国际工程EPC 项目设计优化典型案例分析——巴基斯坦SK 水电站项目为例

张宏山

（中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京100020）

1 工程概况

1.1 工程简介

SK 水电站项目位于巴基斯坦北部开伯尔-普赫图赫瓦省（KPK）的曼瑟拉地区，距离伊斯兰堡约256km，距离N-J 水电站项目107km。

SK 水电站项目为长隧洞引水式发电站，引水隧洞长为22.62km，最大静水头922.72m，共安装4 台单机容量为221MW 的冲击式水轮发电机组，总装机容量约为884MW。工程主要建筑物包括：沥青混凝土心墙堆石坝、溢洪道、取水口、引水隧洞、调压井、压力竖井、地下厂房、主变室、尾水洞、厂房交通洞、开关站、电缆洞、N15 改线道路、场内公路和业主永久营地。

项目开工时间为2016年12月31 日，完工时间为2022年12月31 日。

SK 水电站项目是中巴经济走廊第一批清单项目，处于“一带一路”和中巴经济走廊的关键链条上，备受中巴两国政府以及社会各界的高度关注。

1.2 项目相关方

项目股东单位为中国葛洲坝集团公司（98%）、HK（Haseeb Khan）私营有限公司（2%）。业主单位为巴基斯坦SK 水电（私人）有限公司。业主工程师为莫特麦克唐纳（英国）有限公司与黄河勘察规划设计有限公司组建的联营体。EPC 总承包执行单位为中国葛洲坝集团国际工程有限公司。

2 案例分析

2.1 坝型比选优化

原设计方案：2008年莫特麦克唐纳公司在其完成的设计报告中推荐SK 水电站大坝为混凝土重力坝。2012年法国柯恩贝利尔公司对推荐坝型进行了进一步的勘查，发现河床覆盖层厚度超过90m，为此，招标设计阶段推荐坝型由混凝土重力坝调整为沥青混凝土面板堆石坝与混凝土坝的混合坝。在河床部位布置沥青混凝土面板坝，在两岸布置混凝土坝段，左岸布置表孔溢洪道，右岸布置底孔和生态流量坝段。

在投标阶段，EPC 设计团队对大坝坝型进行了研究和优化。经研究，沥青面板坝存在如下问题：一是在寒冷地区的沥青混凝土面板，因受冻融、冰推、风浪、日晒等外因的破坏作用，维护工作量大，运行维护费用高；二是沥青面板与混凝土坝段连接处易产生渗漏。

建议的优化方案：为了使大坝方案更加合理，便于施工，同时增加大坝的安全度和降低投资，EPC 团队推荐采用沥青混凝土心墙堆石坝替代沥青混凝土面板堆石坝。沥青混凝土心墙堆石坝具有下列优点：一是适应基础变形能力强。二是沥青混凝土心墙位于坝体内部，心墙所处环境温度恒定，沥青混凝土各项指标不受气候影响，摊铺压实容易。三是沥青混凝土心墙位于大坝中央，抗冻性能优越。四是沥青混凝土心墙上、下游由过渡料保护，地震时不会产生破坏，抗震性能好。五是沥青混凝土心墙与河床及两岸混凝土垫座易于连接。六是施工围堰可与上游坝体堆石体相结合，围堰可不拆除，节省投资。七是施工质量易于控制，运行维护费用低。

上述优化建议在2017年10月已获得业主和工程师的批准。为整个工程的进度、质量以及工期控制奠定了坚实的基础。

2.2 泄水建筑物方案比选优化

原设计方案：招标文件中，拦河坝坝型为混合坝型，包括布置在中部的沥青面板堆石坝挡水坝段和左、右岸的混凝土坝段。左岸表孔溢洪道共设6 孔，孔口宽度为4.5m，采用开敞式WES 堰，堰顶高程2270m（原高程系高程）。右岸混凝土泄水坝段包括隔墩坝段、生态流量兼导流底孔坝段、底孔坝段等。设5个底孔，每个底孔尺寸4.5×5.5m，进口底高程2244.0m（原高程系高程）。

在投标阶段，EPC 设计团队对招标方案的布置形式进行了认真研究。由于混凝土坝段基础需坐落在完整且新鲜的岩石上，且两岸溢洪道均需要开挖出上、下游泄槽，故两岸都需要进行大量的岩石开挖，形成高边坡，不仅开挖量大，边坡防护工程量也大，征地范围广，而且安全性差。挑流消能冲坑靠近坝脚，危及大坝安全。

建议的优化设计方案：建议取消左岸表孔坝段，将右岸溢洪道采用双层过水形式，通过底孔与表孔重叠布置，减少溢流坝段的总宽度。本布置方案的优点：

一是避免左岸高边坡开挖，减少边坡支护地质风险，方便运行期管理维修。二是堆石坝与混凝土坝段的连接是薄弱环节，取消左岸溢洪道坝段，有利于防止连接处渗漏。三是下泄高速水流被送至远离坝脚的河道，避免对坝脚的冲刷，保证拦河坝运行安全。四是电站进水口紧靠底孔布置，可以充分利用底孔拉沙功能保证进水口前实现“门前清”；管理运行方便。

上述优化建议在2017年10月已获得业主和工程师的批准。优化方案减少了72 万方土石开挖量和近8 万方的混凝土（包括喷混）。

2.3 沉砂池设置比选优化

原设计方案：SK 工程多年平均悬移质沙量为34.2万t，推移质泥沙占悬移质泥沙之比按15%计。则多年平均推移质沙量为8.55 万t。坝址处多年平均输沙总量为42.75 万t。SK 水电站为冲击式水轮机组，额定水头910m，合同文件中沉沙池规模按沉沙粒径0.3mm 设置，不能够满足苏基克纳里水电站水轮机过机含沙量的要求。而且，如果将沉沙粒径提高到0.1mm 或0.05mm，则沉沙池长度、断面尺寸将大大增加。工程量和投资也将大幅度增加，经济上不合理。同时，无论是按沉沙粒径0.3mm，0.1mm 还是0.05mm 设置的沉沙池，在考虑水库沉沙的情况下，沉沙池基本没有沉沙效果。

建议的优化方案：EPC 团队建议电站采用“壅水沉沙、敞泄排沙”运用方式，非汛期水库进行日调节蓄水发电，主汛期（6～7月）水库一般在正常蓄水位发电，多余水量通过底孔排沙运行，当入库流量大于200m3/s 进行敞泄排沙运行，电站停止发电时间为1 天，出库泥沙约40 万t；水库可以保持泥沙冲淤平衡状态，亦满足机组过流部件对泥沙要求。因此，苏基克纳里水电站可不设沉沙池。

目前，上述优化建议已得到工程师认可。沉砂池结构的优化，一是节省了成本，近3000 万美元，二是对工期的保障奠定了基础。

2.4 电站厂址选择优化

原设计方案：SK 水电站采用地下厂房，主厂房垂直埋深约900m。电站厂房系统主要建筑物有主机洞室、主变压器洞室、母线洞、电缆及通风洞、进厂交通洞、尾水洞及开关站等。主变洞与地面开关站通过GIL 出线洞连接，布置在主变洞的左端。GIL 出线洞为城门洞型，衬砌后断面尺寸为5m×6.8m，总长度为1580m。交通洞布置在主厂房的左端，断面形式为城门洞型，断面净尺寸为8.0m×10.0m，长度约2338m。

原设计方案地下厂房和压力管道距MBT 断层较远，区域构造稳定性较好，压力管道不穿越活断层，运行期地震风险小。但是，GIL 出线洞、交通洞和尾水洞仍需穿越活断层。且地下厂房埋深大，存在高地应力、高地温、岩爆、涌水和软岩大变形等问题，施工期不良工程地质风险高。另外，厂房埋深大，导致交通洞地下厂房开挖、混凝土浇筑、机电设备安装成为本工程关键线路，存在较高的工期风险。同时，征地范围较分散，获取难度大。

建议的优化方案：地下厂房外移至距昆哈河最短距离约700m，最大埋深约350m。主厂房埋深由原来的900m 减到350m，尾水洞由原方案的3700m 缩短至840m，相应的交通洞、电缆洞由原方案的2338m、1580m分别缩短至620m 和550m，压力钢管由原方案的2250m增加至4480m，低压引水隧洞由原方案的19.9km 增长至22.6km。

EPC 推荐的方案中厂房位置外移至距昆哈河约700m，埋深适中，约350m，岩性为厚层变质玄武岩，岩石强度高。因交通洞、出线洞、尾水洞长度大幅度缩短，布置灵活，工期有保障。

EPC 推荐的方案，在2017年已获得工程师批准。截止目前，地下厂房开挖工作已全部结束，正在进行机组混凝土浇筑施工。实践证明，地下厂房外移的优化设计是正确的。同时，相比原合同计划，在征地移交进展不变的前提下，厂房线路已提前了近半年的工期。

3 经验总结

目前，SK 水电站项目已全面进入高峰期，尤其大坝区域和厂房区域开挖工作已全部结束，实践证明，上述所有的优化设计都是成功的，对项目的按期履约奠定了坚实的基础。总体而言，一项成功的设计优化基于以下几点：

3.1 设计方案优化的目的要明确

首先是对原有的方案进行客观的评价，评价其技术上是否可行、经济上是否合理、施工上是否便利、工期上是否可控、地质情况是否准确等，只有通过评估，才能明确优化的方向，确定优化的目的，同时，优化过程要分清楚主次矛盾，确定重点。是基于工期角度，还是基于成本角度，还是基于施工方面。例如，SK 水电站厂房的外移，就是基于原设计方案征地难以解决，工期不可控的原因。

3.2 设计方案优化的基础工作要详实

所有设计方案优化的建立都要基于现场的实际情况，要对所涉及的区域内的地形、地貌、地质情况进行充分的勘探研究，在获取最基础的相关参数后，才能建立优化方案。例如，SK 水电站坝型的选择和泄水建筑物的优化，就是基于现场实际的地质条件，以及工期方面和成本方面的原因。

3.3 优化方案的对比分析要准确

所有的优化方案都要从不同的角度和原设计方案进行比选。如成本方面、工期方面、施工难易程度方面以及潜在的风险方面，让业主和工程师明确的了解优化的方案的优点，但是，也不能规避其缺点。例如，SK 的地下厂房外移，在有利于厂房工期控制的条件下，压力钢管工程量有所增加，面对的地质条件也更复杂，但总体评估，是利于项目建设的。

4 结束语

因此，对于EPC 工程，一定要充分发挥设计为龙头的优势，通过超前的预判，大胆的设想和科学的设计，为整个工程的进度、质量、安全奠定坚实的基础。