國際工程EPC 項目設(shè)計優(yōu)化典型案例分析
——巴基斯坦SK 水電站項目為例

張宏山

（中國葛洲壩集團(tuán)國際工程有限公司，北京100020）

1 工程概況

1.1 工程簡介

SK 水電站項目位于巴基斯坦北部開伯爾-普赫圖赫瓦?。↘PK）的曼瑟拉地區(qū)，距離伊斯蘭堡約256km，距離N-J 水電站項目107km。

SK 水電站項目為長隧洞引水式發(fā)電站，引水隧洞長為22.62km，最大靜水頭922.72m，共安裝4 臺單機(jī)容量為221MW 的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量約為884MW。工程主要建筑物包括：瀝青混凝土心墻堆石壩、溢洪道、取水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力豎井、地下廠房、主變室、尾水洞、廠房交通洞、開關(guān)站、電纜洞、N15 改線道路、場內(nèi)公路和業(yè)主永久營地。

項目開工時間為2016年12月31 日，完工時間為2022年12月31 日。

SK 水電站項目是中巴經(jīng)濟(jì)走廊第一批清單項目，處于“一帶一路”和中巴經(jīng)濟(jì)走廊的關(guān)鍵鏈條上，備受中巴兩國政府以及社會各界的高度關(guān)注。

1.2 項目相關(guān)方

項目股東單位為中國葛洲壩集團(tuán)公司（98%）、HK（Haseeb Khan）私營有限公司（2%）。業(yè)主單位為巴基斯坦SK 水電（私人）有限公司。業(yè)主工程師為莫特麥克唐納（英國）有限公司與黃河勘察規(guī)劃設(shè)計有限公司組建的聯(lián)營體。EPC 總承包執(zhí)行單位為中國葛洲壩集團(tuán)國際工程有限公司。

2 案例分析

2.1 壩型比選優(yōu)化

原設(shè)計方案：2008年莫特麥克唐納公司在其完成的設(shè)計報告中推薦SK 水電站大壩為混凝土重力壩。2012年法國柯恩貝利爾公司對推薦壩型進(jìn)行了進(jìn)一步的勘查，發(fā)現(xiàn)河床覆蓋層厚度超過90m，為此，招標(biāo)設(shè)計階段推薦壩型由混凝土重力壩調(diào)整為瀝青混凝土面板堆石壩與混凝土壩的混合壩。在河床部位布置瀝青混凝土面板壩，在兩岸布置混凝土壩段，左岸布置表孔溢洪道，右岸布置底孔和生態(tài)流量壩段。

在投標(biāo)階段，EPC 設(shè)計團(tuán)隊對大壩壩型進(jìn)行了研究和優(yōu)化。經(jīng)研究，瀝青面板壩存在如下問題：一是在寒冷地區(qū)的瀝青混凝土面板，因受凍融、冰推、風(fēng)浪、日曬等外因的破壞作用，維護(hù)工作量大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高；二是瀝青面板與混凝土壩段連接處易產(chǎn)生滲漏。

建議的優(yōu)化方案：為了使大壩方案更加合理，便于施工，同時增加大壩的安全度和降低投資，EPC 團(tuán)隊推薦采用瀝青混凝土心墻堆石壩替代瀝青混凝土面板堆石壩。瀝青混凝土心墻堆石壩具有下列優(yōu)點：一是適應(yīng)基礎(chǔ)變形能力強(qiáng)。二是瀝青混凝土心墻位于壩體內(nèi)部，心墻所處環(huán)境溫度恒定，瀝青混凝土各項指標(biāo)不受氣候影響，攤鋪壓實容易。三是瀝青混凝土心墻位于大壩中央，抗凍性能優(yōu)越。四是瀝青混凝土心墻上、下游由過渡料保護(hù)，地震時不會產(chǎn)生破壞，抗震性能好。五是瀝青混凝土心墻與河床及兩岸混凝土墊座易于連接。六是施工圍堰可與上游壩體堆石體相結(jié)合，圍堰可不拆除，節(jié)省投資。七是施工質(zhì)量易于控制，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。

上述優(yōu)化建議在2017年10月已獲得業(yè)主和工程師的批準(zhǔn)。為整個工程的進(jìn)度、質(zhì)量以及工期控制奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.2 泄水建筑物方案比選優(yōu)化

原設(shè)計方案：招標(biāo)文件中，攔河壩壩型為混合壩型，包括布置在中部的瀝青面板堆石壩擋水壩段和左、右岸的混凝土壩段。左岸表孔溢洪道共設(shè)6 孔，孔口寬度為4.5m，采用開敞式WES 堰，堰頂高程2270m（原高程系高程）。右岸混凝土泄水壩段包括隔墩壩段、生態(tài)流量兼導(dǎo)流底孔壩段、底孔壩段等。設(shè)5個底孔，每個底孔尺寸4.5×5.5m，進(jìn)口底高程2244.0m（原高程系高程）。

在投標(biāo)階段，EPC 設(shè)計團(tuán)隊對招標(biāo)方案的布置形式進(jìn)行了認(rèn)真研究。由于混凝土壩段基礎(chǔ)需坐落在完整且新鮮的巖石上，且兩岸溢洪道均需要開挖出上、下游泄槽，故兩岸都需要進(jìn)行大量的巖石開挖，形成高邊坡，不僅開挖量大，邊坡防護(hù)工程量也大，征地范圍廣，而且安全性差。挑流消能沖坑靠近壩腳，危及大壩安全。

建議的優(yōu)化設(shè)計方案：建議取消左岸表孔壩段，將右岸溢洪道采用雙層過水形式，通過底孔與表孔重疊布置，減少溢流壩段的總寬度。本布置方案的優(yōu)點：

一是避免左岸高邊坡開挖，減少邊坡支護(hù)地質(zhì)風(fēng)險，方便運(yùn)行期管理維修。二是堆石壩與混凝土壩段的連接是薄弱環(huán)節(jié)，取消左岸溢洪道壩段，有利于防止連接處滲漏。三是下泄高速水流被送至遠(yuǎn)離壩腳的河道，避免對壩腳的沖刷，保證攔河壩運(yùn)行安全。四是電站進(jìn)水口緊靠底孔布置，可以充分利用底孔拉沙功能保證進(jìn)水口前實現(xiàn)“門前清”；管理運(yùn)行方便。

上述優(yōu)化建議在2017年10月已獲得業(yè)主和工程師的批準(zhǔn)。優(yōu)化方案減少了72 萬方土石開挖量和近8 萬方的混凝土（包括噴混）。

2.3 沉砂池設(shè)置比選優(yōu)化

原設(shè)計方案：SK 工程多年平均懸移質(zhì)沙量為34.2萬t，推移質(zhì)泥沙占懸移質(zhì)泥沙之比按15%計。則多年平均推移質(zhì)沙量為8.55 萬t。壩址處多年平均輸沙總量為42.75 萬t。SK 水電站為沖擊式水輪機(jī)組，額定水頭910m，合同文件中沉沙池規(guī)模按沉沙粒徑0.3mm 設(shè)置，不能夠滿足蘇基克納里水電站水輪機(jī)過機(jī)含沙量的要求。而且，如果將沉沙粒徑提高到0.1mm 或0.05mm，則沉沙池長度、斷面尺寸將大大增加。工程量和投資也將大幅度增加，經(jīng)濟(jì)上不合理。同時，無論是按沉沙粒徑0.3mm，0.1mm 還是0.05mm 設(shè)置的沉沙池，在考慮水庫沉沙的情況下，沉沙池基本沒有沉沙效果。

建議的優(yōu)化方案：EPC 團(tuán)隊建議電站采用“壅水沉沙、敞泄排沙”運(yùn)用方式，非汛期水庫進(jìn)行日調(diào)節(jié)蓄水發(fā)電，主汛期（6～7月）水庫一般在正常蓄水位發(fā)電，多余水量通過底孔排沙運(yùn)行，當(dāng)入庫流量大于200m3/s 進(jìn)行敞泄排沙運(yùn)行，電站停止發(fā)電時間為1 天，出庫泥沙約40 萬t；水庫可以保持泥沙沖淤平衡狀態(tài)，亦滿足機(jī)組過流部件對泥沙要求。因此，蘇基克納里水電站可不設(shè)沉沙池。

目前，上述優(yōu)化建議已得到工程師認(rèn)可。沉砂池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，一是節(jié)省了成本，近3000 萬美元，二是對工期的保障奠定了基礎(chǔ)。

2.4 電站廠址選擇優(yōu)化

原設(shè)計方案：SK 水電站采用地下廠房，主廠房垂直埋深約900m。電站廠房系統(tǒng)主要建筑物有主機(jī)洞室、主變壓器洞室、母線洞、電纜及通風(fēng)洞、進(jìn)廠交通洞、尾水洞及開關(guān)站等。主變洞與地面開關(guān)站通過GIL 出線洞連接，布置在主變洞的左端。GIL 出線洞為城門洞型，襯砌后斷面尺寸為5m×6.8m，總長度為1580m。交通洞布置在主廠房的左端，斷面形式為城門洞型，斷面凈尺寸為8.0m×10.0m，長度約2338m。

原設(shè)計方案地下廠房和壓力管道距MBT 斷層較遠(yuǎn)，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好，壓力管道不穿越活斷層，運(yùn)行期地震風(fēng)險小。但是，GIL 出線洞、交通洞和尾水洞仍需穿越活斷層。且地下廠房埋深大，存在高地應(yīng)力、高地溫、巖爆、涌水和軟巖大變形等問題，施工期不良工程地質(zhì)風(fēng)險高。另外，廠房埋深大，導(dǎo)致交通洞地下廠房開挖、混凝土澆筑、機(jī)電設(shè)備安裝成為本工程關(guān)鍵線路，存在較高的工期風(fēng)險。同時，征地范圍較分散，獲取難度大。

建議的優(yōu)化方案：地下廠房外移至距昆哈河最短距離約700m，最大埋深約350m。主廠房埋深由原來的900m 減到350m，尾水洞由原方案的3700m 縮短至840m，相應(yīng)的交通洞、電纜洞由原方案的2338m、1580m分別縮短至620m 和550m，壓力鋼管由原方案的2250m增加至4480m，低壓引水隧洞由原方案的19.9km 增長至22.6km。

EPC 推薦的方案中廠房位置外移至距昆哈河約700m，埋深適中，約350m，巖性為厚層變質(zhì)玄武巖，巖石強(qiáng)度高。因交通洞、出線洞、尾水洞長度大幅度縮短，布置靈活，工期有保障。

EPC 推薦的方案，在2017年已獲得工程師批準(zhǔn)。截止目前，地下廠房開挖工作已全部結(jié)束，正在進(jìn)行機(jī)組混凝土澆筑施工。實踐證明，地下廠房外移的優(yōu)化設(shè)計是正確的。同時，相比原合同計劃，在征地移交進(jìn)展不變的前提下，廠房線路已提前了近半年的工期。

3 經(jīng)驗總結(jié)

目前，SK 水電站項目已全面進(jìn)入高峰期，尤其大壩區(qū)域和廠房區(qū)域開挖工作已全部結(jié)束，實踐證明，上述所有的優(yōu)化設(shè)計都是成功的，對項目的按期履約奠定了堅實的基礎(chǔ)?？傮w而言，一項成功的設(shè)計優(yōu)化基于以下幾點：

3.1 設(shè)計方案優(yōu)化的目的要明確

首先是對原有的方案進(jìn)行客觀的評價，評價其技術(shù)上是否可行、經(jīng)濟(jì)上是否合理、施工上是否便利、工期上是否可控、地質(zhì)情況是否準(zhǔn)確等，只有通過評估，才能明確優(yōu)化的方向，確定優(yōu)化的目的，同時，優(yōu)化過程要分清楚主次矛盾，確定重點。是基于工期角度，還是基于成本角度，還是基于施工方面。例如，SK 水電站廠房的外移，就是基于原設(shè)計方案征地難以解決，工期不可控的原因。

3.2 設(shè)計方案優(yōu)化的基礎(chǔ)工作要詳實

所有設(shè)計方案優(yōu)化的建立都要基于現(xiàn)場的實際情況，要對所涉及的區(qū)域內(nèi)的地形、地貌、地質(zhì)情況進(jìn)行充分的勘探研究，在獲取最基礎(chǔ)的相關(guān)參數(shù)后，才能建立優(yōu)化方案。例如，SK 水電站壩型的選擇和泄水建筑物的優(yōu)化，就是基于現(xiàn)場實際的地質(zhì)條件，以及工期方面和成本方面的原因。

3.3 優(yōu)化方案的對比分析要準(zhǔn)確

所有的優(yōu)化方案都要從不同的角度和原設(shè)計方案進(jìn)行比選。如成本方面、工期方面、施工難易程度方面以及潛在的風(fēng)險方面，讓業(yè)主和工程師明確的了解優(yōu)化的方案的優(yōu)點，但是，也不能規(guī)避其缺點。例如，SK 的地下廠房外移，在有利于廠房工期控制的條件下，壓力鋼管工程量有所增加，面對的地質(zhì)條件也更復(fù)雜，但總體評估，是利于項目建設(shè)的。

4 結(jié)束語

因此，對于EPC 工程，一定要充分發(fā)揮設(shè)計為龍頭的優(yōu)勢，通過超前的預(yù)判，大膽的設(shè)想和科學(xué)的設(shè)計，為整個工程的進(jìn)度、質(zhì)量、安全奠定堅實的基礎(chǔ)。