浅析水电工程重大水库设计质量控制对策

彭文明， 余学明

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

我国水资源丰富，河川径流总量居世界第六位。但我国水资源时空分布不均，受季风气候的影响，降水量年内分配极不均匀，各地降雨主要发生在夏季。因此，在大江大河上拦河筑坝，形成蓄洪水库，调节江河径流，防止水旱灾害，开发利用及保护水资源，发挥防洪、发电、灌溉、航运、供水等综合效益，是维护江河健康、人水和谐共处、促进社会经济又好又快发展的重要工程措施。

水库工程的勘测设计是影响水库及大坝建设投产、安全运行的先决条件。随着后续水电开发难度地不断加大，水电建设成本大幅提高，其中水库工程尤其为甚。重大水库工程存在技术难度高、外部影响因素多、自身经济效益差等问题，对工程勘测设计、尤其前期论证工作提出了较高要求。笔者基于西南地区重大水库工程开发建设难的现状，针对工程遇到的勘察设计重大问题，提出工程设计质量控制策略。

1 水库建设对能源及水资源安全的重大意义

据中国大坝协会2009 年统计[1]，截至2008 年底，我国已建各类水库87 151 座(未计港、澳、台地区) ，水库总库容7 064 亿m3，为我国河川总径流量的26%，占世界已建水库总库容的9.9%。已建水库为我国经济突飞猛进发展发挥了应有的作用。

习近平总书记在十九大报告中要求：“推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系”“优化区域开放布局，加大西部开放力度”“强化举措推进西部大开发形成新格局”。加快西南水电建设是撬动西部大开发形成新格局的重要支点，对于加快电力转型、实现能源电力高质量发展、促进民族团结和社会稳定、点燃西部经济发展“引擎”、建设美丽中国具有重要意义。

四川、云南、西藏三省(区)是我国水资源最丰富的地区，理论蕴藏量占全国总量的三分之二，技术可开发量占全国总量的71%。截至2016年底，三省(区)水电装机容量1.35亿kW，开发程度仅为31.7%(按装机计算)，我国西南水电开发潜力巨大。西南水电资源主要集中在金沙江、雅砻江、澜沧江、怒江、大渡河等流域，在大江大河上设置调节能力强的水库电站，采取合理的运行调度模式，能使全流域水能资源和发电能力得到最大限度地发挥。

目前，西南“五江一河”流域的几座高坝大库正在兴建。雅砻江中下游控制性水库两河口水电站(土石坝，坝高295 m)，最大库容107.67亿m3，调节库容65.6亿m3，具多年调节性能，于2014年10月开工，预计2021年首台机组发电；大渡河上游控制性水库双江口水电站(土石坝，坝高312 m)，总库容28.97亿m3，调节库容19.17亿m3，具年调节性能，于2015年7月开工，预计2023年全部投产发电。这些大型水库建成，将进一步完善我国西部多个清洁能源基地、水资源安全储备基地的建设。

2 重大水库工程勘察设计难点

2.1 水库条件复杂影响方案选择

影响水库方案的因素包括水资源条件、地质条件、征地移民规模、环境保护对象、工程技术条件、社会经济条件等，上述任何一个因素都可能制约水库方案的选择。

上世纪20年代提出三峡水库开发建设的设想，因技术、经济等多种原因，直至1958年国务院通过《长江流域规划要点》，确立了三峡工程在长江流域规划中的主体地位；在开展大量专题研究的基础上，结合修建丹江口水库(60年代)、葛洲坝电站(70年代)积累的实践经验，1984年国务院批准三峡工程150 m大坝的方案，但专家们对水库采用低坝、中坝、高坝方面，关于防洪、航运、发电、移民、环保等问题的意见难以统一，于1986年重新组织论证[3]。至1992年七届全国人大五次会议通过《关于兴建长江三峡工程决议》，三峡工程由论证阶段走向实施阶段。

从三峡水库方案论证的过程可以看出，各水库条件因素对重大水库工程方案选择影响非常大。

2.2 高难工程技术要求更高安全指标

水库工程利用其蓄洪调节功能，发挥防洪、发电、灌溉、航运、供水等综合效益。但水能载舟，亦能覆舟，如果水库失事，其造成的后果甚至比洪水更可怕。大自然通过诸多泥石流堰塞湖溃坝，为我们提供了真实的溃坝危害资料。比如2000年西藏自治区波密县易贡特大滑坡堵江形成62 m深的堰塞湖，据反演计算[4]，溃坝后洪峰流量超过4万m3/s，远超历史最大洪水。

重大水库工程一般都是高坝大库，筑坝技术难度大，而大坝和库区防渗、抗渗是安全、稳定发挥水库调蓄综合效益的重点。目前部分正在开展工作的水库工程，因其坝基覆盖层深厚，大坝坝基存在沉降变形、抗滑稳定、坝基砂土液化、坝基渗漏和渗透稳定等问题，对大坝工程提出高难的技术挑战，甚至影响水库工程方案的成立。

2.3 补偿机制缺位影响建设推进

龙头水库工程造价高，自身发电效益通常较差，其经济效益主要体现在下游梯级发电和综合利用方面。从流域统一调度来看，通过科学规划、先进技术和高效管理等手段，对一条自然形态河流水能及相关资源进行有序开发、集约运营、综合利用，才能使资源效用得到最大程度发挥。

然而，目前流域梯级补偿机制缺位，梯级电站补偿效益分摊方法也是百家争鸣、难以统一，在工程建设过程中相关利益方对补偿效益分摊原则往往存在主观偏好，难以达成共识，导致龙头水库电站建设滞后，影响全流域梯级水电利用效率。

3 工程设计质量控制对策

3.1 引入新技术全面夯实基础资料

按照国家相关勘测设计规范规程要求，开展充分的勘测、设计和科学实验研究工作，是保障大型水库大坝勘测设计深度和精度的基本条件。对于西南地区，部分河流域梯级开发，由于缺乏基础资料，在设计周期有限的条件下，有必要采用航空测绘、重型勘探、新建水文站、构建地震监测台网、建立社会环境重点对象信息系统等多种先进手段，全面夯实基础资料。基础资料收集分析整理要求系统化、定量化，详实可靠，避免重大偏差。

在全面收集水电建设基础资料的同时，采用BIM技术高效快速整合海量勘察数据，加强对复杂工程地质条件的分析，是提升勘察精度的重要手段。中国电建集团成都院的工程地质信息管理系统(GeoIM)，可对大量勘察数据进行系统处理，是BIM技术在工程勘察方面的典型应用案例。

3.2 采取组合式研究思路选择水库方案

水库的经济性体现在水库库容的最大效益化。在社会环境影响可接受、工程技术问题可解决的前提下，合理设置调节库容是关键。对于大型水库而言，调节库容一方面体现在“立面”的水位设置，即正常水位、死水位选择；另一方面体现在“平面”的水库位置，即坝址选择。两者相互影响，都是水库库容设置的关键因素。突破常规思路，对正常水位、死水位、坝址进行组合式研究，可有效获得合理的水库方案。

在水位选择与坝址选择方案组合中，可采取同正常水位的不同坝址方案比选，也可采取同调节库容的不同坝址方案比选。同时，水库方案需考虑工程技术、发电设备技术等因素，还受环保、征地移民等影响，在方案比选中需综合论证。在坝址方案初选后，还需进一步对选定坝址进行不同特征水位方案的比较，明确水库工程方案指标。

因此，大型水库方案影响因素众多，围绕水库调节库容、环境影响、淹没影响、工程技术及施工条件等关键问题，方案研究应首尾兼顾，采用组合式研究思路，统揽全局，合理选择水库方案。

3.3 关键技术问题“组团”攻坚克难

对于建在深厚覆盖层上的大型水库工程，大坝挡水高度和坝基覆盖层地质条件是决定大坝工程技术难度的制约因素，其中坝基防渗和加固是关键技术问题。国内通过瀑布沟(土质心墙堆石坝，坝高186 m，覆盖层厚75 m)、长河坝(土质心墙堆石坝，坝高240 m，覆盖层厚70 m)等工程实践，积累了丰富的高坝坝基深厚砂(卵)砾石覆盖层防渗技术经验。而正在研究的西南部分河流水电开发，河床覆盖层以中粗砂细颗粒为主，物理力学参数低，加上高地震烈度，修建高坝大库的坝基处理难度远远超出已有经验水平。

类似超经验技术难题，需组织国内外有影响、有实力的研究单位共同研究，通过技术研讨共同策划、制定研究路线，并“组团”开展科研试验、计算分析、方案论证，攻坚克难解决关键技术问题。

某工程在强震区深厚细粒覆盖层上修建高坝大库，存在坝基沉降、抗滑失稳、砂层液化、渗漏及渗透稳定等一系列工程地质问题。设计方提出以碎石桩为主的处理方案，桩深远超国内外施工水平。由于坝基加固方案是制约控制性水库成立与否的关键问题，需验证超深碎石桩的技术可行性。为此，组织设备厂家、施工单位、高校及科研机构、设计院及咨询机构，联合优势力量“组团”进行关键技术科技攻关，通过设备改造、现场施工、检测试验、计算分析、方案研究等一系列研究工作，逐步论证方案的可行性。

4 结 语

实现“构建清洁低碳、安全高效的能源体系”的目标，积极推进西南水电建设，是未来一段时期我国水电开发的趋势。为使流域水资源得到最大程度的综合利用，在大江大河上设置控制性水库是必要的工程措施。从西南地区金沙江、雅砻、大渡河等流域的已有工程经验可知，控制性水库存在工程建设条件差、工程技术难度大、社会环境影响关注度高等难点，导致控制性水库工程技术质量不易控制，经济分析受到影响，影响工程建设进程。

本文结合相关工程技术质量管理经验，提出工程设计质量控制策略，包括：

(1)采用航空测绘、重型勘探等多种新技术手段全面夯实基础资料，避免重大资料偏差。

(2)采取组合式研究思路合理选择水库方案，不遗留工程重大决策失误隐患。

(3)邀请国内外有影响、有实力的研究单位共同研究关键技术难题，确保设计方案技术可行、安全可靠。