最小費(fèi)用法在無(wú)壓引水隧洞經(jīng)濟(jì)縱坡比選中的應(yīng)用

史 良，王 紅

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

榆林能源化工基地榆神工業(yè)區(qū)供水工程主要由水源地工程和輸水線路工程組成，水源地工程由位于府谷縣黃河岸邊的天橋巖溶水水源地、孤山川孔隙水水源地、陰塔孔隙水水源地及磧塄孔隙水水源地四個(gè)水源地組成。輸水線路總長(zhǎng)85 km，布設(shè)加壓泵站4座，設(shè)計(jì)總揚(yáng)程約440 m。年供水量2.07億 m3，設(shè)計(jì)引水流量8.0 m3/s。沿線布置無(wú)壓隧洞11座，總長(zhǎng)約76 km占整個(gè)輸水線路的90%，其經(jīng)濟(jì)縱坡選定的是否合理，對(duì)整個(gè)引水工程的經(jīng)濟(jì)效益影響很大。本次采用最小費(fèi)用法并考慮資金的時(shí)間價(jià)值對(duì)無(wú)壓引水隧洞不同縱坡對(duì)應(yīng)的總費(fèi)用進(jìn)行比較，確定出經(jīng)濟(jì)縱坡。

1 理論方法

最小費(fèi)用法費(fèi)用計(jì)算包括:各方案的投資總額和各方案在項(xiàng)目壽命期內(nèi)的各種費(fèi)用(主要為年運(yùn)行管理費(fèi)用)。費(fèi)用最小的方案為最優(yōu)方案?；居?jì)算公式為

式中:Ki為第i方案的總費(fèi)用;Ci為第i方案的總投資;Eit為第i方案第t年的運(yùn)行管理費(fèi);n為計(jì)算期年數(shù)。

2 無(wú)壓隧洞縱坡的初選

無(wú)壓引水隧洞的縱坡，首先應(yīng)滿(mǎn)足隧洞運(yùn)行時(shí)的不淤要求，不淤流速可根據(jù)含沙量及泥沙粒徑特征，通過(guò)有關(guān)公式求出。該工程水源地為地下水，泥沙含量很少，可以不考慮運(yùn)行時(shí)的不淤要求。根據(jù)工程總體布置并借鑒同類(lèi)工程的成功經(jīng)驗(yàn)，初步擬定 1/1 000、1/1 500、1/2 000、1/3 000 和1/4 000五個(gè)縱坡進(jìn)行比選。

3 不同縱坡時(shí)工程總投資計(jì)算

按已選定的縱坡，分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的主體工程投資及總投資。

3.1 各縱坡對(duì)應(yīng)的隧洞主體工程投資

3.1.1 隧洞斷面確定

本工程無(wú)壓引水隧洞均為長(zhǎng)洞，凈斷面尺寸可按明渠均勻流公式確定，對(duì)圓拱直墻型斷面，由明渠均勻流公式推導(dǎo)出計(jì)算公式如下:

令 h0=mr，則

式中:r為拱頂半徑(m);θ為水面所對(duì)的中心角;k為余幅參數(shù)，余幅面積與隧洞斷面總面積之比值，根據(jù)水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范中的要求選定;i為隧洞底坡;Q為隧洞設(shè)計(jì)通過(guò)流量(m3/s)。由上式便可求出圓拱直墻斷面的所有水力要素。根據(jù)水力計(jì)算并考慮滿(mǎn)足施工要求的最小斷面，確定出各縱坡對(duì)應(yīng)的橫斷面。

3.1.2 隧洞主體工程投資

按不同縱坡對(duì)應(yīng)的不同隧洞斷面，分別計(jì)算隧洞工程主體投資，整個(gè)引水工程各縱坡對(duì)應(yīng)的隧洞主體工程投資Si可由下式計(jì)算:

式中:Aj為每公里第j類(lèi)圍巖洞的主體工程投資;Lj為第j類(lèi)圍巖洞段長(zhǎng)度(km)。

3.2 泵站工程投資

不同縱坡引起的水面落差hi(m)需建泵站的主體工程投資，用單位千瓦裝機(jī)的投資估算。

當(dāng)引水流量為8 m3/s時(shí)，泵站實(shí)耗電功率Ni(kW)，按下式計(jì)算:

式中:η為水泵的機(jī)械效率，取80%。

考慮泵站的備用機(jī)組，泵站總裝機(jī)容量N'i用下式求得:

α1為總裝機(jī)容量與泵站實(shí)耗功率比，按所建引水工程的實(shí)際比值選取，一般約為1.3，不同縱坡時(shí)，各自需建泵站的主體工程投資Ki由下式計(jì)算:式中:K泵為泵站單位千瓦主體工程投資;L為整個(gè)引水工程無(wú)壓引水隧洞的總長(zhǎng)度76 km。

3.3 工程總投資

各縱坡對(duì)應(yīng)的工程總投資Ci可由工程主體投資估算:

式中，α2為工程總投資與主體工程投資之比，一般取1.7～2.0。

4 年運(yùn)行管理費(fèi)

年運(yùn)行管理費(fèi)用有:動(dòng)力費(fèi)、材料費(fèi)、行政管理費(fèi)、工資、工程維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)及其它費(fèi)用。泵站的電費(fèi)(動(dòng)力費(fèi))按泵站實(shí)耗功率及抽水時(shí)間計(jì)算;其余運(yùn)行管理費(fèi)(包括大修費(fèi))按固定資產(chǎn)的原值的百分比估算。

泵站年耗電費(fèi)Bi用下式計(jì)算:

式中:Ni為泵站實(shí)耗電功率(kW);t為泵站年抽水時(shí)間，h;J為電價(jià)，采用影子電價(jià)，萬(wàn)元/(kW·h)。

電費(fèi)以外的年運(yùn)行管理費(fèi)Ei按工程固定資產(chǎn)原值的2% ～2.5%計(jì)，工程建成后年運(yùn)行管理費(fèi)Eit為:Eit=Bi+Ei

5 隧洞經(jīng)濟(jì)縱坡比選

計(jì)算出不同縱坡的工程總投資Ci及其相應(yīng)的年運(yùn)行管理費(fèi)Eit后，采用動(dòng)態(tài)比較方法進(jìn)行比較。即認(rèn)為不同縱坡時(shí)的引水流量及其它經(jīng)濟(jì)效益均相同，將工程建設(shè)期內(nèi)各年的投資及運(yùn)行期內(nèi)各年的運(yùn)行管理費(fèi)折算為計(jì)算基準(zhǔn)年的總現(xiàn)值，總現(xiàn)值最小的方案對(duì)應(yīng)的縱坡即是經(jīng)濟(jì)縱坡。費(fèi)用折算的基準(zhǔn)期為工程開(kāi)工時(shí)，施工期為m1=4年，工程的使用期為m=30，根據(jù)施工期內(nèi)各年的施工強(qiáng)度，確定出各年度投資。

建設(shè)期工程投資的折現(xiàn)值由下式計(jì)算:

式中:P建為工程投資的折現(xiàn)值;An為第n年的工程投資;i為社會(huì)折現(xiàn)率，按國(guó)家建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的規(guī)定確定，取8%。使用期運(yùn)行管理費(fèi)折現(xiàn)值P運(yùn)由下式計(jì)算:

式中，A'i為年運(yùn)營(yíng)費(fèi)。

工程總現(xiàn)值:P總=P建+P運(yùn)

以縱坡為縱坐標(biāo)，總投資為橫坐標(biāo)可以繪出縱坡 、總投資曲線(見(jiàn)圖1)，由曲線可以看出縱坡變化時(shí)總投資的變化趨勢(shì)。從曲線查出總投資最小所對(duì)應(yīng)的縱坡，即為該無(wú)壓隧洞的經(jīng)濟(jì)縱坡。

圖1

通過(guò)以上分析，本工程經(jīng)濟(jì)縱坡為1/2000。

6 結(jié)論

1)最小費(fèi)用法結(jié)合工程技術(shù)方案，考慮了項(xiàng)目總投資和壽命期內(nèi)各種費(fèi)用，并考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，方案優(yōu)選更加客觀合理。

2)在隧洞縱坡的比選中采用最小費(fèi)用法，根據(jù)繪制的縱坡、總投資曲線可以很直觀地看出縱坡對(duì)總投資的敏感程度，有利于縱坡的調(diào)整及選取。

［1］李建峰.工程經(jīng)濟(jì).中國(guó)電力出版社，2009.

［2］水利水電工程設(shè)計(jì).水利部天津水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2000，19(4).