水利水电工程水工设计方案对比研究陈国栋

水利水电工程水工设计方案对比研究陈国栋

山东华邦建设集团有限公司山东青州262500

摘要:水利水电工程由于技术难度较大,工程的安全性十分重要,也由于工程投资高,对工程的经济性提出了很高的要求。在工程实施前,需进行大量的前期论证和研究工作,以论证设计方案的可行性和合理性。随着技术的发展、工程难度的提高以及国家对前期工作要求的提高,对水工设计方案的论证提出了越来越高的要求,如何快速、合理地选定设计方案,确定工程场址、主要建筑物型式和各水工建筑物布置方案,论证其可行性和合理性成了水利水电前期工作中非常重要和关键的工作。

关键词:水利水电工程;设计方案;方案对比因素

1对比设计方案的重要性

确定一个设计方案一般要进行四个步骤,这些步骤就是拟定方案、设计方案、比较方案还有选择方案。在拟定方案时要结合工程开发的具体任务、工程的规模,还有工程所在地的地形和地质条件、建筑物的布置、具体的施工条件以及环境因素等。通过对这些方案的具体分析,再拟定几个方案进行对比。而方案的设计工作,是把各个方案进行一定程度的设计。对各方案中的建设条件还有工程对环境和社会的影响进行分析。对方案的投资以及工期等做简单的估算,为比较方案提供相应的依据。要结合相应的因素进行方案的比较,全面的比较方案,了解各方案的优点和缺点。而选择方案在比较方案之后,通过对方案的综合分析,选出最优秀的。

由于水利水电工程的技术难度很大,工程的安全问题是很重要的,而且工程的投资也很大,这样就使工程的经济性有了更高的要求。在实施工程之前,要在前期进行大量的研究和论证工作。对设计方案的可行性进行分析。

我国的技术水平越来越高,而且工程的难度也越来越大,国家对工程的前期工作也大大提高,所以,对水工设计方案的论证工作也提出了更高的要求。要确定合理的设计方案和工程的场地,以及确定各水工建筑物的布置和建筑物型式的设计方案。对其可行性做出合理的分析和论证。这是十分重要的工作。

2设计方案对比的原则

方案对比的首要原则是方案的设计和比较应实事求是,对各方案的利弊应进行科学和客观地分析。拟定方案时,不能凭设计或建设单位的意愿而故意舍弃可能较优的方案。方案设计时,对各方案应一视同仁,不能故意压减或做大某一方案投资方案比较时,不能由于偏好哪个方案,而重点分析和夸大其有利因素,而故意突显该方案的优点。

各对比方案须满足相同的规划指标,各方案应在相同的前提条件下进行比较。对比各方案均应可行且互有优劣,如经初步分析,其中某方案在技术上不可行或与其它方案比较在各方面都处于劣势,则此方案可不参与对比。当然,如经济分析,只有一方案可行或该方案在各方面都明显优于其他方案,也可以直接推荐该方案,而不一定进行详细的方案比选。

方案设计完成后,应结合对比因素对各方案进行全面综合的比较。比较前应列出影响方案比选的各种可能因素。比较时应针对各对比因素按顺序进行详细的分析和对比。进行工程量和投资比较时应计入影响投资比较的所有项目。方案对比应抓住关键因素,对比前应分析哪些因素为关键因素和控制因素,哪些是次要因素,如果各方案各有优劣且难以抉择时,对关键因素应进行重点分析和对比方案比较的结果应明晰,针对各对比点应明确的结论,在报告编制中应将比较结果列表。

3设计方案对比的因素

影响方案对比的因素较多,既包括地形地质条件、建筑物布置、施工条件、施工工期、工程占地、工程投资等可量化成经济指标的因素,也包括运行管理条件、工程技术风险、环境影响及社会影响等难以量化的因素,其中以方案设计、工程投资和环境影响为重点论述对象。

3.1方案设计

方案设计首先应满足工程运用的要求,工程实施后应能满足工程的任务和规模,实现工程运用目标;其次是设计应满足安全运行的要求,使其在技术上能成立,并有一定的安全余幅。

设计不能生搬硬套和千篇一律。对水工设计来说,建筑物的型式、布置和工程处理措施等应根据设计条件的变化而有所不同。首先是场址不同时,由于地形地质条件等不一样,建筑物的型式、布置等有所差别。坝址比选中,各参选方案的坝型、枢纽布置等会由于场址不同而有差别,而不仅仅是工程量和投资等的差别。长距离输水渠道中,渠道的型式、断面尺寸等随着渠段所处位置和地形地质条件的变化而变化。其次是对于同类项目,可能会由于地域不同,地方经济条件和发展水平的差异等,设计的着重点和控制因素也不一样。

设计应有充分的依据,方案的设计应经过充分的分析和论证。首先是建筑物设置和工程措施的采取应通过必要性论证,以解决为什么要做的问题。其次是建筑物的布置和尺寸的确定等应有科学的依据。为使依据充分,布置应符合各种标准和规范,体型和尺寸应通过计算或模型试验验证,缺少既定规范或计算依据时,应通过工程类比或借鉴同类工程的经验确定。

另外,设计还应满足实用的要求,采取的工程处理措施等应具备实用性和耐久性。应尽量采用成熟技术或施工难度较小的技术,力求使工程技术风险降到最小,如需创新,应经充分论证。另外,设计应满足环保的要求和考虑对社会的影响,力求工程的建设对周围环境和社会的影响最小。方案的设计应与其他专业相协调,考虑到其他专业的要求。

3.2工程投资

水工设计是对工程的构思和描绘,投资则是水利水电工程货币化的体现。水工设计是控制基本建设规模、约束工程造价、提高投资效益的关键。对于水利水电工程的经济合理性分析,应遵循风险最小和效益最大原则。

工程投资决策阶段要对工程建设的必要性和可行性进行技术、经济评价论证,对不同的开发方案(如海堤走向、工程规模、平面布置等)进行分析比较,从中选择出最优开发方案。海上工程要充分考虑海上作业风大、浪高、潮急等恶劣的自然条件,以及台风大潮带来的风险等多变因素,科学地编制投资估算。这是工程造价全过程的管理龙头,应适当留有余地,不留缺口。投资估算工作做得越细,结构层次分解越多,工程量计算越准确,精度就越高。投资估算是控制初设概算的依据,初设总概算超过可研报告审批投资的10%时,可研报告需重新报批。因此,一个精确、合理的投资估算报告可以为项目的成功实施提供可靠的基础。

3.3环境影响

在规划和设计材料中,一个设计方案必须有“环境影响评估”与“库区和下游准备工作”等有关内容。环境影响评估内容应包括在建设投资分析论证阶段。环境影响评估包括4个方面:一是研究工程建设地区的环境状况;二是阐明工程建设对环境的影响因素;三是在工程建筑影响下对周围环境状况进行预测;四是论证自然保护措施和补偿办法。水利水电工程,不论其规模大小和建筑物组成如何,都在某种程度上影响着周围所有客体的环境:大气、地表水、地质环境,包括植物和生物的生态系统,水质和水生物在内的水生态系统、社会环境等。在水工设计时,环境影响评估各阶段的每个步骤都有其特殊性,这种特殊性与工程地区的天然条件和经济状况密切相关。

4水工设计方案对比案例

4.1灌渠护坡设计方案对比

某灌渠设计流量为6.4m3/s,现提出3个护岸方案,即混凝土护坡、土质护坡和生态护坡。方案对比从技术、经济、环境和社会四个角度进行,对于多目标多层次的方案对比可采用专家评价法、运筹学方法、数学方法和混合方法[3]。现决定采用专家评价法并结合数学方法中的层次分析法(AHP)进行对比。为了建立AHP层次模型,特邀请15位专家参与讨论,并将其评价指标分为两个层次,第一个层次有4个指标,它们是可靠性、经济性、环境影响和社会影响,分别与技术、经济、环境和社会四个要素对应。第一层指标下面是第二层次指标,如可靠性下面是整体设计可靠性、技术可靠性和工期可靠性,再如经济性下面是建设费用、运营费用、经济寿命。这样就能够建立起层次比较的矩阵模型,并利用Matlab程序计算各个比较矩阵的权重,并利用权重计算结果确定了两个层次所有指标的权值。接下来再组织12位专家分别对混凝土护坡、土质护坡和生态护坡进行综合评分。对于定性指标的量化,按优、良、中、差分级,并分别对应100、80、60、40的分数,定量指标在原有指标数值基础上进行无量纲和归一化处理后转成标准值。最后得分情况是混凝土护坡的综合评分为79.32分,土质护坡的综合评分为78.44分,生态护坡的综合评分为82.23分,最终选择生态护坡方案。从这个例子中可以看到3个方案的评分差距并不是很大,尤其是混凝土护坡与土质护坡的评分差距不足1分,这足以说明采用合理的对比方法的重要性。

4.2防波堤结构方案的对比

华南某沿海地区建设防波堤和护岸,经地质勘探防波堤表层淤泥厚达10~12m,根据工程重要性和设计寿命,确定建筑物安全等级为Ⅱ级。防波堤提出2个方案,A方案是透空桩基堤结构,B方案是插入大圆筒堤结构。A方案采用800mmPHC桩基,并设置为叉桩形式,要求桩尖透过粉砂层插入黏土层。施工方法是先开挖3.5~6m深的基槽,然后打桩至设计深度,桩间铺设土工格栅和编织布,再抛填石块,桩顶浇灌混凝土挡浪墙,挡墙外再设置混凝土挡浪板。B方案是插入8000mm圆筒,筒壁厚300mm。圆筒分两节插入,上一节长12m,重213t,下节长10m,重178t,两节圆筒之间采用凹凸榫连接。同A方案,沉筒前先挖6m深的基槽。安装完圆筒,在两侧敷设土工格栅和编织布,再抛填石块,圆筒顶部安装混凝土盖板,之上浇灌混凝土挡浪墙。A方案的优点是施工容易,造价低,并且后期沉降较小,不足之处是打桩时容易偏移。B方案施工快速,且占地面积较小,但预制大圆筒工艺复杂,造价高。经过对供材与施工条件的分析,得出A方案综合性更好,故为推荐方案。

4.3碾压土石坝的设计方案

某水利枢纽工程拦河坝采用碾压土石坝。筑坝材料就在坝址附近,土料粘粒含量较高,而含水量较为适中。大坝碾压控制标准采用干容重法,压实参数包括土料含水量、铺土厚度、碾压设备重量、碾压遍数等。筑坝前,先对各料场土料性能进行全面检测,并选择有代表性的料场开展碾压试验,通过试验获取施工控制参数。但考虑到实际施工条件比试验条件更宽泛,所以压实标准合格率应比设计标准稍高些。经过理论计算并参照相似工程的经验,初步选定了羊脚碾、气胎碾和夯板作为碾压机具,同时拟定了几组碾压参数。土料压实含水量取塑限含水量的+2%、+0%及-2%三个参数点进行试验。根据测定的含水量、干密度,结合铺土厚度、碾压遍数,制作耐压试验各参数关系曲线,由该曲线可确定设计干容重所对应不同铺土厚度的最佳碾压遍数和最优含水量。再经过比较就能找到碾压效果最好而又经济的碾压参数。对于施工期间含水量偏高的问题可采用防雨排水、翻晒等办法解决。

5结束语

水工设计方案是对水利水电工程的核心,因此,在水利水电工程的后续发展中,要不断提高水工设计问题的解决方案,严格水工设计质量管理体系,促进水利水电工程水平的提高

参考文献:

[1]付强,王晓莉.水利工程的目标规划与方案比选[J].治淮,2007(8).

[2]邱红,王素芳,王茜等.浅谈水利工程可行性研究报告设计方案的比选[J].山东水利,2005(5).

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