[英國]D.鮑威爾 A.喬杜里

李 慧 譯自英刊《水電與大壩》2009年第6期

2006年2月,SJVNL指定莫特麥克唐納(Mott Macdonald)公司為擬建的盧里水電工程進(jìn)行可行性分析,提出詳細(xì)的工程報告,并準(zhǔn)備招標(biāo)文件。

針對薩特累季河底坡相對較小而流量相對較大的特點,盧里水電工程需要修建相對較大的引水隧洞。同時,這一區(qū)域也是地震活動帶,38km長的隧洞線路將穿越與巖體巖性相對較差甚至非常差的地段有關(guān)聯(lián)的逆沖帶。

就工程費用和工期而言,引水隧洞的施工在整個工程中所占風(fēng)險最大。基于施工過程中預(yù)期的風(fēng)險等級,本文對隧洞直徑和數(shù)量選擇時所采用的方法進(jìn)行了討論。

1 發(fā)電效益

薩特累季河的水文特征是在每年 6～9月的季風(fēng)期會出現(xiàn)大的流量。對于 90%的可靠年(這也是印度水電工程優(yōu)化的基礎(chǔ)),季風(fēng)期的平均流量達(dá)到了 600m3/s的量級,而年平均流量為272m3/s。而且,為了修建盧里水電工程而將要開發(fā)的薩特累季河河段的底坡相對較小,約為1∶250。

觀察發(fā)現(xiàn),預(yù)可行性研究報告中預(yù)計的單線隧洞直徑的水頭損失過大,超過了總有效水頭損失的25%。因此,保證在季風(fēng)期使用最大水量進(jìn)行發(fā)電,且引水隧洞的水頭損失不能過大,成為該工程重點考慮的問題。

如果假設(shè)隧洞的直徑由建造費用和電能效益決定,那么單線隧洞無疑是最經(jīng)濟(jì)的選擇。但是,開挖隧洞通常具有高風(fēng)險,尤其在喜馬拉雅山區(qū),其他一些因素,比如隧洞掘進(jìn)方法,總的施工進(jìn)度和預(yù)測的地質(zhì)和巖土工程災(zāi)害等通常決定了隧洞類型和布設(shè)的選擇在很大程度上要首先考慮減輕主要災(zāi)害造成的風(fēng)險。在盧里水電工程中,單線隧洞和雙線隧洞的發(fā)電效益都已給予考慮,最佳的選擇應(yīng)該是考慮采用雙線隧洞方案。

圖1為盧里水電工程單線和雙線隧洞方案在各最佳裝機容量下 90%可靠年中的年發(fā)電量隨隧洞直徑的變化情況。

圖1 單線和雙線隧洞的最大年發(fā)電量

根據(jù)以上發(fā)電效益的結(jié)果,且注意到施工過程中的風(fēng)險等級通常隨著隧洞直徑的增大而顯著加大,直接和間接費用也隨著隧洞直徑的增大而成比例地增長,因此,主要問題是要確定引水隧洞應(yīng)該建成單線隧洞還是雙線隧洞以及最佳裝機容量。

2 引水隧洞的地質(zhì)條件

經(jīng)過與業(yè)主詳細(xì)協(xié)商,提出在薩特累季河右岸修建一條 38km長的引水隧洞。

壩址到廠房區(qū)預(yù)計將遇到的巖石種類見表1。

表1定義的巖石被褶皺成較大的向斜和背斜結(jié)構(gòu)。主要的結(jié)構(gòu)是 Chamba向斜和 Shali背斜。最主要的構(gòu)造特征是 Jutogh逆沖。Jutogh逆沖的重要性在于,當(dāng)逆沖接近眼球狀片麻巖時,就使這種巖層產(chǎn)生片理,而且延伸到逆沖中的巖層。特別是碳質(zhì)千枚巖產(chǎn)生了嚴(yán)重的變形,變得十分脆弱,造成典型的擠壓地層條件。與逆沖有關(guān)聯(lián)的片巖和石英巖也都受到很大程度的變形。

表1 壩址到廠房地區(qū)的巖石種類

在這種情況下,認(rèn)為與逆沖有關(guān)的危害是在碳質(zhì)千枚巖中產(chǎn)生嚴(yán)重擠壓以及在石英巖和更強的巖體單元中產(chǎn)生擠壓或逐步松弛成為塊狀。

由于不能更改壩或者電廠的選址,隧洞的水平定線必須在兩個位置通過 Jutogh逆沖。因此,隧洞中段有5～10km的部分將會近似平行于 Jutogh逆沖,掘進(jìn)條件預(yù)計將會非常艱難。從預(yù)測的掘進(jìn)條件來看,減少覆蓋層的數(shù)量也十分重要,應(yīng)盡量減少施工期間在脆弱地層中產(chǎn)生的應(yīng)力問題。

靠近電廠的洞段處于喀斯特地層的相互交錯的薄層帶狀石灰石和白云石中。這一洞段的地層經(jīng)常被褶皺和剪斷,盡管地質(zhì)條件預(yù)計好于中段,但認(rèn)為減小隧洞直徑更為可取,以幫助控制風(fēng)險,尤其當(dāng)巖層中存在裂穴時。

3 隧洞施工方法

究竟使用隧洞掘進(jìn)機還是使用更為傳統(tǒng)的鉆爆法進(jìn)行隧洞施工,是必須提前做出的一個最關(guān)鍵性決策。這一決策在一定程度上屬于風(fēng)險管理的范疇,選擇的方式必須足夠靈活,以保證盡量不延誤工期。

3.1 鉆爆法

采用鉆爆法進(jìn)行開挖在印度是一種已得到驗證的施工方法,并且已被 SJVNL成功地用于納特帕 -杰克里(Nathpa-Jhakri)工程。建議的隧洞定線具有的一個突出優(yōu)點就是,它允許使用規(guī)則間隔的施工平洞,所以每洞段的長度基本上都可以保持在5000～6000m之間。這十分有利于工程的風(fēng)險管理,而且無論是當(dāng)?shù)氐倪€是國際的承包商都十分了解這項施工技術(shù)。

3.2 隧洞掘進(jìn)機

采用隧洞掘進(jìn)機可以使隧洞走向盡量沿直線,將隧洞的總長度減少了將近 3km,雖然關(guān)鍵的中段仍需用鉆爆法進(jìn)行施工。

基于以下幾個方面對采用隧洞掘進(jìn)機的可行性進(jìn)行了評估:

(1)機器類型。處理不利、不均勻地層條件的能力?？捎迷O(shè)備因隧洞直徑而受到限制,這在以前實際運用中屬于首要考慮的問題。

(2)隧洞費用。單線隧洞方案需要兩臺隧洞掘進(jìn)機,而雙線隧洞則需要 4臺。因此,對于單線隧洞方案,引水隧洞長度必須縮短20%以上,對雙線隧洞,必須縮短大約 30%,以使得設(shè)備的花費達(dá)到平衡。而在實際中,這種做法不可行,因為通過拉直隧洞所能減小的最大長度約為 3～4km,只占隧洞總長的 8%～10%。

(3)利用系數(shù)。如果要使隧洞掘進(jìn)機充分發(fā)揮作用,并達(dá)到可以使得工程節(jié)約的施工速度,那么,維修和運行標(biāo)準(zhǔn)必須盡可能高。對于盧里水電工程,掘進(jìn)機的利用系數(shù)可能低到20%。

(4)印度運用的經(jīng)驗。隧洞掘進(jìn)機在杜哈斯蒂(Dulhasti)和帕巴底(Parbati)水電工程的運用中遇到了一些問題,而且這兩個工程的隧洞直徑要遠(yuǎn)小于建議的盧里水電工程的隧洞直徑。對于大直徑的機器,本地或國際承包商幾乎都沒有能力對其進(jìn)行操作和維護(hù)。

3.3 隧洞施工方法的選擇

無論是使用2臺或是 4臺隧洞掘進(jìn)機,其費用對于整個工程來說都是一個很大的負(fù)擔(dān),而且,與備件(如刀具)、運行和維護(hù)有關(guān)的費用等,都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用鉆爆法。鉆爆法的優(yōu)點在于其設(shè)備可以拆散送到工廠進(jìn)行維修?！氨粌鼋Y(jié)”的隧洞掘進(jìn)機很難脫開,需要很多復(fù)雜的工作,涉及從掘進(jìn)機的后面將刀盤掘進(jìn)一圈,并進(jìn)行加固來使其繼續(xù)工作。對于盧里水電工程來說,發(fā)生這類風(fēng)險的概率很高,通常,這樣的事件 4～6個月出現(xiàn)一次。

總的來說,采用鉆爆法施工能夠更好滿足盧里水電工程的需要。就工程進(jìn)度方面來看,其風(fēng)險小得多,而且在處理地層問題方面更加靈活,因此是一個更經(jīng)濟(jì)的方法。

4 引水隧洞尺寸和數(shù)量的選擇

隧洞的最佳尺寸和數(shù)量取決于一系列因素,包括工程運行要求,這里指的是利用可以取用的水量來滿足峰荷需求的能力。此外,還有很多與施工有關(guān)的因素,諸如地質(zhì)條件和在高應(yīng)力環(huán)境中掘進(jìn)的不確定性,尤其是在受很多具體地形和后勤服務(wù)限制的偏僻地方。

對圖1所示的隧洞布置的可能構(gòu)型進(jìn)行研究后確認(rèn),當(dāng)總裝機容量為775MW時,引水隧洞可以由一條11.75m直徑的單線隧洞,或者 9m直徑的雙線隧洞組成。在實際中,若要選擇合適的隧洞尺寸,先要對直接費用、基本災(zāi)害和特別工程布置所牽涉的風(fēng)險進(jìn)行比較和評估。

對工程隧洞合理尺寸的選擇依賴于對導(dǎo)洞自身支撐時間的評估,而該評估又建立在對地質(zhì)條件、巖體質(zhì)量和地層性能最佳詮釋的基礎(chǔ)上。在大塊巖石中,例如眼球狀片麻巖,其自身支撐時間較長,易于修建大跨度隧洞。但是對于很多脆弱的材料來說,情況就并非如此,例如碳質(zhì)千枚巖,以及與 Jutogh逆沖相關(guān)的任何被逆沖并嚴(yán)重受剪的碎裂材料。費用和安全性若能得到妥善解決,減小隧洞尺寸,修改施工工序以適應(yīng)地層特征是非常重要的。因此,對盧里這樣的水電工程采用一個靈活的施工方法不僅合乎情理,而且十分必要。

施工過程中的風(fēng)險等級通常隨著隧洞直徑的增大而顯著加大,并且呈指數(shù)變化的關(guān)系。隧洞大的坍塌產(chǎn)生的石料方量隨著隧洞直徑的增大而呈幾何增長。重新恢復(fù)一段隧洞所增加的時間和直接費用都會造成總費用的成比例增長。因此,必須考慮以下 3種與修建引水隧洞相關(guān)的可能方案:

(1)修建單線隧洞;

(2)設(shè)計上要有靈活性,以使得隧洞直徑可以隨著地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整,這就意味著,當(dāng)遇到巖性較差的地層條件時,可以分叉成為雙線隧洞,使隧洞直徑成適當(dāng)比例減小;

(3)針對整條引水隧洞,選擇雙線隧洞,通?？梢詫︼L(fēng)險進(jìn)行控制,必要時也可以將隧洞分叉。

根據(jù)風(fēng)險管理和該地區(qū)的其他一些工程經(jīng)驗可以得出,成本效益評估并不一定能得到就結(jié)算成本(out-turn cost)而言最合適的方案,因此實施一個高等級的風(fēng)險評估來得到合理的方案。

基于對災(zāi)害和風(fēng)險分析的綜合考察,這些考察評估了風(fēng)險的可能性和嚴(yán)重性,最后認(rèn)為采用雙線隧洞最為安全合理,也可能最為經(jīng)濟(jì)(具體見表2)。次優(yōu)選擇就是允許有靈活性,以便在預(yù)計地質(zhì)條件較差的地方也能采用雙線隧洞方案。

鑒于風(fēng)險的等級和嚴(yán)重程度,以及從未有過的如此之長且直徑如此之大的隧洞,建議采用風(fēng)險最低的方案比較合適。

以上的評估(包括了風(fēng)險分析)是定性的,為了量化每種可能的風(fēng)險并估計其代價,需要開展更進(jìn)一步的工作。

5 工程優(yōu)化

雙線隧洞的基建費要高于單線隧洞,因此進(jìn)行了工程優(yōu)化分析以確定效益最高的裝機容量和隧洞布置方案。分析分兩個階段進(jìn)行:第1階段考慮了裝機容量和隧洞布置方案,但沒有考慮相關(guān)的隧洞施工風(fēng)險;第2階段考慮了裝機容量、隧洞布置方案和相關(guān)的隧洞施工風(fēng)險。在分析施工中風(fēng)險時,預(yù)估了補救工作產(chǎn)生的額外費用和工期延遲造成的收益損失。

在一定的裝機容量范圍內(nèi),考慮了7種選擇方案(見表 3)。這包括了單線隧洞和雙線隧洞布置,正如以上所分析的結(jié)果,從施工的角度來看,在很差的地層中,兩個小的隧洞方案要優(yōu)于單線隧洞方案。整個研究考慮了兩個關(guān)鍵的基本隧洞構(gòu)型:11.75 m直徑的單線隧洞和 9 m直徑的雙線隧洞。

表2 隧洞開挖的主要災(zāi)害和風(fēng)險分析

表3 裝機容量和隧洞優(yōu)化的研究方案

建立了一個單獨的財務(wù)模型來比較不同方案的內(nèi)部收益率(IRR)。

5.1 財務(wù)分析方法

財務(wù)分析包括了發(fā)電方案的總投資費用,包括隧洞、電力和機械廠費用,以及發(fā)電廠房和其他費用,從某種程度來看,其他費用也占了總費用的1%。隧洞費用包括引水隧洞、引水調(diào)壓隧洞和尾水隧洞的費用。電力和機械費用包括從大壩經(jīng)過發(fā)電廠房直到尾水出水口的電力機械和水利機械的費用。電廠費用包括水輪發(fā)電機室、閥室、尾水調(diào)壓室、壓力管道和交通隧洞的土木建筑工程的費用。

其他的費用涉及這樣一些項目:準(zhǔn)備工作、征地、樓房、植被、雜項、通信,以及環(huán)境費用等等。對于電力和機械設(shè)備,以及發(fā)電廠房,這些費用都是針對775MW的裝機容量估計的,而對于其他一些方案,則按比例優(yōu)算。不同尺度的隧洞費用是根據(jù)開挖量、混凝土襯砌和噴射混凝土量以及巖石支護(hù)量來計算的,還包括平洞的費用。

利用以往工程的數(shù)據(jù)預(yù)估了運行和維護(hù)的費用。財務(wù)模型并沒有考慮債務(wù)/權(quán)益比、利率,以及折舊等,方案比選時這些細(xì)部問題并不重要。

以上不同方案年發(fā)電量數(shù)據(jù)也被考慮了進(jìn)來。折扣率取10%。假定工程運行期限為 35a,加上所需的施工期,其工期因隧洞布置的不同而不同:單線隧洞施工需要 8a,雙線隧洞需要7a。兩個較小隧洞的施工期要比一個大隧洞的施工期短,還須考慮掘進(jìn)速度的差別,并且假定隧洞施工都在危險的線路上進(jìn)行。在這一階段,沒有考慮兩種主要隧洞構(gòu)型工期延遲的影響,雖然單線隧洞坍塌后的恢復(fù)期要更長些。

優(yōu)化分析所假定的電價為 3盧比/kW?h。

5.2 裝機容量和隧洞布置優(yōu)化方案

5.2.1 不考慮風(fēng)險因素

圖2示出了不同裝機容量和隧洞布置優(yōu)化方案的內(nèi)部收益率。這些優(yōu)化方案并沒有考慮大隧洞掘進(jìn)中增加的風(fēng)險。

圖2 不考慮風(fēng)險因素的裝機容量和隧洞布置優(yōu)化方案的內(nèi)部收益率

如圖2所示,如果不考慮隧洞風(fēng)險因素,在單線隧洞布置的最優(yōu)方案中,隧洞直徑為12m,裝機容量為 825MW,而在雙線隧洞布置的最優(yōu)方案中,隧洞直徑為10m,裝機容量為 950MW。

然而,這些初步結(jié)果并沒有在有關(guān)優(yōu)先采用的隧洞方案的決策中采納。由于不同方案的財務(wù)分析結(jié)果十分接近,在決定優(yōu)先采用的隧洞布置方案時,考慮雙線隧洞運行收益和施工的定性問題顯然更為重要。

5.2.2 考慮風(fēng)險因素

由于隧洞掘進(jìn)中涉及的風(fēng)險,在印度,計算隧洞花費通常使用的方法都不允許超支?；谀佧溈颂萍{公司的工程經(jīng)驗,這些風(fēng)險隨著隧洞尺寸的增加而增加,所以將這些考慮進(jìn)來比較合理。單線隧洞的風(fēng)險更高一些,因為它并沒有為施工過程中嚴(yán)重坍塌事故的恢復(fù)留有余地(雙線隧洞通常便于從一個隧洞所遭遇的困難中吸取經(jīng)驗教訓(xùn),并且繞開問題段以控制和減少延誤)。

將與隧洞施工風(fēng)險有關(guān)的費用考慮進(jìn)來以得到更為真實的費用評估非常實用,同時也是世界銀行推薦的做法。所以,本文也完成了一個考慮了這些風(fēng)險系數(shù)的隧洞費用評估。

這些系數(shù)基于世界銀行過去在類似地區(qū)進(jìn)行水電工程長隧洞掘進(jìn)的相關(guān)經(jīng)驗,這些經(jīng)驗表明,對于長隧洞,預(yù)計會超支 30%～100%。這些超支包括隧洞坍塌事件中各種各樣的工期延誤和不同的隧洞直徑,并考慮到地質(zhì)不確定性和在不同地層條件下因不同隧洞尺寸而調(diào)整的掘進(jìn)速度。值得注意的是,這些系數(shù)不是根據(jù)理論研究得出的,而是根據(jù)喜馬拉雅山區(qū)及類似地區(qū)開挖大型隧洞的經(jīng)驗假設(shè)的。

在財務(wù)模型中所使用的費用系數(shù)見表 4,這些系數(shù)考慮了有關(guān)大型隧洞施工的風(fēng)險。尤其對于大型單線隧洞,這種百分比有可能達(dá)到200%,這一情況就曾經(jīng)在過去類似地區(qū)的工程中出現(xiàn)過。

表4 隧洞風(fēng)險系數(shù)

圖3示出了不同裝機容量和隧洞布置方案的內(nèi)部收益率。收益率稍低的兩條線在隧洞費用評估中考慮了掘進(jìn)大型隧洞的相關(guān)風(fēng)險。

圖3 不同裝機容量和隧洞布置方案的內(nèi)部收益率

優(yōu)化的第2階段表明,當(dāng)考慮掘進(jìn)風(fēng)險時,直徑為 9m、總裝機容量為 950MW的雙線隧洞應(yīng)該是財務(wù)方面最佳的方案。

6 結(jié) 語

以上研究結(jié)果表明,在不考慮隧洞掘進(jìn)風(fēng)險時,單線隧洞可能在財務(wù)分析時更勝一籌。但是,當(dāng)考慮掘進(jìn)風(fēng)險時,雙線隧洞就是優(yōu)先采用的方案。

基于以下幾點得出,直徑為 9m的雙線隧洞是一個更好的方案:

(1)當(dāng)考慮施工風(fēng)險時,雙線隧洞表現(xiàn)出財務(wù)上的優(yōu)勢。

(2)比起單線隧洞,雙線隧洞有很明顯的施工和運行效益。

(3)對于雙線隧洞,根據(jù)一個隧洞出現(xiàn)的問題可以預(yù)測另一個隧洞的問題,而且當(dāng)一個隧洞的掘進(jìn)受阻時,可以通過平洞來局部繞過問題段繼續(xù)施工,因此雙線隧洞在安全性、施工和總工程費用方面都更有利。

(4)雙線隧洞一般可滿足施工進(jìn)度計劃和工程費用方面的要求。

基于以上分析,最終采用了雙線隧洞方案,印度中央電力局正在考慮其具體的工程報告。