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        優(yōu)化調(diào)配模型在土石方挖填工程中的應(yīng)用

        2020-01-03 02:19:12王小霞
        山西水利 2019年9期
        關(guān)鍵詞:料場土石方填方

        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。

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