EPC項目設計變更的管理

雷 軍，謝江華，鄭家祥

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

EPC項目管理中的設計管理僅是EPC項目管理中的一個分支，但是由于設計在EPC項目中舉足輕重的龍頭作用，設計管理到位了，項目管理就可事半功倍。

大多數工程在項目實施之前，設計方案就已經基本成型，到了實施階段，由于地質條件、施工環境的變化乃至施工工藝、施工方法的局限都有可能導致設計方案或大或小的調整變更，這些調整或者變更對于設計人員和項目管理者來說常常是個棘手的問題。可見，項目在技施階段的設計管理主要就是設計變更的管理，實用、高效、有序的變更管理，在EPC項目的設計管理中至關重要。

本文以坪頭工程為例，介紹在該項目中如何利用《矛盾論》的方法將設計變更分門別類地進行處理，做到了設計和現場的無縫銜接。

2 矛盾論概述

《矛盾論》作為唯物辯證法的“理論核心”，在馬克思主義哲學中占有極其重要的地位，并在實踐中發揮著極其重要的理論解釋功能。

《矛盾論》具體包括以下5個方面：

(1)闡明了內因和外因的辯證關系，指出外因是變化的條件，內因是變化的根據，外因通過內因而起作用。

(2)論述了矛盾普遍性和矛盾特殊性的原理，指出矛盾存在于一切事物的發展過程中，每一事物的發展過程中存在著自始至終的矛盾運動。矛盾的普遍性和特殊性的關系，就是矛盾的共性和個性的關系，二者相互區別、相互聯結又相互轉化 。

(3)論證了主要矛盾和矛盾主要方面的原理。認為矛盾發展的不平衡性是主次矛盾和矛盾主次方面的客觀依據，規定了主要矛盾和主要矛盾方面的定義，說明了找出主要矛盾和矛盾主要方面的方法論意義，并論述了矛盾對立雙方相互轉化的根據和條件。

(4)闡明了矛盾諸方面的同一性和斗爭性及其相互關系。認為對立的統一是有條件的、暫時的、相對的，對立的互相排斥的斗爭則是絕對的；有條件的相對的同一性和無條件的絕對的斗爭性相結合，構成了一切事物的矛盾運動。

(5)分析了矛盾斗爭的兩種基本形式即對抗性的矛盾和非對抗性的矛盾，并指出二者在一定條件下相互轉化。

本文將重點闡述上述《矛盾論》中主要矛盾和矛盾主要方面的原理在坪頭電站引水系統設計變更管理中的應用。

3 設計管理矛盾甄別

欲用《矛盾論》來進行設計變更的管理，就必須首先羅列出和設計變更相關的矛盾。所有水電工程在實施過程中和設計變更相關的矛盾主要分為兩大類：設計內部矛盾；設計風險和工程風險的矛盾。

設計內部矛盾包括：

(1)基礎資料(水文、地質等)變化引發的矛盾；

(2)相關專業之間不同功能訴求的矛盾；

(3)引用不同規程、規范或設計文件、科研成果間的矛盾；

(4)設計人員不同設計風格之間的矛盾。

這些是可以通過設計各專業處室、各專業人員復核、協調、磨合加以解決的。本文不探討此類矛盾的解決。

下面重點介紹設計風險和工程風險的矛盾。所謂工程風險，自然包括工程的永久安全、施工安全、投資、進度等方方面面。所謂設計風險，由于長期形成的習慣，更多地是考慮是否滿足設計規范要求，是否與上一階段的設計成果一致，是否與相關模型試驗成果有沖突，如果能滿足這些要求，則基本上可以消除設計風險，但僅僅滿足這些要求的設計方案因為其并非唯一性而往往很難是滿足工程實際的最優方案。據此，設計風險和工程風險的矛盾可以細化為：

(1)設計方案和結構安全的矛盾；

(2)設計方案和施工(工藝、安全、進度)的矛盾；

(3)設計方案和投資的矛盾。

以上矛盾常常交織而并非表現單一的矛盾形態，但總體來說上述矛盾均為非對抗性矛盾。項目管理者可以通過針對問題的主要矛盾或者矛盾的主要的方面并對癥下藥找出解決它們的正確方法，同時使原來就是次要矛盾或矛盾次要方面的影響降到最低。

實踐表明，機電設計方案本身以及機電設計與土建設計專業之間的協調銜接對于工程機電安裝的進度和投資起著至關重要的作用，只是因篇幅所限不在本次總結之列。本文涉及電站的土建主體結構分為首部、引水系統及廠房三大部分。地下廠房將處于其下游巨型水庫的長期浸泡之中，設計難點在于防滲體系能否在下游水庫蓄水之后發揮應有的功效，確保廠房正常運行，還有待于檢驗。首部樞紐閘壩的基礎(防滲墻、帷幕)及上部結構在地質條件基本未發生變化的情況下，設計現場調整也相對較少。

引水系統因其戰線長、地質條件復雜且變化多端，對設計人員而言，必須根據現場實際地質條件的變化及不同結構的不同功能要求及時進行調整，并且要根據安全、施工、投資這三者在矛盾體中所占主次的不同而采取不同的思路和變通策略。故在此僅舉引水系統的設計調整和及時跟進服務來作為項目設計變更管理的總結。

4 安全為主要矛盾時的設計

任何工程的安全、施工、投資既互為矛盾體又相輔相成，總體來說安全在大多數時候絕對是主要矛盾。對引水隧洞而言，其襯砌型式及固結灌漿的合理選擇均關系到工程運行的長治久安，避車洞的封堵，事雖小但處理不當也帶來隱患。另外，本電站由于引水系統后段的地質條件惡化，蝶閥室天錨和基礎的處理也存在施工和運行的安全問題。

4.1 引水隧洞襯砌型式的調整

一般說來，前期水工隧洞的襯砌型式往往僅考慮或主要考慮該段隧洞預測圍巖的類別就加以確定。在本電站的施工過程中，由于項目管理的精細要求，設計對襯砌型式的調整不僅考慮圍巖的類別，還看圍巖類別劃分的各項內容(強度、完整性、結構面、地下水等)的具體得分情況；不僅考慮水平埋深、垂直埋深，還考慮對應洞外邊坡的性狀；不僅考慮噴錨段和襯砌段的頻繁交替對施工布置帶來的影響，還考慮臺車長度和襯砌型式的匹配。如此，則有些洞段襯砌“加強” ，有些洞段襯砌相對“減弱”。“加強”使運行安全更有保障，“減弱”在確保安全的前提下使施工進度加快。

4.1.1 引水隧洞后段的鋼襯設計

引水隧洞后段(11+305～12+711m)山體斜坡為順向坡，覆蓋層較厚，細晶白云巖“砂化”嚴重，運行期如有內水外滲，勢必引起隧洞圍巖狀況的進一步惡化，并引發覆蓋層穩定問題。故原限裂設計的襯砌結構設計在該段隧洞已不再適用，隧洞的襯砌結構要求達到“不透水”，并且不宜考慮圍巖的抗力。最終經技術經濟比較，設計推薦采用鋼板襯砌方案。

4.1.2 加強型噴錨支護的運用

水工在引水隧洞普遍適用的基本設計原則為：Ⅲ類圍巖一般采用噴錨支護；Ⅳ、Ⅴ類圍巖一般采用鋼筋混凝土襯砌，Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯厚不同。

所謂加強型噴錨支護，就是在常規噴錨支護的基礎上適當加強支護參數或者增加固結灌漿。在坪頭電站，加強型噴錨支護采用了兩類，B(一)型和B(二)型。常規噴錨支護參數：掛網噴C25混凝土，厚15cm，鋼筋網采用φ8@20cm×20cm，系統錨桿φ22 ,L=3.5m，交錯布置，排距1.5m。B(一)型支護參數為：掛網噴C25混凝土，厚15cm，鋼筋網采用φ8@15cm×15cm，系統錨桿φ25 ,L=4m；φ25，L=5m，交錯布置，排距1.2m。B(二)型支護參數與B型(一)相同，僅增加固結灌漿。

加強型噴錨支護既有針對Ⅳ類圍巖體的，也有針對Ⅲ類圍巖體的。

對于某些洞段，雖然圍巖體為Ⅳ類(主要是由地下水和結構面造成)，但強度和完整性都屬上乘，再加上水平埋深600m以上，垂直埋深也有400m，對于此類洞段，不采用鋼筋混凝土襯砌，而采用加強型噴錨支護進行了相對“弱化”處理。

對于某些Ⅲ類圍巖體洞段，雖然圍巖體為Ⅲ類，但其完整性較差，易片幫掉塊，或是溶蝕溶隙及溶洞較發育、埋深較淺的洞段，則不進行常規噴錨支護，而是采用加強型噴錨支護甚至將噴錨改為鋼筋混凝土襯砌進行了相對“強化”的處理。

4.1.3 引水隧洞4號施工支洞的延長襯護

正常情況下，引水隧洞施工支洞的封堵段長度是根據封堵體與支洞巖壁之間的摩擦力和粘結力大于對應洞段的水頭所產生的水推力而確定的，按此原則4號支洞的封堵體長度為30m。但是，由于4號支洞離引水隧洞后段全、強風化洞段不遠，對應主洞上、下游范圍60m 均為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，而支洞上游60 m外即是連續的噴混凝土襯護，同時該洞段發育數條小斷層在支洞內被切割后連續出露在30m封堵體之外。正常運行時，4號支洞內水水頭達53m，主洞內水外滲后會沿支洞封堵體外的巖體裂隙出露。

綜合考慮工期、費用及處理效果，設計會同項目部慎重研究，決定在已完成封堵段的基礎上新增50m混凝土封堵段。此方案雖不能減少總滲量，但可將滲水引向完整巖石，在有效埋深內形成穩定滲流場，同時可通過延長滲徑確保最大限度降低隧洞圍巖體受到滲流所帶來的破壞性影響。

后來的充水運行實踐證明，適度延長封堵段的方案是必要的、可行的，效果也是顯著的。

4.2 灌漿洞段的增與減

對于常規設計而言，噴錨洞段一般無固結灌漿，混凝土襯砌段往往必有固結灌漿。在坪頭電站的技施階段，設計根據引水隧洞沿線各洞段圍巖類別、巖性、地質構造、地下水、水平埋深、垂直埋深、洞段外有無民居以及隧洞的承壓水頭等綜合因素進行考慮，對固結灌漿洞段進行了調整。

對樁號3+900m上游，盡管有些洞段圍巖類別Ⅳ、Ⅴ類且地下水滲水嚴重，但是埋深近1 000m，洞外邊坡為巖質邊坡直接臨河，無任何民居，且運行水頭僅20多米，故對這些洞段取消了固結灌漿；而對于樁號5+390m～6+480m，該洞段襯砌類型為噴錨，圍巖為堅硬完好的Ⅲ類，洞段埋深160～300m，滿足規范不襯砌壓力隧洞的埋深要求，但洞段外正對總包生活營地、一個鄉鎮及一座地方小電站，內水水頭40m，哪怕一小股內水外滲引起的邊坡失穩都會帶來不可挽回的損失和影響，經慎重考慮后設計要求對此洞段進行固結灌漿。

運行以來，隧洞沿線的所有溝渠、邊坡均未發現滲水痕跡及其它異常情況。固結灌漿洞段的一減一增，“減”是在確保安全的前提下節約了工程量，“增”則是在敏感洞段投入了必要的工程量換來安全。

4.3 蝶閥室天錨及接力器基礎處理

蝶閥室頂拱設有天錨以便施工期安裝蝶閥體及在運行期檢修起吊之用，蝶閥室底板設有大量錨筋以解決蝶閥開關時接力器拉拔力產生的基礎受力穩定問題。但是由于蝶閥室位于壓力管道上平段，屬于引水系統后段地質條件極端惡化的洞段，整個洞段巖體全、強風化，結構松散，基本沒有粘結力，因此，無論是頂拱的天錨還是底板的錨筋均無法深入基巖，起不到受力、傳力的作用，可謂是“上入不得天，下入不得地”。基于此，設計對頂拱天錨及底板接力器基礎分別進行了調整。

對頂拱天錨的調整：在蝶閥室頂拱混凝土內布設16b槽鋼和20b工字鋼，天錨位于兩品槽鋼之間，并與兩品槽鋼雙面焊接，工字鋼則作為槽鋼支撐布置在頂拱兩側邊墻里，如此，可將天錨的受力通過型鋼轉移到側墻混凝土。天錨不必深入基巖也可確保蝶閥安裝和檢修時起吊的安全。

對底板接力器基礎的調整：在基礎底部預埋型鋼及鋼墊板，將蝶閥及接力器地腳螺栓焊接在型鋼上，且置于閥室底板底層鋼筋以下，將地腳螺栓與閥室底板鋼筋網連接成整體，從而既增加了接力器地腳螺栓和混凝土之間的握裹力也增大了基礎混凝土的體積及重量。如此，在蝶閥運行時，接力器拉拔力既不會把接力器地腳螺栓拔出混凝土，也不會把混凝土基礎整體拉起，確保了蝶閥運行的安全。

5 施工為主要矛盾時的設計

有時，原設計方案或原設計的要求實施起來存在實際困難，要么施工方案復雜，常規手段不易實現，要么影響其他洞段的施工，從而占用直線工期。此時，施工上升為主要矛盾，設計需要配合現場積極調整方案或要求，并重新復核、確認結構在新方案或新要求之下運行安全的可靠性。這些調整要求設計具有高度的責任心、較強的專業思辨能力和靈活處理的能力，同時對工程要有全面的了解。可以說每一次調整都有設計付出的心血和智慧。

5.1 引水隧洞的基礎處理

原則上，設計要求對引水隧洞的底板基礎必須清理至新鮮基巖出露，并用混凝土回填。按此要求，實際操作中，有些洞段雖可很快見到基巖，常常不得不將不完整的巖石基底敲出，形成超挖再用混凝土回填，如此既耽誤施工時間又浪費混凝土工程量；有些洞段，則因為巖性軟弱，即便掘地三尺也很難見到新鮮基巖，超挖量讓人心疼。

鑒于此，設計根據埋深、水頭、襯砌型式、巖性的不同，分洞段對底板基礎的處理提出不同的處理意見。對于埋深大于500m、水頭小于30m、沒有固結灌漿要求的洞段，只需要求底板密實即可，不一定見到新鮮基巖；對于已經超挖的部分底板，也可以用級配良好的石渣回填碾壓密實。具體操作時，設計到現場對不同洞段提出具體要求。此舉雖然給設計帶來了較大的工作量，但對工程的工期和投資都產生了積極的影響。

5.2 噴錨洞段噴層厚度與臨時鋼支撐的處理

某洞段在開挖過程中存在頂拱及邊墻塌落、掉塊等現象，開挖后及時進行了鋼拱架加噴混凝土的臨時支護措施。其永久支護設計為加強型的噴錨支護。

由于作為臨時支撐的鋼拱架并未全部順貼巖壁，故實際在進行永久噴錨施工時存在兩種施工方案：(1)采用模噴，將型鋼及其連接筋全部埋入噴層內；(2)噴層厚度滿足設計要求的15cm即可，型鋼及其連接筋暴露在噴層外。

兩方案各有利弊。若采用方案一，施工立模不便，滿堂腳手架影響相鄰洞段的施工，設計從水力學、結構及運行安全等方面綜合考慮之后，同意現場采用方案二。

(1)對水力學的影響：隧洞最大引用流量72m3/s時，對應流速約2.15m/s，滿足不沖流速的要求。也就是說洞內水流對型鋼及連接筋的沖刷相當有限。水頭損失方面，方案二由于型鋼暴露，會有局部損失，但是如果按方案一將型鋼及其連接筋全部埋入噴層內，則其噴層厚度增加達40cm，也即洞段內徑縮小80cm，該洞段會因流速增大而增加沿程損失，加之兩端的局部損失，則兩方案水頭損失基本相當，方案一水損還略大于方案二。

(2)對結構的影響：如果采用方案一，噴層厚度在設計厚度基礎上增加40cm，達到55 cm，則其粘結力大打折扣，噴層很快就會有剝落等現象，反而于結構不利，故比較之下方案二更具實際意義。

(3)對永久運行安全的影響：該洞段水頭僅27m，而其水平埋深達910～970m，垂直埋深也有510～528m，且巖性新鮮，堅硬，即該洞段不會發生內水外滲。另外，如果連接筋及型鋼因日久銹蝕也不會對機組運行構成影響，連接筋掉落后會進入集石坑，而型鋼則因其整體尺寸遠大于隧洞鋼襯及壓力管道，無法通過這兩道屏障進入機組，長久運行是安全可靠的。

5.3 避車洞的處理

一般，對避車洞的處理為：按照襯護后整體的洞型斷面，將避車洞一側用漿砌石回填之后再用砂漿抹面，也有用磚墻僅砌筑口門區的。但是，前者費工費料，且在有固結灌漿時，該洞段不好處理；而后者往往會在運行后隧洞放空時，磚墻被外水推倒。

12.7km隧洞共有避車洞近30個，前期其封堵仍采用漿砌石回填、砂漿抹面的方式，但后來在施工過程中因找不到塊石，且固結灌漿時吸漿量巨大，設計經過現場查勘，分析認為避車洞所處洞段巖性相對完好，基本不會大塊崩塌具備掛網噴護的可能，更重要的是，經過計算，一個避車洞不進行封堵，其產生的水頭損失0.1～0.15m，所有避車洞全部不封堵，水頭損失也僅4m。因此，設計將后來的避車洞處理都調整為掛網噴護而不再封堵。

5.4 岔管打壓試驗的場地選擇

采用一條主管經一個不對稱“Y”形岔管和一個“卜”形岔管分成三條支管向三臺機組供水的方式布置，即壓力管道水流進入機組前需流經兩個岔管。

由于水壓試驗既可以檢測岔管母材及焊接施工質量，同時也是消除施焊產生的殘余應力、鈍化應力峰值的有效手段，因此設計要求對兩個岔管在工廠進行水壓試驗。

根據壓力鋼管設計規范規定：岔管應作水壓試驗，經論證也可不作。雖然做水壓試驗既要付出經濟代價，也占一定直線工期，但是考慮到確保岔管的施焊質量以及運行安全，項目部決定進行水壓試驗。設計要求在工廠進行水壓試驗，主要是基于試驗的可靠性及安全保證。但若此，就需要在試驗完成后，岔管經廠房交通洞整體運輸進入隧洞。現場情況是，廠房交通洞已經澆筑完成，其凈空尺寸無法滿足“Y”形岔管的整體運輸要求，只能將瓦片運進洞，在洞內拼裝施焊并進行現場整體打壓試驗。

于是，設計幫助復核了鋼管支撐、悶頭設計的安全性，同時參與審查了安全預案，最終同意進行洞內現場整體打壓試驗。

5.5 隧洞鋼襯及壓力管道接觸灌漿脫空面積的界定及預埋花管的使用

鋼管外包混凝土澆筑結束后，需要通過預留孔進行接觸灌漿。接觸灌漿檢查通過敲擊，若脫空面積大于某值時，需要重新開小孔補強接觸灌漿。而脫空面積的界定，規范中并沒有明確的規定，都是經工程類比而得。

電站鋼管襯砌有1 400m的隧洞鋼襯及400m壓力管道的接觸灌漿，長度之長在其他工程幾乎沒有。若對脫空面積的確定太過嚴苛，無疑會帶來施工困難及工期拖延。通過類比，設計最初的要求是：隧洞鋼襯接觸灌漿的脫空面積不能大于0.6m2，壓力管道接觸灌漿的脫空面積不能大于0.3m2。

接觸灌漿先從隧洞鋼襯開始，完成后通過敲擊檢查，按0.6m2的脫空面積要求，前600m的隧洞鋼襯段為了補強接觸灌漿，竟然重新開小孔達500個。主要原因是原設計預留孔灌漿效果難以保證，且灌完之后又會干縮，脫空面積較難達到要求。但是如此重開小孔補灌再封焊，既耽誤直線工期又傷害鋼管母材，且小孔太多，稍不注意容易漏焊，影響工程安全。

隧洞鋼襯是按洞內明管設計的，即無論是內水壓力還是外水壓力工況，鋼管的設計厚度都能滿足其應力及變形要求。因此，對于后800m的隧洞鋼襯段設計提出：只要不出現連續的太大的空響聲(至少脫空2～3 m2)，則無需補強接觸灌漿。

對于壓力管道，鋼管壁厚的設計中，其實是考慮了鋼管和混凝土之間有微小縫隙的，由此反推脫空面積并收集了更多的工程類比資料，最終確定其脫空面積采用0.8m2。同時，允許施工單位先行封焊原先預留的接觸灌漿孔，而在管壁外預埋接觸灌漿花管。外包混凝土澆筑完成一定期限后，從花管進行接觸灌漿，當脫空面積超標時，也通過花管補灌，極大地減輕了對鋼管母材的損害。

6 投資為主要矛盾時的設計

隨著施工的進行，發現某些部位的工程地質和水文地質條件比設計所考慮的情況有明顯改善，并且可以判定這種改善還會持續存在。若堅持原來的設計，則其安全系數就會有很大富裕。此時，安全讓位于投資，投資成為設計調整方案的主要矛盾。

6.1 閥室交通洞及上室交通洞的襯砌調整

對于最初的設計，閥室交通洞和上室交通洞的襯砌是考慮了在運行期有外水存在的。但從開挖后暴露了幾個汛期、雨季的情況來看，在自然情況下洞室始終干燥，無地下水侵擾；另外，由于兩個交通洞均位于引水系統后段，而引水系統后段經過復核設計后已經調整為全鋼襯，在運行情況下也可以做到“滴水不漏”。基于上述原因，設計及時更改了兩交通洞的襯砌方案：10m鎖口段維持原設計；調壓室上室交通洞只襯底板，取消邊頂拱襯砌；閥室交通洞由于電纜架設需要，襯砌底板和邊墻(大幅度減少鋼筋用量)，取消頂拱襯砌。

6.2 閥室及上室頂拱回填灌漿的取消

洞室回填灌漿的主要目的不外乎兩個：(1)對于承受內水壓力的隧洞，使混凝土結構和巖壁緊密結合，共同受力；(2)對于脫空較嚴重的頂部通過回填灌漿，可減小頂部繼續掉塊對結構的沖擊荷載，并適當增強結構自身的抗擊能力。對于蝶閥室及調壓室上室的頂拱部分，均不存在內水工況，且從現場來看，少部分的頂拱塌腔已通過混凝土澆筑處理。故此時兩個洞室的運行安全應無憂，投資就成為主要考慮的矛盾。設計決定取消原設計中蝶閥室及調壓室上室頂拱部位的回填灌漿，節約了投資。

7 結束語

設計作為EPC項目的龍頭，抓住了現場施工中的主要矛盾，主動、及時地對設計方案進行變更和調整，在確保工程安全和施工安全的前提下，盡量使施工簡便可行，承包商樂于接受，減少了推諉扯皮，降低了監理和總包的管理成本，使得進度相對較快，投資相對節省，最終使項目管理贏得了高效、共贏、和諧的局面。

《矛盾論》用于EPC項目的設計管理只是一種粗淺的嘗試和自我解讀。然而，正如前述，設計管理或者設計變更管理僅是項目管理的一個分支，項目管理本身是系統工程，若要由此及彼，由點到面，將《矛盾論》用于EPC項目的各項管理就會顯得力不從心。隨著技術科學和管理科學的相互促進和發展，系統論在項目管理中將會發揮日益顯著的作用，但決不能因此而否認《矛盾論》在某一分支或具體問題中的有效運用。