乌东德水电站工程建设科学管理的创新实践

杨宗立，孟友瑞，姜 桥，唐小越，宛良朋

(中国三峡建设管理有限公司，四川 成都 610041)

近年来，随着西部大开发、西电东送等国家战略工程深入开展，水电投资建设持续发力，一批巨型水电站完建或开工。大型水利水电工程，有巨大的综合效益，与其他土木工程相比，同时也是一类更为复杂的工程系统，建设环境更复杂、影响涉及更广、涉及专业更多、管理更复杂、周期更长等等。因而，大型水利水电工程的建设本身就是一个典型的复杂系统工程，运用复杂科学管理的系统思维模式进行工程建设管理显得非常必要和适宜；在工程建设后期，有必要系统认识和总结复杂科学管理的系统思维模式在本工程中的运用效果，可进一步改进、完善、优化复杂科学管理的系统思维模式，更好地进行推广。

2020年6月29日，金沙江乌东德水电站首批机组顺利投产发电之际，习近平总书记作出重要指示，强调坚持新发展理念，勇攀科技新高峰，意味着乌东德水电站工程建设过程中，科技创新、关键技术攻关等取得重大成就。本文从乌东德水电站工程建设管理者角度，通过回顾工程建设中的几个大胆创新的案例，阐述复杂科学管理思想的应用及其重要指导作用，可为复杂工程系统管理理论发展提供典型案例，亦可为类似工程管理、决策提供参考借鉴。

1 工程概况

乌东德水电站是金沙江下游河段界河水电站，上有观音岩水电站，下有白鹤滩、溪洛渡、向家坝等水电站，其电站建设对我国水资源高效利用起到积极作用，同时是西电东送的国家重大工程，在防洪、促进地方经济社会发展等方面的贡献，在建设期间得到了充分体现。枢纽工程主体建筑物由300 m级混凝土双曲高拱坝、岸边泄水洞+坝身中表孔泄洪建筑物、全地下式引水发电建筑物等组成。其中大坝坝顶高程988 m，最大坝高270 m；电站厂房布置于左右两岸山体中，各安装6台发电机组。单机容量850 MW，总装机容量10 200 MW(装机规模为国内第四，世界第七)[1]。

乌东德水电站是一个典型的复杂工程系统，工程规模巨大，地质条件复杂、施工条件有限，涉及的影响要素繁多，需多专业配合协同。对于这样复杂的系统工程，应用常规的工程管理思维，难免存在不足，一是存在各个专业各自为政，仅以目标为导向，而目标往往是“小目标、阶段目标”，存在不系统、不全局、不长远问题；二是局限于正向思维，局限于行业既有范式，这样就容易迷信范式，缺乏创新进取，甚至犯经验主义错误。

2 复杂科学管理简介

复杂科学被誉为“21世纪的科学”，是将复杂科学的思想引入管理科学中，形成一定的思维模式和分析问题的方法，达到解决复杂问题的目的。是当前最前沿的管理科学研究方向之一[2-4]。

复杂科学管理思维模式是系统思维，而系统思维是基于整体观论、新资源观论、整合论、有序-无序论等基本理论，将科学与艺术、逻辑思维与形象思维、整体与个体进行有机融合，形成的一种管理的新思维。

3 复杂科学管理在乌东德水电站中的应用

3.1 复杂科学管理应用目的

大型水利水电工程建设系统涉及到环境系统，工程技术系统等等，在建设管理、关键技术攻关与决策上，需打破常规，以科学管理为引导，统筹协调设计、施工方方面面，化被动为主动，促进工程科学有序建设。

3.2 复杂科学管理应用思路

复杂科学管理中提出的系统模型是描述大型复杂决策问题定性定量影响及风险概率与应对能力相平衡的概念模型，尤其适合解决大型复杂系统和复杂决策问题。

大型水电站工程建设管理必须站在整体的高度上，进行全系统、全生命周期的管理，实现整体最优；而非考虑单个小系统的最优，忽视相关系统间的联系，如降低相关系统的功能标准或付出更大代价抵消单个小系统对相关系统的影响等。

由于工程复杂性，许多问题尚无经验可循，亦或有限经验不能盲目照搬，这就需要回顾工程建设中形成好的经验、不好的教训等，力求在“无序”中去摸索出“有序”的管理和决策方法。如通过复杂科学管理系统思维的思维模式，在管理环节中找出各分部分项工程工作重点，然后建立工程项目管理系统模型进行针对性的分析决策，其中建模方法主要有指标因素法、分割综合法等[5]。

指标因素法是以目标为导向，用逆向思维建立反映各种决策因素的理论模型，自上而下，确定影响因素和影响程度度量指标，如图1所示。利用定性判断与定量计算相结合分析策略对目标进行分析决策。

图1 指标因素法原理

分割综合法是以问题为导向，用自然思维建立反映各种决策因素的理论模型，首先对研究对象进行充分定性分析，将存在问题描述为决策过程；然后依据决策过程，将问题进行分解，形成若干级别的子问题；将各子问题进行逐项解答合成为原问题解答，在求解的过程做到局部分析与整体优化，如图2所示。

图2 分割综合法原理

针对工程施工中的不确定性问题，如风险分析及决策问题，可综合分析灾害发生概率及致灾概率、易损性等因素，用实时动态控制方法进行求解。

下面以几个典型案例，介绍复杂科学管理思想在乌东德工程建设管理与技术决策中的应用。

3.3 复杂科学管理思想应用典型案例

3.3.1 3号、4号导流洞封堵闸门的系列改进

据可研设计方案，乌东德水电站导流工程布置为左岸布置1号、2号导流洞，右岸布置3号～5号导流洞，如图3所示。2011年9月，左右岸导流洞土建及设备安装招标及合同签订完成；2012年7月完成金属结构及启闭机招标，但不含1号～4号号的进水孔封堵闸门及启闭机设备，主要是基于复杂科学管理思维，可进一步优化分析封堵闸门的启闭方式，如：利用液压千斤顶进行闸门启闭，以减少成本，同时推迟安装时间，封堵闸门及启闭机在导流洞下闸前完成，可节省资金成本，减少维护。

图3 乌东德水电站枢纽布置图

乌东德导流洞封堵闸门是按高水头设计，挡水水头108.88 m，即挡水水位为920.88 m，闸门底坎高程812 m，并要求在导流洞过流时封堵闸门安装到位，兼做导流洞运行过程中的检修闸门。很多工程采取了这种常见方案。

通过复杂科学管理思想建立的项目管理模型深入分析，存在以下方面需考虑的因素：

因素1：提前购闸门和常规下闸封堵方案，不仅投资较大，还有下闸风险大、运行管理难度高的缺点。

因素2：方案基于一定设想，与工程实际契合不高，例如，通过复杂科学管理思想项目系统管理模型推演发现，设计中虽涉及了检修功能，但实际实施并不方便，因为上下游闸门都是靠门槽的低水位侧止水，已把导流洞封死，施工的人机料无法或不便进人。

因素3：由于尾水塔从顶到底板高差达50 m，且尾水塔厚度不够，在尾水塔设计预留孔，用来进人机料的方案也不可行，还需另想办法，这也是我们不断创新的源泉。

基于复杂科学管理思想，通过推迟安装永久封堵闸门，推迟时间为5年，为了不影响导流洞检修，增加了两套低水头的临时检修闸门，在枯水期低水位动水启闭，最大启闭水位为821.68 m，相应水头为9.68 m，检修期最大挡水位为833 m，相应水头为21 m，由汽车吊进行下闸及启门。这一“迟”、一“增”，为我们系列创新带来了意想不到的好处。主要可实现以下目标：

目标1：更好地适应工程实际

1)可适应导流布置的调整。根据可研规划，导流洞“左2右3”的布置方案，其中5号导流洞规模小、布置高，即“四大一小”、“四低一高”。但闸门挡水水头高，其中5号导流洞平板闸门动水下闸水头达57 m，下闸安全风险高，闸门调整存在现实需要。而5号导流洞闸门及启闭机为何又提前采购及安装到位呢？主要是5号导流洞有三个功能，一是将导流标准从30年一遇提高到50年一遇；二是由于采用高位布置并作为下闸蓄水的过渡，可取消在大坝上设置导流底孔，方便大坝的施工，改善大坝的受力状况；三是通过5号导流洞，实现下闸蓄水不断流，这也是一个非常重要的环保措施。

2)适应导流洞封堵方式的改变。右岸导流洞开挖揭露围岩类别与招标阶段相比，存在一定变化。右岸3号、4号导流洞进口为错开布置，进洞点顺轴线方向相差70 m，4号导流洞此段存在偏压，开挖后3号、4号导流洞间岩墙厚度只有13.77 m，支护衬砌后也只有21.5 m，且该段围岩为Ⅳ、Ⅴ类，存在高水头下被击穿的风险，需调整下闸及导流洞封堵程序，由于封堵闸门推迟制作、安装，为调整提供了可能。

调整方案为：在低水头下，先下3号、4号导流洞闸门，在闸门保护的情况下，先施工永久堵头第一段，完成后代替高水头闸门挡水，再下其他导流洞闸门，进行堵头施工，将可研的一个枯水期同批顺次下闸封堵改为两批顺次下闸封堵。这种调整，3号、4号闸门的设计水头由108.88 m降低到33.11 m，挡水水头显著降低，4号导流洞的偏压结构安全性得到明显改善，闸门的重量和启闭机的启闭力均可大大减少，如果封堵闸门、启闭机提前到位，就会造成大大的浪费。

目标2：方便检修

增设专门检修门，在所有水电工程中公开资料中未曾有过，不清楚来龙去脉，也是很难理解的。但对于乌东德来说，增设检修门发挥了巨大作用，为导流洞全面检修提供了可靠条件及保障。在检修门设计时，为克服抽水及进人、材料的困难，采取了闸门高水头侧止水加低水头侧支撑定轮方案，在2.5 m的门槽内，扣出闸门厚度1.4 m后，留出1.1 m的空间，可满足施工所需的各种需求，大大简化检修难度、缩短检修时间，极大地方便了检修。水电工程对导流洞洞身进行检修，一般都能做到，但类似乌东德的创新检修闸门设计，对门槽及门槽止水埋件进行检修，在业内尚属首例，保证了下闸及止水优良效果。

目标3：增加工程实施的可靠度

通过全面系统分析设计、施工、风险、工期、经济性等因子，不断对已有方案进行针对性优化创新。由于封堵闸门是低水头侧止水，导流洞抽水只能在下游闸门进行，3号、4号导流洞下闸抽水条件就非常苛刻，导致堵头施工工期紧张。经过一系列方案比选，利用现有检修门加新制作承担底部较高水头的4节检修门，每扇闸门的增加重量120 t，一是解决了临时检修门利用，避免了浪费，二是解决了下闸时间的机动性，三是优化了导流洞内抽水条件，先上游抽水，再下游抽水，为堵头施工抢出了20 d时间，增加了工程实施可靠度。

目标4：节省工程投资

经分析，一系列创新设计在降低施工难度、节约工期、节省投资、安全可靠方面发挥了巨大效益，主要体现在：时间差带来的利息减少、节省工程量产生的费用、不同时间采购节省的价差、废旧设备再利用减少的费用四个方面，经计算，合计减少投资总费用为76 899.2万元。

3.3.2 闸门槽非工作段导轨的创新思考

水利水电工程离不开闸门如图4所示，有闸门就必须有闸门槽，按性质划分，闸门槽分为工作段与非工作段，工作段与闸门相对应，要承受水荷载，而非工作段只是闸门的通道，仅起导向作用。两者性质虽完全不同，但设计要求一致，即保证埋设的门槽埋件安装精度。按惯例，一般采用二期施工方式确保精度，而为了这点埋件及二期施工，需要搭设高脚手架，埋件吊装、混凝土入仓、工人进出等极不方便，也带来较高安全风险；且由于上述不便，也容易发生质量问题，常见的如二期不密实、跑偏等。对上述问题，部分工程也进行了反思改进，将二期混凝土施工改为一期，采用门槽台车作为门槽埋件的定位及混凝土的模板，保证工程的进度、保障工程施工本质安全，确保埋件及门槽的精度。但由于成本增加较多，使用的普遍程度不高。

图4 门槽剖面图

上述方案是以目标为导向寻求破解，我们以复杂科学管理的问题导向和目标导向相结合，对各个因素和子问题综合分析寻求破解。从根源上，取消非工作段的导轨埋件，也就不存在二期，从而一切原有问题迎刃而解。但是可能会产生新的问题，如非工作段门槽的尺寸问题(一期混凝土跑模)；非工作段与工作段导轨的衔接问题；启闭抓梁能不能水下对准问题。针对上述新生子问题进行逐项解答，再进行整体方案设计。具体方案为：非工作段门槽尺寸放大，每边放宽2 cm，以应对模板跑偏问题，此段闸门、抓梁均为自有垂直升降。非工作段与工作段导轨的衔接问题，增设一个渐变段，其高度与放宽的尺寸相对应，按4‰设置，渐变段高度一般在5～6 m左右，这样工作段加渐变段高度大约在20 m以内，采用二期方式施工等都可行，不会成为制约因素。另外，在闸门、抓梁的底部，适当进行收口，方便进入渐变段并归入工作段。

通过一减一增的调整，大大简化施工程序，方便施工，增强安全度及工程质量，也节约工程投资，主要是减少埋件制作、安装的费用，减少二期混凝土的费用。从中可以看出，一是要解放思想，二是要有一套系统全面的工程管理体系模型，以该体系模型为基础，以目标和问题为导向，便于从全局角度系统分析，比选最优方案，这正是复杂科学管理的系统思维模式及其理论解决复杂工程系统问题的适宜之处。

4 结 语

1)乌东德水电站作为典型复杂工程系统，在工程创新和管理决策中，以复杂科学管理思想为指导，强调全面、系统、长线思维，强调问题导向和目标导向相结合，正向思维和逆向思维向结合，指导工程管理实践，取得了良好效果，可为类似工程提供借鉴参考。

2)截止到2020年，三峡集团公司建设开发水电站9座，总装机容量75 000余MW，已形成持续发展的良性格局。作为清洁能源水电开发行业龙头企业，积极应用现代管理学中新的思想、理论和方法，对促进行业健康有序发展具有重要意义。

本文以乌东德水电站两个创新决策案例，介绍了复杂科学管理思想的重要指导作用，同时，案例本身也具有较强的复制性，可在同类工程中进行广泛推广，实现工程技术经济最省，功能最优。