論水電工程設(shè)計(jì)優(yōu)化管理的內(nèi)涵和方法

姚福海

(國(guó)電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610041)

1 公伯峽水電站獲得多項(xiàng)國(guó)家大獎(jiǎng)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(shè)計(jì)庫容6.2億m3，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量150萬kW，多年平均發(fā)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(fā)電系統(tǒng)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(jié)構(gòu)安裝0.685萬t。按照2000年的物價(jià)水平計(jì)算，工程設(shè)計(jì)概算投資62億元。

公伯峽水電站導(dǎo)流工程于2000年7月開工。2001年8月，經(jīng)國(guó)家核準(zhǔn)主體工程正式開工。2002年3月20日，主河床實(shí)現(xiàn)截流。2004年8月底首臺(tái)機(jī)組正式發(fā)電后，使我國(guó)的水電裝機(jī)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(fā)電僅用了不到兩年半時(shí)間，創(chuàng)造了我國(guó)百萬千瓦級(jí)大型水電站的最快建設(shè)記錄。工程竣工概算投資較國(guó)家審批的概算節(jié)省了7億元。實(shí)際單位千瓦造價(jià)3 666元/kW。自2005年起，公伯峽水電站先后獲得的國(guó)家大獎(jiǎng):國(guó)家魯班獎(jiǎng)(2006年)、國(guó)家環(huán)境友好獎(jiǎng)(2006年)、詹天佑工程獎(jiǎng)(2007年)、全國(guó)優(yōu)秀勘測(cè)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)(2008年)。一座水電工程在建成后的短短3年內(nèi)能獲得如此數(shù)量的大獎(jiǎng)在國(guó)內(nèi)是極為罕見的。總結(jié)其實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最根本的有兩條:

(1)依靠大膽的設(shè)計(jì)優(yōu)化推動(dòng)工程建設(shè)。在施工詳圖設(shè)計(jì)階段，由業(yè)主組織完成的主要設(shè)計(jì)優(yōu)化有:①根據(jù)最新水文情況縮小了導(dǎo)流洞橫斷面尺寸。在可研設(shè)計(jì)階段，導(dǎo)流隧洞的橫斷面尺寸為14 m×15 m。2000年一季度，在招標(biāo)設(shè)計(jì)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(yùn)行，共有防洪庫容175億m3(可實(shí)現(xiàn)多年調(diào)節(jié))。對(duì)此，業(yè)主會(huì)同設(shè)計(jì)經(jīng)分析后認(rèn)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(diào)蓄作用，公伯峽壩址出現(xiàn)設(shè)計(jì)洪水流量的幾率極小。在不改變?cè)O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，將導(dǎo)流洞的橫斷面尺寸壓縮為12 m×15 m，除節(jié)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(shè)計(jì)在招標(biāo)階段采用了國(guó)內(nèi)最高設(shè)計(jì)指標(biāo)的旋流豎井結(jié)構(gòu)。在可研設(shè)計(jì)階段，右岸泄洪洞為導(dǎo)流洞后期改建的龍?zhí)ь^結(jié)構(gòu)。2001年，結(jié)合最新的地質(zhì)條件，業(yè)主委托中國(guó)水科院對(duì)旋流豎井進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，最終以110 m的水頭差、1 060 m3/s的泄量等指標(biāo)位居國(guó)內(nèi)同類建筑物之冠。龍?zhí)ь^結(jié)構(gòu)改為旋流豎井結(jié)構(gòu)后，共節(jié)省投資5 400萬元。③采用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)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(guān)的規(guī)范規(guī)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(dòng)面板壩的技術(shù)進(jìn)步，在業(yè)主的精心策劃下，公伯峽大壩工程采用了三項(xiàng)新技術(shù)。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(shí)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(yù)留了5個(gè)月的沉降期。第二，面板墊層采用了低強(qiáng)度的混凝土擠壓墻技術(shù)，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(shù)。鑒于電站最大斜坡長(zhǎng)230 m，為此，對(duì)混凝土配合比做了一定的改進(jìn)。由于三項(xiàng)新技術(shù)的成功應(yīng)用，在確保質(zhì)量的前提下，大壩施工周期壓縮了近一年時(shí)間。

(2)激勵(lì)和約束相結(jié)合，嚴(yán)格進(jìn)行管理。公伯峽工程業(yè)主認(rèn)為:業(yè)主負(fù)責(zé)制的內(nèi)涵就是由業(yè)主把參建各方緊密地團(tuán)結(jié)在一起，讓業(yè)主政令暢通，最終實(shí)現(xiàn)共贏。如某項(xiàng)目部在4年之內(nèi)因自身原因先后更換過四任經(jīng)理。業(yè)主每年拿出5%的年度設(shè)計(jì)費(fèi)做為考核后支付。在不突破設(shè)計(jì)概算的前提下，業(yè)主拿出一定數(shù)量的資金做為安全、質(zhì)量的獎(jiǎng)勵(lì)使用，以激勵(lì)承包商干好份內(nèi)工作。

總之，公伯峽工程屢獲大獎(jiǎng)的根本原因就是創(chuàng)新和嚴(yán)格四個(gè)字。通過嚴(yán)格管理和技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了業(yè)主利益的最大化。

2 水電工程設(shè)計(jì)工作的基本特點(diǎn)

2.1 水電工程設(shè)計(jì)行業(yè)的特點(diǎn)

工業(yè)與民用建筑、公路、鐵路、水利水電工程等相關(guān)領(lǐng)域之和統(tǒng)稱為土木工程。與其它土木工程相比，水電工程設(shè)計(jì)行業(yè)具有以下5個(gè)特點(diǎn):

(1)勘測(cè)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)分預(yù)可研、可研、招標(biāo)、施工詳圖4個(gè)設(shè)計(jì)階段。有些比較復(fù)雜的水電工程為了查清壩址的地質(zhì)條件，僅平硐、鉆孔等勘探項(xiàng)目就要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間。有些工程為了解決制約項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵技術(shù)問題，還要組織相當(dāng)多的單位開展科技攻關(guān)等工作。

(2)工程規(guī)模大，環(huán)境條件差。目前，水電工程的單位千瓦造價(jià)平均為1萬元，百萬千瓦級(jí)的水電站總投資普遍都在百億元以上，有的高壩單項(xiàng)投資就達(dá)數(shù)十億元。有人將高壩譽(yù)為土木工程之王。水電工程大多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，隨著其開發(fā)程度的提高，目前正在向高海拔、交通不便的老、少、窮山區(qū)發(fā)展。

(3)專業(yè)分工多，社會(huì)因素多，不可預(yù)見因素多。在甲級(jí)設(shè)計(jì)院內(nèi)部，與土建有關(guān)的專業(yè)有:壩工、廠房、泄水、施工、交通、監(jiān)測(cè)、附屬企業(yè)、建筑、給排水、暖通和概算。與機(jī)電有關(guān)的專業(yè)有:水機(jī)、電氣一次、電氣二次、通信、金屬結(jié)構(gòu)。與規(guī)劃有關(guān)的專業(yè)有:水能、水文、泥沙、環(huán)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(dāng)多的職能部門。開工后往往會(huì)新出現(xiàn)很多問題。

(4)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)內(nèi)容少。公路、鐵路設(shè)計(jì)除選線之外，其余內(nèi)容以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)為主。火電、核電、風(fēng)電也屬標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)行業(yè)，相關(guān)的電站幾乎是一個(gè)模式。但水電行業(yè)很難找到兩個(gè)完全一樣的電站，僅壩型就有十余項(xiàng)之多，不同地形地質(zhì)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(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)一般為百年一遇，但水電工程由于失事后果比較嚴(yán)重，因此，大型水電工程的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)一般都在500年一遇以上，校核標(biāo)準(zhǔn)一般都在千年一遇以上。

正因?yàn)樗姽こ叹哂幸陨?個(gè)特點(diǎn)，才使得水電工程設(shè)計(jì)人員的成長(zhǎng)周期比較長(zhǎng)。在正常情況下，一個(gè)非常優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員需要具備以下素質(zhì):有團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)、有深厚的理論功底、有豐富的實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)、有高度的事業(yè)心，能畫、能算、能寫、能講。簡(jiǎn)稱“四有四能”。

2.2 水電工程設(shè)計(jì)行業(yè)的現(xiàn)狀

(1)受行業(yè)壟斷的影響，國(guó)內(nèi)大部分水電工程的設(shè)計(jì)工作量集中在七大院內(nèi)。截至2009年底，國(guó)內(nèi)水電裝機(jī)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(duì)比較獨(dú)立，各有自己的地盤，外部設(shè)計(jì)行業(yè)沒有對(duì)其構(gòu)成沖擊。

(2)七大設(shè)計(jì)院生產(chǎn)任務(wù)普遍飽滿。七大設(shè)計(jì)院的人數(shù)與十多年前相比并沒有大的變化，但生產(chǎn)任務(wù)卻翻了幾倍。以成都院為例，在上個(gè)世紀(jì)90年代，全院主要生產(chǎn)力量圍繞著二灘、銅街子等項(xiàng)目開展工作。但目前所開展的大型設(shè)計(jì)項(xiàng)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(zhǎng)河壩等)，其裝機(jī)容量為十多年前的十倍。

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

(4)受整個(gè)社會(huì)大環(huán)境的影響，水電勘測(cè)設(shè)計(jì)質(zhì)量與十多年前相比，整體呈下降趨勢(shì)。

2.3 水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作不到位的危害

水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作不到位產(chǎn)生的危害就是一句話:增加投資，延誤工期，在質(zhì)量和安全等方面留下隱患。僅舉3個(gè)實(shí)例:(1)四川某大型工程因可研設(shè)計(jì)階段地勘深度不夠，造成開工后邊坡處理費(fèi)用增加3億元，而且中間停工1年。(2)位于貴州巖溶地區(qū)的某大型工程因?qū)?dǎo)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?qū)炷恋闹衅诶鋮s重視不夠，造成壩內(nèi)出現(xiàn)貫穿性裂縫，導(dǎo)致其最終處理費(fèi)用高達(dá)近億元等。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化的內(nèi)涵

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化就是深入完善設(shè)計(jì)方案

在有限的時(shí)間內(nèi)，由一個(gè)團(tuán)隊(duì)完成的設(shè)計(jì)方案不可能是盡善盡美。因此，在工程開工后，需要由業(yè)主牽頭對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行完善。為此，必須把握好兩個(gè)原則:(1)由國(guó)家審查通過的總體布置方案不能輕易發(fā)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(shè)計(jì)應(yīng)遵循的強(qiáng)制性規(guī)范條款不能隨意更改，比如設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)等。對(duì)于重大原則問題的設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整必須形成專題報(bào)告，由業(yè)主邀請(qǐng)?jiān)瓕彶閱挝灰詫ｉT審查會(huì)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(diào)整，李家峽水電站廠房布置格局的重大調(diào)整等就是由國(guó)家主管設(shè)計(jì)部門審查后做出專門批復(fù)。大崗山水電站2008年降低度汛標(biāo)準(zhǔn)亦是經(jīng)上級(jí)主管單位審查后做出專門批復(fù)。對(duì)于不涉及總體布置調(diào)整的設(shè)計(jì)優(yōu)化可由業(yè)主自行決定，如瀑布溝水電站壩軸線經(jīng)局部調(diào)整后減少填筑量186萬m3，節(jié)省投資近億元等。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化就是深入完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案確定之后，大量的設(shè)計(jì)工作量反映在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。由于很多設(shè)計(jì)單位對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙的重視不夠，近年來暴露出來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題有:(1)在開挖圖中，馬道布置考慮不周，錨桿的長(zhǎng)度不合理。(2)在鋼筋圖中，該截?cái)嗟匿摻畈唤財(cái)啵植间摻畈贾眠^密，浪費(fèi)嚴(yán)重。

3.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化就是確保工程質(zhì)量更上一層樓

設(shè)計(jì)工藝反映在更具體的技術(shù)要求上。完善工藝設(shè)計(jì)的目的就是為了確保工程質(zhì)量。如按照混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求，大壩強(qiáng)約束區(qū)的混凝土澆筑層厚應(yīng)控制在1.5 m，岸坡固結(jié)灌漿宜在有蓋重的情況下進(jìn)行。由于水電工程的施工條件千差萬別，生搬硬套一些規(guī)定反而會(huì)影響工程質(zhì)量。拉西瓦水電站高拱壩在澆筑過程中將強(qiáng)約束區(qū)的層厚全部改為3 m，與之配套的技術(shù)要求是快速覆蓋，確保混凝土的內(nèi)外溫差不突破規(guī)范要求;岸坡的固結(jié)灌漿是在無蓋重情況下完成。這些工藝上的改進(jìn)大大提高了大壩的混凝土質(zhì)量。

3.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化就是使工期進(jìn)一步合理

近年來的工程實(shí)踐證明，進(jìn)度效益是最大的經(jīng)濟(jì)效益。一座大型水電站若能提前半年到一年投產(chǎn)發(fā)電，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益多達(dá)數(shù)億元。公伯峽水電站從導(dǎo)流工程開工到發(fā)電僅用了4年零兩個(gè)月時(shí)間，發(fā)電工期比國(guó)家審查的工期提前了一年，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益近十億元。這是在業(yè)主的統(tǒng)一籌劃下大膽優(yōu)化的直接結(jié)果。

3.5 設(shè)計(jì)優(yōu)化就是使工程安全更可靠、更科學(xué)

在水電工程建設(shè)過程中，重大安全事故造成的后果非常驚人。因此，設(shè)計(jì)優(yōu)化的內(nèi)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(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)非常大。2009年4月，大渡河公司組織專家對(duì)下閘封堵方案進(jìn)行了周密的研究，所采用的臨時(shí)堵頭方案以快速、方便、節(jié)省5 000 m3混凝土的優(yōu)勢(shì)為年底雙投奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

3.6 設(shè)計(jì)優(yōu)化就是處理好工程與環(huán)境的和諧關(guān)系

水工建筑物布置的藝術(shù)就是與環(huán)境和諧相處的藝術(shù)。有些工程在布置建筑物時(shí)，不顧環(huán)境的特點(diǎn)，強(qiáng)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(dǎo)流隧洞進(jìn)口布置和場(chǎng)內(nèi)交通干線布置就與大自然相處的比較和諧，其導(dǎo)流隧洞進(jìn)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(jié)省投資近千萬元，縮短工期3個(gè)月;場(chǎng)內(nèi)交通以地下隧道為主，沒有高邊坡開挖，從而保護(hù)了環(huán)境。

3.7 設(shè)計(jì)優(yōu)化就是求解多重目標(biāo)函數(shù)

如上所述，水電工程設(shè)計(jì)優(yōu)化的內(nèi)容比較多，應(yīng)針對(duì)不同的環(huán)境，緊緊抓住工程的主要矛盾進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到整體最優(yōu)的目的，即:投資省、工期短、質(zhì)量安全最可靠。

若D為設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，S、Q、C、T分別代表安全、質(zhì)量、投資和工期目標(biāo)，則其相互關(guān)系:

D最優(yōu)=f(S、Q、C、T)

式中 S≥[S]，Q≥[Q]，C=Cmin，T=Tmin。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化管理方式探討

4.1 外部激勵(lì)手段

茲舉一個(gè)實(shí)例。目前正在建設(shè)中的國(guó)電漢川發(fā)電廠是一座裝機(jī)2×100萬kW的大型火力發(fā)電廠。在可研審查通過以后，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化累計(jì)節(jié)省資金5億元。主要經(jīng)驗(yàn)有:(1)用合同約束設(shè)計(jì)單位。可研設(shè)計(jì)審查通過后，業(yè)主便和設(shè)計(jì)單位簽訂了招標(biāo)和施工圖階段的設(shè)計(jì)合同。緊接著即與設(shè)計(jì)單位簽訂了設(shè)計(jì)優(yōu)化合同。(2)組織外部知名專家提出設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體內(nèi)容，然后反饋給設(shè)計(jì)單位。(3)在設(shè)計(jì)優(yōu)化合同中，采用激勵(lì)手段激發(fā)設(shè)計(jì)人員的工作積極性。如設(shè)計(jì)優(yōu)化費(fèi)用按可研節(jié)省的費(fèi)用進(jìn)行提成。在合同中明確，節(jié)省的費(fèi)用必須有一半直接發(fā)放到設(shè)計(jì)項(xiàng)目部和具體設(shè)計(jì)人員的手中。

漢川發(fā)電廠的做法實(shí)際上就是用市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的激勵(lì)手段激發(fā)設(shè)計(jì)人員開展設(shè)計(jì)優(yōu)化的積極性。結(jié)合目前的行業(yè)現(xiàn)狀，對(duì)業(yè)主而言，用外部激勵(lì)手段開展設(shè)計(jì)優(yōu)化工作在管理上比較方便。但在實(shí)際操作過程中，要防止設(shè)計(jì)單位在可研設(shè)計(jì)報(bào)告工程量中出現(xiàn)摻水現(xiàn)象。

4.2 咨詢?cè)u(píng)審手段

有些大型流域水電開發(fā)聘用了一批國(guó)內(nèi)知名專家。每年通過定期開展現(xiàn)場(chǎng)咨詢活動(dòng)，把專家們好的設(shè)計(jì)優(yōu)化建議反饋到設(shè)計(jì)單位。如二灘公司在錦屏工地現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期聘有水電規(guī)劃總院的專家，通過專家的咨詢意見推動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。但依靠外部專家開展設(shè)計(jì)優(yōu)化工作經(jīng)常得不到設(shè)計(jì)單位的積極響應(yīng)。這種方式相對(duì)比較被動(dòng)，主要適用于大型工程的方案優(yōu)化，對(duì)中小型工程只能作為管理參考。

4.3 內(nèi)部主觀能動(dòng)性手段

有些公司(如華潤(rùn)公司)在可研概算確定之后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的授權(quán)很大。工程技術(shù)管理人員只要提出的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案成立，則按節(jié)省費(fèi)用的比例進(jìn)行提成，并把設(shè)計(jì)優(yōu)化業(yè)績(jī)和年度考核掛鉤。這種方式大大激發(fā)了管理人員開展設(shè)計(jì)優(yōu)化的主官能動(dòng)性。華潤(rùn)公司的做法適用于技術(shù)難度不大的中小型水電工程。