巴基斯坦真納水電站工程中的拋石護坡設計

巴基斯坦真納水電站工程中的拋石護坡設計

真納水電站位于巴基斯坦西部印度河上現(xiàn)有水庫的右岸。這是一座引水式水庫，配備8.12mw垂直井污染機。引水渠及尾水渠的兩側堤壩均采用形式簡單、施工便利的土石壩分層填筑,塊石護面(俗稱拋石護坡)的設計。由于前期技術準備和設計工作方面的不足,以及EPC合同性質,使承包商和業(yè)主在塊石護坡的厚度和塊石粒徑等問題上產(chǎn)生了很大的分歧,并進而從技術問題上升為商務問題,對工程的成本和工期產(chǎn)生了重大影響。經(jīng)過3年多時間反反復復的爭議,最后在業(yè)主的主持下通過模型試驗的方式驗證了承包商施工階段設計的正確性。本文將對這一問題產(chǎn)生的背景、解決過程及應從中汲取的經(jīng)驗教訓進行研究和總結,以供類似工程參考。2中國業(yè)主咨詢公司的性質真納水電站的堤壩保護采用拋石護坡,承包商的設計護坡厚度為0.5m,而業(yè)主的咨詢顧問ACE公司在2006年首次審批設計文件時就提出此厚度應增加到0.9m。從此,雙方開始了3年多的爭論,并就此展開多次協(xié)商,且各自都提出了自己的論證計算文件。因為護坡厚度的變化將導致工程量的增加,從而導致400多萬美元的成本增加和超過半年的工期增加,因此承包商堅持不讓步。最終業(yè)主單方面決定委托第三方即旁遮普省灌溉局下屬的水利研究站進行水工模型試驗來判定我方0.5m的護坡厚度是否能滿足工程安全要求。對一項常規(guī)的已在工程實踐中大量應用的拋石護坡的設計結果,為何會產(chǎn)生如此大的分歧呢?業(yè)主的咨詢顧問公司是依據(jù)什么判定承包商的設計厚度不安全,從而提出要求增加護坡厚度的呢?這得從業(yè)主咨詢顧問公司ACE的機構性質及真納項目的EPC合同性質說起。ACE咨詢公司是由5家公司組成的咨詢聯(lián)營體,擅長工程監(jiān)理,即對工程施工過程的具體事務非常熟悉,如施工質量控制及施工規(guī)范等。但在工程設計及主機制造等方面,該公司成員大多缺乏相應的經(jīng)驗和能力。真納項目采用的是FIDIC條款下的EPC合同總承包模式,在此模式的總價合同條款下沒有規(guī)定任何第三方。就是說,該合同的參與者只有業(yè)主和承包商兩方,并未指定或賦予任何第三方參與合同事務。但本合同的業(yè)主WAPDA在長期的工程實踐中,大量應用的是FIDIC合同條款下的單價合同。在該合同條款下,設有咨詢工程師作為業(yè)主和承包商外的第三方參與合同事務,即我們通常所說的監(jiān)理。因此,在真納主合同中,業(yè)主在特殊條件中增加了一個角色“管理顧問”,其職責是協(xié)助業(yè)主代表履行工程管理職能,這說明“管理顧問”決不是獨立于業(yè)主的第三方,而是業(yè)主代表的“管理助手”。但實際情況是,業(yè)主WAPDA通過雇傭合同要求一家完全獨立于合同外的第三方咨詢公司ACE對整個工程建設活動包括設計、施工、和制造的具體過程進行管理,其身份便如同單價合同中的監(jiān)理,而不是單純的“業(yè)主代表的助手”。尤其是工程建設技術問題,業(yè)主將技術文件的審批過程和權力都完全交給了這家咨詢顧問公司,而業(yè)主代表只是在形式上簽字行使批準權。2個人可達性和主合同的技術要求在對承包商提供的兩渠堤壩拋石護坡厚度及塊石粒徑設計文件進行評審時,ACE公司所行使的職責應該是設計監(jiān)理,他們要判定設計成果是否可靠安全。但因缺乏相應的設計經(jīng)驗和能力,他們便單純依據(jù)真納主合同的相關內容來對設計文件進行判定。在項目的執(zhí)行階段,DEC在2006年完成了渠道設計并提交業(yè)主審批。在該設計中,兩渠堤壩護坡的描述是“采用0.5m厚的拋石護坡(riprap)”。ACE評審設計文件時,發(fā)現(xiàn)該描述與主合同規(guī)定不符,便判定其不可靠并明確要求將護坡厚度增加至0.9m。在主合同項目建議書的一般技術要求中,承包商提出了3種常用的護坡方式,即拋石護坡(riprap)、砌石護坡(stonepitching)、及石籠護坡(stonegabions)。在該要求中,對堤壩護坡并沒有提出具體的厚度和粒徑要求,僅對護坡塊石的重量作了要求:最大塊石不超過2.5t,重量超過0.7t的塊石所占比例應為50%,其余50%為的重量在0.2～0.7t。按此要求計算,則護坡塊石的粒徑要求為(以塊石比重2.5計算):0.7t的塊石粒徑應為0.8m,2.5t的塊石粒徑應為1.2m,0.2t的塊石粒徑為0.5m。因此,主合同規(guī)定的護坡塊石粒徑范圍為0.5～0.8m的應占50%比例,其余50%應為0.8～1.2m。即按這個規(guī)定,拋石護坡厚度應為1.0m左右。但因承包商在設計工作上的失誤,在該建議書的特殊技術要求中又將真納工程的渠道護坡明確描述為砌石護坡(stonepitching)且厚度為0.5m,塊石重為100～200kg。真納項目合同談判時期,DEC委托西北院編制項目建議書時曾定下了一個原則,即建議書的技術標準越高越好且內容越詳細越好。因此,西北院在進行建議書編制時,工程技術要求部分是從各種不同的國外工程投標文件中挑選出來的,而不是采用國內設計院慣用的技術標準。雖然內容敘述比較完整,但技術標準和內容的結合并不好。此外,在項目建議書編制階段,西北院的工作人員對一些技術要求術語的翻譯并不準確。這兩種情況導致了后來的工程設計與項目建議書不符情況的發(fā)生,且多達7次。3土地利用工程保證的價值在否定了承包商的護坡設計后,ACE公司堅持要求承包商將護坡厚度增加至0.9m,并提出了自己的計算論證文件。兩種設計方案的差異將導致工程量將增加約1/3,費用增加400多萬美元,工期增加半年。為避免損失,真納項目部同設計院一起進行了長達3年的不斷澄清,且提出了按美國標準計算的論證文件,隨后在業(yè)主未審批的情況下堅持先行開展拋石護坡施工,以實事求是的態(tài)度,在保證工程安全可靠的前提下,不受合同文件的局限,頂住了來自ACE方面的巨大壓力。在雙方爭議的過程中,業(yè)主一直處于一種兩難的境地。對DEC的工程設計有異議的不是業(yè)主,而是其咨詢顧問ACE公司,且其異議并不是基于自己的設計經(jīng)驗而是合同文件規(guī)定,沒有本著實事求是的態(tài)度去解決問題。經(jīng)過3年的僵持,在已完成大部分實際工程量的前提下,DEC繼續(xù)力爭說服業(yè)主,并明確表明自己的工程設計是充分的、可靠的。同時,從另一方面給業(yè)主施加壓力,DEC表態(tài)稱在大部分工程量已完成的前提下,若增加護坡厚度,則產(chǎn)生的費用和工期將由業(yè)主負擔。在這種雙重壓力下,業(yè)主最終本著實事求是的態(tài)度,決定采用模型試驗的方式來驗證DEC的設計是否安全可靠。2009年7月份,業(yè)主正式委托旁遮普灌溉局水利研究站針對真納電站的兩渠拋石護坡設計進行水工模型試驗。而后9月中旬模型制作完成后,DEC會同業(yè)主一道對該模型進行了檢查,并通過信函正式提出了對模型的修改意見。同年10月6日,水工模型試驗在業(yè)主、ACE及承包商的共同見證下順利完成。11月,DEC收到了來自業(yè)主方面的試驗報告,證實了在正常運行工況下,兩渠的拋石護坡是穩(wěn)定的。以下將對拋石護坡的厚度及粒徑的計算理論和本次水工模型試驗進行詳細的介紹和分析。4水力學計算的方法對于小型工程,護坡塊石的粒徑主要應考慮當?shù)厥咸卣鹘Y合設計人員的工程經(jīng)驗來加以確定。真納工程引水渠、尾水渠迎水面拋石護坡工程量約15萬方,屬較大規(guī)模工程。因此,對其護坡塊石的計算必須考慮渠道內流速分布的影響,即必須通過水力學計算來確定其護坡塊石的粒徑和厚度。對于開放式渠道的護坡塊石而言,威脅其穩(wěn)定的作用力主要有兩個:一是水流動時在水平向產(chǎn)生的推移力,二是水流動時在垂直向產(chǎn)生的浮托力。這兩種破壞力均由鄰近護坡塊石的水流產(chǎn)生,且水的流速越高,則這兩種破壞力越大。與之相對應,阻止塊石在上述兩種作用力下運動的作用力主要也有兩個:一是淹沒在水下的塊石的自重,取決于護坡塊石的粒徑和材質;二是在護坡面上塊石個體之間的咬合力,取決于護坡塊石的外形,有棱有角的個體之間咬合力比之圓滑的個體之間咬合力要大很多。4.1確定護坡厚度和寬度2007年10月,DEC向業(yè)主正式提交了渠道的數(shù)值計算書,通過理論計算確定引水渠水流速度將從渠道進口的最小值0.96m/s一直變化到渠道末端即廠房水池進口處的最大值1.732m/s。DEC采用美國陸軍工程兵團編制的渠道防洪水利設計工程師手冊1110-2-1601第3章《拋石護坡》中推薦的梅諾公式(MaynordMethod1988)計算拋石護坡所用石頭的粒徑、厚度及護坡寬度。該方法的計算步驟為:第1步確定渠道的平均流速,根據(jù)設計院提供的渠道流速分布圖可得;第2步計算得到Vss,即渠道內水流的特征速度,其定義是從坡腳往上整個坡道長度20%處水流在水深方向的平均流速;第3步計算d30;第4步修正各計算參數(shù)如邊坡坡度、流速分布等;第5步在級配曲線上找d30(min)并使其值不小于計算所得的d30值并據(jù)此最終確定護坡塊石粒徑d100(max),然后通過經(jīng)驗公式由粒徑來確定護坡厚度及寬度。計算公式為,式中d30指護坡塊石級配曲線上通過率為30%的粒徑大小;Sf是安全因子,其值取1.2;Cs為初始破壞的穩(wěn)定系數(shù),對尖角的塊石而言其值為0.3,對圓形塊石而言,其值為0.375;CV為垂直向水流速度分布系數(shù),若為轉彎段內平直渠道其值為1,若為轉彎段其值為1.283-log(R/W),此處R為弧段半徑,W為水面寬度;CT為厚度系數(shù),若護坡厚度為d100(max)或1.5d50(max)中較大者時,其值為1;D為水深,僅與渠道的設計渠底高程和運行水位有關;γw為水的比重,其值為1;V為深度方向平均流速;K1為邊坡修正系數(shù),其值由公式確定,其中θ為邊坡與水平方向的坡角,φ為護坡塊石的靜止角,一般為40°;g為重力加速度。拋石護坡設計中,通常使用傳統(tǒng)的d50即在級配曲線上通過率為50%的粒徑尺寸作為代表性粒徑。d50與d30之間可用公式d50=d30(d85/d15)1/3來計算。采用該公式計算所得的拋石粒徑為0.23m。根據(jù)經(jīng)驗,拋石護坡的厚度可取護坡塊石粒徑的1.5倍,即35cm即可。實際施工中,出于工程安全的考慮,承包商增加了護坡厚度,即平直段增加到50cm,弧段增加到90cm。4.2渠道兩邊坡護坡計算業(yè)主咨詢顧問ACE的計算方法是首先計算河道局部沖刷深度,然后利用局部沖刷深度根據(jù)經(jīng)驗公式確定護坡塊石粒徑及厚度。河道局部沖刷深度計算采用了3種不同的公式,最后取其中的最大值作為護坡塊石粒徑及厚度計算的依據(jù)。其中,最具代表性的是Lacey’sMethod(1930)(其中,q為渠道單寬流量,f為摩擦系數(shù),ACE取值為1.5),經(jīng)該公式計算得出的最終的護坡厚度即為ACE堅持的90cm。比較這2種計算理論可以得出:DEC的計算方法更注重理論和實際情況的結合,考慮了諸如流速分布等更多因素的影響。而ACE的計算則更偏重于經(jīng)驗,其計算公式考慮的影響因素太少,且其僅僅通過局部沖刷深度的計算來取最大值進而確定護坡塊石粒徑的計算方法值得商榷。事實上,若考慮局部沖刷深度,則更應計算渠道兩側邊坡的坡腳處的沖刷深度,尤其對于渠道的弧段更應如此。另一方面,ACE采用的計算方法并不適合于工程施工,而是在試驗研究時得出的一種近似計算方法,其將所有的影響因素濃縮為一個摩擦系數(shù)且根據(jù)經(jīng)驗取值的做法對于計算的準確度有很大得的影響,因此僅適用于科研和實驗研究。5工程模型試驗5.1渠道設計一般應把幾何相似、運動相似和動力相似結合起來,在流體力學中,力學相似是指兩個流動現(xiàn)象中相應點處的物理量彼此之間相互平行(指矢量物理量的方向,如力和速度的方向)并且成一定比例(指矢量的模和標量的大小)。力學相似的3個條件是:幾何相似、運動相似和動力相似。幾何相似是指流動的幾何空間相似,或模型與原型形狀相似,對應尺寸成比例。模型制作時,完全根據(jù)真納工程的渠道設計體型圖,將原型縮小36倍而得,即幾何相似常數(shù)為36。運動相似是指模型和原型對應質點上的流速方向相同、大小成比例。模型制作時,為確保運動相似,完全根據(jù)渠道的設計流量、設計流速進行模擬。動力相似是指模型和原型對應質點所受到的同名平行力成比例,即力場的幾何相似。模型制作時,對模型的渠道底部材料、護坡用過渡料及塊石、及渠道附近真納水庫右岸RGB等力場進行了較為準確的模擬。5.2模型現(xiàn)場檢查模型制作于2009年7月開始,至9月中旬初步完成。為確保試驗結果能更為真實的反應真納工程的實際情況,業(yè)主WAPDA邀請承包商一同對模型進行檢查。為此,DEC特地邀請西北院水工模型試驗專家前往模型現(xiàn)場一起檢查。經(jīng)過認真仔細的檢查,DEC提出了自己對模型的修改意見和建議,并申明該模型僅能進行常態(tài)模擬即廠房正常運行工況下的模擬,而不能進行瞬態(tài)模擬即廠房機組有關機工況下的模擬。隨后經(jīng)過半個月的修改完善,模型于同年10月初正式完成。5.3工程渠道護坡的主要試驗模型2009年10月6日,在業(yè)主WAPDA、承包商DEC、業(yè)主咨詢顧問ACE的共同見證下,順利進行了真納工程渠道護坡的水工模型試驗。試驗時,首先對廠房正常運行工況進行了試驗,然后對廠房部分機組關機工況進行試驗,最后對廠房所有8臺機組突然關機的工況進行了實驗。5.4真納工程模型同年11月,承包商收到了來自業(yè)主轉發(fā)的水工模型試驗報告。試驗結果表明:(1)兩渠的流速分布與DEC提供的設計參數(shù)相吻合,因而DEC的設計是可以接受的;(2)兩渠的渠底在正常運行工況下處于穩(wěn)定狀態(tài),不存在局部掏空或沖刷過度的情況;(3)廠房進口處引水渠兩堤護坡穩(wěn)定;(4)在真納水庫右岸RGB從EL215開挖至EL208的過程中,必須保持廠房關閉,直到整個引水渠達到正常蓄水條件;(5)在廠房機組有突然關機現(xiàn)象時,回水沖擊波將對護坡塊石的穩(wěn)定產(chǎn)生破壞,少量塊石將被沖至渠道內。然而,我們都知道,廠房機組關機是不可能在瞬間完成的。根據(jù)主機廠提交的報告,真納電站主機關機時間為14s,前7秒關閉開度70%,后7s關閉開度30%。根據(jù)相似理論,時間的相似比尺為比例尺的開方,即模型試驗時的關機時間應為14/(361/2),約2.4s。這個時間在人工操作的模型試驗中是很難控制好的,因此關于這一部分的試驗并不能反映真納工程的真實情況,即該模型不能進行廠房機組有關機現(xiàn)象的模擬。事實上,工程設計的原則肯定是針對正常運行的工況進行設計的。6真納工程護坡設計在思想認識方面應注意的問題真納工程渠道護坡設計爭議歷時3年,最終通過水工模型試驗的方式得以解決,給項