論水電工程設計優化管理的內涵和方法

姚福海

(國電大渡河流域水電開發有限公司，四川成都 610041)

1 公伯峽水電站獲得多項國家大獎的奧秘

公伯峽水電站位于青海省循化縣與化隆縣交界的黃河干流上。電站正常蓄水位高程2 005 m，設計庫容6.2億m3，設計裝機容量150萬kW，多年平均發電量51億kW·h，主要水工建筑物由132 m高的混凝土面板堆石壩、左岸開敞式溢洪道、左岸放空洞(D=9 m)、右岸地面式引水發電系統和旋流豎井泄洪洞等組成。主要工程量有:土石方開挖1 171萬m3，土石方填筑514萬m3，混凝土澆筑125.9 m3，鋼筋3.95 萬 t，金屬結構安裝0.685萬t。按照2000年的物價水平計算，工程設計概算投資62億元。

公伯峽水電站導流工程于2000年7月開工。2001年8月，經國家核準主體工程正式開工。2002年3月20日，主河床實現截流。2004年8月底首臺機組正式發電后，使我國的水電裝機容量突破了1億kW。2005年12月，工程全部竣工。

公伯峽水電站從截流到發電僅用了不到兩年半時間，創造了我國百萬千瓦級大型水電站的最快建設記錄。工程竣工概算投資較國家審批的概算節省了7億元。實際單位千瓦造價3 666元/kW。自2005年起，公伯峽水電站先后獲得的國家大獎:國家魯班獎(2006年)、國家環境友好獎(2006年)、詹天佑工程獎(2007年)、全國優秀勘測設計獎(2008年)。一座水電工程在建成后的短短3年內能獲得如此數量的大獎在國內是極為罕見的?？偨Y其實踐經驗，最根本的有兩條:

(1)依靠大膽的設計優化推動工程建設。在施工詳圖設計階段，由業主組織完成的主要設計優化有:①根據最新水文情況縮小了導流洞橫斷面尺寸。在可研設計階段，導流隧洞的橫斷面尺寸為14 m×15 m。2000年一季度，在招標設計階段，黃河上游受多年來水偏枯的影響，公伯峽上游的龍羊峽水庫已處于最低水位運行，共有防洪庫容175億m3(可實現多年調節)。對此，業主會同設計經分析后認為:在公伯峽水電站主體工程施工期，由于龍羊峽水庫巨大的調蓄作用，公伯峽壩址出現設計洪水流量的幾率極小。在不改變設計標準的情況下，將導流洞的橫斷面尺寸壓縮為12 m×15 m，除節省投資近2 000萬元外，還有力地保證了施工安全。②右岸泄洪洞設計在招標階段采用了國內最高設計指標的旋流豎井結構。在可研設計階段，右岸泄洪洞為導流洞后期改建的龍抬頭結構。2001年，結合最新的地質條件，業主委托中國水科院對旋流豎井進行了大量的試驗研究，最終以110 m的水頭差、1 060 m3/s的泄量等指標位居國內同類建筑物之冠。龍抬頭結構改為旋流豎井結構后，共節省投資5 400萬元。③采用了當時最先進的大壩施工工藝。公伯峽面板堆石壩最大高度132 m，填筑方量478.6萬m3。按相關的規范規定，面板澆筑宜分兩期完成，面板碎石墊層也宜采用斜坡碾壓方式。為了推動面板壩的技術進步，在業主的精心策劃下，公伯峽大壩工程采用了三項新技術。第一，大壩全斷面一次填筑到頂，且大壩于2002年8月開始填筑，中間沒有間歇，也沒有采用臨時斷面填筑方式，于2003年10月初全斷面填筑到頂。在面板混凝土澆筑前預留了5個月的沉降期。第二，面板墊層采用了低強度的混凝土擠壓墻技術，取消了斜坡碾壓工藝，加快了壩體上升速度。第三，面板混凝土澆筑采用一次滑升技術。鑒于電站最大斜坡長230 m，為此，對混凝土配合比做了一定的改進。由于三項新技術的成功應用，在確保質量的前提下，大壩施工周期壓縮了近一年時間。

(2)激勵和約束相結合，嚴格進行管理。公伯峽工程業主認為:業主負責制的內涵就是由業主把參建各方緊密地團結在一起，讓業主政令暢通，最終實現共贏。如某項目部在4年之內因自身原因先后更換過四任經理。業主每年拿出5%的年度設計費做為考核后支付。在不突破設計概算的前提下，業主拿出一定數量的資金做為安全、質量的獎勵使用，以激勵承包商干好份內工作。

總之，公伯峽工程屢獲大獎的根本原因就是創新和嚴格四個字。通過嚴格管理和技術創新，實現了業主利益的最大化。

2 水電工程設計工作的基本特點

2.1 水電工程設計行業的特點

工業與民用建筑、公路、鐵路、水利水電工程等相關領域之和統稱為土木工程。與其它土木工程相比，水電工程設計行業具有以下5個特點:

(1)勘測設計周期長。水電工程勘測設計分預可研、可研、招標、施工詳圖4個設計階段。有些比較復雜的水電工程為了查清壩址的地質條件，僅平硐、鉆孔等勘探項目就要花費數年時間。有些工程為了解決制約項目成敗的關鍵技術問題，還要組織相當多的單位開展科技攻關等工作。

(2)工程規模大，環境條件差。目前，水電工程的單位千瓦造價平均為1萬元，百萬千瓦級的水電站總投資普遍都在百億元以上，有的高壩單項投資就達數十億元。有人將高壩譽為土木工程之王。水電工程大多處于偏遠地區，隨著其開發程度的提高，目前正在向高海拔、交通不便的老、少、窮山區發展。

(3)專業分工多，社會因素多，不可預見因素多。在甲級設計院內部，與土建有關的專業有:壩工、廠房、泄水、施工、交通、監測、附屬企業、建筑、給排水、暖通和概算。與機電有關的專業有:水機、電氣一次、電氣二次、通信、金屬結構。與規劃有關的專業有:水能、水文、泥沙、環保水保、水庫移民。水電工程從前期到竣工涉及地方政府相當多的職能部門。開工后往往會新出現很多問題。

(4)標準化設計內容少。公路、鐵路設計除選線之外，其余內容以標準化設計為主?；痣?、核電、風電也屬標準化設計行業，相關的電站幾乎是一個模式。但水電行業很難找到兩個完全一樣的電站，僅壩型就有十余項之多，不同地形地質條件組合形成的樞紐類型就更多。

(5)工程等別高，安全要求更高。大型公路、鐵路橋梁的設計洪水標準一般為百年一遇，但水電工程由于失事后果比較嚴重，因此，大型水電工程的設計洪水標準一般都在500年一遇以上，校核標準一般都在千年一遇以上。

正因為水電工程具有以上5個特點，才使得水電工程設計人員的成長周期比較長。在正常情況下，一個非常優秀的設計人員需要具備以下素質:有團隊協作意識、有深厚的理論功底、有豐富的實踐工程經驗、有高度的事業心，能畫、能算、能寫、能講。簡稱“四有四能”。

2.2 水電工程設計行業的現狀

(1)受行業壟斷的影響，國內大部分水電工程的設計工作量集中在七大院內。截至2009年底，國內水電裝機容量約為1.96億kW，目前在建的容量為0.6億kW，正在開展前期工作的容量為2億kW，這些資源絕大部分被七大院所瓜分，且七大院相對比較獨立，各有自己的地盤，外部設計行業沒有對其構成沖擊。

(2)七大設計院生產任務普遍飽滿。七大設計院的人數與十多年前相比并沒有大的變化，但生產任務卻翻了幾倍。以成都院為例，在上個世紀90年代，全院主要生產力量圍繞著二灘、銅街子等項目開展工作。但目前所開展的大型設計項目(如溪洛渡、錦屏、瀑布溝、官地、兩河口、大崗山、雙江口、猴子巖、長河壩等)，其裝機容量為十多年前的十倍。

(3)設計人員以“70后”和“80后”為主。目前，設計院的管理層以“60后”為主，但具體設計工作由“70后”和“80后”完成。新一代設計人員接受新事物快。

(4)受整個社會大環境的影響，水電勘測設計質量與十多年前相比，整體呈下降趨勢。

2.3 水電工程勘測設計工作不到位的危害

水電工程勘測設計工作不到位產生的危害就是一句話:增加投資，延誤工期，在質量和安全等方面留下隱患。僅舉3個實例:(1)四川某大型工程因可研設計階段地勘深度不夠，造成開工后邊坡處理費用增加3億元，而且中間停工1年。(2)位于貴州巖溶地區的某大型工程因對導流洞的襯砌考慮不周，造成下閘后圍巖被高壓水擊穿的重大事故。(3)位于云南的某工程因對混凝土的中期冷卻重視不夠，造成壩內出現貫穿性裂縫，導致其最終處理費用高達近億元等。

3 設計優化的內涵

3.1 設計優化就是深入完善設計方案

在有限的時間內，由一個團隊完成的設計方案不可能是盡善盡美。因此，在工程開工后，需要由業主牽頭對設計方案進行完善。為此，必須把握好兩個原則:(1)由國家審查通過的總體布置方案不能輕易發生變化。如土石壩不能輕易改為混凝土壩，地下廠房不能輕易改為地面廠房等。(2)工程設計應遵循的強制性規范條款不能隨意更改，比如設計洪水標準等。對于重大原則問題的設計優化調整必須形成專題報告，由業主邀請原審查單位以專門審查會議的形式確定。如黃河公伯峽水電站泄水建筑物布局的重大調整，李家峽水電站廠房布置格局的重大調整等就是由國家主管設計部門審查后做出專門批復。大崗山水電站2008年降低度汛標準亦是經上級主管單位審查后做出專門批復。對于不涉及總體布置調整的設計優化可由業主自行決定，如瀑布溝水電站壩軸線經局部調整后減少填筑量186萬m3，節省投資近億元等。

3.2 設計優化就是深入完善結構設計

設計方案確定之后，大量的設計工作量反映在具體的結構設計方面。由于很多設計單位對結構設計圖紙的重視不夠，近年來暴露出來的結構設計問題有:(1)在開挖圖中，馬道布置考慮不周，錨桿的長度不合理。(2)在鋼筋圖中，該截斷的鋼筋不截斷，分布鋼筋布置過密，浪費嚴重。

3.3 設計優化就是確保工程質量更上一層樓

設計工藝反映在更具體的技術要求上。完善工藝設計的目的就是為了確保工程質量。如按照混凝土壩設計規范要求，大壩強約束區的混凝土澆筑層厚應控制在1.5 m，岸坡固結灌漿宜在有蓋重的情況下進行。由于水電工程的施工條件千差萬別，生搬硬套一些規定反而會影響工程質量。拉西瓦水電站高拱壩在澆筑過程中將強約束區的層厚全部改為3 m，與之配套的技術要求是快速覆蓋，確?；炷恋膬韧鉁夭畈煌黄埔幏兑?岸坡的固結灌漿是在無蓋重情況下完成。這些工藝上的改進大大提高了大壩的混凝土質量。

3.4 設計優化就是使工期進一步合理

近年來的工程實踐證明，進度效益是最大的經濟效益。一座大型水電站若能提前半年到一年投產發電，其產生的經濟效益多達數億元。公伯峽水電站從導流工程開工到發電僅用了4年零兩個月時間，發電工期比國家審查的工期提前了一年，產生經濟效益近十億元。這是在業主的統一籌劃下大膽優化的直接結果。

3.5 設計優化就是使工程安全更可靠、更科學

在水電工程建設過程中，重大安全事故造成的后果非常驚人。因此，設計優化的內容之一就是要杜絕重大安全事故。以瀑布溝水電站下閘封堵為例，導流隧洞在底板徹底磨斷的情況下要承受99 m高的外水頭，其安全風險非常大。2009年4月，大渡河公司組織專家對下閘封堵方案進行了周密的研究，所采用的臨時堵頭方案以快速、方便、節省5 000 m3混凝土的優勢為年底雙投奠定了技術基礎。

3.6 設計優化就是處理好工程與環境的和諧關系

水工建筑物布置的藝術就是與環境和諧相處的藝術。有些工程在布置建筑物時，不顧環境的特點，強行讓大自然給水工建筑物讓路，造成不良的后果。相反，拉西瓦水電站導流隧洞進口布置和場內交通干線布置就與大自然相處的比較和諧，其導流隧洞進口沒有采用大開挖方案，而是在天然巖壁上，由里向外直接開挖洞口，節省投資近千萬元，縮短工期3個月;場內交通以地下隧道為主，沒有高邊坡開挖，從而保護了環境。

3.7 設計優化就是求解多重目標函數

如上所述，水電工程設計優化的內容比較多，應針對不同的環境，緊緊抓住工程的主要矛盾進行優化，最終達到整體最優的目的，即:投資省、工期短、質量安全最可靠。

若D為設計優化的目標函數，S、Q、C、T分別代表安全、質量、投資和工期目標，則其相互關系:

D最優=f(S、Q、C、T)

式中 S≥[S]，Q≥[Q]，C=Cmin，T=Tmin。

4 設計優化管理方式探討

4.1 外部激勵手段

茲舉一個實例。目前正在建設中的國電漢川發電廠是一座裝機2×100萬kW的大型火力發電廠。在可研審查通過以后，通過設計優化累計節省資金5億元。主要經驗有:(1)用合同約束設計單位?？裳性O計審查通過后，業主便和設計單位簽訂了招標和施工圖階段的設計合同。緊接著即與設計單位簽訂了設計優化合同。(2)組織外部知名專家提出設計優化的具體內容，然后反饋給設計單位。(3)在設計優化合同中，采用激勵手段激發設計人員的工作積極性。如設計優化費用按可研節省的費用進行提成。在合同中明確，節省的費用必須有一半直接發放到設計項目部和具體設計人員的手中。

漢川發電廠的做法實際上就是用市場經濟的激勵手段激發設計人員開展設計優化的積極性。結合目前的行業現狀，對業主而言，用外部激勵手段開展設計優化工作在管理上比較方便。但在實際操作過程中，要防止設計單位在可研設計報告工程量中出現摻水現象。

4.2 咨詢評審手段

有些大型流域水電開發聘用了一批國內知名專家。每年通過定期開展現場咨詢活動，把專家們好的設計優化建議反饋到設計單位。如二灘公司在錦屏工地現場長期聘有水電規劃總院的專家，通過專家的咨詢意見推動設計優化工作。但依靠外部專家開展設計優化工作經常得不到設計單位的積極響應。這種方式相對比較被動，主要適用于大型工程的方案優化，對中小型工程只能作為管理參考。

4.3 內部主觀能動性手段

有些公司(如華潤公司)在可研概算確定之后，對現場的授權很大。工程技術管理人員只要提出的設計優化方案成立，則按節省費用的比例進行提成，并把設計優化業績和年度考核掛鉤。這種方式大大激發了管理人員開展設計優化的主官能動性。華潤公司的做法適用于技術難度不大的中小型水電工程。