鄧 源，李 萌，李悠然

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

土石方調(diào)配問(wèn)題是面板堆石壩施工中的核心問(wèn)題之一，受時(shí)空等復(fù)雜因素的影響。土石方動(dòng)態(tài)調(diào)配系統(tǒng)由開(kāi)挖部分、填筑部分、料場(chǎng)、渣場(chǎng)、中轉(zhuǎn)場(chǎng)、道路、運(yùn)輸設(shè)備等要素組成。關(guān)于土石方調(diào)配的優(yōu)化研究，張春燕等根據(jù)南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠渠道工程的特點(diǎn)[1]，建立了線(xiàn)性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。李勤軍等考慮渣場(chǎng)規(guī)劃容量、邊坡防護(hù)和防水等影響，對(duì)錦屏一級(jí)水電站三灘料場(chǎng)進(jìn)行渣場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)[2]。Ahamd 建立了以調(diào)配總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)、以道路坡度為控制條件的LP模型[3]。Karimi等考慮費(fèi)用系數(shù)及容量的模糊性，并在此基礎(chǔ)上分析了工程施工中開(kāi)挖及棄土區(qū)情況，建立了土石方調(diào)配道路模糊LP 模型[4]。Mayer 等以不相鄰的挖、填方區(qū)為研究對(duì)象，建立了目標(biāo)函數(shù)為最小累計(jì)非經(jīng)濟(jì)運(yùn)距的土石方調(diào)配LP 模型[5]。目前常用的土石方優(yōu)化調(diào)配模型有線(xiàn)性規(guī)劃模 型[6-7]、大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)模型[8]、動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型[9]、多目標(biāo)決策模型等[10]。本文以某大型面板堆石壩為研究對(duì)象，采用線(xiàn)性規(guī)劃方法對(duì)土石方調(diào)配模型進(jìn)行求解，從而推出一種簡(jiǎn)便的土石方調(diào)配優(yōu)化方法，達(dá)到土石方平衡的目的。

1 土石方動(dòng)態(tài)調(diào)配系統(tǒng)

面板堆石壩土石方調(diào)配是指在施工過(guò)程中，考慮開(kāi)挖及填筑進(jìn)度要求，實(shí)現(xiàn)土石料的開(kāi)挖、轉(zhuǎn)運(yùn)、填筑、棄渣及料場(chǎng)開(kāi)采等環(huán)節(jié)的綜合調(diào)配，以提高建筑物開(kāi)挖料、料場(chǎng)開(kāi)采料的直接上壩率，減少挖、采、棄、轉(zhuǎn)等環(huán)節(jié)的費(fèi)用，使面板堆石壩實(shí)現(xiàn)快速經(jīng)濟(jì)施工[11]。由于施工中土石方調(diào)配量大，不同部位的料源需求量不一樣，各個(gè)區(qū)域的料源種類(lèi)也不一，因此有必要分析面板堆石壩系統(tǒng)組成要素及各要素間的關(guān)系。

2 工程實(shí)際情況

本工程面板堆石壩壩軸線(xiàn)全長(zhǎng)1100.00 m，壩頂高程225.00 m，防浪墻頂高程227.50 m，河床趾板建基高程37.00 m，最大壩高188.00 m，壩頂寬度9.00 m。大壩上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.3；上游有防滲鋪蓋，下游用干砌石護(hù)坡。

根據(jù)水電站總體土石方平衡分析，主體工程土石方開(kāi)挖約4165.98萬(wàn)m3(含石料場(chǎng)開(kāi)挖總量)。溢洪道、電站進(jìn)水口、壓力管道開(kāi)挖料直接上壩277.46萬(wàn)m3，二次回采上壩112.16萬(wàn)m3，來(lái)自石料場(chǎng)1631.61萬(wàn)m3，棄渣2144.75萬(wàn)m3。工程石方開(kāi)挖總量為3341.78萬(wàn)m3(含石料場(chǎng)開(kāi)挖石方量)，上壩利用2021.23萬(wàn)m3。

主料由2#料場(chǎng)提供，料場(chǎng)分為南、北兩個(gè)開(kāi)采區(qū)。南部開(kāi)挖區(qū)開(kāi)挖面面積約15萬(wàn)m2，最高高程420 m，擬開(kāi)挖至220 m高程，預(yù)計(jì)可開(kāi)挖上壩石料700萬(wàn)m3；北部開(kāi)挖區(qū)開(kāi)挖面積約11萬(wàn)m2，最高高程510 m，擬開(kāi)挖至360 m高程，預(yù)計(jì)可開(kāi)挖石料900萬(wàn)m3，兩個(gè)開(kāi)挖區(qū)預(yù)計(jì)可提供1600萬(wàn)m3(自然方)石料供大壩填筑使用。

壩體自上游至下游依次分為石碴蓋重區(qū)(1B)和黏土鋪蓋區(qū)(1A)，混凝土面板、墊層區(qū)(2B)和周邊縫下特殊墊層區(qū)(2A)、過(guò)渡層區(qū)(3A)、上游主堆石區(qū)(3B-I、3B-II)、下游次堆石區(qū)(3C)、下游表面堆石區(qū)保護(hù)層區(qū)(P)、排水區(qū)(3D)、下游過(guò)渡區(qū)3A、下游防滲區(qū)4、下游反濾保護(hù)區(qū)2A、2B,以及下游棄渣區(qū)5等。表1為各部位上壩料(壓實(shí)方)料源表。計(jì)算調(diào)配所用數(shù)據(jù)采用表1中數(shù)據(jù)。

表1 各部位上壩填筑料料源規(guī)劃表 m3

3 土石方動(dòng)態(tài)調(diào)配模型

土石方平衡調(diào)配原則：

(1)本標(biāo)段填筑用料料源盡可能合理規(guī)劃，最大限度利用相鄰部位建筑開(kāi)挖有用料直接上壩，避免二次倒運(yùn)。

(2)由于大壩壩肩與壩基開(kāi)挖石方主要是頁(yè)巖和粉砂巖，且在大壩填筑前就已開(kāi)挖完，二次利用主要用在圍堰填筑或用于壩外施工道路回填。

(3)根據(jù)本標(biāo)段設(shè)置的上下游和左右岸棄渣場(chǎng)位置，大壩和隧洞開(kāi)挖廢棄料按照就近渣場(chǎng)棄渣原則規(guī)劃，對(duì)于附近渣場(chǎng)容量不足的，再轉(zhuǎn)移到其他渣場(chǎng)。

(4)主堆石場(chǎng)選擇運(yùn)距近、料源好、儲(chǔ)量大和便于高強(qiáng)度開(kāi)采的料場(chǎng)。根據(jù)本標(biāo)段實(shí)際，采用2#料場(chǎng)為主料場(chǎng)，5#料場(chǎng)作為備用料場(chǎng)。

3.1 模型假設(shè)

土石方調(diào)配的目的是確定各施工時(shí)段內(nèi)各供料源到各受料源的料物調(diào)配方量。本文基于兩個(gè)假定：①土石方調(diào)配是在既定料場(chǎng)規(guī)劃前提下進(jìn)行的；②不考慮開(kāi)挖料及中轉(zhuǎn)料場(chǎng)。

3.2 模型構(gòu)建

土石方調(diào)配模型是以全程調(diào)配費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，并且綜合考慮相關(guān)約束條件，將整體進(jìn)程劃分若干部分進(jìn)行計(jì)算。

(1)目標(biāo)函數(shù)。設(shè)有i個(gè)料源點(diǎn)，j個(gè)受料區(qū)，則目標(biāo)函數(shù)為：

minZ=minXijCij

(1)

式中：Xij為i點(diǎn)到j(luò)點(diǎn)的運(yùn)輸量，m3;Cij為i點(diǎn)到j(luò)點(diǎn)的運(yùn)價(jià)，元/m3。i表示供料點(diǎn)，i=1,…,6；j代表堆場(chǎng) ,j=1,…,18。

(2)約束條件。①供求量約束。每個(gè)時(shí)段供料源的開(kāi)挖總量等于從該開(kāi)挖料源到所有受料部位的調(diào)配量之和。②料場(chǎng)的開(kāi)采量要滿(mǎn)足儲(chǔ)量的限制，2號(hào)料場(chǎng)運(yùn)到j(luò)填筑項(xiàng)目的量X1j≤16 000 000 m3；大壩工程開(kāi)挖X2j≤1 746 000 m3；溢洪道工程X3j≤7 307 000 m3；進(jìn)水口工程X4j≤706 400 m3；壓力管工程X5j≤1 671 400 m3；低水位出水口工程X6j≤55 600 m3。

③各部位需求量如下：

Xi1=19 255 m3；Xi2=507 095 m3；Xi3=543 696 m3；Xi4=8 201 257 m3；Xi5=4 553 205 m3；Xi6=5 829 493 m3；Xi7=724 818 m3；Xi8=753 180 m3；Xi9=358 296 m3；Xi10=155 748 m3；Xi11=617 788 m3；Xi12=2748 m3；Xi13=754 461 m3；Xi14=67 148 m3；Xi15=2 943 644 m3；Xi16=10 000 m3；Xi17=2200 m3；Xi18=1 046 700 m3。

表2是對(duì)應(yīng)的運(yùn)費(fèi)表。

表2 運(yùn)費(fèi)表 元/m3

4 結(jié)果與分析

Lingo軟件主要用來(lái)求解和分析線(xiàn)性規(guī)劃、非線(xiàn)性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃及二次規(guī)劃等問(wèn)題，該軟件提供了豐富而便捷的建模語(yǔ)言，容易建立最優(yōu)化模型的約束條件及目標(biāo)函數(shù)組，使輸入大規(guī)模問(wèn)題的過(guò)程變得簡(jiǎn)單[12]，具體計(jì)算步驟如下所示：

①編寫(xiě)面板堆石壩土石方調(diào)配模型的Lingo程序，模型以“model: ”語(yǔ)句開(kāi)始，以“end”語(yǔ)句結(jié)束。

②定義原始集， 集部分以關(guān)鍵字“sets: ”開(kāi)始，以“endsets”結(jié)束。

③除去非負(fù)約束條件外，其余不等式約束條件引入變量，使其成為等式。

④編寫(xiě)目標(biāo)函數(shù)并求解 。

⑤確定最優(yōu)解。

表3列出了土石方調(diào)配的詳細(xì)來(lái)源、去向、及轉(zhuǎn)移數(shù)量等信息。

表3 各料源點(diǎn)運(yùn)往各堆場(chǎng)的量 m3

5 結(jié) 論

(1)本文構(gòu)建的土石方動(dòng)態(tài)調(diào)配模型求解方法簡(jiǎn)便，可以快速獲取調(diào)配結(jié)果。從最終結(jié)果來(lái)看，滿(mǎn)足了就近調(diào)配原則，能提高料物的直接上壩率。

(2)通過(guò)計(jì)算得出場(chǎng)內(nèi)需挖出的土石方量和填進(jìn)的土石方量，在后續(xù)基礎(chǔ)開(kāi)工時(shí)，能減少?gòu)耐鈦?lái)料場(chǎng)的調(diào)配土石方量，降低基礎(chǔ)開(kāi)挖料的棄渣量，實(shí)現(xiàn)土石方平衡，并且對(duì)場(chǎng)地平面布置有利。

(3)實(shí)際施工過(guò)程中，影響土石方調(diào)配的因素眾多，存在發(fā)生隨機(jī)事件的可能性，如何建立真實(shí)通用的土石方優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)，還有待進(jìn)一步深入研究。

[1] 張春燕，趙峰，朱學(xué)賢，等． 南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠渠道土石方調(diào)配平衡研究[J]．人民長(zhǎng)江，2010，41(16):69-71．

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