五一水庫管理區供水方案比選研究

常 勝

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

五一水庫工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺縣境內的迪那河中下游河段，具有工業供水、防洪、灌溉等綜合效益。主要建筑物包括攔河大壩、左岸導流兼泄洪沖沙洞、左岸溢洪洞、引水發電建筑物和廠房等。工程屬Ⅲ等中型工程，大壩為2 級建筑物；導流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、發電洞為3 級建筑物；大壩為瀝青心墻壩，壩頂高程為1374.50 m，最大壩高102.50 m，壩長399.8m。水庫正常蓄水位1370 m，設計洪水位1370.69 m，校核洪水位1373.17 m，死水位1340 m。水庫總庫容0.995 億m3，死庫容0.320 億m3，調節庫容0.591 億m3。

五一水庫管理區供水工程承擔管理區生活及消防的供水任務，設計流量100 m3/h。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）的規定，確定管理區供水系統工程等別Ⅴ等，工程規模為小（2）型，主要建筑物和次要建筑物均為5 級。工程區地震基本烈度為Ⅷ度，主要建筑物設防烈度Ⅷ度?，F初步擬定壩前式取水和壩后式取水兩個方案進行比選。

2 壩前式供水方案

水庫取水構筑物形式包括浮船式取水，纜車式取水，濕式豎井泵房取水等取水形式[1]。庫區取水已有不少工程實例，運行效果較好。劉忠發[2]提出了浮船和岸邊式泵站組合取水方案，較徹底地解決了某氧化鋁廠從構皮灘電站庫區取水問題。邵國洪[3]以思南縣楓蕓鄉河坡供水工程中的移動式泵站為例，對纜車式移動泵站設計進行了介紹。孫高升等[4]介紹了某大型水庫庫區取水工程實例，在左岸臺地修建沉井，利用沉井作為工作井向庫區頂管，形成取水泵站的引水系統，然后將沉井改建成取水泵站。

根據工程區水文站實測冰情資料分析，冬季庫區多流冰天數較多，需進行流冰清理，運行管理不便，浮船易受流冰撞擊，對浮船安全不利，因此工程區取水建筑物不宜選取浮船式移動取水泵站。

庫區一帶為峽谷地貌，河谷形態呈“V”形（部分段為U型寬谷），庫區岸坡較陡，河谷坡度多為75°～85°。岸道邊坡布置纜車式取水軌道較為困難。并且工程區河道流冰天數較多，運行期間需進行人工排冰，運行管理不便，且易造成纜車軌道結冰，對工程安全不利。故工程區不宜使用纜車式移動取水。

根據工程區特點，可采用濕井型深井泵取水，集水井設在泵房下部，其優點是結構簡單，面積較小，造價較低，操作條件較好。

壩前式供水方案水源為五一水庫，取水方式采用濕井型深井泵取水，取水口平縱布置見圖1。庫區左岸階地設置2 孔供水機井，機井末端伸入供水平洞，平洞連接至庫區引水；機井內設井用潛水泵，鋪設供水管線至管理區蓄水池。

圖1 壩前式供水方案取水口縱剖面圖

2.1 地形地質條件

壩址區河谷狹窄，呈“U”型，底寬30 m 左右，頂寬60 m，谷深70 m～80 m，兩岸谷坡近直立，谷底下部局部形成倒坡。谷頂高程1366 m～1380 m，主要由Ⅳ、Ⅴ級階地組成，左岸分布古河槽。古河槽成平緩“U”字形態，古河槽頂寬420 m，底寬200 m 左右，古河槽頂部高程1377 m～1405 m，底部高程1340 m～1360 m，率1 Lu～3 Lu；微風化巖體的波速為Vp＞2800 m/s。水庫古河槽塌岸預測塌岸寬度40 m～70 m 不等，需考慮塌岸影響。

2.1.1 供水平洞

（1）進口段

進口段位于Ⅴ級階地前緣，階地陡坡自然坡度65°～75°，高約60m，下部殘留有Ⅱ級階地，寬約20m。陡坡頂Ⅴ級階地表層為2m～5m 厚第四系上更新統砂卵礫石層，下部為中更新統砂卵礫石層，厚約30m，下伏巖體為第四系下更新統西域礫巖與新近系上新統地層。西域礫巖為泥砂質、鈣質膠結或半膠結，呈厚層狀，巖層走向80°～89°SE∠15～18°，與洞線交角60°～70°，新近系上新統為泥巖、砂礫巖、泥質砂巖互層，單層厚0.5m～4m，巖層產狀80°～89°SE∠15°～18°與上部西域礫巖整合接觸。

進口庫岸自然邊坡較陡，需對岸坡進行適當削坡，洞臉邊坡開挖坡度：覆蓋層水上1∶1.75，水下1∶2.0；基巖臨時1∶0.3，永久1∶0.75，因基巖抗沖蝕能力弱，應采取相應保護措施。

（2）洞身段

洞身段位于新近系上新統秋里塔克組泥巖、砂礫巖、泥質砂巖巖體與下更新統西域礫巖內，強風化層厚5m～8m，弱風化厚15m～25m。其中0+000～0+010m 位于基巖強風化層，屬Ⅴ類圍巖，Ko=3 MPa/cm～4 MPa/cm，fk=1.0～1.5，穩定條件差。0+010～0+098m 位于基巖弱風化巖體內，出露地層主要為泥巖、砂礫巖、泥質砂巖互層，屬Ⅳ類圍巖，Ko=4MPa/cm～6MPa/cm，fk=1.5～2.0，巖體較完整，洞身上覆巖體厚6m～38m，具備成洞條件。但遇水易軟化，強度不高，洞身段應進行全斷面砼襯砌。

2.1.2 供水機井

供水平洞樁號0+089～0+098m 處布設抽水機井，地層表層為2m～5m 厚第四系上更新統砂卵礫石層，下部為中更新統砂卵礫石層，厚約32m，下伏巖體為第四系下更新統西域礫巖與新近系上新統的泥巖、砂礫巖。西域礫巖為泥砂質、鈣質膠結或半膠結，呈厚層狀，巖層走向80°～89°SE∠15°～18°，新近系上新統泥巖、砂礫巖、泥質砂巖互層，單層厚0.5m～4m，巖層產狀80°～89°SE∠15°～18°與上部西域礫巖整合接觸。礫巖地基承載力特征值500kPa～600kPa，泥巖地基承載力特征值350kPa。

2.1.3 供水管線

供水管線段（0+000～0+790.438)m：該段發育Ⅳ-Ⅷ級階地，各級階地比高2m～5m，各級階地階面平坦，開闊，地面高程1381m～1408m，巖性上部為第四系上更新統沖積砂卵礫石及全新統洪積含土砂卵礫石層，厚度4m～9m；其下為古河槽。上部巖性天然濕密度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，相對密度0.59～0.60，基礎承載力建議值300kPa～350kPa，臨時開挖邊坡1∶0.75～1∶1.0。

2.2 工程布置

壩前式供水方案主要建筑物包括供水平洞，機井，泵房和供水管線等。

供水平洞布置在左岸階地，長約98 m，底板高程1338 m。其中樁號0+000～0+089 段，城門洞型，開挖尺寸3.1 m×3.45 m（寬×高），洞身凈尺寸2.0 m×2.5 m（寬×高），全斷面砼襯砌；其中樁號0+089～0+098 段，城門洞型，開挖尺寸3.1 m×8.45 m（寬×高），洞身凈尺寸2.0 m×7.5 m，全斷面砼襯砌?？紤]水庫古河槽塌岸預測塌岸寬度40 m～70 m 影響，需對平洞進口進行開挖處理，覆蓋層開挖邊坡水上1∶1.75，水下1∶2.0。

機井選用φ325 mm 螺旋焊鋼管，壁厚6 mm，井深為45 m，井孔與井壁管之間灌注水泥漿固定。

泵站取水高程1340 m，直接從機井取水，揚程80 m。鋪設0.8 km 管線揚水至管理區蓄水池，管道采用DN200PE 管（壁厚11.9 mm，1.6 MPa）。

3 壩后式供水方案

新疆的河流大多為山溪性河流，河床多覆蓋有顆粒較粗、厚度不大的沖積層，蘊含有河床潛流水，滲管正是開采此類地下水最適宜的取水構筑物[5]。廖柯[6]等介紹了新疆拜城八鋼工業園區供水工程以天然河道為供水水源，采用埋設于河床沙層的鋼制滲管引取河床滲透水的工程實例。贠立明[7]展示了滲管取水在金溝河引水工程中的運用。徐程成[8]等分析了新疆某水源滲管取水工程近幾年水質渾濁度超標的原因，提出了相應技改和整改措施，保障了該水源正常生產的安全運行。

壩后式供水方案水源為天然河道，取水方式采用滲管取水，取水口平縱布置見圖2 和圖3。φ800 滲管布置在引水隧洞的1#施工支洞附近左岸河床灘地，匯水至集水池；集水池內設井用潛水泵，鋪設管線至管理區蓄水池。

圖2 壩后式供水方案取水口平面布置圖

圖3 壩后式供水方案取水口縱剖面圖

3.1 地形地質條件

左岸河谷坡度70°～80°，基巖裸露，谷坡在1288 m 和1295 m 高程處發育有Ⅰ、Ⅱ級階地，階地砂卵礫石層厚2 m～3 m，其上覆少量坡積含土礫石，厚度1 m～3 m。下伏基巖巖性為第四系下更新統西域礫巖，巖層產狀82°SE∠13°，巖體強風化層厚4 m～8 m，Vp=1800 m/s～2300 m/s，弱風化層厚15 m～25 m，Vp=2300 m/s～2800 m/s，微風化～新鮮巖體Vp=2800 m/s～3400 m/s。

河床段寬100 m 左右，河床地面高程1274 m～1275 m，覆蓋層厚3 m 左右，巖性為第四系全新統沖積含漂石砂卵礫石層，礫石粒徑>200 mm 占1.0%，200 mm～5 mm 占72.83%，<5 mm約占26.16%，天然干密度2.21 g/cm3，干密度2.13 g/cm3，相對密度dr=0.73，不均勻系數Cu=59.0，曲率系數Cc=3.61，滲透系數K20=6.4×10-2cm/s，為強透水層，飽和狀態直剪試驗建議值：c=0，φ=36.0°。下伏基巖巖性為第四系下更新統西域礫巖，巖層產狀82°SE∠13°，巖體強風化層厚4 m～8 m，Vp=1800 m/s～2300 m/s，弱風化層厚15 m～25 m，Vp=2300 m/s～2800 m/s，微風化～新鮮巖體Vp=2800 m/s～3400 m/s。

右岸河谷岸坡為陡壁，坡度為87°～90°，基巖裸露，巖性為第四系下更新統西域礫巖（Q1），巖體較完整，泥砂質、鈣質膠結或半膠結。成巖作用差，強度低。坡頂為Ⅳ級階地，該段巖體強風化層厚3 m～7 m，Vp=1800 m/s～2300 m/s，弱風化巖體厚19 m～33 m，Vp=2300 m/s～2800 m/s，微風化～新鮮巖體Vp=2800 m/s～3400 m/s。

3.2 工程布置

壩后式供水方案主要建筑物包括滲管、導水管、檢修井、集水池、泵房和供水管線等。

滲管布置在引水隧洞的1#施工支洞附近左岸河床灘地，設計流量為100 m3/h；采用φ800 防腐螺旋焊鋼管長度150 m，縱坡i=0.5%。

導水管布置在滲管末端檢修井至集水池之間，采用φ300防腐螺旋焊鋼管長度26 m，縱坡i=0.5%。

檢修井共布置4 處，分別位于滲管樁號L0+035.000，L0+071.000，L0+093.000，L0+150.000。檢修井結構為鋼筋混凝土結構；井筒長2 m，外徑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灘地，外觀尺寸6.6m×5.6m×17.0m（長×寬×高），底板厚度1000mm，壁厚800m，頂板厚200mm；采用混凝土現澆施工。集水池外部周圍由砂礫石填筑而成泵房平臺，長×寬尺寸為22m×16.8m 左右，邊坡采用格賓石籠護坡+土工布形式防護。

泵站取水高程1271.15m，直接從集水池取水，揚程145m。鋪設1.47km 管線揚水至管理區蓄水池，管道采用DN200 涂塑鋼管（壁厚6.0mm，1.6MPa）。

4 供水方案比選

供水工程取水部分通過壩前式方案和壩后式方案比選可以看出：

1)從投資方面分析：壩前式方案投資約567.17 萬元，壩后式方案約702.92 萬元，壩前式方案占優。

2)水文地質條件對兩種取水方式的適應性：壩前式方案供水平洞伸入庫區（平洞底板高程1338m，五一水庫死水位高程1340m），機井內井用潛水泵可置于平洞末端擴大硐室工作，直接抽取庫區水。壩后式方案中滲管是水平式取水構筑物，是水平鋪設在含水層中的集水管（渠），可用于收集淺層地下水。可鋪設在河流、水庫地表水體之下或旁邊。滲渠的埋深一般在4～7m。本工程覆蓋層厚度僅3m～4m 左右。兩種方案均適應于本工程，前者較后者取水保證率更具優勢。

3)從施工方面分析：壩前式取水方案供水平洞，機井，泵站附近已有道路、供電設施，施工方便。壩后式滲管，集水池附近無道路、供電設施等，施工條件較差。從施工方面分析，壩前式方案占優。

4)從運行管理分析：壩前式方案自庫區取水，揚程約80m；壩后式方案揚程較高，約145m。

壩前式方案供水平洞位于庫區，無需檢修。壩后式方案滲管出水量很大，但滲管的滲流距離一般較短，特別是位于河床下的滲管。河水不能得到河流滲濾系統的充分凈化，河水水質相對于大口井方案較差，另外，洪水期水的濁度較高，水質可能變差。滲管在運行中常存在程度不同的出水量衰減問題，滲管反濾層和周圍含水層容易受地表水中泥砂雜質淤塞。對于以集取地表水為主的滲管，此種淤塞現象普遍存在，考慮到本河流的含沙量較大，估計每隔五年左右時間將更換一次滲管濾料。從運行管理方面，壩前式方案占優。

根據工程建設難易程度，取水條件，運行檢修，投資大小等，綜上得出輪臺縣五一水庫工程（中型）配套附屬工程管理區推薦取水方案采用壩前式取水方案。

表1 供水方案比選表

5 結語

根據工程建設難易程度，取水條件，運行檢修，投資大小等，對壩前式和壩后式兩種供水方案進行比選，分析得出，壩前式供水方案相較于壩后式供水方案具有投資省、取水保證率高、施工條件好、運行管理方便等優勢。綜上，輪臺縣五一水庫工程（中型）配套附屬工程管理區推薦取水方案采用壩前式取水方案。