印度卢里水电工程隧洞布置优化方案的选择

[英国]D.鲍威尔 A.乔杜里

李 慧 译自英刊《水电与大坝》2009年第6期

2006年2月,SJVNL指定莫特麦克唐纳(Mott Macdonald)公司为拟建的卢里水电工程进行可行性分析,提出详细的工程报告,并准备招标文件。

针对萨特累季河底坡相对较小而流量相对较大的特点,卢里水电工程需要修建相对较大的引水隧洞。同时,这一区域也是地震活动带,38km长的隧洞线路将穿越与岩体岩性相对较差甚至非常差的地段有关联的逆冲带。

就工程费用和工期而言,引水隧洞的施工在整个工程中所占风险最大。基于施工过程中预期的风险等级,本文对隧洞直径和数量选择时所采用的方法进行了讨论。

1 发电效益

萨特累季河的水文特征是在每年 6～9月的季风期会出现大的流量。对于 90%的可靠年(这也是印度水电工程优化的基础),季风期的平均流量达到了 600m3/s的量级,而年平均流量为272m3/s。而且,为了修建卢里水电工程而将要开发的萨特累季河河段的底坡相对较小,约为1∶250。

观察发现,预可行性研究报告中预计的单线隧洞直径的水头损失过大,超过了总有效水头损失的25%。因此,保证在季风期使用最大水量进行发电,且引水隧洞的水头损失不能过大,成为该工程重点考虑的问题。

如果假设隧洞的直径由建造费用和电能效益决定,那么单线隧洞无疑是最经济的选择。但是,开挖隧洞通常具有高风险,尤其在喜马拉雅山区,其他一些因素,比如隧洞掘进方法,总的施工进度和预测的地质和岩土工程灾害等通常决定了隧洞类型和布设的选择在很大程度上要首先考虑减轻主要灾害造成的风险。在卢里水电工程中,单线隧洞和双线隧洞的发电效益都已给予考虑,最佳的选择应该是考虑采用双线隧洞方案。

图1为卢里水电工程单线和双线隧洞方案在各最佳装机容量下 90%可靠年中的年发电量随隧洞直径的变化情况。

图1 单线和双线隧洞的最大年发电量

根据以上发电效益的结果,且注意到施工过程中的风险等级通常随着隧洞直径的增大而显著加大,直接和间接费用也随着隧洞直径的增大而成比例地增长,因此,主要问题是要确定引水隧洞应该建成单线隧洞还是双线隧洞以及最佳装机容量。

2 引水隧洞的地质条件

经过与业主详细协商,提出在萨特累季河右岸修建一条 38km长的引水隧洞。

坝址到厂房区预计将遇到的岩石种类见表1。

表1定义的岩石被褶皱成较大的向斜和背斜结构。主要的结构是 Chamba向斜和 Shali背斜。最主要的构造特征是 Jutogh逆冲。Jutogh逆冲的重要性在于,当逆冲接近眼球状片麻岩时,就使这种岩层产生片理,而且延伸到逆冲中的岩层。特别是碳质千枚岩产生了严重的变形,变得十分脆弱,造成典型的挤压地层条件。与逆冲有关联的片岩和石英岩也都受到很大程度的变形。

表1 坝址到厂房地区的岩石种类

在这种情况下,认为与逆冲有关的危害是在碳质千枚岩中产生严重挤压以及在石英岩和更强的岩体单元中产生挤压或逐步松弛成为块状。

由于不能更改坝或者电厂的选址,隧洞的水平定线必须在两个位置通过 Jutogh逆冲。因此,隧洞中段有5～10km的部分将会近似平行于 Jutogh逆冲,掘进条件预计将会非常艰难。从预测的掘进条件来看,减少覆盖层的数量也十分重要,应尽量减少施工期间在脆弱地层中产生的应力问题。

靠近电厂的洞段处于喀斯特地层的相互交错的薄层带状石灰石和白云石中。这一洞段的地层经常被褶皱和剪断,尽管地质条件预计好于中段,但认为减小隧洞直径更为可取,以帮助控制风险,尤其当岩层中存在裂穴时。

3 隧洞施工方法

究竟使用隧洞掘进机还是使用更为传统的钻爆法进行隧洞施工,是必须提前做出的一个最关键性决策。这一决策在一定程度上属于风险管理的范畴,选择的方式必须足够灵活,以保证尽量不延误工期。

3.1 钻爆法

采用钻爆法进行开挖在印度是一种已得到验证的施工方法,并且已被 SJVNL成功地用于纳特帕 -杰克里(Nathpa-Jhakri)工程。建议的隧洞定线具有的一个突出优点就是,它允许使用规则间隔的施工平洞,所以每洞段的长度基本上都可以保持在5000～6000m之间。这十分有利于工程的风险管理,而且无论是当地的还是国际的承包商都十分了解这项施工技术。

3.2 隧洞掘进机

采用隧洞掘进机可以使隧洞走向尽量沿直线,将隧洞的总长度减少了将近 3km,虽然关键的中段仍需用钻爆法进行施工。

基于以下几个方面对采用隧洞掘进机的可行性进行了评估:

(1)机器类型。处理不利、不均匀地层条件的能力。可用设备因隧洞直径而受到限制,这在以前实际运用中属于首要考虑的问题。

(2)隧洞费用。单线隧洞方案需要两台隧洞掘进机,而双线隧洞则需要 4台。因此,对于单线隧洞方案,引水隧洞长度必须缩短20%以上,对双线隧洞,必须缩短大约 30%,以使得设备的花费达到平衡。而在实际中,这种做法不可行,因为通过拉直隧洞所能减小的最大长度约为 3～4km,只占隧洞总长的 8%～10%。

(3)利用系数。如果要使隧洞掘进机充分发挥作用,并达到可以使得工程节约的施工速度,那么,维修和运行标准必须尽可能高。对于卢里水电工程,掘进机的利用系数可能低到20%。

(4)印度运用的经验。隧洞掘进机在杜哈斯蒂(Dulhasti)和帕巴底(Parbati)水电工程的运用中遇到了一些问题,而且这两个工程的隧洞直径要远小于建议的卢里水电工程的隧洞直径。对于大直径的机器,本地或国际承包商几乎都没有能力对其进行操作和维护。

3.3 隧洞施工方法的选择

无论是使用2台或是 4台隧洞掘进机,其费用对于整个工程来说都是一个很大的负担,而且,与备件(如刀具)、运行和维护有关的费用等,都要远远高于采用钻爆法。钻爆法的优点在于其设备可以拆散送到工厂进行维修。“被冻结”的隧洞掘进机很难脱开,需要很多复杂的工作,涉及从掘进机的后面将刀盘掘进一圈,并进行加固来使其继续工作。对于卢里水电工程来说,发生这类风险的概率很高,通常,这样的事件 4～6个月出现一次。

总的来说,采用钻爆法施工能够更好满足卢里水电工程的需要。就工程进度方面来看,其风险小得多,而且在处理地层问题方面更加灵活,因此是一个更经济的方法。

4 引水隧洞尺寸和数量的选择

隧洞的最佳尺寸和数量取决于一系列因素,包括工程运行要求,这里指的是利用可以取用的水量来满足峰荷需求的能力。此外,还有很多与施工有关的因素,诸如地质条件和在高应力环境中掘进的不确定性,尤其是在受很多具体地形和后勤服务限制的偏僻地方。

对图1所示的隧洞布置的可能构型进行研究后确认,当总装机容量为775MW时,引水隧洞可以由一条11.75m直径的单线隧洞,或者 9m直径的双线隧洞组成。在实际中,若要选择合适的隧洞尺寸,先要对直接费用、基本灾害和特别工程布置所牵涉的风险进行比较和评估。

对工程隧洞合理尺寸的选择依赖于对导洞自身支撑时间的评估,而该评估又建立在对地质条件、岩体质量和地层性能最佳诠释的基础上。在大块岩石中,例如眼球状片麻岩,其自身支撑时间较长,易于修建大跨度隧洞。但是对于很多脆弱的材料来说,情况就并非如此,例如碳质千枚岩,以及与 Jutogh逆冲相关的任何被逆冲并严重受剪的碎裂材料。费用和安全性若能得到妥善解决,减小隧洞尺寸,修改施工工序以适应地层特征是非常重要的。因此,对卢里这样的水电工程采用一个灵活的施工方法不仅合乎情理,而且十分必要。

施工过程中的风险等级通常随着隧洞直径的增大而显著加大,并且呈指数变化的关系。隧洞大的坍塌产生的石料方量随着隧洞直径的增大而呈几何增长。重新恢复一段隧洞所增加的时间和直接费用都会造成总费用的成比例增长。因此,必须考虑以下 3种与修建引水隧洞相关的可能方案:

(1)修建单线隧洞;

(2)设计上要有灵活性,以使得隧洞直径可以随着地质条件进行调整,这就意味着,当遇到岩性较差的地层条件时,可以分叉成为双线隧洞,使隧洞直径成适当比例减小;

(3)针对整条引水隧洞,选择双线隧洞,通常可以对风险进行控制,必要时也可以将隧洞分叉。

根据风险管理和该地区的其他一些工程经验可以得出,成本效益评估并不一定能得到就结算成本(out-turn cost)而言最合适的方案,因此实施一个高等级的风险评估来得到合理的方案。

基于对灾害和风险分析的综合考察,这些考察评估了风险的可能性和严重性,最后认为采用双线隧洞最为安全合理,也可能最为经济(具体见表2)。次优选择就是允许有灵活性,以便在预计地质条件较差的地方也能采用双线隧洞方案。

鉴于风险的等级和严重程度,以及从未有过的如此之长且直径如此之大的隧洞,建议采用风险最低的方案比较合适。

以上的评估(包括了风险分析)是定性的,为了量化每种可能的风险并估计其代价,需要开展更进一步的工作。

5 工程优化

双线隧洞的基建费要高于单线隧洞,因此进行了工程优化分析以确定效益最高的装机容量和隧洞布置方案。分析分两个阶段进行:第1阶段考虑了装机容量和隧洞布置方案,但没有考虑相关的隧洞施工风险;第2阶段考虑了装机容量、隧洞布置方案和相关的隧洞施工风险。在分析施工中风险时,预估了补救工作产生的额外费用和工期延迟造成的收益损失。

在一定的装机容量范围内,考虑了7种选择方案(见表 3)。这包括了单线隧洞和双线隧洞布置,正如以上所分析的结果,从施工的角度来看,在很差的地层中,两个小的隧洞方案要优于单线隧洞方案。整个研究考虑了两个关键的基本隧洞构型:11.75 m直径的单线隧洞和 9 m直径的双线隧洞。

表2 隧洞开挖的主要灾害和风险分析

表3 装机容量和隧洞优化的研究方案

建立了一个单独的财务模型来比较不同方案的内部收益率(IRR)。

5.1 财务分析方法

财务分析包括了发电方案的总投资费用,包括隧洞、电力和机械厂费用,以及发电厂房和其他费用,从某种程度来看,其他费用也占了总费用的1%。隧洞费用包括引水隧洞、引水调压隧洞和尾水隧洞的费用。电力和机械费用包括从大坝经过发电厂房直到尾水出水口的电力机械和水利机械的费用。电厂费用包括水轮发电机室、阀室、尾水调压室、压力管道和交通隧洞的土木建筑工程的费用。

其他的费用涉及这样一些项目:准备工作、征地、楼房、植被、杂项、通信,以及环境费用等等。对于电力和机械设备,以及发电厂房,这些费用都是针对775MW的装机容量估计的,而对于其他一些方案,则按比例优算。不同尺度的隧洞费用是根据开挖量、混凝土衬砌和喷射混凝土量以及岩石支护量来计算的,还包括平洞的费用。

利用以往工程的数据预估了运行和维护的费用。财务模型并没有考虑债务/权益比、利率,以及折旧等,方案比选时这些细部问题并不重要。

以上不同方案年发电量数据也被考虑了进来。折扣率取10%。假定工程运行期限为 35a,加上所需的施工期,其工期因隧洞布置的不同而不同:单线隧洞施工需要 8a,双线隧洞需要7a。两个较小隧洞的施工期要比一个大隧洞的施工期短,还须考虑掘进速度的差别,并且假定隧洞施工都在危险的线路上进行。在这一阶段,没有考虑两种主要隧洞构型工期延迟的影响,虽然单线隧洞坍塌后的恢复期要更长些。

优化分析所假定的电价为 3卢比/kW◦h。

5.2 装机容量和隧洞布置优化方案

5.2.1 不考虑风险因素

图2示出了不同装机容量和隧洞布置优化方案的内部收益率。这些优化方案并没有考虑大隧洞掘进中增加的风险。

图2 不考虑风险因素的装机容量和隧洞布置优化方案的内部收益率

如图2所示,如果不考虑隧洞风险因素,在单线隧洞布置的最优方案中,隧洞直径为12m,装机容量为 825MW,而在双线隧洞布置的最优方案中,隧洞直径为10m,装机容量为 950MW。

然而,这些初步结果并没有在有关优先采用的隧洞方案的决策中采纳。由于不同方案的财务分析结果十分接近,在决定优先采用的隧洞布置方案时,考虑双线隧洞运行收益和施工的定性问题显然更为重要。

5.2.2 考虑风险因素

由于隧洞掘进中涉及的风险,在印度,计算隧洞花费通常使用的方法都不允许超支。基于莫特麦克唐纳公司的工程经验,这些风险随着隧洞尺寸的增加而增加,所以将这些考虑进来比较合理。单线隧洞的风险更高一些,因为它并没有为施工过程中严重坍塌事故的恢复留有余地(双线隧洞通常便于从一个隧洞所遭遇的困难中吸取经验教训,并且绕开问题段以控制和减少延误)。

将与隧洞施工风险有关的费用考虑进来以得到更为真实的费用评估非常实用,同时也是世界银行推荐的做法。所以,本文也完成了一个考虑了这些风险系数的隧洞费用评估。

这些系数基于世界银行过去在类似地区进行水电工程长隧洞掘进的相关经验,这些经验表明,对于长隧洞,预计会超支 30%～100%。这些超支包括隧洞坍塌事件中各种各样的工期延误和不同的隧洞直径,并考虑到地质不确定性和在不同地层条件下因不同隧洞尺寸而调整的掘进速度。值得注意的是,这些系数不是根据理论研究得出的,而是根据喜马拉雅山区及类似地区开挖大型隧洞的经验假设的。

在财务模型中所使用的费用系数见表 4,这些系数考虑了有关大型隧洞施工的风险。尤其对于大型单线隧洞,这种百分比有可能达到200%,这一情况就曾经在过去类似地区的工程中出现过。

表4 隧洞风险系数

图3示出了不同装机容量和隧洞布置方案的内部收益率。收益率稍低的两条线在隧洞费用评估中考虑了掘进大型隧洞的相关风险。

图3 不同装机容量和隧洞布置方案的内部收益率

优化的第2阶段表明,当考虑掘进风险时,直径为 9m、总装机容量为 950MW的双线隧洞应该是财务方面最佳的方案。

6 结 语

以上研究结果表明,在不考虑隧洞掘进风险时,单线隧洞可能在财务分析时更胜一筹。但是,当考虑掘进风险时,双线隧洞就是优先采用的方案。

基于以下几点得出,直径为 9m的双线隧洞是一个更好的方案:

(1)当考虑施工风险时,双线隧洞表现出财务上的优势。

(2)比起单线隧洞,双线隧洞有很明显的施工和运行效益。

(3)对于双线隧洞,根据一个隧洞出现的问题可以预测另一个隧洞的问题,而且当一个隧洞的掘进受阻时,可以通过平洞来局部绕过问题段继续施工,因此双线隧洞在安全性、施工和总工程费用方面都更有利。

(4)双线隧洞一般可满足施工进度计划和工程费用方面的要求。

基于以上分析,最终采用了双线隧洞方案,印度中央电力局正在考虑其具体的工程报告。