基于造價(jià)控制的水庫引水建筑物設(shè)計(jì)

王小靜

1 工程概況

赫章縣河口水庫位于貴州省赫章縣羅洲鄉(xiāng)境內(nèi)的后河上，后河系六沖河一級(jí)支流，六沖河屬長江流域?yàn)踅?。工程區(qū)有赫章至羅洲鄉(xiāng)的公路從壩區(qū)右岸通過，縣城駐地距地區(qū)所在地畢節(jié)市96 km，距貴陽市340 km。交通較便利。河口水庫工程為Ⅲ等，屬中型工程，主要任務(wù)為城鄉(xiāng)和工業(yè)供水、灌溉及發(fā)電。工程總體布置主要有大壩樞紐，供水及灌區(qū)工程兩大部分。大壩樞紐由碾壓砼拱壩、壩頂溢流表孔、沖砂底孔、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等主要建筑物組成。供水及灌區(qū)工程主要包括兩個(gè)大片區(qū)：第一片區(qū)位于河道左岸為中田、魚塘、財(cái)神鎮(zhèn)片區(qū)，為提灌片區(qū)，管道設(shè)計(jì)引用流量1.708～1.554m3/s。第二片區(qū)為：營盤、西屯、赫章縣、黃泥坡、野馬川等片區(qū)，為自流片區(qū)，管道設(shè)計(jì)引用流量1.275～0.615 m3/s。附屬電站裝機(jī)容量7000 kW，多年平均發(fā)電量2406萬kW·h。

2 引水建筑物型式和布置方案

引水系統(tǒng)進(jìn)水口布置在河道左岸，為岸邊井筒式有壓取水，進(jìn)口設(shè)攔污柵及事故閘門，攔污柵尺寸為4.4 m×3.7 m(寬×高)，閘門孔尺寸為3.0 m×3.0 m(寬×高)。井筒后接引水隧洞及壓力鋼管，引水隧洞洞徑為3.0 m，隧洞長211.778 m。壓力鋼管為地下埋管，主管直徑2.5 m，主管長42.913 m，管材為16MnR，壁厚16mm，主管加徑環(huán)管材為16MnR，環(huán)高h(yuǎn)=150mm，壁厚20 mm，間距1.2 m。主鋼管末端采用卜型岔管分岔為兩根支管，分別接兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組，支管管徑1.6 m，為外包砼鋼管。在左側(cè)支管管身位置分岔出一根支管，支管長120 m，直徑1.2 m，管材為Q235，壁厚12 mm，支管末端接高位水池。威赫煤電管線及下放環(huán)境水管均從該高位池取水。下放生態(tài)環(huán)境水管道，管直徑0.7 m，管材為Q235，壁厚10mm。當(dāng)機(jī)組不發(fā)電時(shí)，營盤小壩取水量也由下放生態(tài)環(huán)境水管道下放。其中年下放環(huán)境水量為2687萬m3，即0.855m3/s；營盤小壩最大取水量為1.275m3/s。

3 引水隧洞造價(jià)分析

3.1 洞徑比選和造價(jià)分析

引水隧洞洞徑的選擇一定程度上影響著工程的造價(jià)。隧洞設(shè)計(jì)引用流量：Q=16.89 m3/s，經(jīng)濟(jì)流速 ve=2.5～4 m/s，則經(jīng)濟(jì)洞徑D=2.3～3.0 m。當(dāng)引水隧洞洞徑減小時(shí)，水頭損失增大，對(duì)電站的出力有一定的影響，然而當(dāng)洞徑加大時(shí)，水頭損失雖減小了，但土建投資卻增加了，因此洞徑的選擇受諸多因素影響，需作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)隧洞洞徑為3.0 m時(shí)，引水系統(tǒng)總的水頭損失為0.85 m，隧洞部分工程總投資為390萬元，其中，工程部分投資337萬元，臨時(shí)工程部分投資53萬元。當(dāng)洞徑為2.3 m時(shí)，引水系統(tǒng)總的水頭損失為2.55 m，隧洞部分工程總投資為375萬元，其中，工程部分投資325萬元，臨時(shí)工程部分投資50萬元。較小洞徑的隧洞投資較洞徑較大的投資節(jié)約較少，僅為15萬元，主要是因?yàn)檩^小洞徑的隧洞開挖及砼襯砌的單價(jià)均較高。而小斷面的洞徑較大斷面的洞徑水頭損失多1.7 m。因此，綜合考慮取隧洞洞徑為3.0m。

3.2 隧洞設(shè)計(jì)和施工造價(jià)分析

在隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果隧洞斷面過小會(huì)導(dǎo)致造價(jià)增大，因而優(yōu)化斷面設(shè)計(jì)十分必要。經(jīng)地質(zhì)分析，隧洞走向與巖層走向?yàn)榇蠼嵌认嘟?，圍巖整體穩(wěn)定性好，巖體呈中厚層狀結(jié)構(gòu)，洞室圍巖屬Ⅲ類及Ⅳ類圍巖。隧洞為圓形有壓隧洞，洞徑3.0 m，最大靜內(nèi)水壓力66.6 m。為降低引水隧洞糙率，減小水頭損失，根據(jù)圍巖類別，考慮全部采用C20鋼筋混凝土襯砌，對(duì)應(yīng)不同的圍巖條件，Ⅲ類圍巖采用A型襯砌斷面，襯砌厚均為0.50 m；Ⅳ類圍巖采用B型襯砌斷面，襯砌厚為0.50 m。A型及B型襯砌斷面主要區(qū)別為結(jié)構(gòu)配筋不同及臨時(shí)支護(hù)措施不同。兩種襯砌斷面均需作回填灌漿處理，即頂拱120.0°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿，每排3孔，排距3.0 m。B型襯砌斷面需全斷面作固結(jié)灌漿，排距為3 m，每排4孔，孔深2.0 m，梅花型布置。

隧洞開挖臨時(shí)支護(hù)處理措施：Ⅲ類圍巖主要進(jìn)行隨機(jī)錨桿支護(hù)，Ⅳ圍巖主要對(duì)上半拱采取“錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土”聯(lián)合支護(hù)處理。

在隧洞開挖施工中，需要反復(fù)的對(duì)炸藥的用量進(jìn)行調(diào)整，確保達(dá)到一個(gè)最為經(jīng)濟(jì)合理的用量，優(yōu)化爆破參數(shù)，盡量的對(duì)炸藥的單耗進(jìn)行降低。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，引水隧洞的允許超挖值經(jīng)向超挖不得大于20 cm，必須合理的控制超挖量，避免因超挖造成的造價(jià)增加的情況。

4 壓力鋼管造價(jià)分析

4.1 管材選取

鋼管具有強(qiáng)度高、管壁薄、重量輕、輸水效率高的優(yōu)點(diǎn)，具有較長的使用壽命，可以有效的節(jié)約工程成本。壓力鋼管主要包括地下埋管、明管及岔管，根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL281-2003）明管、岔管宜采用壓力容器用鋼，通過對(duì)管材造價(jià)的分析，因此管材選用16 MnR。

4.2 管徑擬定

引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)引用流量為16.89 m3/s，其中電站發(fā)電引用流量15.22m3/s，供水及灌溉需要流量1.708m3/s，由于電站引用流量所占比重較大（比重為總流量的89.9%），因此引水鋼管管徑按《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL281-2003）相關(guān)要求擬定。

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL281-2003）并參照相關(guān)設(shè)計(jì)資料，壓力鋼管經(jīng)濟(jì)管徑按如下公式進(jìn)行擬定：

式中：D為初擬管徑，m；Q為引用流量，Q=16.89 m3/s；Ve為壓力鋼管經(jīng)濟(jì)流速，地下埋管Ve=3.0～4.5 m/s。

計(jì)算得主管管徑D主=2.19～2.68m，設(shè)計(jì)取值為2.5 m。

同理計(jì)算得支管管徑D支=1.47～1.80m，設(shè)計(jì)取值為1.6m。

4.3 主管壁厚

計(jì)算抗內(nèi)壓時(shí)管壁厚度?？顾畠?nèi)壓計(jì)算，按“鍋爐公式”初步擬定鋼管壁厚，計(jì)算公式：

式中：p為內(nèi)水壓力，N/mm2，p=0.66 N/mm2（按校核洪水位工況考慮）；r為鋼管半徑；[σR]為鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值，N/mm2。

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γ0=1.0；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，取值ψ=1.0（持久狀況）；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取值 γd=1.3；fs為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取值壁厚 t=6～16 時(shí)，fs=310 N/mm2；壁厚 t＞16～36 時(shí)，fs=300 N/mm2；

從計(jì)算可知，內(nèi)水壓力工況，計(jì)算最大管壁厚度為5.1mm（不含銹蝕厚度2 mm），考慮鋼管構(gòu)造等要求，最小鋼管壁厚度為8 mm。

4.4 鋼管抗外壓穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

4.4.1 加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定驗(yàn)算

驗(yàn)算公式如下：

式中：kC為埋管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.8；P0k為徑向均布外壓標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；Pcr為加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)算值，N/mm2。計(jì)算可知當(dāng)取管壁厚度為14 mm，加勁環(huán)間距為1200 mm時(shí)，能滿足外壓力要求，考慮銹蝕厚度2 mm，鋼管壁最小厚度為16 mm。

4.4.2 加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定驗(yàn)算

加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定按下式驗(yàn)算：

式中：σs為應(yīng)力強(qiáng)度極限值，N/mm2；AR為加勁環(huán)有效截面面積，mm2；l為加勁環(huán)間距，mm；r為鋼管半徑，mm。

計(jì)算可知當(dāng)管壁厚度為14 mm，加勁環(huán)間距為1200 mm，厚度為18 mm，高度為150 mm時(shí)，加勁環(huán)能滿足外壓力要求，考慮銹蝕厚度2 mm，加勁環(huán)最小厚度為20 mm。

綜上，壓力鋼管各部位抗外壓穩(wěn)定和強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，鋼管結(jié)構(gòu)布置合理。

5 結(jié)語

赫章河口水庫引水建筑物設(shè)計(jì)階段落實(shí)了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，在造價(jià)控制的基礎(chǔ)上，對(duì)引水隧洞的設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行討論，并對(duì)壓力鋼管進(jìn)行經(jīng)濟(jì)選材，通過方案比選實(shí)現(xiàn)對(duì)造價(jià)的有效控制，切實(shí)提升了工程項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。

造價(jià)控制效果在一定程度上決定了水庫項(xiàng)目建設(shè)效益[1]，尤其是建設(shè)項(xiàng)目做出投資決策后，設(shè)計(jì)就成了有效控制工程造價(jià)的關(guān)鍵。

造價(jià)控制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，水庫工程項(xiàng)目落實(shí)期間必須要進(jìn)行全方位、多層次的管理[2]，全面把控投資決策、設(shè)計(jì)、招投標(biāo)施工階段，促進(jìn)水利水電工程健康、持續(xù)發(fā)展。

[1]黃濤,馮華.九龍水庫引水建筑物的設(shè)計(jì)與布置[J].黑龍江水利科技,2014(4):93-94.

[2]張勇.板橋水庫復(fù)建工程實(shí)際造價(jià)在效益項(xiàng)目中的分?jǐn)俒J].治淮,1995(4):39-40.