论水电工程设计优化管理的内涵和方法

姚福海

(国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都 610041)

1 公伯峡水电站获得多项国家大奖的奥秘

公伯峡水电站位于青海省循化县与化隆县交界的黄河干流上。电站正常蓄水位高程2 005 m，设计库容6.2亿m3，设计装机容量150万kW，多年平均发电量51亿kW·h，主要水工建筑物由132 m高的混凝土面板堆石坝、左岸开敞式溢洪道、左岸放空洞(D=9 m)、右岸地面式引水发电系统和旋流竖井泄洪洞等组成。主要工程量有:土石方开挖1 171万m3，土石方填筑514万m3，混凝土浇筑125.9 m3，钢筋3.95 万 t，金属结构安装0.685万t。按照2000年的物价水平计算，工程设计概算投资62亿元。

公伯峡水电站导流工程于2000年7月开工。2001年8月，经国家核准主体工程正式开工。2002年3月20日，主河床实现截流。2004年8月底首台机组正式发电后，使我国的水电装机容量突破了1亿kW。2005年12月，工程全部竣工。

公伯峡水电站从截流到发电仅用了不到两年半时间，创造了我国百万千瓦级大型水电站的最快建设记录。工程竣工概算投资较国家审批的概算节省了7亿元。实际单位千瓦造价3 666元/kW。自2005年起，公伯峡水电站先后获得的国家大奖:国家鲁班奖(2006年)、国家环境友好奖(2006年)、詹天佑工程奖(2007年)、全国优秀勘测设计奖(2008年)。一座水电工程在建成后的短短3年内能获得如此数量的大奖在国内是极为罕见的。总结其实践经验，最根本的有两条:

(1)依靠大胆的设计优化推动工程建设。在施工详图设计阶段，由业主组织完成的主要设计优化有:①根据最新水文情况缩小了导流洞横断面尺寸。在可研设计阶段，导流隧洞的横断面尺寸为14 m×15 m。2000年一季度，在招标设计阶段，黄河上游受多年来水偏枯的影响，公伯峡上游的龙羊峡水库已处于最低水位运行，共有防洪库容175亿m3(可实现多年调节)。对此，业主会同设计经分析后认为:在公伯峡水电站主体工程施工期，由于龙羊峡水库巨大的调蓄作用，公伯峡坝址出现设计洪水流量的几率极小。在不改变设计标准的情况下，将导流洞的横断面尺寸压缩为12 m×15 m，除节省投资近2 000万元外，还有力地保证了施工安全。②右岸泄洪洞设计在招标阶段采用了国内最高设计指标的旋流竖井结构。在可研设计阶段，右岸泄洪洞为导流洞后期改建的龙抬头结构。2001年，结合最新的地质条件，业主委托中国水科院对旋流竖井进行了大量的试验研究，最终以110 m的水头差、1 060 m3/s的泄量等指标位居国内同类建筑物之冠。龙抬头结构改为旋流竖井结构后，共节省投资5 400万元。③采用了当时最先进的大坝施工工艺。公伯峡面板堆石坝最大高度132 m，填筑方量478.6万m3。按相关的规范规定，面板浇筑宜分两期完成，面板碎石垫层也宜采用斜坡碾压方式。为了推动面板坝的技术进步，在业主的精心策划下，公伯峡大坝工程采用了三项新技术。第一，大坝全断面一次填筑到顶，且大坝于2002年8月开始填筑，中间没有间歇，也没有采用临时断面填筑方式，于2003年10月初全断面填筑到顶。在面板混凝土浇筑前预留了5个月的沉降期。第二，面板垫层采用了低强度的混凝土挤压墙技术，取消了斜坡碾压工艺，加快了坝体上升速度。第三，面板混凝土浇筑采用一次滑升技术。鉴于电站最大斜坡长230 m，为此，对混凝土配合比做了一定的改进。由于三项新技术的成功应用，在确保质量的前提下，大坝施工周期压缩了近一年时间。

(2)激励和约束相结合，严格进行管理。公伯峡工程业主认为:业主负责制的内涵就是由业主把参建各方紧密地团结在一起，让业主政令畅通，最终实现共赢。如某项目部在4年之内因自身原因先后更换过四任经理。业主每年拿出5%的年度设计费做为考核后支付。在不突破设计概算的前提下，业主拿出一定数量的资金做为安全、质量的奖励使用，以激励承包商干好份内工作。

总之，公伯峡工程屡获大奖的根本原因就是创新和严格四个字。通过严格管理和技术创新，实现了业主利益的最大化。

2 水电工程设计工作的基本特点

2.1 水电工程设计行业的特点

工业与民用建筑、公路、铁路、水利水电工程等相关领域之和统称为土木工程。与其它土木工程相比，水电工程设计行业具有以下5个特点:

(1)勘测设计周期长。水电工程勘测设计分预可研、可研、招标、施工详图4个设计阶段。有些比较复杂的水电工程为了查清坝址的地质条件，仅平硐、钻孔等勘探项目就要花费数年时间。有些工程为了解决制约项目成败的关键技术问题，还要组织相当多的单位开展科技攻关等工作。

(2)工程规模大，环境条件差。目前，水电工程的单位千瓦造价平均为1万元，百万千瓦级的水电站总投资普遍都在百亿元以上，有的高坝单项投资就达数十亿元。有人将高坝誉为土木工程之王。水电工程大多处于偏远地区，随着其开发程度的提高，目前正在向高海拔、交通不便的老、少、穷山区发展。

(3)专业分工多，社会因素多，不可预见因素多。在甲级设计院内部，与土建有关的专业有:坝工、厂房、泄水、施工、交通、监测、附属企业、建筑、给排水、暖通和概算。与机电有关的专业有:水机、电气一次、电气二次、通信、金属结构。与规划有关的专业有:水能、水文、泥沙、环保水保、水库移民。水电工程从前期到竣工涉及地方政府相当多的职能部门。开工后往往会新出现很多问题。

(4)标准化设计内容少。公路、铁路设计除选线之外，其余内容以标准化设计为主。火电、核电、风电也属标准化设计行业，相关的电站几乎是一个模式。但水电行业很难找到两个完全一样的电站，仅坝型就有十余项之多，不同地形地质条件组合形成的枢纽类型就更多。

(5)工程等别高，安全要求更高。大型公路、铁路桥梁的设计洪水标准一般为百年一遇，但水电工程由于失事后果比较严重，因此，大型水电工程的设计洪水标准一般都在500年一遇以上，校核标准一般都在千年一遇以上。

正因为水电工程具有以上5个特点，才使得水电工程设计人员的成长周期比较长。在正常情况下，一个非常优秀的设计人员需要具备以下素质:有团队协作意识、有深厚的理论功底、有丰富的实践工程经验、有高度的事业心，能画、能算、能写、能讲。简称“四有四能”。

2.2 水电工程设计行业的现状

(1)受行业垄断的影响，国内大部分水电工程的设计工作量集中在七大院内。截至2009年底，国内水电装机容量约为1.96亿kW，目前在建的容量为0.6亿kW，正在开展前期工作的容量为2亿kW，这些资源绝大部分被七大院所瓜分，且七大院相对比较独立，各有自己的地盘，外部设计行业没有对其构成冲击。

(2)七大设计院生产任务普遍饱满。七大设计院的人数与十多年前相比并没有大的变化，但生产任务却翻了几倍。以成都院为例，在上个世纪90年代，全院主要生产力量围绕着二滩、铜街子等项目开展工作。但目前所开展的大型设计项目(如溪洛渡、锦屏、瀑布沟、官地、两河口、大岗山、双江口、猴子岩、长河坝等)，其装机容量为十多年前的十倍。

(3)设计人员以“70后”和“80后”为主。目前，设计院的管理层以“60后”为主，但具体设计工作由“70后”和“80后”完成。新一代设计人员接受新事物快。

(4)受整个社会大环境的影响，水电勘测设计质量与十多年前相比，整体呈下降趋势。

2.3 水电工程勘测设计工作不到位的危害

水电工程勘测设计工作不到位产生的危害就是一句话:增加投资，延误工期，在质量和安全等方面留下隐患。仅举3个实例:(1)四川某大型工程因可研设计阶段地勘深度不够，造成开工后边坡处理费用增加3亿元，而且中间停工1年。(2)位于贵州岩溶地区的某大型工程因对导流洞的衬砌考虑不周，造成下闸后围岩被高压水击穿的重大事故。(3)位于云南的某工程因对混凝土的中期冷却重视不够，造成坝内出现贯穿性裂缝，导致其最终处理费用高达近亿元等。

3 设计优化的内涵

3.1 设计优化就是深入完善设计方案

在有限的时间内，由一个团队完成的设计方案不可能是尽善尽美。因此，在工程开工后，需要由业主牵头对设计方案进行完善。为此，必须把握好两个原则:(1)由国家审查通过的总体布置方案不能轻易发生变化。如土石坝不能轻易改为混凝土坝，地下厂房不能轻易改为地面厂房等。(2)工程设计应遵循的强制性规范条款不能随意更改，比如设计洪水标准等。对于重大原则问题的设计优化调整必须形成专题报告，由业主邀请原审查单位以专门审查会议的形式确定。如黄河公伯峡水电站泄水建筑物布局的重大调整，李家峡水电站厂房布置格局的重大调整等就是由国家主管设计部门审查后做出专门批复。大岗山水电站2008年降低度汛标准亦是经上级主管单位审查后做出专门批复。对于不涉及总体布置调整的设计优化可由业主自行决定，如瀑布沟水电站坝轴线经局部调整后减少填筑量186万m3，节省投资近亿元等。

3.2 设计优化就是深入完善结构设计

设计方案确定之后，大量的设计工作量反映在具体的结构设计方面。由于很多设计单位对结构设计图纸的重视不够，近年来暴露出来的结构设计问题有:(1)在开挖图中，马道布置考虑不周，锚杆的长度不合理。(2)在钢筋图中，该截断的钢筋不截断，分布钢筋布置过密，浪费严重。

3.3 设计优化就是确保工程质量更上一层楼

设计工艺反映在更具体的技术要求上。完善工艺设计的目的就是为了确保工程质量。如按照混凝土坝设计规范要求，大坝强约束区的混凝土浇筑层厚应控制在1.5 m，岸坡固结灌浆宜在有盖重的情况下进行。由于水电工程的施工条件千差万别，生搬硬套一些规定反而会影响工程质量。拉西瓦水电站高拱坝在浇筑过程中将强约束区的层厚全部改为3 m，与之配套的技术要求是快速覆盖，确保混凝土的内外温差不突破规范要求;岸坡的固结灌浆是在无盖重情况下完成。这些工艺上的改进大大提高了大坝的混凝土质量。

3.4 设计优化就是使工期进一步合理

近年来的工程实践证明，进度效益是最大的经济效益。一座大型水电站若能提前半年到一年投产发电，其产生的经济效益多达数亿元。公伯峡水电站从导流工程开工到发电仅用了4年零两个月时间，发电工期比国家审查的工期提前了一年，产生经济效益近十亿元。这是在业主的统一筹划下大胆优化的直接结果。

3.5 设计优化就是使工程安全更可靠、更科学

在水电工程建设过程中，重大安全事故造成的后果非常惊人。因此，设计优化的内容之一就是要杜绝重大安全事故。以瀑布沟水电站下闸封堵为例，导流隧洞在底板彻底磨断的情况下要承受99 m高的外水头，其安全风险非常大。2009年4月，大渡河公司组织专家对下闸封堵方案进行了周密的研究，所采用的临时堵头方案以快速、方便、节省5 000 m3混凝土的优势为年底双投奠定了技术基础。

3.6 设计优化就是处理好工程与环境的和谐关系

水工建筑物布置的艺术就是与环境和谐相处的艺术。有些工程在布置建筑物时，不顾环境的特点，强行让大自然给水工建筑物让路，造成不良的后果。相反，拉西瓦水电站导流隧洞进口布置和场内交通干线布置就与大自然相处的比较和谐，其导流隧洞进口没有采用大开挖方案，而是在天然岩壁上，由里向外直接开挖洞口，节省投资近千万元，缩短工期3个月;场内交通以地下隧道为主，没有高边坡开挖，从而保护了环境。

3.7 设计优化就是求解多重目标函数

如上所述，水电工程设计优化的内容比较多，应针对不同的环境，紧紧抓住工程的主要矛盾进行优化，最终达到整体最优的目的，即:投资省、工期短、质量安全最可靠。

若D为设计优化的目标函数，S、Q、C、T分别代表安全、质量、投资和工期目标，则其相互关系:

D最优=f(S、Q、C、T)

式中 S≥[S]，Q≥[Q]，C=Cmin，T=Tmin。

4 设计优化管理方式探讨

4.1 外部激励手段

兹举一个实例。目前正在建设中的国电汉川发电厂是一座装机2×100万kW的大型火力发电厂。在可研审查通过以后，通过设计优化累计节省资金5亿元。主要经验有:(1)用合同约束设计单位。可研设计审查通过后，业主便和设计单位签订了招标和施工图阶段的设计合同。紧接着即与设计单位签订了设计优化合同。(2)组织外部知名专家提出设计优化的具体内容，然后反馈给设计单位。(3)在设计优化合同中，采用激励手段激发设计人员的工作积极性。如设计优化费用按可研节省的费用进行提成。在合同中明确，节省的费用必须有一半直接发放到设计项目部和具体设计人员的手中。

汉川发电厂的做法实际上就是用市场经济的激励手段激发设计人员开展设计优化的积极性。结合目前的行业现状，对业主而言，用外部激励手段开展设计优化工作在管理上比较方便。但在实际操作过程中，要防止设计单位在可研设计报告工程量中出现掺水现象。

4.2 咨询评审手段

有些大型流域水电开发聘用了一批国内知名专家。每年通过定期开展现场咨询活动，把专家们好的设计优化建议反馈到设计单位。如二滩公司在锦屏工地现场长期聘有水电规划总院的专家，通过专家的咨询意见推动设计优化工作。但依靠外部专家开展设计优化工作经常得不到设计单位的积极响应。这种方式相对比较被动，主要适用于大型工程的方案优化，对中小型工程只能作为管理参考。

4.3 内部主观能动性手段

有些公司(如华润公司)在可研概算确定之后，对现场的授权很大。工程技术管理人员只要提出的设计优化方案成立，则按节省费用的比例进行提成，并把设计优化业绩和年度考核挂钩。这种方式大大激发了管理人员开展设计优化的主官能动性。华润公司的做法适用于技术难度不大的中小型水电工程。