淺析水電工程重大水庫設(shè)計(jì)質(zhì)量控制對(duì)策

彭文明， 余學(xué)明

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

我國(guó)水資源豐富，河川徑流總量居世界第六位。但我國(guó)水資源時(shí)空分布不均，受季風(fēng)氣候的影響，降水量年內(nèi)分配極不均勻，各地降雨主要發(fā)生在夏季。因此，在大江大河上攔河筑壩，形成蓄洪水庫，調(diào)節(jié)江河徑流，防止水旱災(zāi)害，開發(fā)利用及保護(hù)水資源，發(fā)揮防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、供水等綜合效益，是維護(hù)江河健康、人水和諧共處、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展的重要工程措施。

水庫工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)是影響水庫及大壩建設(shè)投產(chǎn)、安全運(yùn)行的先決條件。隨著后續(xù)水電開發(fā)難度地不斷加大，水電建設(shè)成本大幅提高，其中水庫工程尤其為甚。重大水庫工程存在技術(shù)難度高、外部影響因素多、自身經(jīng)濟(jì)效益差等問題，對(duì)工程勘測(cè)設(shè)計(jì)、尤其前期論證工作提出了較高要求。筆者基于西南地區(qū)重大水庫工程開發(fā)建設(shè)難的現(xiàn)狀，針對(duì)工程遇到的勘察設(shè)計(jì)重大問題，提出工程設(shè)計(jì)質(zhì)量控制策略。

1 水庫建設(shè)對(duì)能源及水資源安全的重大意義

據(jù)中國(guó)大壩協(xié)會(huì)2009 年統(tǒng)計(jì)[1]，截至2008 年底，我國(guó)已建各類水庫87 151 座(未計(jì)港、澳、臺(tái)地區(qū)) ，水庫總庫容7 064 億m3，為我國(guó)河川總徑流量的26%，占世界已建水庫總庫容的9.9%。已建水庫為我國(guó)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)發(fā)展發(fā)揮了應(yīng)有的作用。

習(xí)近平總書記在十九大報(bào)告中要求：“推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”“優(yōu)化區(qū)域開放布局，加大西部開放力度”“強(qiáng)化舉措推進(jìn)西部大開發(fā)形成新格局”。加快西南水電建設(shè)是撬動(dòng)西部大開發(fā)形成新格局的重要支點(diǎn)，對(duì)于加快電力轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)能源電力高質(zhì)量發(fā)展、促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)和社會(huì)穩(wěn)定、點(diǎn)燃西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展“引擎”、建設(shè)美麗中國(guó)具有重要意義。

四川、云南、西藏三省(區(qū))是我國(guó)水資源最豐富的地區(qū)，理論蘊(yùn)藏量占全國(guó)總量的三分之二，技術(shù)可開發(fā)量占全國(guó)總量的71%。截至2016年底，三省(區(qū))水電裝機(jī)容量1.35億kW，開發(fā)程度僅為31.7%(按裝機(jī)計(jì)算)，我國(guó)西南水電開發(fā)潛力巨大。西南水電資源主要集中在金沙江、雅礱江、瀾滄江、怒江、大渡河等流域，在大江大河上設(shè)置調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的水庫電站，采取合理的運(yùn)行調(diào)度模式，能使全流域水能資源和發(fā)電能力得到最大限度地發(fā)揮。

目前，西南“五江一河”流域的幾座高壩大庫正在興建。雅礱江中下游控制性水庫兩河口水電站(土石壩，壩高295 m)，最大庫容107.67億m3，調(diào)節(jié)庫容65.6億m3，具多年調(diào)節(jié)性能，于2014年10月開工，預(yù)計(jì)2021年首臺(tái)機(jī)組發(fā)電；大渡河上游控制性水庫雙江口水電站(土石壩，壩高312 m)，總庫容28.97億m3，調(diào)節(jié)庫容19.17億m3，具年調(diào)節(jié)性能，于2015年7月開工，預(yù)計(jì)2023年全部投產(chǎn)發(fā)電。這些大型水庫建成，將進(jìn)一步完善我國(guó)西部多個(gè)清潔能源基地、水資源安全儲(chǔ)備基地的建設(shè)。

2 重大水庫工程勘察設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 水庫條件復(fù)雜影響方案選擇

影響水庫方案的因素包括水資源條件、地質(zhì)條件、征地移民規(guī)模、環(huán)境保護(hù)對(duì)象、工程技術(shù)條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等，上述任何一個(gè)因素都可能制約水庫方案的選擇。

上世紀(jì)20年代提出三峽水庫開發(fā)建設(shè)的設(shè)想，因技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多種原因，直至1958年國(guó)務(wù)院通過《長(zhǎng)江流域規(guī)劃要點(diǎn)》，確立了三峽工程在長(zhǎng)江流域規(guī)劃中的主體地位；在開展大量專題研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合修建丹江口水庫(60年代)、葛洲壩電站(70年代)積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，1984年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)三峽工程150 m大壩的方案，但專家們對(duì)水庫采用低壩、中壩、高壩方面，關(guān)于防洪、航運(yùn)、發(fā)電、移民、環(huán)保等問題的意見難以統(tǒng)一，于1986年重新組織論證[3]。至1992年七屆全國(guó)人大五次會(huì)議通過《關(guān)于興建長(zhǎng)江三峽工程決議》，三峽工程由論證階段走向?qū)嵤╇A段。

從三峽水庫方案論證的過程可以看出，各水庫條件因素對(duì)重大水庫工程方案選擇影響非常大。

2.2 高難工程技術(shù)要求更高安全指標(biāo)

水庫工程利用其蓄洪調(diào)節(jié)功能，發(fā)揮防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、供水等綜合效益。但水能載舟，亦能覆舟，如果水庫失事，其造成的后果甚至比洪水更可怕。大自然通過諸多泥石流堰塞湖潰壩，為我們提供了真實(shí)的潰壩危害資料。比如2000年西藏自治區(qū)波密縣易貢特大滑坡堵江形成62 m深的堰塞湖，據(jù)反演計(jì)算[4]，潰壩后洪峰流量超過4萬m3/s，遠(yuǎn)超歷史最大洪水。

重大水庫工程一般都是高壩大庫，筑壩技術(shù)難度大，而大壩和庫區(qū)防滲、抗?jié)B是安全、穩(wěn)定發(fā)揮水庫調(diào)蓄綜合效益的重點(diǎn)。目前部分正在開展工作的水庫工程，因其壩基覆蓋層深厚，大壩壩基存在沉降變形、抗滑穩(wěn)定、壩基砂土液化、壩基滲漏和滲透穩(wěn)定等問題，對(duì)大壩工程提出高難的技術(shù)挑戰(zhàn)，甚至影響水庫工程方案的成立。

2.3 補(bǔ)償機(jī)制缺位影響建設(shè)推進(jìn)

龍頭水庫工程造價(jià)高，自身發(fā)電效益通常較差，其經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在下游梯級(jí)發(fā)電和綜合利用方面。從流域統(tǒng)一調(diào)度來看，通過科學(xué)規(guī)劃、先進(jìn)技術(shù)和高效管理等手段，對(duì)一條自然形態(tài)河流水能及相關(guān)資源進(jìn)行有序開發(fā)、集約運(yùn)營(yíng)、綜合利用，才能使資源效用得到最大程度發(fā)揮。

然而，目前流域梯級(jí)補(bǔ)償機(jī)制缺位，梯級(jí)電站補(bǔ)償效益分?jǐn)偡椒ㄒ彩前偌覡?zhēng)鳴、難以統(tǒng)一，在工程建設(shè)過程中相關(guān)利益方對(duì)補(bǔ)償效益分?jǐn)傇瓌t往往存在主觀偏好，難以達(dá)成共識(shí)，導(dǎo)致龍頭水庫電站建設(shè)滯后，影響全流域梯級(jí)水電利用效率。

3 工程設(shè)計(jì)質(zhì)量控制對(duì)策

3.1 引入新技術(shù)全面夯實(shí)基礎(chǔ)資料

按照國(guó)家相關(guān)勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)程要求，開展充分的勘測(cè)、設(shè)計(jì)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究工作，是保障大型水庫大壩勘測(cè)設(shè)計(jì)深度和精度的基本條件。對(duì)于西南地區(qū)，部分河流域梯級(jí)開發(fā)，由于缺乏基礎(chǔ)資料，在設(shè)計(jì)周期有限的條件下，有必要采用航空測(cè)繪、重型勘探、新建水文站、構(gòu)建地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)、建立社會(huì)環(huán)境重點(diǎn)對(duì)象信息系統(tǒng)等多種先進(jìn)手段，全面夯實(shí)基礎(chǔ)資料。基礎(chǔ)資料收集分析整理要求系統(tǒng)化、定量化，詳實(shí)可靠，避免重大偏差。

在全面收集水電建設(shè)基礎(chǔ)資料的同時(shí)，采用BIM技術(shù)高效快速整合海量勘察數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜工程地質(zhì)條件的分析，是提升勘察精度的重要手段。中國(guó)電建集團(tuán)成都院的工程地質(zhì)信息管理系統(tǒng)(GeoIM)，可對(duì)大量勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)處理，是BIM技術(shù)在工程勘察方面的典型應(yīng)用案例。

3.2 采取組合式研究思路選擇水庫方案

水庫的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在水庫庫容的最大效益化。在社會(huì)環(huán)境影響可接受、工程技術(shù)問題可解決的前提下，合理設(shè)置調(diào)節(jié)庫容是關(guān)鍵。對(duì)于大型水庫而言，調(diào)節(jié)庫容一方面體現(xiàn)在“立面”的水位設(shè)置，即正常水位、死水位選擇；另一方面體現(xiàn)在“平面”的水庫位置，即壩址選擇。兩者相互影響，都是水庫庫容設(shè)置的關(guān)鍵因素。突破常規(guī)思路，對(duì)正常水位、死水位、壩址進(jìn)行組合式研究，可有效獲得合理的水庫方案。

在水位選擇與壩址選擇方案組合中，可采取同正常水位的不同壩址方案比選，也可采取同調(diào)節(jié)庫容的不同壩址方案比選。同時(shí)，水庫方案需考慮工程技術(shù)、發(fā)電設(shè)備技術(shù)等因素，還受環(huán)保、征地移民等影響，在方案比選中需綜合論證。在壩址方案初選后，還需進(jìn)一步對(duì)選定壩址進(jìn)行不同特征水位方案的比較，明確水庫工程方案指標(biāo)。

因此，大型水庫方案影響因素眾多，圍繞水庫調(diào)節(jié)庫容、環(huán)境影響、淹沒影響、工程技術(shù)及施工條件等關(guān)鍵問題，方案研究應(yīng)首尾兼顧，采用組合式研究思路，統(tǒng)攬全局，合理選擇水庫方案。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)問題“組團(tuán)”攻堅(jiān)克難

對(duì)于建在深厚覆蓋層上的大型水庫工程，大壩擋水高度和壩基覆蓋層地質(zhì)條件是決定大壩工程技術(shù)難度的制約因素，其中壩基防滲和加固是關(guān)鍵技術(shù)問題。國(guó)內(nèi)通過瀑布溝(土質(zhì)心墻堆石壩，壩高186 m，覆蓋層厚75 m)、長(zhǎng)河壩(土質(zhì)心墻堆石壩，壩高240 m，覆蓋層厚70 m)等工程實(shí)踐，積累了豐富的高壩壩基深厚砂(卵)礫石覆蓋層防滲技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。而正在研究的西南部分河流水電開發(fā)，河床覆蓋層以中粗砂細(xì)顆粒為主，物理力學(xué)參數(shù)低，加上高地震烈度，修建高壩大庫的壩基處理難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出已有經(jīng)驗(yàn)水平。

類似超經(jīng)驗(yàn)技術(shù)難題，需組織國(guó)內(nèi)外有影響、有實(shí)力的研究單位共同研究，通過技術(shù)研討共同策劃、制定研究路線，并“組團(tuán)”開展科研試驗(yàn)、計(jì)算分析、方案論證，攻堅(jiān)克難解決關(guān)鍵技術(shù)問題。

某工程在強(qiáng)震區(qū)深厚細(xì)粒覆蓋層上修建高壩大庫，存在壩基沉降、抗滑失穩(wěn)、砂層液化、滲漏及滲透穩(wěn)定等一系列工程地質(zhì)問題。設(shè)計(jì)方提出以碎石樁為主的處理方案，樁深遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)外施工水平。由于壩基加固方案是制約控制性水庫成立與否的關(guān)鍵問題，需驗(yàn)證超深碎石樁的技術(shù)可行性。為此，組織設(shè)備廠家、施工單位、高校及科研機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)院及咨詢機(jī)構(gòu)，聯(lián)合優(yōu)勢(shì)力量“組團(tuán)”進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)科技攻關(guān)，通過設(shè)備改造、現(xiàn)場(chǎng)施工、檢測(cè)試驗(yàn)、計(jì)算分析、方案研究等一系列研究工作，逐步論證方案的可行性。

4 結(jié) 語

實(shí)現(xiàn)“構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”的目標(biāo)，積極推進(jìn)西南水電建設(shè)，是未來一段時(shí)期我國(guó)水電開發(fā)的趨勢(shì)。為使流域水資源得到最大程度的綜合利用，在大江大河上設(shè)置控制性水庫是必要的工程措施。從西南地區(qū)金沙江、雅礱、大渡河等流域的已有工程經(jīng)驗(yàn)可知，控制性水庫存在工程建設(shè)條件差、工程技術(shù)難度大、社會(huì)環(huán)境影響關(guān)注度高等難點(diǎn)，導(dǎo)致控制性水庫工程技術(shù)質(zhì)量不易控制，經(jīng)濟(jì)分析受到影響，影響工程建設(shè)進(jìn)程。

本文結(jié)合相關(guān)工程技術(shù)質(zhì)量管理經(jīng)驗(yàn)，提出工程設(shè)計(jì)質(zhì)量控制策略，包括：

(1)采用航空測(cè)繪、重型勘探等多種新技術(shù)手段全面夯實(shí)基礎(chǔ)資料，避免重大資料偏差。

(2)采取組合式研究思路合理選擇水庫方案，不遺留工程重大決策失誤隱患。

(3)邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外有影響、有實(shí)力的研究單位共同研究關(guān)鍵技術(shù)難題，確保設(shè)計(jì)方案技術(shù)可行、安全可靠。