恒仁水庫大壩經(jīng)濟壽命與決策評判研究

劉　宇

(遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110000)

恒仁水庫大壩經(jīng)濟壽命與決策評判研究

劉宇

(遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110000)

摘要：借助現(xiàn)有的研究成果，根據(jù)大壩每年帶來的經(jīng)濟損失和獲得的經(jīng)濟效益，及建立的大壩經(jīng)濟壽命研究模型，以遼寧省恒仁水庫為例，對該水庫大壩三種修復方案的經(jīng)濟效果進行了評價。結(jié)論對相關(guān)大壩的修復工作的經(jīng)濟效果評價具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：大壩；經(jīng)濟壽命；恒仁水庫；評判模型

1項目簡介

恒仁水庫又名渾江水庫，位于遼寧省恒仁縣境內(nèi)的鴨綠江最大支流渾江中游河段[1]。恒仁水電站為渾江梯級開發(fā)的七個電站中的主力電站，而恒仁水庫又是大伙房輸水工程的重要水源地水庫。恒仁水庫于1958年破土動工，1962年建成，1967年水庫蓄水，1968年并網(wǎng)發(fā)電，1975年全部竣工。

恒仁水庫的正常蓄水位為300m，死水位為290m。水庫控制流域面積10 400km2，多年平均徑流量為44.80億m3，多年平均流量為142m3/s，多年平均輸沙量為125.6萬m3。

樞紐工程主要由混凝土單支墩大頭壩以及壩后式廠房等建筑物組成。最大壩高為78.5m，壩頂寬32.7m，壩頂長593m[2]。壩體設(shè)有表孔、中孔、底孔，分別擔負著泄洪、水庫正常放水以及沖砂任務。

2計算模型的建立

2.1大壩年效益與損失的計算

大壩每年帶來的經(jīng)濟效益由多項效益構(gòu)成[3]。其中主要包括發(fā)電效益、供水效益、灌溉效益、航運效益、調(diào)蓄洪水的價值、文化旅游價值、生物效益、環(huán)境效益等。由于其中的各項效益，特別是發(fā)電效益是逐年變化的，所以大壩的經(jīng)濟效益Ba是運行時間t的函數(shù)，其計算公式為：

(1)

大壩每年帶來的經(jīng)濟損失Da也是時間t的函數(shù)，主要包括糧食生產(chǎn)、漁業(yè)生產(chǎn)、有機質(zhì)生產(chǎn)、水土流失防治、生態(tài)修復、大壩維修、水庫清淤、水質(zhì)處理、物種消失、文物損失等。其計算公式為：

(2)

一般來說，大壩建成后的運行初期，經(jīng)濟效益Ba遠遠大于經(jīng)濟損失Da，但是隨著運行時間的不斷增加，經(jīng)濟效益趨于穩(wěn)定，而損失則持續(xù)增加。根據(jù)兩者的大小關(guān)系可以對大壩采取拆除措施、修補措施，或是不采取措施。當然修復后的短期內(nèi)大壩的經(jīng)濟效益會有所提高，但是隨著損失的逐步增加并與效益的增加持平時，大壩將再次面臨拆除。

2.2計算原理

(1)修復前效益及損失臨界時間的計算

根據(jù)上述方法可以獲得總效益與總損失的變化過程的特征函數(shù)，并求得大壩總的經(jīng)濟收益與經(jīng)濟損失相等的時間。在這一時間點之后，大壩帶來的經(jīng)濟收益無法彌補大壩帶來的經(jīng)濟損失。其結(jié)果只有兩種情況：一是直接拆除或重建；二是采取修復措施，延長大壩的經(jīng)濟壽命。

(2)大壩修復判別的計算原理

一般來說，修復后的新的效益與損失平衡點會向后推移。在這一時間段內(nèi)新的收益會大于新的損失，而這段時間內(nèi)多年的絕對效益A可以由下面的公式計算：

測井使用儀器為北京中地英捷地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的PSJ-2型智能數(shù)字測井系統(tǒng)以及山西友源光電科技公司生產(chǎn)的YYGD-XZ型視頻成像檢測儀。

(3)

式中：g(t)為修復后的年收益函數(shù)；f(t)為修復后的年損失函數(shù)。

根據(jù)回收期數(shù)法計算出投資回收期T，計算公式如下：

(4)

式中：R為年平均凈收入；F1為修復時的一次性投入；i為基準收益率。

如果大壩修復后的延長使用年限小于修復費用回收年限，則說明修復方案沒有經(jīng)濟價值。反之，則說明修復方案可以獲得較好的經(jīng)濟效果。因此，投資回收年限T可以作為評價大壩修復效果的重要指標。

3恒仁水庫的經(jīng)濟壽命計算與評價

3.1建壩后效益及損失臨界時間的計算

首先，根據(jù)式(1)，并利用恒仁水庫的相關(guān)資料計算獲得大壩每年的經(jīng)濟效益隨時間變化的曲線：

Ba=-0.165t2+630.5t-528 374

(5)

同理根據(jù)式(2)可以獲得每年損失變化的曲線為：

(6)

由上述兩條曲線即可計算獲得恒仁水庫的效益與損失的臨界時間為2017年。也就是說，從大壩建成到2016年間，每年產(chǎn)生的效益大于當年的損失；在2017年大壩的效益與損失大致相等；在2017年之后，大壩的損失大于所產(chǎn)生的效益，需要采取必要的治理措施。

3.2大壩治理方式的評判

從恒仁水庫的實際情況來看，到2017年，大壩會達到效益與損失的動態(tài)平衡點。因此，到2017年就必須對大壩及庫區(qū)范圍進行認真細致的評估，以最經(jīng)濟、最有效的手段盡量延長大壩的使用壽命，畢竟不到萬不得已建成的大壩是不可以隨便拆除的[4]。

從影響大壩效益與損失的因素來看，雖然影響因素眾多，但是最主要的因素都與大壩的結(jié)構(gòu)可靠程度有關(guān)。其主要因素包括壩基揚壓力的變化、混凝土強度衰減以及水載荷與泥沙壓力。此外，影響大壩發(fā)電效益的主要因素是可引流量，這會直接影響到水庫的發(fā)電效益，因此不僅要提高大壩的結(jié)構(gòu)可靠性，還要盡量發(fā)揮水庫的經(jīng)濟效益。而水庫效益的發(fā)揮與庫容有直接關(guān)聯(lián)，因此，水庫清淤也是充分發(fā)揮水庫經(jīng)濟效益的有效手段。

如果評價結(jié)果的決策是表明大壩不需要拆除，則必須認真對待大壩存在的主要問題，并提出相應的處理舉措，以盡量延長大壩的使用壽命，最大限度發(fā)揮水庫的經(jīng)濟效益[5]。本次研究中針對恒仁水庫的具體情況，擬選取四種修復大壩的方式：一是對壩體的混凝土進行強度修補，該方式可以減少大壩的損失，但是并不能有效增加大壩每年帶來的效益；二是通過對壩基灌漿，減小揚壓力，這種方式與方式一的作用基本相同，可以減少大壩的損失，但是并不能有效增加大壩每年帶來的效益；三是增設(shè)魚道，減少大壩帶來的生態(tài)損失，但不會顯著改變大壩的經(jīng)濟效益；四是水庫清淤，這種方式可以有效增加引流量，提高發(fā)電效益，但是不會減少大壩造成的損失。本文結(jié)合上述修復方式設(shè)計了三種修復方案進行計算比較，并評價大壩是不是需要拆除。當然，對一個大壩而言，如果所有的修復方案都不經(jīng)濟，則必須拆除。但是，只要有一種修復方案可行，就應該盡量進行修復，以延長大壩的使用年限。

3.2.1兼顧損失減少與效益增加的修復方案

(1)大壩混凝土補強修補。高分子聚合物修補材料具有黏度小，適宜細裂紋修復與修補的優(yōu)勢。利用改性MMA基修補材料修補后的混凝土可以達到其原始強度的95%以上，修復的單位面積成本約為每平方米2500元。

恒仁水庫大壩所使用的混凝土原始抗壓和抗拉強度分別為15MPa和1MPa，大壩自1962年建成到2017年一共經(jīng)歷了55a。按照混凝土強度衰變規(guī)律計算[6]，2017年大壩的抗壓和抗拉強度分別為11.4MPa和0.75MPa，急需補強加固。經(jīng)過MMA高分子聚合物補強之后，大壩混凝土的抗壓與抗拉強度可達到14.25MPa和0.95MPa。根據(jù)大壩的修補面積此項費用需要85萬元。

(2)大壩灌漿減小揚壓力。對恒仁水庫大壩進行壩基帷幕灌漿可以防止壩基產(chǎn)生機械與化學管涌，減少壩基滲透量。根據(jù)大壩參數(shù)估算所需要的灌漿量約為2540m3，灌漿的施工費用約為每小時1700元，綜合計算可知，對大壩壩基進行帷幕灌漿的費用約為702萬元。預計灌漿后大壩的揚壓力折減系數(shù)會恢復到0.25的初始水平[7]。

(3)水庫清淤。水庫清淤不僅包括對電站進水口和攔污柵進行清淤作業(yè)，還要對水庫淤積嚴重的其他部位進行清淤作業(yè)，以進一步發(fā)揮水庫的經(jīng)濟效益。清淤的費用主要與清淤體積有關(guān)。按照采用挖泥船清淤的方式計算，一年時間需要投入2540萬元，可清淤1230萬m3，由于清淤后庫容增加每年可新增發(fā)電量372.13萬kW，獲得的新增發(fā)電效益為102.53萬元。

綜上計算結(jié)果，按照這種方案，需要一次性投入的費用為3327萬元；但是大壩在修復后結(jié)構(gòu)可靠性得到了明顯提高，而大壩的風險系數(shù)則會顯著降低[8]。從2017年算起，大壩的失效概率計算結(jié)果如表1所示。

表1　大壩失效概率計算結(jié)果

由于在校核工況下，洪水造成的流域經(jīng)濟損失約為35億元，利用上述結(jié)果，可以進一步計算出大壩安全風險，如表2所示。

表2　大壩安全風險計算結(jié)果

對大壩進行修復，不僅效益有所增加，大壩自身的結(jié)構(gòu)損失也明顯降低。進一步計算獲得的新的效益曲線與損失曲線的交點位于2028年，也就是說修復后的大壩可以延長效益年限11a。而通過一次性費用計算獲取的投入回收年限為9.2a，因此該方案可以獲得較好的經(jīng)濟效益。

3.2.2側(cè)重降低損失的修復方案

(1)對大壩進行混凝土補強修補和灌漿減小揚壓力兩項措施，暫不進行水庫清淤。按照方案一中的計算結(jié)果可知需要投入的總費用為787萬元。由此可以計算出大壩新的臨界時間為2033年，因此大壩可以延長使用壽命16a。由于省去了水庫清淤的大量投入，投入回收年限僅有3.3a，因此該方案的經(jīng)濟性明顯優(yōu)于上述方案。

3.3.3側(cè)重于效益增加的修補方案

該方案僅對水庫進行清淤作業(yè)，而不對大壩進行加固補強。按照計算結(jié)果，一年時間需要投入2540萬元，可清淤1230萬m3，由于清淤后庫容增加每年可新增發(fā)電量372.13萬kW，獲得的新增發(fā)電效益為102.53萬元。經(jīng)計算水庫清淤后的新臨界時間點為2018年，延長時間為1a，而這一年內(nèi)的平均盈利僅為35.21萬元，因此這種方式并不能有效延長大壩的使用壽命。

綜上所述，對所有三種不同側(cè)重點的大壩修復方案的對比可知，最合理的修復方案為：到2017年大壩達到效益和損失臨界點時，只對大壩進行加固修復，修復方式為進行大壩的混凝土補強以及壩基的帷幕灌漿，不僅可以使大壩延長16a的使用年限，還可以充分發(fā)揮大壩的經(jīng)濟效益。

4結(jié)論

大壩的修復與拆除是有章可循的，并不是簡單的依靠使用年限來決定繼續(xù)使用、修復還是退役。我國目前在大壩日常維護與管理中多傾向于對大壩進行高標準的修復，盡量延長大壩的使用年限，但是很少對修復方式的合理性與經(jīng)濟性進行比較和研究。所以本文的結(jié)論對病險水庫的加固、維修提供了積極的借鑒。

參考文獻：

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[3]彭輝，劉德富.大壩老化與退役[M].北京:中國水利水電出版社，2015:116-122.

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作者簡介：劉宇(1989-) ，男，滿族，助理工程師,主要從事水利工程施工管理工作。

中圖分類號：TV698.2+3

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)05-0089-03