王小霞

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

1 土石方工程施工準(zhǔn)備

土石方的調(diào)配原則是優(yōu)化調(diào)配路線，提高工程施工質(zhì)量，減少施工費用，嚴(yán)格完成工程設(shè)計。在進行土石方調(diào)配前，要勘察地質(zhì)環(huán)境，確定施工區(qū)土質(zhì)類別；測量工程區(qū)地下水位；確定巖石開鑿的施工方法和使用工具，若需爆破處理，制定合理的爆破方案；厘清工程施工現(xiàn)場交通環(huán)境，精確制定石渣清運路線，做好施工前準(zhǔn)備工作。

2 工程土石方調(diào)配優(yōu)化模型

2.1 簡易調(diào)配模型

運用線性規(guī)劃施工原理，在有限人力、物力、財力基礎(chǔ)上選出最優(yōu)方案，運用到土石方調(diào)配中。

基本方法是把整個土石方開挖區(qū)，劃分為m個區(qū)塊，分別為A1，A2…Am；這些土石方開挖區(qū)塊對應(yīng)的挖方數(shù)量分別為a1，a2…am，開挖區(qū)編號m個，分別是j＝1，2…m。

把全部土方回填區(qū)也劃分為n個區(qū)塊，分別為：B1，B2…Bn；這些土方回填區(qū)塊對應(yīng)的填方數(shù)量為b1，b2…bn，填筑區(qū)編號n個，分別是i＝1，2…n。

為了保證土石方的施工用量，且不浪費土石方，保證挖填方數(shù)量一致，所以挖方數(shù)量要和受料填方數(shù)量一致，表達式如公式（1）：

從指定開挖區(qū)j運輸?shù)街付ㄗ顑?yōu)填方區(qū)i的單位土方運輸費用Cij，運輸?shù)耐潦綌?shù)量用Xij，用單位土方運費Cij與運輸土石方數(shù)Xij的積求得i區(qū)到j(luò)區(qū)運輸費；求和得j區(qū)塊開挖總量；利用一級累計再求總挖填土石方調(diào)配總價的最小數(shù)值Z的目標(biāo)函數(shù)，如公式（2）：

上述公式輸入相應(yīng)的土石方參數(shù)，可以得出理論上的土石方調(diào)配方案，但是由于此模型相對簡單，考慮的因素比較單一，并沒有考慮到土石方在運輸過程中的損耗，所以通過上述目標(biāo)函數(shù)計算出來的土石方調(diào)配不一定是最優(yōu)方案。土石方調(diào)配的結(jié)果受很多因素的影響，比如工程的質(zhì)量要求、土石方的地質(zhì)條件、可用土石方和不可用土石方的比例、工程施工的技術(shù)水平等。

2.2 優(yōu)化模型建立

土石方模型的優(yōu)化需要以線性規(guī)劃的施工原則為基準(zhǔn)，要嚴(yán)格把控好工程施工的費用和料場的最優(yōu)化選擇，綜合考慮影響土石方調(diào)配方案的很多因素，建立以經(jīng)濟指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，將影響土石方調(diào)配的因素進行量化，建立線形規(guī)劃模型的約束函數(shù)，最后運用計算機技術(shù)對大量的線形規(guī)劃模型進行計算，從而得出最優(yōu)的土石方調(diào)配方案。

2.2.1 線性規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)

式中：Xijkd——第i料場供應(yīng)至第j工地的第k種類型的土石方料，在第d天的供應(yīng)量，m3；

M——運輸成本；

Ek——第k種類型的土石方料開采成本。其中約束條件：

式中：Qik——第i料場，第k種類型土石方料的最大蘊藏量，m3；

d——第d天，各工地（第j個工地）的工期為Tj天；

j——第j個工地，共有n個工地；

Rid——第i料場第d天的最大產(chǎn)量，m3；

k——第k種土石方材料，共有p種土石方材料；

Sjd——第j工地第d天的最大消耗量，m3；

i——指m個料場的第i個料場；

Djk——第j工地第k種類型土石方料的需求量，m3；

d——第d天，各工地（第j個工地）的工期為Tj天；

T——各工地間最長的工期，d。

將土石方開挖區(qū)的土石方（i=1，2…m）在土方回填區(qū)（j=1，2…n）的工程施工期間（d=1，2…Tj）的各種不同的土石方材料（k=1，2…p）的數(shù)量是Xijkd，乘以土石方的車輛運輸費用和土石方開采費用之和，可以求得在土石方調(diào)配各約束條件下的總成本的最小數(shù)值；將決策變量定義成不小于等于0 的實數(shù)；在土方回填區(qū)的施工期間（d=1，2，…，Tj），運輸?shù)酵练交靥顓^(qū)（j=1，2，…，n）的所有土石方材料之和應(yīng)小于等于土方回填區(qū)（j=1，2，…，n）的最大土石方消耗數(shù)量；在土石方開挖區(qū)（i=1，2，…，m）供應(yīng)的所有不同的土石方材料（k=1，2，…，p）的總和應(yīng)小于等于土石方開挖區(qū)的最大土石方存儲量；在土石方開挖區(qū)的施工期間（d=1，2，…，Tj），從土石方開挖區(qū)（i=1，2，…，m）運輸?shù)牟牧峡偤蛻?yīng)小于等于土石方開挖區(qū)的最大土石方存儲量；各個土石方開挖區(qū)（i=1，2，…，m）提供的所有各種不同的土石方材料（k=1，2，…，p）總和應(yīng)大于等于土方回填區(qū)（j=1，2，…，n）的總土石方需求量。

2.2.2 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的計算流程圖

應(yīng)用線性規(guī)劃的運行原理，對數(shù)學(xué)模型流程圖的算法進行優(yōu)化，優(yōu)化后的模型計算如圖1 所示。

圖1 優(yōu)化后的模型計算

2.2.3 基礎(chǔ)條件

河曲引黃灌溉（本開山）工程土石方開挖區(qū)（土石方料場）有7 個采料區(qū)域，它們分別是1 號，2 號…7 號，總共可以開采土石方數(shù)量為546.1 km3，回填區(qū)有兩個施工場區(qū)，分別為石料涵洞施工區(qū)和石料填方施工區(qū)。

土石方料區(qū)情況。對土石方料場各個料區(qū)的地質(zhì)條件進行勘測，通過勘測的結(jié)果表明土石方各個料區(qū)的石料材料和強度有很大的區(qū)別，根據(jù)工程質(zhì)量要求和施工的具體情況，符合工程質(zhì)量要求的土石方石料規(guī)格只有一種，各個采料區(qū)最大開采石料數(shù)量如表1 所示。

表1 各個采料區(qū)最大開采石料數(shù)量

受料區(qū)情況。在此工程中回填區(qū)有兩個施工場區(qū)，分別為石料涵洞施工區(qū)A1，A2，A3共3 個涵洞施工部分；石料填方施工區(qū)B1—B7共7 個填方施工部分；這兩個施工場區(qū)的土石方需求量如表2 所示。

表2 各受料施工場區(qū)的土石方需求量

施工區(qū)域道路。根據(jù)回填區(qū)和開挖區(qū)的位置分布情況，將到達這兩個區(qū)域的道路分為L1—L11，各道路具體長度如表3 所示。根據(jù)回填區(qū)和開挖區(qū)的位置區(qū)域劃分和對道路長度的統(tǒng)計，假如要將1 號料區(qū)的土石方運輸?shù)紸3涵洞施工區(qū)，它的總運輸?shù)缆窇?yīng)為L7，L2，L1，這兩段路的總和即為1 120 m。其施工場區(qū)的總運輸?shù)缆芬彩前凑沾朔绞竭M行計算。在土石方進行運輸時也要將運輸?shù)馁M用考慮在內(nèi)，并劃分運輸長度的不同單價。

工程施工進度。此工程在進行施工時，土石方的調(diào)配受很多因素的影響，實際進行施工時的進度和工程計劃的進度會有一定程度的偏差，這些施工進度的偏差在進行模型優(yōu)化時也要進行一些調(diào)整，以保證工程在有限的時間內(nèi)安全有質(zhì)量的完成施工。

3 優(yōu)化結(jié)果及影響因素和敏感性分析

建立優(yōu)化后的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計算機對數(shù)據(jù)進行計算，通過對計算結(jié)果進行分析得出最優(yōu)化的土石方調(diào)配模型，結(jié)果如表4 所示。有很多因素會影響土石方調(diào)配的效果，對其主要的影響因素取不同的數(shù)值進行分析，得出的土石方調(diào)配結(jié)果，如圖2 所示。

從圖2 可以得出結(jié)論：平均土石方運輸價格和運價之間的差值比受工程施工的機械設(shè)備和施工人員的技術(shù)水平等因素的共同影響，可以看出平均土石方運輸價格和土石方的調(diào)配結(jié)果基本成正比，運價之間的差值比和土石方的調(diào)配結(jié)果基本成反比；松散系數(shù)受施工區(qū)域的巖石特性決定，可以看出松散系數(shù)和調(diào)配結(jié)果基本成反比；回填的分區(qū)數(shù)量受很多因素的制約，主要的制約因素是工程施工進度，可以看出回填的分區(qū)數(shù)量與土石方的調(diào)配結(jié)果基本成對數(shù)曲線分布，當(dāng)分區(qū)數(shù)量增大時土石方的調(diào)配結(jié)果降低，當(dāng)分區(qū)數(shù)量增大到一定數(shù)值時，調(diào)配結(jié)果趨于穩(wěn)定。

表3 各施工場區(qū)的道路長度

表4 土石方調(diào)配優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)語

圖2 各影響因素進行取值的調(diào)配結(jié)果

在工程進行施工時，土石方要應(yīng)用到工程的許多方面，例如防洪堤的填筑工程、管道箱涵開挖工程、施工挖開的基坑回填工程等均需要進行土石方的調(diào)配，土石方調(diào)配施工量大，涉及面廣。文章結(jié)合河曲引黃灌溉工程，通過建立函數(shù)調(diào)配模型。考慮到很多影響土石方調(diào)配效果的因素，對函數(shù)調(diào)配模型進行優(yōu)化，優(yōu)化后的模型采用計算機技術(shù)進行數(shù)據(jù)計算分析，得出的土石方調(diào)配數(shù)據(jù)能夠有效地指導(dǎo)生產(chǎn)，不僅能夠高效保證工程運行，還能節(jié)約工程資金投入，降低生產(chǎn)成本。