮隧洞輸水和管道輸水兩個方案。經比選，管道輸水雖投資略為節省，但后期難以檢修，且管道布置于壩體內部，存在一定的安全隱患，故推薦采用隧洞供水方案。

4 結語

烏拉哈達水利樞紐工程位于河北省張家口市崇禮區境內，東、西水庫分別坐落于清水河上游的東、西溝上，工程開發任務以防洪為主，結合城市供水，兼顧灌溉等綜合利用。作為張家口市區供水水源之一，該工程提升了整個城市的環境水平和供水保證率，同時，供水將不再受季節的影響，特別是可與現有其它水源聯合調度，并在用水高峰期起調峰作用，從而大大提高城市供水的保證程度，為市區工業發展與人民生活提供穩定可靠的水源。