印度盧里水電工程隧洞布置優化方案的選擇

[英國]D.鮑威爾 A.喬杜里

李 慧 譯自英刊《水電與大壩》2009年第6期

2006年2月,SJVNL指定莫特麥克唐納(Mott Macdonald)公司為擬建的盧里水電工程進行可行性分析,提出詳細的工程報告,并準備招標文件。

針對薩特累季河底坡相對較小而流量相對較大的特點,盧里水電工程需要修建相對較大的引水隧洞。同時,這一區域也是地震活動帶,38km長的隧洞線路將穿越與巖體巖性相對較差甚至非常差的地段有關聯的逆沖帶。

就工程費用和工期而言,引水隧洞的施工在整個工程中所占風險最大?；谑┕み^程中預期的風險等級,本文對隧洞直徑和數量選擇時所采用的方法進行了討論。

1 發電效益

薩特累季河的水文特征是在每年 6～9月的季風期會出現大的流量。對于 90%的可靠年(這也是印度水電工程優化的基礎),季風期的平均流量達到了 600m3/s的量級,而年平均流量為272m3/s。而且,為了修建盧里水電工程而將要開發的薩特累季河河段的底坡相對較小,約為1∶250。

觀察發現,預可行性研究報告中預計的單線隧洞直徑的水頭損失過大,超過了總有效水頭損失的25%。因此,保證在季風期使用最大水量進行發電,且引水隧洞的水頭損失不能過大,成為該工程重點考慮的問題。

如果假設隧洞的直徑由建造費用和電能效益決定,那么單線隧洞無疑是最經濟的選擇。但是,開挖隧洞通常具有高風險,尤其在喜馬拉雅山區,其他一些因素,比如隧洞掘進方法,總的施工進度和預測的地質和巖土工程災害等通常決定了隧洞類型和布設的選擇在很大程度上要首先考慮減輕主要災害造成的風險。在盧里水電工程中,單線隧洞和雙線隧洞的發電效益都已給予考慮,最佳的選擇應該是考慮采用雙線隧洞方案。

圖1為盧里水電工程單線和雙線隧洞方案在各最佳裝機容量下 90%可靠年中的年發電量隨隧洞直徑的變化情況。

圖1 單線和雙線隧洞的最大年發電量

根據以上發電效益的結果,且注意到施工過程中的風險等級通常隨著隧洞直徑的增大而顯著加大,直接和間接費用也隨著隧洞直徑的增大而成比例地增長,因此,主要問題是要確定引水隧洞應該建成單線隧洞還是雙線隧洞以及最佳裝機容量。

2 引水隧洞的地質條件

經過與業主詳細協商,提出在薩特累季河右岸修建一條 38km長的引水隧洞。

壩址到廠房區預計將遇到的巖石種類見表1。

表1定義的巖石被褶皺成較大的向斜和背斜結構。主要的結構是 Chamba向斜和 Shali背斜。最主要的構造特征是 Jutogh逆沖。Jutogh逆沖的重要性在于,當逆沖接近眼球狀片麻巖時,就使這種巖層產生片理,而且延伸到逆沖中的巖層。特別是碳質千枚巖產生了嚴重的變形,變得十分脆弱,造成典型的擠壓地層條件。與逆沖有關聯的片巖和石英巖也都受到很大程度的變形。

表1 壩址到廠房地區的巖石種類

在這種情況下,認為與逆沖有關的危害是在碳質千枚巖中產生嚴重擠壓以及在石英巖和更強的巖體單元中產生擠壓或逐步松弛成為塊狀。

由于不能更改壩或者電廠的選址,隧洞的水平定線必須在兩個位置通過 Jutogh逆沖。因此,隧洞中段有5～10km的部分將會近似平行于 Jutogh逆沖,掘進條件預計將會非常艱難。從預測的掘進條件來看,減少覆蓋層的數量也十分重要,應盡量減少施工期間在脆弱地層中產生的應力問題。

靠近電廠的洞段處于喀斯特地層的相互交錯的薄層帶狀石灰石和白云石中。這一洞段的地層經常被褶皺和剪斷,盡管地質條件預計好于中段,但認為減小隧洞直徑更為可取,以幫助控制風險,尤其當巖層中存在裂穴時。

3 隧洞施工方法

究竟使用隧洞掘進機還是使用更為傳統的鉆爆法進行隧洞施工,是必須提前做出的一個最關鍵性決策。這一決策在一定程度上屬于風險管理的范疇,選擇的方式必須足夠靈活,以保證盡量不延誤工期。

3.1 鉆爆法

采用鉆爆法進行開挖在印度是一種已得到驗證的施工方法,并且已被 SJVNL成功地用于納特帕 -杰克里(Nathpa-Jhakri)工程。建議的隧洞定線具有的一個突出優點就是,它允許使用規則間隔的施工平洞,所以每洞段的長度基本上都可以保持在5000～6000m之間。這十分有利于工程的風險管理,而且無論是當地的還是國際的承包商都十分了解這項施工技術。

3.2 隧洞掘進機

采用隧洞掘進機可以使隧洞走向盡量沿直線,將隧洞的總長度減少了將近 3km,雖然關鍵的中段仍需用鉆爆法進行施工。

基于以下幾個方面對采用隧洞掘進機的可行性進行了評估:

(1)機器類型。處理不利、不均勻地層條件的能力。可用設備因隧洞直徑而受到限制,這在以前實際運用中屬于首要考慮的問題。

(2)隧洞費用。單線隧洞方案需要兩臺隧洞掘進機,而雙線隧洞則需要 4臺。因此,對于單線隧洞方案,引水隧洞長度必須縮短20%以上,對雙線隧洞,必須縮短大約 30%,以使得設備的花費達到平衡。而在實際中,這種做法不可行,因為通過拉直隧洞所能減小的最大長度約為 3～4km,只占隧洞總長的 8%～10%。

(3)利用系數。如果要使隧洞掘進機充分發揮作用,并達到可以使得工程節約的施工速度,那么,維修和運行標準必須盡可能高。對于盧里水電工程,掘進機的利用系數可能低到20%。

(4)印度運用的經驗。隧洞掘進機在杜哈斯蒂(Dulhasti)和帕巴底(Parbati)水電工程的運用中遇到了一些問題,而且這兩個工程的隧洞直徑要遠小于建議的盧里水電工程的隧洞直徑。對于大直徑的機器,本地或國際承包商幾乎都沒有能力對其進行操作和維護。

3.3 隧洞施工方法的選擇

無論是使用2臺或是 4臺隧洞掘進機,其費用對于整個工程來說都是一個很大的負擔,而且,與備件(如刀具)、運行和維護有關的費用等,都要遠遠高于采用鉆爆法。鉆爆法的優點在于其設備可以拆散送到工廠進行維修。“被凍結”的隧洞掘進機很難脫開,需要很多復雜的工作,涉及從掘進機的后面將刀盤掘進一圈,并進行加固來使其繼續工作。對于盧里水電工程來說,發生這類風險的概率很高,通常,這樣的事件 4～6個月出現一次。

總的來說,采用鉆爆法施工能夠更好滿足盧里水電工程的需要。就工程進度方面來看,其風險小得多,而且在處理地層問題方面更加靈活,因此是一個更經濟的方法。

4 引水隧洞尺寸和數量的選擇

隧洞的最佳尺寸和數量取決于一系列因素,包括工程運行要求,這里指的是利用可以取用的水量來滿足峰荷需求的能力。此外,還有很多與施工有關的因素,諸如地質條件和在高應力環境中掘進的不確定性,尤其是在受很多具體地形和后勤服務限制的偏僻地方。

對圖1所示的隧洞布置的可能構型進行研究后確認,當總裝機容量為775MW時,引水隧洞可以由一條11.75m直徑的單線隧洞,或者 9m直徑的雙線隧洞組成。在實際中,若要選擇合適的隧洞尺寸,先要對直接費用、基本災害和特別工程布置所牽涉的風險進行比較和評估。

對工程隧洞合理尺寸的選擇依賴于對導洞自身支撐時間的評估,而該評估又建立在對地質條件、巖體質量和地層性能最佳詮釋的基礎上。在大塊巖石中,例如眼球狀片麻巖,其自身支撐時間較長,易于修建大跨度隧洞。但是對于很多脆弱的材料來說,情況就并非如此,例如碳質千枚巖,以及與 Jutogh逆沖相關的任何被逆沖并嚴重受剪的碎裂材料。費用和安全性若能得到妥善解決,減小隧洞尺寸,修改施工工序以適應地層特征是非常重要的。因此,對盧里這樣的水電工程采用一個靈活的施工方法不僅合乎情理,而且十分必要。

施工過程中的風險等級通常隨著隧洞直徑的增大而顯著加大,并且呈指數變化的關系。隧洞大的坍塌產生的石料方量隨著隧洞直徑的增大而呈幾何增長。重新恢復一段隧洞所增加的時間和直接費用都會造成總費用的成比例增長。因此,必須考慮以下 3種與修建引水隧洞相關的可能方案:

(1)修建單線隧洞;

(2)設計上要有靈活性,以使得隧洞直徑可以隨著地質條件進行調整,這就意味著,當遇到巖性較差的地層條件時,可以分叉成為雙線隧洞,使隧洞直徑成適當比例減小;

(3)針對整條引水隧洞,選擇雙線隧洞,通?？梢詫︼L險進行控制,必要時也可以將隧洞分叉。

根據風險管理和該地區的其他一些工程經驗可以得出,成本效益評估并不一定能得到就結算成本(out-turn cost)而言最合適的方案,因此實施一個高等級的風險評估來得到合理的方案。

基于對災害和風險分析的綜合考察,這些考察評估了風險的可能性和嚴重性,最后認為采用雙線隧洞最為安全合理,也可能最為經濟(具體見表2)。次優選擇就是允許有靈活性,以便在預計地質條件較差的地方也能采用雙線隧洞方案。

鑒于風險的等級和嚴重程度,以及從未有過的如此之長且直徑如此之大的隧洞,建議采用風險最低的方案比較合適。

以上的評估(包括了風險分析)是定性的,為了量化每種可能的風險并估計其代價,需要開展更進一步的工作。

5 工程優化

雙線隧洞的基建費要高于單線隧洞,因此進行了工程優化分析以確定效益最高的裝機容量和隧洞布置方案。分析分兩個階段進行:第1階段考慮了裝機容量和隧洞布置方案,但沒有考慮相關的隧洞施工風險;第2階段考慮了裝機容量、隧洞布置方案和相關的隧洞施工風險。在分析施工中風險時,預估了補救工作產生的額外費用和工期延遲造成的收益損失。

在一定的裝機容量范圍內,考慮了7種選擇方案(見表 3)。這包括了單線隧洞和雙線隧洞布置,正如以上所分析的結果,從施工的角度來看,在很差的地層中,兩個小的隧洞方案要優于單線隧洞方案。整個研究考慮了兩個關鍵的基本隧洞構型:11.75 m直徑的單線隧洞和 9 m直徑的雙線隧洞。

表2 隧洞開挖的主要災害和風險分析

表3 裝機容量和隧洞優化的研究方案

建立了一個單獨的財務模型來比較不同方案的內部收益率(IRR)。

5.1 財務分析方法

財務分析包括了發電方案的總投資費用,包括隧洞、電力和機械廠費用,以及發電廠房和其他費用,從某種程度來看,其他費用也占了總費用的1%。隧洞費用包括引水隧洞、引水調壓隧洞和尾水隧洞的費用。電力和機械費用包括從大壩經過發電廠房直到尾水出水口的電力機械和水利機械的費用。電廠費用包括水輪發電機室、閥室、尾水調壓室、壓力管道和交通隧洞的土木建筑工程的費用。

其他的費用涉及這樣一些項目:準備工作、征地、樓房、植被、雜項、通信,以及環境費用等等。對于電力和機械設備,以及發電廠房,這些費用都是針對775MW的裝機容量估計的,而對于其他一些方案,則按比例優算。不同尺度的隧洞費用是根據開挖量、混凝土襯砌和噴射混凝土量以及巖石支護量來計算的,還包括平洞的費用。

利用以往工程的數據預估了運行和維護的費用。財務模型并沒有考慮債務/權益比、利率,以及折舊等,方案比選時這些細部問題并不重要。

以上不同方案年發電量數據也被考慮了進來。折扣率取10%。假定工程運行期限為 35a,加上所需的施工期,其工期因隧洞布置的不同而不同:單線隧洞施工需要 8a,雙線隧洞需要7a。兩個較小隧洞的施工期要比一個大隧洞的施工期短,還須考慮掘進速度的差別,并且假定隧洞施工都在危險的線路上進行。在這一階段,沒有考慮兩種主要隧洞構型工期延遲的影響,雖然單線隧洞坍塌后的恢復期要更長些。

優化分析所假定的電價為 3盧比/kW?h。

5.2 裝機容量和隧洞布置優化方案

5.2.1 不考慮風險因素

圖2示出了不同裝機容量和隧洞布置優化方案的內部收益率。這些優化方案并沒有考慮大隧洞掘進中增加的風險。

圖2 不考慮風險因素的裝機容量和隧洞布置優化方案的內部收益率

如圖2所示,如果不考慮隧洞風險因素,在單線隧洞布置的最優方案中,隧洞直徑為12m,裝機容量為 825MW,而在雙線隧洞布置的最優方案中,隧洞直徑為10m,裝機容量為 950MW。

然而,這些初步結果并沒有在有關優先采用的隧洞方案的決策中采納。由于不同方案的財務分析結果十分接近,在決定優先采用的隧洞布置方案時,考慮雙線隧洞運行收益和施工的定性問題顯然更為重要。

5.2.2 考慮風險因素

由于隧洞掘進中涉及的風險,在印度,計算隧洞花費通常使用的方法都不允許超支?；谀佧溈颂萍{公司的工程經驗,這些風險隨著隧洞尺寸的增加而增加,所以將這些考慮進來比較合理。單線隧洞的風險更高一些,因為它并沒有為施工過程中嚴重坍塌事故的恢復留有余地(雙線隧洞通常便于從一個隧洞所遭遇的困難中吸取經驗教訓,并且繞開問題段以控制和減少延誤)。

將與隧洞施工風險有關的費用考慮進來以得到更為真實的費用評估非常實用,同時也是世界銀行推薦的做法。所以,本文也完成了一個考慮了這些風險系數的隧洞費用評估。

這些系數基于世界銀行過去在類似地區進行水電工程長隧洞掘進的相關經驗,這些經驗表明,對于長隧洞,預計會超支 30%～100%。這些超支包括隧洞坍塌事件中各種各樣的工期延誤和不同的隧洞直徑,并考慮到地質不確定性和在不同地層條件下因不同隧洞尺寸而調整的掘進速度。值得注意的是,這些系數不是根據理論研究得出的,而是根據喜馬拉雅山區及類似地區開挖大型隧洞的經驗假設的。

在財務模型中所使用的費用系數見表 4,這些系數考慮了有關大型隧洞施工的風險。尤其對于大型單線隧洞,這種百分比有可能達到200%,這一情況就曾經在過去類似地區的工程中出現過。

表4 隧洞風險系數

圖3示出了不同裝機容量和隧洞布置方案的內部收益率。收益率稍低的兩條線在隧洞費用評估中考慮了掘進大型隧洞的相關風險。

圖3 不同裝機容量和隧洞布置方案的內部收益率

優化的第2階段表明,當考慮掘進風險時,直徑為 9m、總裝機容量為 950MW的雙線隧洞應該是財務方面最佳的方案。

6 結 語

以上研究結果表明,在不考慮隧洞掘進風險時,單線隧洞可能在財務分析時更勝一籌。但是,當考慮掘進風險時,雙線隧洞就是優先采用的方案。

基于以下幾點得出,直徑為 9m的雙線隧洞是一個更好的方案:

(1)當考慮施工風險時,雙線隧洞表現出財務上的優勢。

(2)比起單線隧洞,雙線隧洞有很明顯的施工和運行效益。

(3)對于雙線隧洞,根據一個隧洞出現的問題可以預測另一個隧洞的問題,而且當一個隧洞的掘進受阻時,可以通過平洞來局部繞過問題段繼續施工,因此雙線隧洞在安全性、施工和總工程費用方面都更有利。

(4)雙線隧洞一般可滿足施工進度計劃和工程費用方面的要求。

基于以上分析,最終采用了雙線隧洞方案,印度中央電力局正在考慮其具體的工程報告。