EPC项目设计变更的管理

雷 军，谢江华，郑家祥

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

EPC项目管理中的设计管理仅是EPC项目管理中的一个分支，但是由于设计在EPC项目中举足轻重的龙头作用，设计管理到位了，项目管理就可事半功倍。

大多数工程在项目实施之前，设计方案就已经基本成型，到了实施阶段，由于地质条件、施工环境的变化乃至施工工艺、施工方法的局限都有可能导致设计方案或大或小的调整变更，这些调整或者变更对于设计人员和项目管理者来说常常是个棘手的问题。可见，项目在技施阶段的设计管理主要就是设计变更的管理，实用、高效、有序的变更管理，在EPC项目的设计管理中至关重要。

本文以坪头工程为例，介绍在该项目中如何利用《矛盾论》的方法将设计变更分门别类地进行处理，做到了设计和现场的无缝衔接。

2 矛盾论概述

《矛盾论》作为唯物辩证法的“理论核心”，在马克思主义哲学中占有极其重要的地位，并在实践中发挥着极其重要的理论解释功能。

《矛盾论》具体包括以下5个方面：

(1)阐明了内因和外因的辩证关系，指出外因是变化的条件，内因是变化的根据，外因通过内因而起作用。

(2)论述了矛盾普遍性和矛盾特殊性的原理，指出矛盾存在于一切事物的发展过程中，每一事物的发展过程中存在着自始至终的矛盾运动。矛盾的普遍性和特殊性的关系，就是矛盾的共性和个性的关系，二者相互区别、相互联结又相互转化 。

(3)论证了主要矛盾和矛盾主要方面的原理。认为矛盾发展的不平衡性是主次矛盾和矛盾主次方面的客观依据，规定了主要矛盾和主要矛盾方面的定义，说明了找出主要矛盾和矛盾主要方面的方法论意义，并论述了矛盾对立双方相互转化的根据和条件。

(4)阐明了矛盾诸方面的同一性和斗争性及其相互关系。认为对立的统一是有条件的、暂时的、相对的，对立的互相排斥的斗争则是绝对的；有条件的相对的同一性和无条件的绝对的斗争性相结合，构成了一切事物的矛盾运动。

(5)分析了矛盾斗争的两种基本形式即对抗性的矛盾和非对抗性的矛盾，并指出二者在一定条件下相互转化。

本文将重点阐述上述《矛盾论》中主要矛盾和矛盾主要方面的原理在坪头电站引水系统设计变更管理中的应用。

3 设计管理矛盾甄别

欲用《矛盾论》来进行设计变更的管理，就必须首先罗列出和设计变更相关的矛盾。所有水电工程在实施过程中和设计变更相关的矛盾主要分为两大类：设计内部矛盾；设计风险和工程风险的矛盾。

设计内部矛盾包括：

(1)基础资料(水文、地质等)变化引发的矛盾；

(2)相关专业之间不同功能诉求的矛盾；

(3)引用不同规程、规范或设计文件、科研成果间的矛盾；

(4)设计人员不同设计风格之间的矛盾。

这些是可以通过设计各专业处室、各专业人员复核、协调、磨合加以解决的。本文不探讨此类矛盾的解决。

下面重点介绍设计风险和工程风险的矛盾。所谓工程风险，自然包括工程的永久安全、施工安全、投资、进度等方方面面。所谓设计风险，由于长期形成的习惯，更多地是考虑是否满足设计规范要求，是否与上一阶段的设计成果一致，是否与相关模型试验成果有冲突，如果能满足这些要求，则基本上可以消除设计风险，但仅仅满足这些要求的设计方案因为其并非唯一性而往往很难是满足工程实际的最优方案。据此，设计风险和工程风险的矛盾可以细化为：

(1)设计方案和结构安全的矛盾；

(2)设计方案和施工(工艺、安全、进度)的矛盾；

(3)设计方案和投资的矛盾。

以上矛盾常常交织而并非表现单一的矛盾形态，但总体来说上述矛盾均为非对抗性矛盾。项目管理者可以通过针对问题的主要矛盾或者矛盾的主要的方面并对症下药找出解决它们的正确方法，同时使原来就是次要矛盾或矛盾次要方面的影响降到最低。

实践表明，机电设计方案本身以及机电设计与土建设计专业之间的协调衔接对于工程机电安装的进度和投资起着至关重要的作用，只是因篇幅所限不在本次总结之列。本文涉及电站的土建主体结构分为首部、引水系统及厂房三大部分。地下厂房将处于其下游巨型水库的长期浸泡之中，设计难点在于防渗体系能否在下游水库蓄水之后发挥应有的功效，确保厂房正常运行，还有待于检验。首部枢纽闸坝的基础(防渗墙、帷幕)及上部结构在地质条件基本未发生变化的情况下，设计现场调整也相对较少。

引水系统因其战线长、地质条件复杂且变化多端，对设计人员而言，必须根据现场实际地质条件的变化及不同结构的不同功能要求及时进行调整，并且要根据安全、施工、投资这三者在矛盾体中所占主次的不同而采取不同的思路和变通策略。故在此仅举引水系统的设计调整和及时跟进服务来作为项目设计变更管理的总结。

4 安全为主要矛盾时的设计

任何工程的安全、施工、投资既互为矛盾体又相辅相成，总体来说安全在大多数时候绝对是主要矛盾。对引水隧洞而言，其衬砌型式及固结灌浆的合理选择均关系到工程运行的长治久安，避车洞的封堵，事虽小但处理不当也带来隐患。另外，本电站由于引水系统后段的地质条件恶化，蝶阀室天锚和基础的处理也存在施工和运行的安全问题。

4.1 引水隧洞衬砌型式的调整

一般说来，前期水工隧洞的衬砌型式往往仅考虑或主要考虑该段隧洞预测围岩的类别就加以确定。在本电站的施工过程中，由于项目管理的精细要求，设计对衬砌型式的调整不仅考虑围岩的类别，还看围岩类别划分的各项内容(强度、完整性、结构面、地下水等)的具体得分情况；不仅考虑水平埋深、垂直埋深，还考虑对应洞外边坡的性状；不仅考虑喷锚段和衬砌段的频繁交替对施工布置带来的影响，还考虑台车长度和衬砌型式的匹配。如此，则有些洞段衬砌“加强” ，有些洞段衬砌相对“减弱”。“加强”使运行安全更有保障，“减弱”在确保安全的前提下使施工进度加快。

4.1.1 引水隧洞后段的钢衬设计

引水隧洞后段(11+305～12+711m)山体斜坡为顺向坡，覆盖层较厚，细晶白云岩“砂化”严重，运行期如有内水外渗，势必引起隧洞围岩状况的进一步恶化，并引发覆盖层稳定问题。故原限裂设计的衬砌结构设计在该段隧洞已不再适用，隧洞的衬砌结构要求达到“不透水”，并且不宜考虑围岩的抗力。最终经技术经济比较，设计推荐采用钢板衬砌方案。

4.1.2 加强型喷锚支护的运用

水工在引水隧洞普遍适用的基本设计原则为：Ⅲ类围岩一般采用喷锚支护；Ⅳ、Ⅴ类围岩一般采用钢筋混凝土衬砌，Ⅳ、Ⅴ类围岩衬厚不同。

所谓加强型喷锚支护，就是在常规喷锚支护的基础上适当加强支护参数或者增加固结灌浆。在坪头电站，加强型喷锚支护采用了两类，B(一)型和B(二)型。常规喷锚支护参数：挂网喷C25混凝土，厚15cm，钢筋网采用φ8@20cm×20cm，系统锚杆φ22 ,L=3.5m，交错布置，排距1.5m。B(一)型支护参数为：挂网喷C25混凝土，厚15cm，钢筋网采用φ8@15cm×15cm，系统锚杆φ25 ,L=4m；φ25，L=5m，交错布置，排距1.2m。B(二)型支护参数与B型(一)相同，仅增加固结灌浆。

加强型喷锚支护既有针对Ⅳ类围岩体的，也有针对Ⅲ类围岩体的。

对于某些洞段，虽然围岩体为Ⅳ类(主要是由地下水和结构面造成)，但强度和完整性都属上乘，再加上水平埋深600m以上，垂直埋深也有400m，对于此类洞段，不采用钢筋混凝土衬砌，而采用加强型喷锚支护进行了相对“弱化”处理。

对于某些Ⅲ类围岩体洞段，虽然围岩体为Ⅲ类，但其完整性较差，易片帮掉块，或是溶蚀溶隙及溶洞较发育、埋深较浅的洞段，则不进行常规喷锚支护，而是采用加强型喷锚支护甚至将喷锚改为钢筋混凝土衬砌进行了相对“强化”的处理。

4.1.3 引水隧洞4号施工支洞的延长衬护

正常情况下，引水隧洞施工支洞的封堵段长度是根据封堵体与支洞岩壁之间的摩擦力和粘结力大于对应洞段的水头所产生的水推力而确定的，按此原则4号支洞的封堵体长度为30m。但是，由于4号支洞离引水隧洞后段全、强风化洞段不远，对应主洞上、下游范围60m 均为Ⅳ、Ⅴ类围岩，而支洞上游60 m外即是连续的喷混凝土衬护，同时该洞段发育数条小断层在支洞内被切割后连续出露在30m封堵体之外。正常运行时，4号支洞内水水头达53m，主洞内水外渗后会沿支洞封堵体外的岩体裂隙出露。

综合考虑工期、费用及处理效果，设计会同项目部慎重研究，决定在已完成封堵段的基础上新增50m混凝土封堵段。此方案虽不能减少总渗量，但可将渗水引向完整岩石，在有效埋深内形成稳定渗流场，同时可通过延长渗径确保最大限度降低隧洞围岩体受到渗流所带来的破坏性影响。

后来的充水运行实践证明，适度延长封堵段的方案是必要的、可行的，效果也是显著的。

4.2 灌浆洞段的增与减

对于常规设计而言，喷锚洞段一般无固结灌浆，混凝土衬砌段往往必有固结灌浆。在坪头电站的技施阶段，设计根据引水隧洞沿线各洞段围岩类别、岩性、地质构造、地下水、水平埋深、垂直埋深、洞段外有无民居以及隧洞的承压水头等综合因素进行考虑，对固结灌浆洞段进行了调整。

对桩号3+900m上游，尽管有些洞段围岩类别Ⅳ、Ⅴ类且地下水渗水严重，但是埋深近1 000m，洞外边坡为岩质边坡直接临河，无任何民居，且运行水头仅20多米，故对这些洞段取消了固结灌浆；而对于桩号5+390m～6+480m，该洞段衬砌类型为喷锚，围岩为坚硬完好的Ⅲ类，洞段埋深160～300m，满足规范不衬砌压力隧洞的埋深要求，但洞段外正对总包生活营地、一个乡镇及一座地方小电站，内水水头40m，哪怕一小股内水外渗引起的边坡失稳都会带来不可挽回的损失和影响，经慎重考虑后设计要求对此洞段进行固结灌浆。

运行以来，隧洞沿线的所有沟渠、边坡均未发现渗水痕迹及其它异常情况。固结灌浆洞段的一减一增，“减”是在确保安全的前提下节约了工程量，“增”则是在敏感洞段投入了必要的工程量换来安全。

4.3 蝶阀室天锚及接力器基础处理

蝶阀室顶拱设有天锚以便施工期安装蝶阀体及在运行期检修起吊之用，蝶阀室底板设有大量锚筋以解决蝶阀开关时接力器拉拔力产生的基础受力稳定问题。但是由于蝶阀室位于压力管道上平段，属于引水系统后段地质条件极端恶化的洞段，整个洞段岩体全、强风化，结构松散，基本没有粘结力，因此，无论是顶拱的天锚还是底板的锚筋均无法深入基岩，起不到受力、传力的作用，可谓是“上入不得天，下入不得地”。基于此，设计对顶拱天锚及底板接力器基础分别进行了调整。

对顶拱天锚的调整：在蝶阀室顶拱混凝土内布设16b槽钢和20b工字钢，天锚位于两品槽钢之间，并与两品槽钢双面焊接，工字钢则作为槽钢支撑布置在顶拱两侧边墙里，如此，可将天锚的受力通过型钢转移到侧墙混凝土。天锚不必深入基岩也可确保蝶阀安装和检修时起吊的安全。

对底板接力器基础的调整：在基础底部预埋型钢及钢垫板，将蝶阀及接力器地脚螺栓焊接在型钢上，且置于阀室底板底层钢筋以下，将地脚螺栓与阀室底板钢筋网连接成整体，从而既增加了接力器地脚螺栓和混凝土之间的握裹力也增大了基础混凝土的体积及重量。如此，在蝶阀运行时，接力器拉拔力既不会把接力器地脚螺栓拔出混凝土，也不会把混凝土基础整体拉起，确保了蝶阀运行的安全。

5 施工为主要矛盾时的设计

有时，原设计方案或原设计的要求实施起来存在实际困难，要么施工方案复杂，常规手段不易实现，要么影响其他洞段的施工，从而占用直线工期。此时，施工上升为主要矛盾，设计需要配合现场积极调整方案或要求，并重新复核、确认结构在新方案或新要求之下运行安全的可靠性。这些调整要求设计具有高度的责任心、较强的专业思辨能力和灵活处理的能力，同时对工程要有全面的了解。可以说每一次调整都有设计付出的心血和智慧。

5.1 引水隧洞的基础处理

原则上，设计要求对引水隧洞的底板基础必须清理至新鲜基岩出露，并用混凝土回填。按此要求，实际操作中，有些洞段虽可很快见到基岩，常常不得不将不完整的岩石基底敲出，形成超挖再用混凝土回填，如此既耽误施工时间又浪费混凝土工程量；有些洞段，则因为岩性软弱，即便掘地三尺也很难见到新鲜基岩，超挖量让人心疼。

鉴于此，设计根据埋深、水头、衬砌型式、岩性的不同，分洞段对底板基础的处理提出不同的处理意见。对于埋深大于500m、水头小于30m、没有固结灌浆要求的洞段，只需要求底板密实即可，不一定见到新鲜基岩；对于已经超挖的部分底板，也可以用级配良好的石渣回填碾压密实。具体操作时，设计到现场对不同洞段提出具体要求。此举虽然给设计带来了较大的工作量，但对工程的工期和投资都产生了积极的影响。

5.2 喷锚洞段喷层厚度与临时钢支撑的处理

某洞段在开挖过程中存在顶拱及边墙塌落、掉块等现象，开挖后及时进行了钢拱架加喷混凝土的临时支护措施。其永久支护设计为加强型的喷锚支护。

由于作为临时支撑的钢拱架并未全部顺贴岩壁，故实际在进行永久喷锚施工时存在两种施工方案：(1)采用模喷，将型钢及其连接筋全部埋入喷层内；(2)喷层厚度满足设计要求的15cm即可，型钢及其连接筋暴露在喷层外。

两方案各有利弊。若采用方案一，施工立模不便，满堂脚手架影响相邻洞段的施工，设计从水力学、结构及运行安全等方面综合考虑之后，同意现场采用方案二。

(1)对水力学的影响：隧洞最大引用流量72m3/s时，对应流速约2.15m/s，满足不冲流速的要求。也就是说洞内水流对型钢及连接筋的冲刷相当有限。水头损失方面，方案二由于型钢暴露，会有局部损失，但是如果按方案一将型钢及其连接筋全部埋入喷层内，则其喷层厚度增加达40cm，也即洞段内径缩小80cm，该洞段会因流速增大而增加沿程损失，加之两端的局部损失，则两方案水头损失基本相当，方案一水损还略大于方案二。

(2)对结构的影响：如果采用方案一，喷层厚度在设计厚度基础上增加40cm，达到55 cm，则其粘结力大打折扣，喷层很快就会有剥落等现象，反而于结构不利，故比较之下方案二更具实际意义。

(3)对永久运行安全的影响：该洞段水头仅27m，而其水平埋深达910～970m，垂直埋深也有510～528m，且岩性新鲜，坚硬，即该洞段不会发生内水外渗。另外，如果连接筋及型钢因日久锈蚀也不会对机组运行构成影响，连接筋掉落后会进入集石坑，而型钢则因其整体尺寸远大于隧洞钢衬及压力管道，无法通过这两道屏障进入机组，长久运行是安全可靠的。

5.3 避车洞的处理

一般，对避车洞的处理为：按照衬护后整体的洞型断面，将避车洞一侧用浆砌石回填之后再用砂浆抹面，也有用砖墙仅砌筑口门区的。但是，前者费工费料，且在有固结灌浆时，该洞段不好处理；而后者往往会在运行后隧洞放空时，砖墙被外水推倒。

12.7km隧洞共有避车洞近30个，前期其封堵仍采用浆砌石回填、砂浆抹面的方式，但后来在施工过程中因找不到块石，且固结灌浆时吸浆量巨大，设计经过现场查勘，分析认为避车洞所处洞段岩性相对完好，基本不会大块崩塌具备挂网喷护的可能，更重要的是，经过计算，一个避车洞不进行封堵，其产生的水头损失0.1～0.15m，所有避车洞全部不封堵，水头损失也仅4m。因此，设计将后来的避车洞处理都调整为挂网喷护而不再封堵。

5.4 岔管打压试验的场地选择

采用一条主管经一个不对称“Y”形岔管和一个“卜”形岔管分成三条支管向三台机组供水的方式布置，即压力管道水流进入机组前需流经两个岔管。

由于水压试验既可以检测岔管母材及焊接施工质量，同时也是消除施焊产生的残余应力、钝化应力峰值的有效手段，因此设计要求对两个岔管在工厂进行水压试验。

根据压力钢管设计规范规定：岔管应作水压试验，经论证也可不作。虽然做水压试验既要付出经济代价，也占一定直线工期，但是考虑到确保岔管的施焊质量以及运行安全，项目部决定进行水压试验。设计要求在工厂进行水压试验，主要是基于试验的可靠性及安全保证。但若此，就需要在试验完成后，岔管经厂房交通洞整体运输进入隧洞。现场情况是，厂房交通洞已经浇筑完成，其净空尺寸无法满足“Y”形岔管的整体运输要求，只能将瓦片运进洞，在洞内拼装施焊并进行现场整体打压试验。

于是，设计帮助复核了钢管支撑、闷头设计的安全性，同时参与审查了安全预案，最终同意进行洞内现场整体打压试验。

5.5 隧洞钢衬及压力管道接触灌浆脱空面积的界定及预埋花管的使用

钢管外包混凝土浇筑结束后，需要通过预留孔进行接触灌浆。接触灌浆检查通过敲击，若脱空面积大于某值时，需要重新开小孔补强接触灌浆。而脱空面积的界定，规范中并没有明确的规定，都是经工程类比而得。

电站钢管衬砌有1 400m的隧洞钢衬及400m压力管道的接触灌浆，长度之长在其他工程几乎没有。若对脱空面积的确定太过严苛，无疑会带来施工困难及工期拖延。通过类比，设计最初的要求是：隧洞钢衬接触灌浆的脱空面积不能大于0.6m2，压力管道接触灌浆的脱空面积不能大于0.3m2。

接触灌浆先从隧洞钢衬开始，完成后通过敲击检查，按0.6m2的脱空面积要求，前600m的隧洞钢衬段为了补强接触灌浆，竟然重新开小孔达500个。主要原因是原设计预留孔灌浆效果难以保证，且灌完之后又会干缩，脱空面积较难达到要求。但是如此重开小孔补灌再封焊，既耽误直线工期又伤害钢管母材，且小孔太多，稍不注意容易漏焊，影响工程安全。

隧洞钢衬是按洞内明管设计的，即无论是内水压力还是外水压力工况，钢管的设计厚度都能满足其应力及变形要求。因此，对于后800m的隧洞钢衬段设计提出：只要不出现连续的太大的空响声(至少脱空2～3 m2)，则无需补强接触灌浆。

对于压力管道，钢管壁厚的设计中，其实是考虑了钢管和混凝土之间有微小缝隙的，由此反推脱空面积并收集了更多的工程类比资料，最终确定其脱空面积采用0.8m2。同时，允许施工单位先行封焊原先预留的接触灌浆孔，而在管壁外预埋接触灌浆花管。外包混凝土浇筑完成一定期限后，从花管进行接触灌浆，当脱空面积超标时，也通过花管补灌，极大地减轻了对钢管母材的损害。

6 投资为主要矛盾时的设计

随着施工的进行，发现某些部位的工程地质和水文地质条件比设计所考虑的情况有明显改善，并且可以判定这种改善还会持续存在。若坚持原来的设计，则其安全系数就会有很大富裕。此时，安全让位于投资，投资成为设计调整方案的主要矛盾。

6.1 阀室交通洞及上室交通洞的衬砌调整

对于最初的设计，阀室交通洞和上室交通洞的衬砌是考虑了在运行期有外水存在的。但从开挖后暴露了几个汛期、雨季的情况来看，在自然情况下洞室始终干燥，无地下水侵扰；另外，由于两个交通洞均位于引水系统后段，而引水系统后段经过复核设计后已经调整为全钢衬，在运行情况下也可以做到“滴水不漏”。基于上述原因，设计及时更改了两交通洞的衬砌方案：10m锁口段维持原设计；调压室上室交通洞只衬底板，取消边顶拱衬砌；阀室交通洞由于电缆架设需要，衬砌底板和边墙(大幅度减少钢筋用量)，取消顶拱衬砌。

6.2 阀室及上室顶拱回填灌浆的取消

洞室回填灌浆的主要目的不外乎两个：(1)对于承受内水压力的隧洞，使混凝土结构和岩壁紧密结合，共同受力；(2)对于脱空较严重的顶部通过回填灌浆，可减小顶部继续掉块对结构的冲击荷载，并适当增强结构自身的抗击能力。对于蝶阀室及调压室上室的顶拱部分，均不存在内水工况，且从现场来看，少部分的顶拱塌腔已通过混凝土浇筑处理。故此时两个洞室的运行安全应无忧，投资就成为主要考虑的矛盾。设计决定取消原设计中蝶阀室及调压室上室顶拱部位的回填灌浆，节约了投资。

7 结束语

设计作为EPC项目的龙头，抓住了现场施工中的主要矛盾，主动、及时地对设计方案进行变更和调整，在确保工程安全和施工安全的前提下，尽量使施工简便可行，承包商乐于接受，减少了推诿扯皮，降低了监理和总包的管理成本，使得进度相对较快，投资相对节省，最终使项目管理赢得了高效、共赢、和谐的局面。

《矛盾论》用于EPC项目的设计管理只是一种粗浅的尝试和自我解读。然而，正如前述，设计管理或者设计变更管理仅是项目管理的一个分支，项目管理本身是系统工程，若要由此及彼，由点到面，将《矛盾论》用于EPC项目的各项管理就会显得力不从心。随着技术科学和管理科学的相互促进和发展，系统论在项目管理中将会发挥日益显著的作用，但决不能因此而否认《矛盾论》在某一分支或具体问题中的有效运用。