水电站设计
第\"#卷第$期!
%&$'年\"月
系统优化设计方法及其工程实践
侯东奇陈!军朱先文
!中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司#四川成都!*$&&(%\"
摘!要水电勘测设计市场已然由'设计服务导向模式)转化为'顾客焦点关注模式)#市场竞争白热化%基于系统思维方式而演变的系统优化设计思想和方法#是人类思维方式的全面创新与全面突破#特别适用于复杂化和系统化兼备的水电工程设计#是一种提升设计效能和实现显著经济效益的设计技术理念和手段%文中从系统思维理念出发#融合质量管理的2UG1方法#分析了水电工程系统优化设计的基本流程#并以某水电站右岸边坡群的设计方案优化为例#论述了方法流程的应用过程#对结果进行了详细评价%工程实践表明#系统思维理念和系统优化设计方法是值得学习$借鉴$汲取#并广泛推广应用的卓越的工程设计理念和方法#是培育技术核心竞争力的有效举措%
关键词系统思维&系统优化&水电工程&勘测设计&边坡群
中图分类号/g.%\"&/g%%%&]%(%!!!文献标志码J!!!文章编号$&&\",+'&.%&$'&$,&&$(,&#
科理论的设计实用水平#组建高端计算分析小组和
&!前!!言
近几十年来#我国水电建设事业飞速发展#取得了举世瞩目的辉煌成就#极大地提升了水电建设市场的成熟度%近年来#随着国内水电资源密集开发期的消失#可持续发展的水电资源开发建设利用模式已基本成熟#勘测设计市场急剧萎缩#市场竞争白热化%同时#受社会经济发展转型和日趋白热化的市场竞争等因素冲击#国内水电资源开发形势严峻#水电勘测设计市场也随之悄然发生着变化#已经由过去的'单一技术服务导向型)转化为'技术经济$生态环境$人文社会的多极和谐共生型)#由'卖方市场)转化为'买方市场)#由'设计服务导向模式)转化为'顾客焦点关注模式)%
市场是企业生存的土壤%为了适应新形势#在激烈的竞争环境中求得企业继续生存和发展的权利#公司采取了一系列卓有成效的治理举措#特别是积极变革管理模式#导入'卓越绩效管理)#努力提高质量$环境$职业健康安全三体系标准化和规范化管理水平#强力培育和打造公司核心竞争力#在提升公司业绩方面取得了显著成效+$,%水工专业是公司业务开展的基础技术专业#是维护和锻造公司技术核心竞争力和树立技术品牌优势的根基%为了对接公司战略#实现水工设计技术在能力和质量上的全面提升#水工处从技术培育和理念孕育方面进行了积极有效的探索%技术培育方面*夯实技术细节知识#吸纳高新技术知识#强化专业设计技能#升华学
收稿日期%&$()&*)$\"
三维设计技术室$规范制定各种单项设计标准范本$举办博士论坛等活动%理念孕育方面*积极因势利导#倡导'设计施工监控一体化)的设计认知意识$以'顾客关注为焦点)的设计服务理念$以'技术整合)为基础的系统设计思维习惯#以期实现设计产品和服务质量的全新飞跃#达到保护和拓展顾客资源#抢占市场更多份额的战略目标%
$!系统思维
以'技术整合)为基础#实现各技术环节的有效协同#实现整体最优效能#实际上体现了'系统思维)在设计方案的策划$分析$改进$实践过程中的深入运用%
思维方式是人类在认识自身的生存方式与生存状态的过程中所形成的认知活动模式%从古至今#人类相继经历了原始社会$农业社会$工业社会$信息社会的不同物质能源环境#人类思维方式也逐步从感性走向理性#从神秘走向科学#从零散走向系统%纵观之#人类思维方式大体经历了四个阶段*直观感知阶段$形而上学阶段$辩证思维阶段$系统思维阶段%系统思维方式汲取了当代自然科学尤其是物理学的新养分#这是一种崭新的思维方式#是人类思维方式的全面创新与全面突破%系统思维方式实现了整体与部分$分析与综合$定性分析与定量分析$线性思维与非线性思维的有机结合+%,%基于系统思维方式和系统论而发展起来的系统优化设计方
第一作者简介侯东奇!$+(',\"#男#陕西蒲城人#硕士#高级工程师#从事水工结构设计工作%
$(
法#已经广泛应用于各行各业%我国著名的科学家钱学森在系统思想与系统科学研究与推广应用方面取得了杰出成就#为我们树立了丰碑和典范+\",%岩土力学界于学馥教授早在上世纪'&年代#就提出了在岩土力学领域研究的思维方式变革问题#并基于系统思维#提出了地下工程设计的'轴变论)#形成了地下洞室围岩稳定分析的系统方法+#,%同时#我国正在大力推行的企业卓越绩效管理模式中#将'系统管理)作为其基本理念之一+.,%
基于系统思维提出的系统优化设计方法#就是要求全面系统地考察与设计方案相关的各种因素#利用各种技术手段实现系统各要素的有机结合#达到设计目标最优的目的%水电工程无疑是一项伟大的人工技术创造物#是一个复杂的系统工程#涉及到方方面面的技术与问题#将人类思维认知的先进成果///系统思维#应用于水电工程设计中#以期实现设计方案的最优化效果#应是优秀的水电设计工程师追求的目标#也是在日趋激烈的竞争市场中实现公司战略和个人价值的必备手段%
%!水电工程系统优化设计流程
水电工程设计一般要经历前期规划$预可行性研究$可行性研究$招标设计$技术施工设计等各个阶段#每个阶段都有不同的组织过程#每个组织过程都包含了各种不同的子过程及其结果#每个子过程和结果都受到各种各样因素的制约和考量#所以#每个过程和结果都是一个子系统%总体分析#水电工程设计的每个过程都具有如图$所示的设计流程#这与质量管理体系中所提出的2UG1模式也是一致的+*,%事实上在水电工程进入实质性施工之前#图中各环节都是在不断循环进行#甚至在施工过程中也在不断进行#以持续寻求最优的系统设计方案%
图$!水电工程设计过程2UG1循环!$\"方案策划%根据工程设计总体规划#理清设计阶段要实现的设计目标#根据设计目标分界#开展各种相关的子方案设计策划%不同的工程设计阶段对设计目标有明确的要求#应根据相应的子目标设计过程及其结果开展具体方案的策划工作%一般
$'
而言#每个设计阶段的方案策划#从范围上可划分为全局性方案$局部性方案$细节性方案三个不同层次%全局性方案主要有河流水电资源规划方案$枢纽综合布置方案$对外交通运输方案$工程施工组织等#局部性方案主要有各功能建筑物布置$移民$环保等各专项方案#细节性方案则包括各结构或各专项方案的具体详细的细部设计等%
!%\"方案设计%方案策划完成后#应根据各方案要实现的设计目标#以现有可应用的工程技术为基础#统筹考虑各种因素$各种方法$各种功能等要求开展设计工作#提出初步的设计方案#有时为深化设计工作需提出不同的方案#以便后续开展分析对比%
!\"\"方案分析%利用模型试验或计算分析手段#对设计方案进行验证#以分析其是否满足设计功能要求#是否满足安全要求#是否满足各项标准或规程规范#总结方案的不足之处和需要改进的地方%
!#\"方案优化%根据分析结果#对方案进行优化改进#使方案更加符合设计目标%
\"!工程应用
在某水电工程右岸边坡群设计过程中#设计人员利用系统优化设计思维和2UG1方法#利用水工专业'技术整合)优势#将各种细节技术与系统设计功能融为一体#不仅充分发挥每一项细节技术的优势#同时也大幅度优化系统功能#实现了安全可靠$技术经济$永临统协$人环融合的设计理念%\"-$!方案策划
某水电工程采用'河床大坝F左岸泄水F右岸引水发电)的总体枢纽建筑物布置格局%枢纽布置明确后#开展右岸电站进水口$开关站$右岸坝肩平台的基础设计%根据工程设计的地形地貌和地质条件#以及建筑物布置总体需求#将电站进水口$开关站$右坝肩平台等连为一体#采用边坡开挖及其他方式#形成设计功能建筑物基础平台#设计时需要将其视为一个子系统#以便寻求经济合理的设计方案%
该边坡群系统应具备以下设计功能*!$\"满足右岸坝肩及坝顶交通功能&!%\"满足开关站建筑物设计功能&
!\"\"满足电站进水口建筑物设计功能&
!#\"满足右岸边坡群施工期临时交通要求和电站永久运行期交通要求&
!.\"满足建筑物基础!含边坡\"安全稳定要求%\"-%!方案设计
根据设计功能#结合工程赋存的地形地质条件#
拟定设计方案如下*
!$\"考虑大坝轴线位置和地下厂房对电站进水口布置的要求#初步确定将坝顶平台$开关站基础$电站进水口依次自下游向上游布置&
!%\"在坝顶的坝轴线区域#开挖局部边坡#形成坝顶平台#与已经实施的交通洞连接&
!\"\"开关站布置采用部分边坡开挖F部分人工建筑物的形式构成#主要有边坡开挖形成的岩基平台以及临河侧的交通大桥和混凝土挡墙&
!#\"电站进水口基础采用边坡开挖形成#通过交通桥与开关站的挡墙公路连接%
具体设计方案见图%%
图%!右岸边坡群招标设计方案单位P
!!方案%为右岸边坡群招标设计方案#从设计功能需求分析来看#该方案显然是满足设计目标的%方案的主要设计内容有*
!$\"在边坡群外部通过右坝顶平台F公路交通混凝土挡墙公路F电站进水口交通桥形成右岸桥F
坝顶永久交通#其中大桥长度约$&&P#混凝土挡墙长度约%&&P&
!%\"开关站和右坝顶平台边坡之间发育有沟谷堆积体#采用高度约%&P的混凝土挡墙加固&
!\"\"右坝顶以上边坡开挖高度约+&P#开关站边坡最大高度约$\"&P#电站进水口洞脸后边坡最大开挖坡高约\"&&P#上游侧锥形开挖区最大坡高约%(&P#引渠上游侧边坡最大开挖坡高约$(&P%\"-\"!方案分析
技施设计阶段#结合地下厂房优化调整#对右岸边坡群设计方案进行了重新审视%分析认为#上述方案存在以下几个方面的不足*
!$\"公路交通桥和混凝土挡墙建设难度较大#大桥和挡墙基础位于边坡浅表的强卸荷部位#且水库运行期部分基础会不断受到水库消涨的影响#安全稳定问题突出&同时#施工期建设大桥和挡墙#对下部的大坝基坑和填筑施工影响较大&此外#建设期施工场地狭窄#需要另行开辟施工场地%综合分析#该交通方案设计施工难度大#工程投资大#安全稳定性能较低&
!%\"现场勘探深化成果表明#右坝顶和开关站的边坡之间发育的沟谷堆积体范围和深度较大#一
旦出现较大暴雨形成泥石流#设置%&P的挡墙很难抵抗#下泄物会堵塞临河侧的桥头#形成交通中断#引起重大事故&
!\"\"开关站边坡临河侧约%.P水平深度为强卸荷的g类岩体#顺坡向节理裂隙极其发育#即使采用较缓的设计坡比#也需要很强的支护#方能满足规范要求&同时#开关站基础临近库岸#稳定性差#基础处理投资较大&
!#\"电站进水口边坡开挖高度较大#须开挖上游侧突出山脊#但该山脊上部为一大型危险源#施工安全风险大%\"-#!方案优化
通过重新分析审视#在技施阶段对招标方案进行了大幅度改进#主要体现在以下几个方面*
!$\"取消右坝顶和开关站边坡之间沟谷堆积体防护的挡墙方案#决定全部挖出沟内堆积物#保证工程安全&
!%\"取消公路交通桥和混凝土挡墙的交通方案#采用岩石基础开挖平台作为公路基础#提高公路安全裕度#消除施工过程中上部建设对下部大坝基坑施工的影响&
!\"\"开关站基础平台开挖线后移#挖除前部岩性很差的岩体#由于岩体条件变好#可提高开挖坡比#减少支护强度#以尽可能降低边坡开挖高度&
!#\"结合地下厂房优化设计成果#在满足电站引水设计的前提条件下#根据实际地形地质条件#优化电站进水口边坡设计走向#规避上游侧山脊及大
$+
型危险源的开挖#减少设计施工难度#降低边坡开挖高度#减少工程投资%
优化后的设计方案见图\"%其主要的设计内容有*
!$\"坝顶高程%'(.P以上开挖坡比为$n&\\.D$n&\\(.#高度约$\"%P%现场实际开挖揭示边坡岩体条件相对较好#支护强度可控&
!%\"开关站建筑物基础平台和临河侧公路平台成为一体#边坡开挖最大高度约$*&P#平台宽度增加&
!\"\"电站进水口设计走向由H(if调整为H\"if#洞脸后边坡最大开挖坡高约%\"&P#引渠上游边坡最大高度为'&P#下游最大边坡高度为*.P#引渠侧边坡与洞脸边坡相接处均采用锥形开挖过渡#上游侧锥形开挖区最大坡高约%&.P%
图\"!右岸边坡群优化设计方案单位P
的道路通行条件#极大地方便了工程施工%右岸坝
#!结果评价
优化设计方案不仅满足了设计功能需求#而且尽可能充分考虑了各方面的因素#是一个相对较优的系统设计方案%该方案经设计院和业主及相关单位评审同意后#已经付诸于工程实施%从目前实践效果看#对其结果评价如下*
!$\"满足设计功能需求%满足设计功能需求是设计方案应具备的首要目标%从已经形成的平台基础和边坡运行情况看#设计方案完全满足公路路基布置$开关站建筑物布置$电站进水口建筑物布置需求#实现设计功能目标%
!%\"极大地增强了工程设计的安全稳定性%优化方案彻底消除了沟谷堆积体在极端暴雨情况下发生泥石流#从而堵塞交通的重大风险&取消了公路交通桥和混凝土挡墙#规避了库岸稳定对交通安全的风险#将公路基础置于岩基上#提高了公路安全稳定性&大幅度降低了电站进水口高边坡开挖规模#规避了对上游侧大型危险源的大规模开挖#极大地提高了边坡稳定性&开关站边坡岩体性状转好#边坡稳定性提高#规避了强卸荷节理裂隙岩体对边坡稳定造成的影响%
!\"\"规避施工干扰风险#交通条件大为改善%优化后的方案可以在工程建设初期就提供更为顺畅
%&
顶平台交通衔接条件好#改善了运行期交通条件%同时#规避了大桥和混凝土挡墙施工对大坝基坑施工的严重制约#消除了施工干扰风险%
!#\"极大地改善了主体工程施工条件%优化后的设计方案在主体工程承包商进场前就已经形成了范围较广的右岸坝顶及开关站区域的平台场地#有效缓解了高山峡谷区施工场地布置的困难#为主体工程进场施工提供良好的场地条件%目前该平台上布置有临时观景台$机械安置区$小型工厂$大坝施工指挥中心等#为大坝和引水发电系统施工提供了极为便利的条件%同时#在业主的精心打造下#平台上布置了宣传图像$标语$花坛等装饰物#树立了国旗和业主公司旗帜#为工程施工现场创造了良好的人文环境%
!.\"降低了设计施工难度%优化后的设计方案使得坝顶平台宽度增大#方便了施工开挖&特别是电站进水口边坡总体开挖高度明显降低#避免了大型危险源开挖施工#开关站边坡岩体性状明显转好#有效降低了设计和施工难度#保证了设计效能和施工安全%
!*\"经济效益显著%优化方案不仅极大提升了右岸边坡群和平台基础的设计功能#而且具有显著经济效益%统计分析表明#右岸边坡群总体开挖方!!
!下转第#+页\"
表#!配筋计算成果
计算位置
%
无系统锚杆配筋面积VPP
%
间排距$-%P系统锚杆支护后配筋面积VPP
边墙&-*P#(&+\"($$
边墙.P$**$(构造配筋
边墙$&P$''%构造配筋
边墙$.P构造配筋构造配筋
底板边角%$..+$&\"'
底板中心'.*\"构造配筋
!!从计算结果分析#系统锚杆用于连接衬砌与岩体#锚杆深入岩体和衬砌的部分主要发挥锚固抗拔作用#当衬砌受到外水压力荷载发生变形时#锚杆被带动同时变形#并产生弹性反力与衬砌共同抵抗外荷载%这个过程中系统锚杆的作用主要分为两个方面*
!$\"锚杆受到轴力的拉伸作用对衬砌施加法向应力#在一定的影响区域内对衬砌产生约束作用&
!%\"岩体$混凝土间接触面的相对运动对锚杆产生剪切作用#由于锚杆切向受力变形而产生附加的轴向变形#锚杆轴力逐渐增大#了衬砌与岩体间的相对错动#即锚杆的'销钉)作用%
!\"\"锚杆的极限状态可以通过其承受的拉应力水平和切向变形大小进行双重判定%
!#\"0型衬砌底板锚杆相比较边墙锚杆更容易破坏#建议在设计过程中底板锚杆采用较边墙更小的间排距%参考文献
+$,!YHU@1@1/H1J#X1YOB@2X-1:4=R>?<4=P8;3=^87>W3;3N?L:
+b,-Y:>37:4>?8:4=b7:4=^87H9P37?<4=4:;8^L7>3;78<5M8=>N1:4=R>?<4=A3>W8;N?:638P39;R8^N>73:L>W+G,VV-278<33;)[474P3>37N?:>W373?:^87<3;L7:;MR78<5M8=>N?:LN8^>W3f87=;/9::3=G8:L73NN4:;\"%:;Y/11NN3PM=R-O3)#X8734*%&&*-=
+\",!葛修润#刘建武-加锚节理面抗剪性能研究+b,-岩土工程学
$+-报#$+''#$&!$\"*',
+#,!孙静#李术才#陈卫忠#朱维申-某水利枢纽地下厂房不同锚固
方案围岩稳定性对比分析+b,-岩石力学与工程学报#%&&\"#%%!增$\"*%\"$(,%\"%$-+.,!!U`V/.&.(,%&&+\"水工混凝土结构设计规范+O,-%&&+-+*,!张伟#刘泉声-节理岩体锚杆的综合变形分析+b,-岩土力学#
%&$%#\"\"!#\"*$&*(,$&(#-+(,!曾祥勇#邓安福-锚索与锚杆联合锚固支护岩坡的有限元分析
+b,-岩土力学#%&&(#%'!#\"*(+&,(+#-
.!结!!论
!$\"系统锚杆对于降低0型衬砌受到外荷载时的内部应力水平效果是显著的#同时可以大幅降低衬砌内的配筋量#0型衬砌F系统锚杆这种支护形式是值得推广的%
!%\"采用三维实体单元对锚杆进行有限元建模可以更加全面地模拟锚杆的应力应变状态#真实反映锚杆本身受剪后的极限状态%
***********************************************!!!上接第%&页\"牌优势指明了方向%
\"
量减少'\"-$万P&与招标阶段相比#施工期工程投
参考文献
资降低了\"\"\"*-%+万元&如果考虑取消公路大桥和
混凝土挡墙的分项工程#经济效益就更为可观%+$,!中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司-%&$*年全国质
,-%&$*-量奖申报材料/自我评价报告+@
.!结!!论
!$\"通过水工专业'技术整合)优势#借助系统
1GU质量管理方思维和系统优化设计方案#利用2
法#对水电工程系统优化设计方法和流程进行了分析#这是一个方案策划$方案设计$方案分析$方案优化改进的流程循环过程#在不断分析$改进$完善的过程中寻求更加优化的设计方案%
!%\"以某工程右岸边坡群布置设计方案及优化过程为例#论述了系统思维和系统优化设计的工程实践应用#并对结果进行了详细评价%实践成果表明#系统优化设计方法是一种提升设计思维理念$大幅度提高设计产品质量和经济效益的十分有效的方法#也为公司在现今激烈的市场竞争中树立技术品
+%,!李小燕#金瑞-试论人类思维方式的历史演变+b,-系统科学学
报#%&$.#%\"!#\"*$&%,$&.-+\",!于景元-钱学森的现代科学技术体系与综合集成方+b,-交通运输系统工程与信息#%&&$#$!#\"*%*(,%(.-+#,!黄润秋-正确的思维方式是学科发展的源泉+b,-岩石力学与
%'*-工程学报#$++##$\"!\"\"*%'\",
+.,!中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局$中国国家标准化
管理委员会-!6JV/$+.'&,%&$%\"卓越绩效评价准则+O,-北京*中国标准出版社#%&$%-+*,!中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局$中国国家标准化
!6JV/$+&&$,%&$.\"质量管理体系要求!征求意管理委员会-见稿\"+O,-北京*中国标准出版社#%&$.-+(,!中国水电顾问集团成都勘测设计研究院-四川省雅砻江两河
口水电站开挖边坡及开口线外自然边坡危险源地质勘察及设计复核专题报告+@,-%&$.-
#+
