通过实践对水工设计的总结探讨

通过实践对水工设计的总结探讨

蔡林顺

（昆明市水利水电勘测设计院）

摘要：结合自己的工作实践经验，对平时的水工设计方案进行讨论、总结。

关键词：水工设计　方案比选

一、前　言

水利水电工程由于技术难度较大，工程的安全性十分重要，也由于工程投资高对工程的经济性提出了很高的要求，在工程实施前需进行大量的前期论证和研究工作，以论证设计方案的可行性和合理性。随着技术的发展、工程难度的提高以及国家对前期工作要求的提高，对水工设计方案的论证提出了越来越高的要求，如何快速、合理地选定设计方案，确定工程场址、主要建筑物形式和各水工建筑物布置方案，论证其可行性和合理性成了水利水电工程建设前期工作中非常重要和关键的工作。本文通过总结多年来设计和审查工作的经验，对如何进行水工设计方案的比选和进行报告的编制进行了分析，并对方案设计应掌握的原则及注意的问题进行了论述。

二、方案比选的步骤

方案比选一般包括4个步骤，即方案的拟订、方案的比较、方案的选择、方案的设计。方案的拟订是根据工程开发的任务、规模，结合地形地质条件、建筑物布置、施工条件、环境影响等因素，经过分析，拟定两个或多个参与比选的方案。方案的设计是对各参选方案进行一定深度的设计，分析各方案的建设条件及工程对社会和环境的影响评价，估算各方案的投资、工期等，为方案的比较提供依据。方案的比较是结合比选因素，对各方案进行全面的比较，得出各方案的优劣。方案的选择是在方案比较后，经综合分析，推荐最优方案。

三、方案比选的因素

影响方案比选的因素较多，既包括地形地质条件、建筑物布置、施工条件、施工工期、工程占地、工程投资等可量化成经济指标的因素，也包括运行管理条件、工程技术风险、环境影响及社会影响等难以量化的因素。在这些因素里，工程投资等可量化的因素常成为影响方案比选的控制因素，但由于这些因素在前期阶段多是估算，存在一定的不确定性，且方案的比选不能只考虑方案的经济性，所以在各方案经济指标差别不大的时候，环境影响、社会影响及工程方案技术风险等往往成为方案比选的制约因素。随着社会经济的发展，社会和环保对工程建设的要求越来越高，在方案比选中应十分重视这类因素。对一些人口密集、城镇附近、社会经济比较发达和生态环境比较脆弱的地区更应重视，针对这些因素，在方案比较中，应作为重点论述。

四、方案比选的原则

（一）方案比选应实事求是

方案比选的首要原则是方案的设计和比较应实事求是，对各方案的利弊应进行科学和客观地分析。拟订方案时，不能凭设计或建设单位的意愿而有意舍弃可能较优的方案，方案设计时对各方案应一视同仁，不能故意压减或做大某一方案投资。方案比较时，不能由于偏好哪个方案，而重点分析和夸大其有利因素，而故意凸显该方案的优点。

（二）各参选方案应具可比性

（1）各参选方案须满足相同的规划指标，各方案应在相同的前提条件下进行比较。如排洪河道断面比选时，各方案的设计防洪标准（P）或洪峰流量等指标应相同。

（2）参选各方案均应可行且互有优劣，如经初步分析，其中某方案在技术上不可行或与其他方案比较在各方面都处于劣势，则此方案可不参与比选。在2007年禄劝县掌鸠河治理段河道设计中，同时设计两种方案：①在原河床基础上建排洪河道；②新开挖河床（尽量利用原河床）。采用①方案工程量增加，投资加大，但节约土地，采用②方案河床长度缩短工程量减小，投资自然节约，占用部分土地，但通过仔细分析，利用原河床进行占补基本平衡，最终通过专家审查选用方案②。当然，如经分析，只有一方案可行或该方案在各方面都明显优于其他方案，也可以直接推荐该方案，而不一定进行详细的方案比选。

（3）各参选方案的设计深度应尽可能相同，如深度差别较大，则由于受到深度较浅方案的不确定性影响而使比选结果不可靠。

（4）各方案的设计应尽可能优化，即各方案本身的设计应较优，否则被淘汰的可能是实际上较优的方案。

（三）方案的比较应综合全面

方案设计完成后，应结合比选因素对各方案进行全面综合的比较。比较前应列出影响方案比选的各种可能因素。比较时应针对各比选因素按顺序进行详细的分析和对比。进行工程量和投资比较时，应计入影响投资比较的所有项目。方案比较应抓住关键因素，比较前应分析哪些因素为关键因素和控制因素，哪些是次要因素，如果各方案各有优劣且难以抉择时，对关键因素应进行重点分析和对比，方案比较的结果应明晰，针对各对比点应有明确的结论，在报告编制中应将比较结果列表。

五、关于方案设计

为使各比选方案设计合理，不影响方案比较和比选结论，进行方案设计应掌握以下原则：

（一）设计应满足的基本要求

（1）应满足工程运用的要求，工程实施后应能满足工程的任务和规模，实现工程运用目标；（2）设计应满足安全运行的要求，在技术上能成立，并有一定的安全富余口。

（二）设计应有针对性

设计的针对性是指设计不能生搬硬套和千篇一律，对水工设计来说，是指建筑物的形式、布置和工程处理措施等应根据设计条件的变化而有所不同。

（1）灌溉工程设计中，挡水建筑物由于地形地质条件等不一样，建筑物的形式、布置等有所差别。挡水建筑物坝址比选中，各参选方案的坝型、枢纽布置等会由于场址不同而可能不一样，而不仅仅是工程量和投资等的差别。渠道输水中，渠道的形式、断面尺寸等随着渠段所处位置、控制灌面和地形地质等条件的变化而变化。

（2）对于同类项目，可能会由于地域不同，地方经济条件和发展水平的差异等，设计的着重点和控制因素可能不一样。如在经济发达地区，为保证工程的安全或使工程对环境的影响尽可能最小，不一定将工程投资放在首位。另外由于设计目的不一样，采取的工程处理措施也会有所不同。如建筑物基础处理中，应首先了解处理的目的是防渗还是加固，如是防渗，应了解处理的重点是控制渗漏量还是防止渗透破坏。

（三）设计应有充分的依据

设计应有充分的依据是指方案的设计应经过充分的分析和论证。（1）建筑物设置和工程措施的采取应通过必要性论证，以解决为什么要做的问题，如人饮工程设计中设置蓄水池时，应先对为什么要设蓄水池进行论证。（2）建筑物的布置和尺寸的确定等应有科学的依据。为使依据充分，布置应符合各种标准和规范，体型和尺寸应通过计算或模型试验验证，缺少既定规范或计算依据时应通过工程类比或借鉴同类工程的经验确定。

（四）设计应有一定的深度

在前期工作的各个阶段，设计深度有较大差别，越往后期深度越深，掌握的原则有两条：（1）应满足各阶段对设计深度的要求。（2）对同一阶段的不同方案，其设计深度应相同。方案比选结果的可信度与设计深度有较大关系。设计深度越深，比较结果的可信度更高。对于排洪工程，在项目建议书阶段，河床断面、河床长度等方案只需初步选定，其设计深度应以控制投资的精度为准。在可行性研究阶段和初步设计阶段由于要确定方案，各比选方案应有较深且相同的深度，以不影响方案选择为基础。随着对前期工作要求的提高，在项目建议书阶段，要求基本选定过河床断面和河床长，对设计深度有了更高的要求。

（五）其他方面的要求

设计还应注意其他几个方面：（1）设计应满足实用的要求，采取的工程处理措施等应具备实用性和耐久性。（2）设计应尽量采用成熟技术或施工难度较小的技术，力求使工程技术风险降到最小，如所用技术为创新，应经充分论证。（3）工程投资经济、合理，以使工程投资发挥最大的社会及经济效益。

另外设计应满足环保的要求和考虑对社会的影响，力求工程的建设对周围环境和社会的影响最小。最后是方案的设计应与其他专业相协调，考虑其他专业的要求。

六、工程实例

2007年禄劝县掌鸠河治理段设计方案。

设计依据：根据2005年禄劝县掌鸠河城区段治理可行性报告批复的成果，河道过流量Q＝519m³/s，河道底坡i＝1/1 500，河道底宽B＝32～36m，河道总高度H＝6m和2007年9月实测的整治段1∶500地形图和纵横断面图作为本次工程设计的依据；另外由于禄劝县城2007年汛期遭遇超标准洪水，河水漫堤进城，根据河道的实际需要，河堤顶部高程按禄劝县工商行政管理局处的掌鸠河大桥桥面和聚龙湾小区处的石拱桥桥面控制河堤设计高度，则相应的河堤高度设计为6.9m。

2007年掌鸠河治理段河道过水横剖面设计为二种断面形式，均为复式生态过水断面形式。

河道横剖面方案一：设计河道过水断面分成二台，下口宽34m，上口宽51.2m，在过流量Q＝519m³/s时，河道内形成的水深为5.56m。本方案在河堤总高6.9m内分为上、下两个梯形过水断面组合而成的复式生态断面。第一台设计河底净宽34m，上口挡墙顶之间的宽度为34.6m，两岸为3m高的浆砌石挡墙，挡墙迎水面坡比1∶0.1，背水面坡比1∶0.5，挡墙顶宽0.5m，挡墙基础宽度3.3m，深度1m。第二台下口设计净宽35.6m，上口生态河堤设计净宽51.2m，高度为3.9m，两岸均为1∶2的土质斜坡，斜坡上覆盖三维土工网形成植被草皮护坡，达到生态河堤的目的。

河道横剖面方案二：设计河道过水断面分成三台，下口宽32m，上口宽57m，在过流量Q＝519m³/s时，河道内形成的水深为5.55m。本方案在河堤总高6.9m内分为上、中、下三个梯形过水断面组合而成的复式生态断面。第一台设计河底净宽32m，上口挡墙顶之间的宽度为32.4m，两岸为2m高的浆砌石挡墙，挡墙迎水面坡比1∶0.1，背水面坡比1∶0.5，挡墙顶宽0.5m，挡墙基础宽度2.7m，深度1m。第二台下口设计净宽33.4m，上口生态河堤设计净宽41.4m，高度为2m，河道在此台位置两岸均设置2m宽的青石板支砌人行游道。第三台下口设计净宽45.4m，上口生态河堤设计净宽57m，高度为2.9m。第二、三台两岸均为1∶2的土质斜坡，斜坡上覆盖三维土工网形成植被草皮护坡，达到生态河堤的目的。

两种河道横剖面方案的优缺点比较：

方案一优点：河道口宽为51.2m，占用土地和拆迁量较方案二少。

缺点：两岸的浆砌石挡墙工程量较方案二大；人与河道、人与自然、人与水的亲和力功能不如方案二。

方案二优点：两岸的浆砌石挡墙工程量较方案一小；人与河道、人与自然、人与水的亲和力和美化环境功能比方案一强。

缺点：河道口宽为57m，占用的土地和拆迁量较方案一大；增加两岸青石板的工程量。

综上所述：本着土地是不可再生的资源和减少拆迁工程量的目的出发，我们推荐河道横剖面方案一为2007年治理段首选方案。

2007年掌鸠河治理段河道平面布置线路方案设计为三种布置形式，现就推荐横剖面方案与平面布置线路三个方案的组合情况分述如下：

平面布置线路三个方案从掌鸠河大桥至下游2005年整治段起点（聚龙湾围墙处）均为同一种线路布置方案，其共同点为：

（1）从掌鸠河大桥至下游344m（南村北端）处由于受大桥桥孔和两岸建筑物的限制，基本沿老河道中心线向右岸偏移布置，保留左岸工商局的已有建筑物，仅影响到其围墙。河道治理需拆除右岸的部分临河建筑物。

（2）从344m处连接至下游2005年治理段起点（聚龙湾围墙处）原河道堤岸由于受冲刷倒塌严重，加之两岸无建筑物，本段河道拉直为一直线形布置，使水流条件更通畅。

（3）将部分土地归入右岸靠近县城地段，有利于此部分土地的增值开发利用，有利于禄劝县城的可持续发展。

平面布置线路三个方案主要从掌鸠河大桥以上至整治起点（消防支队附近）进行比较。

平面布置线路一方案：掌鸠河大桥以上至本期整治起点（消防支队附近）完全沿老河道中心线向两岸展开布置，整治总长度为2 188m。

本方案优点：

（1）土方开挖量最小；

（2）侵占两岸土地最少。

本方案缺点：

（1）施工时围堰量和排水量最大；

（2）需要占用河道右岸地价较高的部分土地；

（3）河道随就弯水流形态不好，易淤积；

（4）施工时工作面不易展开而使工期较长。

平面布置线路二方案：掌鸠河大桥以上约800m长一段沿老河道左岸布置，800m处至本期整治起点（消防支队附近）沿老河道中心线向两岸展开布置，整治总长度为2 140m。

本方案优点：

（1）不占用河道右岸地价较高的土地；

（2）将部分土地归入右岸靠近县城，有利于此部分土地的开发利用，有利于县城经济的发展；

（3）施工时围堰量和排水量最小；

（4）河道顺直水流形态好，不易淤积；

（5）将原河道回填达到置换土地的目的；

（6）施工时有利于工作面的快速展开使工期较短而赢得主动权，有利于明年防洪工作的顺利实施。

本方案缺点：

（1）土方开挖量最大；

（2）需占用原河道左岸的一部分农田。

平面布置线路三方案：掌鸠河大桥以上至本期整治起点（消防支队附近）为一半径为836m的圆弧段，河道大部分沿老河道中心线向两岸展开布置，整治总长度为2 146m。

本方案优点：

（1）土方开挖量较小；

（2）侵占右岸地价较高地段面积较少；

（3）河道顺畅水流形态好，不易淤积。

本方案缺点：

（1）施工时围堰量和排水量较大；

（2）需占用原河道左岸的少部分农田；

（3）施工时工作面不易展开而使工期较长。

七、结　语

综上所述，通过分析和归纳对水工设计方案比选的步骤、因素及原则等进行了总结。可知，在进行方案的比选和设计时，为使推荐的方案最优，可用：（1）应有科学和实事求是的态度；（2）各比选方案应具有可比性，方案的比较应综合全面；（3）方案的设计应合理。为使各方案设计合理，所进行的设计应尽量优化并有一定的设计深度，设计应有针对性和充分的依据。