劉　宇

(遼寧省水利廳，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

恒仁水庫(kù)大壩經(jīng)濟(jì)壽命與決策評(píng)判研究

劉宇

(遼寧省水利廳，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

摘要：借助現(xiàn)有的研究成果，根據(jù)大壩每年帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和獲得的經(jīng)濟(jì)效益，及建立的大壩經(jīng)濟(jì)壽命研究模型，以遼寧省恒仁水庫(kù)為例，對(duì)該水庫(kù)大壩三種修復(fù)方案的經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)論對(duì)相關(guān)大壩的修復(fù)工作的經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：大壩；經(jīng)濟(jì)壽命；恒仁水庫(kù)；評(píng)判模型

1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

恒仁水庫(kù)又名渾江水庫(kù)，位于遼寧省恒仁縣境內(nèi)的鴨綠江最大支流渾江中游河段[1]。恒仁水電站為渾江梯級(jí)開發(fā)的七個(gè)電站中的主力電站，而恒仁水庫(kù)又是大伙房輸水工程的重要水源地水庫(kù)。恒仁水庫(kù)于1958年破土動(dòng)工，1962年建成，1967年水庫(kù)蓄水，1968年并網(wǎng)發(fā)電，1975年全部竣工。

恒仁水庫(kù)的正常蓄水位為300m，死水位為290m。水庫(kù)控制流域面積10 400km2，多年平均徑流量為44.80億m3，多年平均流量為142m3/s，多年平均輸沙量為125.6萬(wàn)m3。

樞紐工程主要由混凝土單支墩大頭壩以及壩后式廠房等建筑物組成。最大壩高為78.5m，壩頂寬32.7m，壩頂長(zhǎng)593m[2]。壩體設(shè)有表孔、中孔、底孔，分別擔(dān)負(fù)著泄洪、水庫(kù)正常放水以及沖砂任務(wù)。

2計(jì)算模型的建立

2.1大壩年效益與損失的計(jì)算

大壩每年帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益由多項(xiàng)效益構(gòu)成[3]。其中主要包括發(fā)電效益、供水效益、灌溉效益、航運(yùn)效益、調(diào)蓄洪水的價(jià)值、文化旅游價(jià)值、生物效益、環(huán)境效益等。由于其中的各項(xiàng)效益，特別是發(fā)電效益是逐年變化的，所以大壩的經(jīng)濟(jì)效益Ba是運(yùn)行時(shí)間t的函數(shù)，其計(jì)算公式為：

(1)

大壩每年帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失Da也是時(shí)間t的函數(shù)，主要包括糧食生產(chǎn)、漁業(yè)生產(chǎn)、有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)、水土流失防治、生態(tài)修復(fù)、大壩維修、水庫(kù)清淤、水質(zhì)處理、物種消失、文物損失等。其計(jì)算公式為：

(2)

一般來(lái)說(shuō)，大壩建成后的運(yùn)行初期，經(jīng)濟(jì)效益Ba遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)損失Da，但是隨著運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，經(jīng)濟(jì)效益趨于穩(wěn)定，而損失則持續(xù)增加。根據(jù)兩者的大小關(guān)系可以對(duì)大壩采取拆除措施、修補(bǔ)措施，或是不采取措施。當(dāng)然修復(fù)后的短期內(nèi)大壩的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)有所提高，但是隨著損失的逐步增加并與效益的增加持平時(shí)，大壩將再次面臨拆除。

2.2計(jì)算原理

(1)修復(fù)前效益及損失臨界時(shí)間的計(jì)算

根據(jù)上述方法可以獲得總效益與總損失的變化過(guò)程的特征函數(shù)，并求得大壩總的經(jīng)濟(jì)收益與經(jīng)濟(jì)損失相等的時(shí)間。在這一時(shí)間點(diǎn)之后，大壩帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益無(wú)法彌補(bǔ)大壩帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。其結(jié)果只有兩種情況：一是直接拆除或重建；二是采取修復(fù)措施，延長(zhǎng)大壩的經(jīng)濟(jì)壽命。

(2)大壩修復(fù)判別的計(jì)算原理

一般來(lái)說(shuō)，修復(fù)后的新的效益與損失平衡點(diǎn)會(huì)向后推移。在這一時(shí)間段內(nèi)新的收益會(huì)大于新的損失，而這段時(shí)間內(nèi)多年的絕對(duì)效益A可以由下面的公式計(jì)算：

測(cè)井使用儀器為北京中地英捷地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的PSJ-2型智能數(shù)字測(cè)井系統(tǒng)以及山西友源光電科技公司生產(chǎn)的YYGD-XZ型視頻成像檢測(cè)儀。

(3)

式中：g(t)為修復(fù)后的年收益函數(shù)；f(t)為修復(fù)后的年損失函數(shù)。

根據(jù)回收期數(shù)法計(jì)算出投資回收期T，計(jì)算公式如下：

(4)

式中：R為年平均凈收入；F1為修復(fù)時(shí)的一次性投入；i為基準(zhǔn)收益率。

如果大壩修復(fù)后的延長(zhǎng)使用年限小于修復(fù)費(fèi)用回收年限，則說(shuō)明修復(fù)方案沒(méi)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。反之，則說(shuō)明修復(fù)方案可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果。因此，投資回收年限T可以作為評(píng)價(jià)大壩修復(fù)效果的重要指標(biāo)。

3恒仁水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)壽命計(jì)算與評(píng)價(jià)

3.1建壩后效益及損失臨界時(shí)間的計(jì)算

首先，根據(jù)式(1)，并利用恒仁水庫(kù)的相關(guān)資料計(jì)算獲得大壩每年的經(jīng)濟(jì)效益隨時(shí)間變化的曲線：

Ba=-0.165t2+630.5t-528 374

(5)

同理根據(jù)式(2)可以獲得每年損失變化的曲線為：

(6)

由上述兩條曲線即可計(jì)算獲得恒仁水庫(kù)的效益與損失的臨界時(shí)間為2017年。也就是說(shuō)，從大壩建成到2016年間，每年產(chǎn)生的效益大于當(dāng)年的損失；在2017年大壩的效益與損失大致相等；在2017年之后，大壩的損失大于所產(chǎn)生的效益，需要采取必要的治理措施。

3.2大壩治理方式的評(píng)判

從恒仁水庫(kù)的實(shí)際情況來(lái)看，到2017年，大壩會(huì)達(dá)到效益與損失的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。因此，到2017年就必須對(duì)大壩及庫(kù)區(qū)范圍進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的評(píng)估，以最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段盡量延長(zhǎng)大壩的使用壽命，畢竟不到萬(wàn)不得已建成的大壩是不可以隨便拆除的[4]。

從影響大壩效益與損失的因素來(lái)看，雖然影響因素眾多，但是最主要的因素都與大壩的結(jié)構(gòu)可靠程度有關(guān)。其主要因素包括壩基揚(yáng)壓力的變化、混凝土強(qiáng)度衰減以及水載荷與泥沙壓力。此外，影響大壩發(fā)電效益的主要因素是可引流量，這會(huì)直接影響到水庫(kù)的發(fā)電效益，因此不僅要提高大壩的結(jié)構(gòu)可靠性，還要盡量發(fā)揮水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。而水庫(kù)效益的發(fā)揮與庫(kù)容有直接關(guān)聯(lián)，因此，水庫(kù)清淤也是充分發(fā)揮水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。

如果評(píng)價(jià)結(jié)果的決策是表明大壩不需要拆除，則必須認(rèn)真對(duì)待大壩存在的主要問(wèn)題，并提出相應(yīng)的處理舉措，以盡量延長(zhǎng)大壩的使用壽命，最大限度發(fā)揮水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益[5]。本次研究中針對(duì)恒仁水庫(kù)的具體情況，擬選取四種修復(fù)大壩的方式：一是對(duì)壩體的混凝土進(jìn)行強(qiáng)度修補(bǔ)，該方式可以減少大壩的損失，但是并不能有效增加大壩每年帶來(lái)的效益；二是通過(guò)對(duì)壩基灌漿，減小揚(yáng)壓力，這種方式與方式一的作用基本相同，可以減少大壩的損失，但是并不能有效增加大壩每年帶來(lái)的效益；三是增設(shè)魚道，減少大壩帶來(lái)的生態(tài)損失，但不會(huì)顯著改變大壩的經(jīng)濟(jì)效益；四是水庫(kù)清淤，這種方式可以有效增加引流量，提高發(fā)電效益，但是不會(huì)減少大壩造成的損失。本文結(jié)合上述修復(fù)方式設(shè)計(jì)了三種修復(fù)方案進(jìn)行計(jì)算比較，并評(píng)價(jià)大壩是不是需要拆除。當(dāng)然，對(duì)一個(gè)大壩而言，如果所有的修復(fù)方案都不經(jīng)濟(jì)，則必須拆除。但是，只要有一種修復(fù)方案可行，就應(yīng)該盡量進(jìn)行修復(fù)，以延長(zhǎng)大壩的使用年限。

3.2.1兼顧損失減少與效益增加的修復(fù)方案

(1)大壩混凝土補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)。高分子聚合物修補(bǔ)材料具有黏度小，適宜細(xì)裂紋修復(fù)與修補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)。利用改性MMA基修補(bǔ)材料修補(bǔ)后的混凝土可以達(dá)到其原始強(qiáng)度的95%以上，修復(fù)的單位面積成本約為每平方米2500元。

恒仁水庫(kù)大壩所使用的混凝土原始抗壓和抗拉強(qiáng)度分別為15MPa和1MPa，大壩自1962年建成到2017年一共經(jīng)歷了55a。按照混凝土強(qiáng)度衰變規(guī)律計(jì)算[6]，2017年大壩的抗壓和抗拉強(qiáng)度分別為11.4MPa和0.75MPa，急需補(bǔ)強(qiáng)加固。經(jīng)過(guò)MMA高分子聚合物補(bǔ)強(qiáng)之后，大壩混凝土的抗壓與抗拉強(qiáng)度可達(dá)到14.25MPa和0.95MPa。根據(jù)大壩的修補(bǔ)面積此項(xiàng)費(fèi)用需要85萬(wàn)元。

(2)大壩灌漿減小揚(yáng)壓力。對(duì)恒仁水庫(kù)大壩進(jìn)行壩基帷幕灌漿可以防止壩基產(chǎn)生機(jī)械與化學(xué)管涌，減少壩基滲透量。根據(jù)大壩參數(shù)估算所需要的灌漿量約為2540m3，灌漿的施工費(fèi)用約為每小時(shí)1700元，綜合計(jì)算可知，對(duì)大壩壩基進(jìn)行帷幕灌漿的費(fèi)用約為702萬(wàn)元。預(yù)計(jì)灌漿后大壩的揚(yáng)壓力折減系數(shù)會(huì)恢復(fù)到0.25的初始水平[7]。

(3)水庫(kù)清淤。水庫(kù)清淤不僅包括對(duì)電站進(jìn)水口和攔污柵進(jìn)行清淤作業(yè)，還要對(duì)水庫(kù)淤積嚴(yán)重的其他部位進(jìn)行清淤作業(yè)，以進(jìn)一步發(fā)揮水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。清淤的費(fèi)用主要與清淤體積有關(guān)。按照采用挖泥船清淤的方式計(jì)算，一年時(shí)間需要投入2540萬(wàn)元，可清淤1230萬(wàn)m3，由于清淤后庫(kù)容增加每年可新增發(fā)電量372.13萬(wàn)kW，獲得的新增發(fā)電效益為102.53萬(wàn)元。

綜上計(jì)算結(jié)果，按照這種方案，需要一次性投入的費(fèi)用為3327萬(wàn)元；但是大壩在修復(fù)后結(jié)構(gòu)可靠性得到了明顯提高，而大壩的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)則會(huì)顯著降低[8]。從2017年算起，大壩的失效概率計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　大壩失效概率計(jì)算結(jié)果

由于在校核工況下，洪水造成的流域經(jīng)濟(jì)損失約為35億元，利用上述結(jié)果，可以進(jìn)一步計(jì)算出大壩安全風(fēng)險(xiǎn)，如表2所示。

表2　大壩安全風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果

對(duì)大壩進(jìn)行修復(fù)，不僅效益有所增加，大壩自身的結(jié)構(gòu)損失也明顯降低。進(jìn)一步計(jì)算獲得的新的效益曲線與損失曲線的交點(diǎn)位于2028年，也就是說(shuō)修復(fù)后的大壩可以延長(zhǎng)效益年限11a。而通過(guò)一次性費(fèi)用計(jì)算獲取的投入回收年限為9.2a，因此該方案可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.2側(cè)重降低損失的修復(fù)方案

(1)對(duì)大壩進(jìn)行混凝土補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)和灌漿減小揚(yáng)壓力兩項(xiàng)措施，暫不進(jìn)行水庫(kù)清淤。按照方案一中的計(jì)算結(jié)果可知需要投入的總費(fèi)用為787萬(wàn)元。由此可以計(jì)算出大壩新的臨界時(shí)間為2033年，因此大壩可以延長(zhǎng)使用壽命16a。由于省去了水庫(kù)清淤的大量投入，投入回收年限僅有3.3a，因此該方案的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于上述方案。

3.3.3側(cè)重于效益增加的修補(bǔ)方案

該方案僅對(duì)水庫(kù)進(jìn)行清淤作業(yè)，而不對(duì)大壩進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。按照計(jì)算結(jié)果，一年時(shí)間需要投入2540萬(wàn)元，可清淤1230萬(wàn)m3，由于清淤后庫(kù)容增加每年可新增發(fā)電量372.13萬(wàn)kW，獲得的新增發(fā)電效益為102.53萬(wàn)元。經(jīng)計(jì)算水庫(kù)清淤后的新臨界時(shí)間點(diǎn)為2018年，延長(zhǎng)時(shí)間為1a，而這一年內(nèi)的平均盈利僅為35.21萬(wàn)元，因此這種方式并不能有效延長(zhǎng)大壩的使用壽命。

綜上所述，對(duì)所有三種不同側(cè)重點(diǎn)的大壩修復(fù)方案的對(duì)比可知，最合理的修復(fù)方案為：到2017年大壩達(dá)到效益和損失臨界點(diǎn)時(shí)，只對(duì)大壩進(jìn)行加固修復(fù)，修復(fù)方式為進(jìn)行大壩的混凝土補(bǔ)強(qiáng)以及壩基的帷幕灌漿，不僅可以使大壩延長(zhǎng)16a的使用年限，還可以充分發(fā)揮大壩的經(jīng)濟(jì)效益。

4結(jié)論

大壩的修復(fù)與拆除是有章可循的，并不是簡(jiǎn)單的依靠使用年限來(lái)決定繼續(xù)使用、修復(fù)還是退役。我國(guó)目前在大壩日常維護(hù)與管理中多傾向于對(duì)大壩進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)的修復(fù)，盡量延長(zhǎng)大壩的使用年限，但是很少對(duì)修復(fù)方式的合理性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較和研究。所以本文的結(jié)論對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)的加固、維修提供了積極的借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：劉宇(1989-) ，男，滿族，助理工程師,主要從事水利工程施工管理工作。

中圖分類號(hào)：TV698.2+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)05-0089-03