淺析水電工程重大水庫設計質量控制對策

彭文明， 余學明

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

我國水資源豐富，河川徑流總量居世界第六位。但我國水資源時空分布不均，受季風氣候的影響，降水量年內分配極不均勻，各地降雨主要發生在夏季。因此，在大江大河上攔河筑壩，形成蓄洪水庫，調節江河徑流，防止水旱災害，開發利用及保護水資源，發揮防洪、發電、灌溉、航運、供水等綜合效益，是維護江河健康、人水和諧共處、促進社會經濟又好又快發展的重要工程措施。

水庫工程的勘測設計是影響水庫及大壩建設投產、安全運行的先決條件。隨著后續水電開發難度地不斷加大，水電建設成本大幅提高，其中水庫工程尤其為甚。重大水庫工程存在技術難度高、外部影響因素多、自身經濟效益差等問題，對工程勘測設計、尤其前期論證工作提出了較高要求。筆者基于西南地區重大水庫工程開發建設難的現狀，針對工程遇到的勘察設計重大問題，提出工程設計質量控制策略。

1 水庫建設對能源及水資源安全的重大意義

據中國大壩協會2009 年統計[1]，截至2008 年底，我國已建各類水庫87 151 座(未計港、澳、臺地區) ，水庫總庫容7 064 億m3，為我國河川總徑流量的26%，占世界已建水庫總庫容的9.9%。已建水庫為我國經濟突飛猛進發展發揮了應有的作用。

習近平總書記在十九大報告中要求：“推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系”“優化區域開放布局，加大西部開放力度”“強化舉措推進西部大開發形成新格局”。加快西南水電建設是撬動西部大開發形成新格局的重要支點，對于加快電力轉型、實現能源電力高質量發展、促進民族團結和社會穩定、點燃西部經濟發展“引擎”、建設美麗中國具有重要意義。

四川、云南、西藏三省(區)是我國水資源最豐富的地區，理論蘊藏量占全國總量的三分之二，技術可開發量占全國總量的71%。截至2016年底，三省(區)水電裝機容量1.35億kW，開發程度僅為31.7%(按裝機計算)，我國西南水電開發潛力巨大。西南水電資源主要集中在金沙江、雅礱江、瀾滄江、怒江、大渡河等流域，在大江大河上設置調節能力強的水庫電站，采取合理的運行調度模式，能使全流域水能資源和發電能力得到最大限度地發揮。

目前，西南“五江一河”流域的幾座高壩大庫正在興建。雅礱江中下游控制性水庫兩河口水電站(土石壩，壩高295 m)，最大庫容107.67億m3，調節庫容65.6億m3，具多年調節性能，于2014年10月開工，預計2021年首臺機組發電；大渡河上游控制性水庫雙江口水電站(土石壩，壩高312 m)，總庫容28.97億m3，調節庫容19.17億m3，具年調節性能，于2015年7月開工，預計2023年全部投產發電。這些大型水庫建成，將進一步完善我國西部多個清潔能源基地、水資源安全儲備基地的建設。

2 重大水庫工程勘察設計難點

2.1 水庫條件復雜影響方案選擇

影響水庫方案的因素包括水資源條件、地質條件、征地移民規模、環境保護對象、工程技術條件、社會經濟條件等，上述任何一個因素都可能制約水庫方案的選擇。

上世紀20年代提出三峽水庫開發建設的設想，因技術、經濟等多種原因，直至1958年國務院通過《長江流域規劃要點》，確立了三峽工程在長江流域規劃中的主體地位；在開展大量專題研究的基礎上，結合修建丹江口水庫(60年代)、葛洲壩電站(70年代)積累的實踐經驗，1984年國務院批準三峽工程150 m大壩的方案，但專家們對水庫采用低壩、中壩、高壩方面，關于防洪、航運、發電、移民、環保等問題的意見難以統一，于1986年重新組織論證[3]。至1992年七屆全國人大五次會議通過《關于興建長江三峽工程決議》，三峽工程由論證階段走向實施階段。

從三峽水庫方案論證的過程可以看出，各水庫條件因素對重大水庫工程方案選擇影響非常大。

2.2 高難工程技術要求更高安全指標

水庫工程利用其蓄洪調節功能，發揮防洪、發電、灌溉、航運、供水等綜合效益。但水能載舟，亦能覆舟，如果水庫失事，其造成的后果甚至比洪水更可怕。大自然通過諸多泥石流堰塞湖潰壩，為我們提供了真實的潰壩危害資料。比如2000年西藏自治區波密縣易貢特大滑坡堵江形成62 m深的堰塞湖，據反演計算[4]，潰壩后洪峰流量超過4萬m3/s，遠超歷史最大洪水。

重大水庫工程一般都是高壩大庫，筑壩技術難度大，而大壩和庫區防滲、抗滲是安全、穩定發揮水庫調蓄綜合效益的重點。目前部分正在開展工作的水庫工程，因其壩基覆蓋層深厚，大壩壩基存在沉降變形、抗滑穩定、壩基砂土液化、壩基滲漏和滲透穩定等問題，對大壩工程提出高難的技術挑戰，甚至影響水庫工程方案的成立。

2.3 補償機制缺位影響建設推進

龍頭水庫工程造價高，自身發電效益通常較差，其經濟效益主要體現在下游梯級發電和綜合利用方面。從流域統一調度來看，通過科學規劃、先進技術和高效管理等手段，對一條自然形態河流水能及相關資源進行有序開發、集約運營、綜合利用，才能使資源效用得到最大程度發揮。

然而，目前流域梯級補償機制缺位，梯級電站補償效益分攤方法也是百家爭鳴、難以統一，在工程建設過程中相關利益方對補償效益分攤原則往往存在主觀偏好，難以達成共識，導致龍頭水庫電站建設滯后，影響全流域梯級水電利用效率。

3 工程設計質量控制對策

3.1 引入新技術全面夯實基礎資料

按照國家相關勘測設計規范規程要求，開展充分的勘測、設計和科學實驗研究工作，是保障大型水庫大壩勘測設計深度和精度的基本條件。對于西南地區，部分河流域梯級開發，由于缺乏基礎資料，在設計周期有限的條件下，有必要采用航空測繪、重型勘探、新建水文站、構建地震監測臺網、建立社會環境重點對象信息系統等多種先進手段，全面夯實基礎資料。基礎資料收集分析整理要求系統化、定量化，詳實可靠，避免重大偏差。

在全面收集水電建設基礎資料的同時，采用BIM技術高效快速整合海量勘察數據，加強對復雜工程地質條件的分析，是提升勘察精度的重要手段。中國電建集團成都院的工程地質信息管理系統(GeoIM)，可對大量勘察數據進行系統處理，是BIM技術在工程勘察方面的典型應用案例。

3.2 采取組合式研究思路選擇水庫方案

水庫的經濟性體現在水庫庫容的最大效益化。在社會環境影響可接受、工程技術問題可解決的前提下，合理設置調節庫容是關鍵。對于大型水庫而言，調節庫容一方面體現在“立面”的水位設置，即正常水位、死水位選擇；另一方面體現在“平面”的水庫位置，即壩址選擇。兩者相互影響，都是水庫庫容設置的關鍵因素。突破常規思路，對正常水位、死水位、壩址進行組合式研究，可有效獲得合理的水庫方案。

在水位選擇與壩址選擇方案組合中，可采取同正常水位的不同壩址方案比選，也可采取同調節庫容的不同壩址方案比選。同時，水庫方案需考慮工程技術、發電設備技術等因素，還受環保、征地移民等影響，在方案比選中需綜合論證。在壩址方案初選后，還需進一步對選定壩址進行不同特征水位方案的比較，明確水庫工程方案指標。

因此，大型水庫方案影響因素眾多，圍繞水庫調節庫容、環境影響、淹沒影響、工程技術及施工條件等關鍵問題，方案研究應首尾兼顧，采用組合式研究思路，統攬全局，合理選擇水庫方案。

3.3 關鍵技術問題“組團”攻堅克難

對于建在深厚覆蓋層上的大型水庫工程，大壩擋水高度和壩基覆蓋層地質條件是決定大壩工程技術難度的制約因素，其中壩基防滲和加固是關鍵技術問題。國內通過瀑布溝(土質心墻堆石壩，壩高186 m，覆蓋層厚75 m)、長河壩(土質心墻堆石壩，壩高240 m，覆蓋層厚70 m)等工程實踐，積累了豐富的高壩壩基深厚砂(卵)礫石覆蓋層防滲技術經驗。而正在研究的西南部分河流水電開發，河床覆蓋層以中粗砂細顆粒為主，物理力學參數低，加上高地震烈度，修建高壩大庫的壩基處理難度遠遠超出已有經驗水平。

類似超經驗技術難題，需組織國內外有影響、有實力的研究單位共同研究，通過技術研討共同策劃、制定研究路線，并“組團”開展科研試驗、計算分析、方案論證，攻堅克難解決關鍵技術問題。

某工程在強震區深厚細粒覆蓋層上修建高壩大庫，存在壩基沉降、抗滑失穩、砂層液化、滲漏及滲透穩定等一系列工程地質問題。設計方提出以碎石樁為主的處理方案，樁深遠超國內外施工水平。由于壩基加固方案是制約控制性水庫成立與否的關鍵問題，需驗證超深碎石樁的技術可行性。為此，組織設備廠家、施工單位、高校及科研機構、設計院及咨詢機構，聯合優勢力量“組團”進行關鍵技術科技攻關，通過設備改造、現場施工、檢測試驗、計算分析、方案研究等一系列研究工作，逐步論證方案的可行性。

4 結 語

實現“構建清潔低碳、安全高效的能源體系”的目標，積極推進西南水電建設，是未來一段時期我國水電開發的趨勢。為使流域水資源得到最大程度的綜合利用，在大江大河上設置控制性水庫是必要的工程措施。從西南地區金沙江、雅礱、大渡河等流域的已有工程經驗可知，控制性水庫存在工程建設條件差、工程技術難度大、社會環境影響關注度高等難點，導致控制性水庫工程技術質量不易控制，經濟分析受到影響，影響工程建設進程。

本文結合相關工程技術質量管理經驗，提出工程設計質量控制策略，包括：

(1)采用航空測繪、重型勘探等多種新技術手段全面夯實基礎資料，避免重大資料偏差。

(2)采取組合式研究思路合理選擇水庫方案，不遺留工程重大決策失誤隱患。

(3)邀請國內外有影響、有實力的研究單位共同研究關鍵技術難題，確保設計方案技術可行、安全可靠。