巴基斯坦真纳水电站工程中的抛石护坡设计

巴基斯坦真纳水电站工程中的抛石护坡设计

真纳水电站位于巴基斯坦西部印度河上现有水库的右岸。这是一座引水式水库，配备8.12mw垂直井污染机。引水渠及尾水渠的两侧堤坝均采用形式简单、施工便利的土石坝分层填筑,块石护面(俗称抛石护坡)的设计。由于前期技术准备和设计工作方面的不足,以及EPC合同性质,使承包商和业主在块石护坡的厚度和块石粒径等问题上产生了很大的分歧,并进而从技术问题上升为商务问题,对工程的成本和工期产生了重大影响。经过3年多时间反反复复的争议,最后在业主的主持下通过模型试验的方式验证了承包商施工阶段设计的正确性。本文将对这一问题产生的背景、解决过程及应从中汲取的经验教训进行研究和总结,以供类似工程参考。2中国业主咨询公司的性质真纳水电站的堤坝保护采用抛石护坡,承包商的设计护坡厚度为0.5m,而业主的咨询顾问ACE公司在2006年首次审批设计文件时就提出此厚度应增加到0.9m。从此,双方开始了3年多的争论,并就此展开多次协商,且各自都提出了自己的论证计算文件。因为护坡厚度的变化将导致工程量的增加,从而导致400多万美元的成本增加和超过半年的工期增加,因此承包商坚持不让步。最终业主单方面决定委托第三方即旁遮普省灌溉局下属的水利研究站进行水工模型试验来判定我方0.5m的护坡厚度是否能满足工程安全要求。对一项常规的已在工程实践中大量应用的抛石护坡的设计结果,为何会产生如此大的分歧呢?业主的咨询顾问公司是依据什么判定承包商的设计厚度不安全,从而提出要求增加护坡厚度的呢?这得从业主咨询顾问公司ACE的机构性质及真纳项目的EPC合同性质说起。ACE咨询公司是由5家公司组成的咨询联营体,擅长工程监理,即对工程施工过程的具体事务非常熟悉,如施工质量控制及施工规范等。但在工程设计及主机制造等方面,该公司成员大多缺乏相应的经验和能力。真纳项目采用的是FIDIC条款下的EPC合同总承包模式,在此模式的总价合同条款下没有规定任何第三方。就是说,该合同的参与者只有业主和承包商两方,并未指定或赋予任何第三方参与合同事务。但本合同的业主WAPDA在长期的工程实践中,大量应用的是FIDIC合同条款下的单价合同。在该合同条款下,设有咨询工程师作为业主和承包商外的第三方参与合同事务,即我们通常所说的监理。因此,在真纳主合同中,业主在特殊条件中增加了一个角色“管理顾问”,其职责是协助业主代表履行工程管理职能,这说明“管理顾问”决不是独立于业主的第三方,而是业主代表的“管理助手”。但实际情况是,业主WAPDA通过雇佣合同要求一家完全独立于合同外的第三方咨询公司ACE对整个工程建设活动包括设计、施工、和制造的具体过程进行管理,其身份便如同单价合同中的监理,而不是单纯的“业主代表的助手”。尤其是工程建设技术问题,业主将技术文件的审批过程和权力都完全交给了这家咨询顾问公司,而业主代表只是在形式上签字行使批准权。2个人可达性和主合同的技术要求在对承包商提供的两渠堤坝抛石护坡厚度及块石粒径设计文件进行评审时,ACE公司所行使的职责应该是设计监理,他们要判定设计成果是否可靠安全。但因缺乏相应的设计经验和能力,他们便单纯依据真纳主合同的相关内容来对设计文件进行判定。在项目的执行阶段,DEC在2006年完成了渠道设计并提交业主审批。在该设计中,两渠堤坝护坡的描述是“采用0.5m厚的抛石护坡(riprap)”。ACE评审设计文件时,发现该描述与主合同规定不符,便判定其不可靠并明确要求将护坡厚度增加至0.9m。在主合同项目建议书的一般技术要求中,承包商提出了3种常用的护坡方式,即抛石护坡(riprap)、砌石护坡(stonepitching)、及石笼护坡(stonegabions)。在该要求中,对堤坝护坡并没有提出具体的厚度和粒径要求,仅对护坡块石的重量作了要求:最大块石不超过2.5t,重量超过0.7t的块石所占比例应为50%,其余50%为的重量在0.2～0.7t。按此要求计算,则护坡块石的粒径要求为(以块石比重2.5计算):0.7t的块石粒径应为0.8m,2.5t的块石粒径应为1.2m,0.2t的块石粒径为0.5m。因此,主合同规定的护坡块石粒径范围为0.5～0.8m的应占50%比例,其余50%应为0.8～1.2m。即按这个规定,抛石护坡厚度应为1.0m左右。但因承包商在设计工作上的失误,在该建议书的特殊技术要求中又将真纳工程的渠道护坡明确描述为砌石护坡(stonepitching)且厚度为0.5m,块石重为100～200kg。真纳项目合同谈判时期,DEC委托西北院编制项目建议书时曾定下了一个原则,即建议书的技术标准越高越好且内容越详细越好。因此,西北院在进行建议书编制时,工程技术要求部分是从各种不同的国外工程投标文件中挑选出来的,而不是采用国内设计院惯用的技术标准。虽然内容叙述比较完整,但技术标准和内容的结合并不好。此外,在项目建议书编制阶段,西北院的工作人员对一些技术要求术语的翻译并不准确。这两种情况导致了后来的工程设计与项目建议书不符情况的发生,且多达7次。3土地利用工程保证的价值在否定了承包商的护坡设计后,ACE公司坚持要求承包商将护坡厚度增加至0.9m,并提出了自己的计算论证文件。两种设计方案的差异将导致工程量将增加约1/3,费用增加400多万美元,工期增加半年。为避免损失,真纳项目部同设计院一起进行了长达3年的不断澄清,且提出了按美国标准计算的论证文件,随后在业主未审批的情况下坚持先行开展抛石护坡施工,以实事求是的态度,在保证工程安全可靠的前提下,不受合同文件的局限,顶住了来自ACE方面的巨大压力。在双方争议的过程中,业主一直处于一种两难的境地。对DEC的工程设计有异议的不是业主,而是其咨询顾问ACE公司,且其异议并不是基于自己的设计经验而是合同文件规定,没有本着实事求是的态度去解决问题。经过3年的僵持,在已完成大部分实际工程量的前提下,DEC继续力争说服业主,并明确表明自己的工程设计是充分的、可靠的。同时,从另一方面给业主施加压力,DEC表态称在大部分工程量已完成的前提下,若增加护坡厚度,则产生的费用和工期将由业主负担。在这种双重压力下,业主最终本着实事求是的态度,决定采用模型试验的方式来验证DEC的设计是否安全可靠。2009年7月份,业主正式委托旁遮普灌溉局水利研究站针对真纳电站的两渠抛石护坡设计进行水工模型试验。而后9月中旬模型制作完成后,DEC会同业主一道对该模型进行了检查,并通过信函正式提出了对模型的修改意见。同年10月6日,水工模型试验在业主、ACE及承包商的共同见证下顺利完成。11月,DEC收到了来自业主方面的试验报告,证实了在正常运行工况下,两渠的抛石护坡是稳定的。以下将对抛石护坡的厚度及粒径的计算理论和本次水工模型试验进行详细的介绍和分析。4水力学计算的方法对于小型工程,护坡块石的粒径主要应考虑当地石料特征结合设计人员的工程经验来加以确定。真纳工程引水渠、尾水渠迎水面抛石护坡工程量约15万方,属较大规模工程。因此,对其护坡块石的计算必须考虑渠道内流速分布的影响,即必须通过水力学计算来确定其护坡块石的粒径和厚度。对于开放式渠道的护坡块石而言,威胁其稳定的作用力主要有两个:一是水流动时在水平向产生的推移力,二是水流动时在垂直向产生的浮托力。这两种破坏力均由邻近护坡块石的水流产生,且水的流速越高,则这两种破坏力越大。与之相对应,阻止块石在上述两种作用力下运动的作用力主要也有两个:一是淹没在水下的块石的自重,取决于护坡块石的粒径和材质;二是在护坡面上块石个体之间的咬合力,取决于护坡块石的外形,有棱有角的个体之间咬合力比之圆滑的个体之间咬合力要大很多。4.1确定护坡厚度和宽度2007年10月,DEC向业主正式提交了渠道的数值计算书,通过理论计算确定引水渠水流速度将从渠道进口的最小值0.96m/s一直变化到渠道末端即厂房水池进口处的最大值1.732m/s。DEC采用美国陆军工程兵团编制的渠道防洪水利设计工程师手册1110-2-1601第3章《抛石护坡》中推荐的梅诺公式(MaynordMethod1988)计算抛石护坡所用石头的粒径、厚度及护坡宽度。该方法的计算步骤为:第1步确定渠道的平均流速,根据设计院提供的渠道流速分布图可得;第2步计算得到Vss,即渠道内水流的特征速度,其定义是从坡脚往上整个坡道长度20%处水流在水深方向的平均流速;第3步计算d30;第4步修正各计算参数如边坡坡度、流速分布等;第5步在级配曲线上找d30(min)并使其值不小于计算所得的d30值并据此最终确定护坡块石粒径d100(max),然后通过经验公式由粒径来确定护坡厚度及宽度。计算公式为,式中d30指护坡块石级配曲线上通过率为30%的粒径大小;Sf是安全因子,其值取1.2;Cs为初始破坏的稳定系数,对尖角的块石而言其值为0.3,对圆形块石而言,其值为0.375;CV为垂直向水流速度分布系数,若为转弯段内平直渠道其值为1,若为转弯段其值为1.283-log(R/W),此处R为弧段半径,W为水面宽度;CT为厚度系数,若护坡厚度为d100(max)或1.5d50(max)中较大者时,其值为1;D为水深,仅与渠道的设计渠底高程和运行水位有关;γw为水的比重,其值为1;V为深度方向平均流速;K1为边坡修正系数,其值由公式确定,其中θ为边坡与水平方向的坡角,φ为护坡块石的静止角,一般为40°;g为重力加速度。抛石护坡设计中,通常使用传统的d50即在级配曲线上通过率为50%的粒径尺寸作为代表性粒径。d50与d30之间可用公式d50=d30(d85/d15)1/3来计算。采用该公式计算所得的抛石粒径为0.23m。根据经验,抛石护坡的厚度可取护坡块石粒径的1.5倍,即35cm即可。实际施工中,出于工程安全的考虑,承包商增加了护坡厚度,即平直段增加到50cm,弧段增加到90cm。4.2渠道两边坡护坡计算业主咨询顾问ACE的计算方法是首先计算河道局部冲刷深度,然后利用局部冲刷深度根据经验公式确定护坡块石粒径及厚度。河道局部冲刷深度计算采用了3种不同的公式,最后取其中的最大值作为护坡块石粒径及厚度计算的依据。其中,最具代表性的是Lacey’sMethod(1930)(其中,q为渠道单宽流量,f为摩擦系数,ACE取值为1.5),经该公式计算得出的最终的护坡厚度即为ACE坚持的90cm。比较这2种计算理论可以得出:DEC的计算方法更注重理论和实际情况的结合,考虑了诸如流速分布等更多因素的影响。而ACE的计算则更偏重于经验,其计算公式考虑的影响因素太少,且其仅仅通过局部冲刷深度的计算来取最大值进而确定护坡块石粒径的计算方法值得商榷。事实上,若考虑局部冲刷深度,则更应计算渠道两侧边坡的坡脚处的冲刷深度,尤其对于渠道的弧段更应如此。另一方面,ACE采用的计算方法并不适合于工程施工,而是在试验研究时得出的一种近似计算方法,其将所有的影响因素浓缩为一个摩擦系数且根据经验取值的做法对于计算的准确度有很大得的影响,因此仅适用于科研和实验研究。5工程模型试验5.1渠道设计一般应把几何相似、运动相似和动力相似结合起来,在流体力学中,力学相似是指两个流动现象中相应点处的物理量彼此之间相互平行(指矢量物理量的方向,如力和速度的方向)并且成一定比例(指矢量的模和标量的大小)。力学相似的3个条件是:几何相似、运动相似和动力相似。几何相似是指流动的几何空间相似,或模型与原型形状相似,对应尺寸成比例。模型制作时,完全根据真纳工程的渠道设计体型图,将原型缩小36倍而得,即几何相似常数为36。运动相似是指模型和原型对应质点上的流速方向相同、大小成比例。模型制作时,为确保运动相似,完全根据渠道的设计流量、设计流速进行模拟。动力相似是指模型和原型对应质点所受到的同名平行力成比例,即力场的几何相似。模型制作时,对模型的渠道底部材料、护坡用过渡料及块石、及渠道附近真纳水库右岸RGB等力场进行了较为准确的模拟。5.2模型现场检查模型制作于2009年7月开始,至9月中旬初步完成。为确保试验结果能更为真实的反应真纳工程的实际情况,业主WAPDA邀请承包商一同对模型进行检查。为此,DEC特地邀请西北院水工模型试验专家前往模型现场一起检查。经过认真仔细的检查,DEC提出了自己对模型的修改意见和建议,并申明该模型仅能进行常态模拟即厂房正常运行工况下的模拟,而不能进行瞬态模拟即厂房机组有关机工况下的模拟。随后经过半个月的修改完善,模型于同年10月初正式完成。5.3工程渠道护坡的主要试验模型2009年10月6日,在业主WAPDA、承包商DEC、业主咨询顾问ACE的共同见证下,顺利进行了真纳工程渠道护坡的水工模型试验。试验时,首先对厂房正常运行工况进行了试验,然后对厂房部分机组关机工况进行试验,最后对厂房所有8台机组突然关机的工况进行了实验。5.4真纳工程模型同年11月,承包商收到了来自业主转发的水工模型试验报告。试验结果表明:(1)两渠的流速分布与DEC提供的设计参数相吻合,因而DEC的设计是可以接受的;(2)两渠的渠底在正常运行工况下处于稳定状态,不存在局部掏空或冲刷过度的情况;(3)厂房进口处引水渠两堤护坡稳定;(4)在真纳水库右岸RGB从EL215开挖至EL208的过程中,必须保持厂房关闭,直到整个引水渠达到正常蓄水条件;(5)在厂房机组有突然关机现象时,回水冲击波将对护坡块石的稳定产生破坏,少量块石将被冲至渠道内。然而,我们都知道,厂房机组关机是不可能在瞬间完成的。根据主机厂提交的报告,真纳电站主机关机时间为14s,前7秒关闭开度70%,后7s关闭开度30%。根据相似理论,时间的相似比尺为比例尺的开方,即模型试验时的关机时间应为14/(361/2),约2.4s。这个时间在人工操作的模型试验中是很难控制好的,因此关于这一部分的试验并不能反映真纳工程的真实情况,即该模型不能进行厂房机组有关机现象的模拟。事实上,工程设计的原则肯定是针对正常运行的工况进行设计的。6真纳工程护坡设计在思想认识方面应注意的问题真纳工程渠道护坡设计争议历时3年,最终通过水工模型试验的方式得以解决,给项