基于造價控制的水庫引水建筑物設計

王小靜

1 工程概況

赫章縣河口水庫位于貴州省赫章縣羅洲鄉境內的后河上，后河系六沖河一級支流，六沖河屬長江流域烏江水系。工程區有赫章至羅洲鄉的公路從壩區右岸通過，縣城駐地距地區所在地畢節市96 km，距貴陽市340 km。交通較便利。河口水庫工程為Ⅲ等，屬中型工程，主要任務為城鄉和工業供水、灌溉及發電。工程總體布置主要有大壩樞紐，供水及灌區工程兩大部分。大壩樞紐由碾壓砼拱壩、壩頂溢流表孔、沖砂底孔、引水系統及發電廠房等主要建筑物組成。供水及灌區工程主要包括兩個大片區：第一片區位于河道左岸為中田、魚塘、財神鎮片區，為提灌片區，管道設計引用流量1.708～1.554m3/s。第二片區為：營盤、西屯、赫章縣、黃泥坡、野馬川等片區，為自流片區，管道設計引用流量1.275～0.615 m3/s。附屬電站裝機容量7000 kW，多年平均發電量2406萬kW·h。

2 引水建筑物型式和布置方案

引水系統進水口布置在河道左岸，為岸邊井筒式有壓取水，進口設攔污柵及事故閘門，攔污柵尺寸為4.4 m×3.7 m(寬×高)，閘門孔尺寸為3.0 m×3.0 m(寬×高)。井筒后接引水隧洞及壓力鋼管，引水隧洞洞徑為3.0 m，隧洞長211.778 m。壓力鋼管為地下埋管，主管直徑2.5 m，主管長42.913 m，管材為16MnR，壁厚16mm，主管加徑環管材為16MnR，環高h=150mm，壁厚20 mm，間距1.2 m。主鋼管末端采用卜型岔管分岔為兩根支管，分別接兩臺發電機組，支管管徑1.6 m，為外包砼鋼管。在左側支管管身位置分岔出一根支管，支管長120 m，直徑1.2 m，管材為Q235，壁厚12 mm，支管末端接高位水池。威赫煤電管線及下放環境水管均從該高位池取水。下放生態環境水管道，管直徑0.7 m，管材為Q235，壁厚10mm。當機組不發電時，營盤小壩取水量也由下放生態環境水管道下放。其中年下放環境水量為2687萬m3，即0.855m3/s；營盤小壩最大取水量為1.275m3/s。

3 引水隧洞造價分析

3.1 洞徑比選和造價分析

引水隧洞洞徑的選擇一定程度上影響著工程的造價。隧洞設計引用流量：Q=16.89 m3/s，經濟流速 ve=2.5～4 m/s，則經濟洞徑D=2.3～3.0 m。當引水隧洞洞徑減小時，水頭損失增大，對電站的出力有一定的影響，然而當洞徑加大時，水頭損失雖減小了，但土建投資卻增加了，因此洞徑的選擇受諸多因素影響，需作技術經濟比較。經計算，當隧洞洞徑為3.0 m時，引水系統總的水頭損失為0.85 m，隧洞部分工程總投資為390萬元，其中，工程部分投資337萬元，臨時工程部分投資53萬元。當洞徑為2.3 m時，引水系統總的水頭損失為2.55 m，隧洞部分工程總投資為375萬元，其中，工程部分投資325萬元，臨時工程部分投資50萬元。較小洞徑的隧洞投資較洞徑較大的投資節約較少，僅為15萬元，主要是因為較小洞徑的隧洞開挖及砼襯砌的單價均較高。而小斷面的洞徑較大斷面的洞徑水頭損失多1.7 m。因此，綜合考慮取隧洞洞徑為3.0m。

3.2 隧洞設計和施工造價分析

在隧洞結構設計中，如果隧洞斷面過小會導致造價增大，因而優化斷面設計十分必要。經地質分析，隧洞走向與巖層走向為大角度相交，圍巖整體穩定性好，巖體呈中厚層狀結構，洞室圍巖屬Ⅲ類及Ⅳ類圍巖。隧洞為圓形有壓隧洞，洞徑3.0 m，最大靜內水壓力66.6 m。為降低引水隧洞糙率，減小水頭損失，根據圍巖類別，考慮全部采用C20鋼筋混凝土襯砌，對應不同的圍巖條件，Ⅲ類圍巖采用A型襯砌斷面，襯砌厚均為0.50 m；Ⅳ類圍巖采用B型襯砌斷面，襯砌厚為0.50 m。A型及B型襯砌斷面主要區別為結構配筋不同及臨時支護措施不同。兩種襯砌斷面均需作回填灌漿處理，即頂拱120.0°范圍內進行回填灌漿，每排3孔，排距3.0 m。B型襯砌斷面需全斷面作固結灌漿，排距為3 m，每排4孔，孔深2.0 m，梅花型布置。

隧洞開挖臨時支護處理措施：Ⅲ類圍巖主要進行隨機錨桿支護，Ⅳ圍巖主要對上半拱采取“錨桿+鋼筋網+噴混凝土”聯合支護處理。

在隧洞開挖施工中，需要反復的對炸藥的用量進行調整，確保達到一個最為經濟合理的用量，優化爆破參數，盡量的對炸藥的單耗進行降低。根據相關規范的要求，引水隧洞的允許超挖值經向超挖不得大于20 cm，必須合理的控制超挖量，避免因超挖造成的造價增加的情況。

4 壓力鋼管造價分析

4.1 管材選取

鋼管具有強度高、管壁薄、重量輕、輸水效率高的優點，具有較長的使用壽命，可以有效的節約工程成本。壓力鋼管主要包括地下埋管、明管及岔管，根據《水電站壓力鋼管設計規范》（SL281-2003）明管、岔管宜采用壓力容器用鋼，通過對管材造價的分析，因此管材選用16 MnR。

4.2 管徑擬定

引水系統設計引用流量為16.89 m3/s，其中電站發電引用流量15.22m3/s，供水及灌溉需要流量1.708m3/s，由于電站引用流量所占比重較大（比重為總流量的89.9%），因此引水鋼管管徑按《水電站壓力鋼管設計規范》（SL281-2003）相關要求擬定。

根據《水電站壓力鋼管設計規范》（SL281-2003）并參照相關設計資料，壓力鋼管經濟管徑按如下公式進行擬定：

式中：D為初擬管徑，m；Q為引用流量，Q=16.89 m3/s；Ve為壓力鋼管經濟流速，地下埋管Ve=3.0～4.5 m/s。

計算得主管管徑D主=2.19～2.68m，設計取值為2.5 m。

同理計算得支管管徑D支=1.47～1.80m，設計取值為1.6m。

4.3 主管壁厚

計算抗內壓時管壁厚度。抗水內壓計算，按“鍋爐公式”初步擬定鋼管壁厚，計算公式：

式中：p為內水壓力，N/mm2，p=0.66 N/mm2（按校核洪水位工況考慮）；r為鋼管半徑；[σR]為鋼管結構構件的抗力限值，N/mm2。

式中：γ0為結構重要性系數，γ0=1.0；ψ為設計狀況系數，取值ψ=1.0（持久狀況）；γd為結構系數，取值 γd=1.3；fs為鋼材強度設計值，取值壁厚 t=6～16 時，fs=310 N/mm2；壁厚 t＞16～36 時，fs=300 N/mm2；

從計算可知，內水壓力工況，計算最大管壁厚度為5.1mm（不含銹蝕厚度2 mm），考慮鋼管構造等要求，最小鋼管壁厚度為8 mm。

4.4 鋼管抗外壓穩定復核計算

4.4.1 加勁環間管壁抗外壓穩定驗算

驗算公式如下：

式中：kC為埋管抗外壓穩定安全系數，取1.8；P0k為徑向均布外壓標準值，N/mm2；Pcr為加勁環間管壁抗外壓穩定臨界壓力計算值，N/mm2。計算可知當取管壁厚度為14 mm，加勁環間距為1200 mm時，能滿足外壓力要求，考慮銹蝕厚度2 mm，鋼管壁最小厚度為16 mm。

4.4.2 加勁環抗外壓穩定驗算

加勁環抗外壓穩定按下式驗算：

式中：σs為應力強度極限值，N/mm2；AR為加勁環有效截面面積，mm2；l為加勁環間距，mm；r為鋼管半徑，mm。

計算可知當管壁厚度為14 mm，加勁環間距為1200 mm，厚度為18 mm，高度為150 mm時，加勁環能滿足外壓力要求，考慮銹蝕厚度2 mm，加勁環最小厚度為20 mm。

綜上，壓力鋼管各部位抗外壓穩定和強度計算結果均滿足規范要求，鋼管結構布置合理。

5 結語

赫章河口水庫引水建筑物設計階段落實了技術經濟性分析，在造價控制的基礎上，對引水隧洞的設計和施工方案進行討論，并對壓力鋼管進行經濟選材，通過方案比選實現對造價的有效控制，切實提升了工程項目經濟效益。

造價控制效果在一定程度上決定了水庫項目建設效益[1]，尤其是建設項目做出投資決策后，設計就成了有效控制工程造價的關鍵。

造價控制是一個復雜的系統工程，水庫工程項目落實期間必須要進行全方位、多層次的管理[2]，全面把控投資決策、設計、招投標施工階段，促進水利水電工程健康、持續發展。

[1]黃濤,馮華.九龍水庫引水建筑物的設計與布置[J].黑龍江水利科技,2014(4):93-94.

[2]張勇.板橋水庫復建工程實際造價在效益項目中的分攤[J].治淮,1995(4):39-40.