孫永全，李永山

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，610066)

1 工程概況

岷江犍為航電樞紐工程位于四川省岷江干流下游河段，壩址位于樂山市犍為縣城上游約3km處，其下游約1.4km處為犍為縣岷江大橋。犍為航電樞紐總庫容為2.27億m3，總裝機容量為500MW，為河床式水電站，閘壩式擋水建筑物，Ⅲ級船閘(單級)通航1000t級船舶。

岷江犍為航電樞紐工程開發(fā)任務(wù)以航運為主，發(fā)電為主導(dǎo)，兼顧供水、灌溉，極為有效地促進(jìn)了地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。工程等級為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型。樞紐工程主要建筑物采用“一字型”布置形式，廠房和船閘分岸布置。從左至右分別布置有左岸接頭重力壩段(含魚道)、廠房壩段、右儲門槽壩段、泄洪沖砂閘壩段、船閘段、右岸接頭重力壩段，壩頂總長1094.55m，壩頂高程342.8m，最大壩高37.80m。

左岸發(fā)電廠房土石開挖包括發(fā)電廠房、重力壩、護(hù)坡、魚道等工程土石方明挖，土石方開挖總量約為455萬m3，其中石方為110萬m3。土石方開挖工程量大、工期較短、交叉作業(yè)多，施工強度較高，為高強度開挖，因此進(jìn)行土石平衡規(guī)劃尤為迫切。

2 土石方平衡目的及原則

2.1 土石方平衡目的

土石方調(diào)配是指在工程施工過程中，為了形成具有特定空間屬性和物理屬性的建筑物，對自然狀態(tài)下的土方、石方所進(jìn)行的開挖、填筑、中轉(zhuǎn)、棄渣、料場維護(hù)等環(huán)節(jié)組成的綜合系統(tǒng)。土石方平衡的主要目的是在兼顧環(huán)保、降低工程造價的基礎(chǔ)上[1]，結(jié)合發(fā)電廠房施工進(jìn)度安排和選定的土石料場對施工區(qū)土石料開挖和土石方填筑情況，提出土石方填筑料物的開采和填筑在時間和空間上的平衡計劃，形成土石方平衡圖，以確保土石方填筑工程供料的可靠性和均衡性[2]。

根據(jù)土石方平衡計劃的成果對工程渣場進(jìn)行使用時間和空間合理規(guī)劃[3]，達(dá)到有效規(guī)劃、管理、節(jié)約成本、高效運作的目的。

2.2 土石方平衡原則

在保證發(fā)電廠房開挖和附屬建筑物(魚道、圍堰、護(hù)坡等)填筑的前提下，盡量使開挖料物的進(jìn)度與填筑進(jìn)度相匹配，最大限度地提高開挖料的直接利用率。同時充分利用工程區(qū)域的地形條件，合理布置轉(zhuǎn)存料場、棄渣場和規(guī)劃各部位建筑物開挖料的轉(zhuǎn)存和棄料，實現(xiàn)中轉(zhuǎn)和棄渣運距最小，費用最低。因此，項目選擇發(fā)電廠房基坑開挖土石方經(jīng)分解后直接用于魚道工程、護(hù)坡工程、圍堰工程的填筑，最大限度滿足開挖料與填筑料匹配直供。

3 土石方平衡調(diào)配方法

3.1 土石方平衡調(diào)配方法確定

(1)確定研究方法。目前，國內(nèi)外針對土石平衡的研究有很多方法[4]，根據(jù)犍為航電發(fā)電廠房的工程特點及地理特征，分析各種研究方法在該項目區(qū)的優(yōu)缺點，以高效實用為原則，達(dá)到方案優(yōu)化結(jié)果既能服務(wù)于工程決策，又有較強的可操作性?；诖?，本文采用GIS數(shù)字化地形構(gòu)建與土石方三維平衡法進(jìn)行仿真模擬。模型如圖1所示。

圖1 犍為航電樞紐仿真模型示意

(2)GIS數(shù)字化地形構(gòu)建。全項目區(qū)間采用無人機航測機載激光雷達(dá)對岷江犍為航電樞紐工程進(jìn)行三維地形勘測，面積約3km2。經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到1∶500比例尺的激光點云數(shù)據(jù)、分類激光點云數(shù)據(jù)(地面點、建筑物、電力線)、DOM、DEM、等高線。實現(xiàn)高精度GIS數(shù)字化地形的構(gòu)建，保障實施精細(xì)化土石方開挖的信息化數(shù)字模擬。GIS數(shù)字化地形如圖2所示。

圖2 犍為航電樞紐GIS數(shù)字化地形示意

(3)運用excel軟件進(jìn)行三維動態(tài)仿真計算，以達(dá)到實時指導(dǎo)土石平衡的目的。

(4)施工過程控制調(diào)節(jié)，結(jié)合本工程現(xiàn)場情況，通過對比設(shè)計階段的土石平衡計劃和實際施工中的土石方平衡情況，從施工過程中的多個變化方面分析對工程成本、進(jìn)度的影響，及時糾偏，保證優(yōu)質(zhì)高效完成施工任務(wù)。

3.2 土石方平衡調(diào)配流程

3.2.1 前期準(zhǔn)備

熟悉實施性施工組織設(shè)計、施工總進(jìn)度計劃、建筑物填筑料種類、填筑質(zhì)量要求、測量校核土石方開挖總量、土石方填筑總量、各部位土石方開挖與填筑量。分析各施工區(qū)域、各部位、各填筑料、各時間段開挖填筑工程量，如犍為航電樞紐分為發(fā)電廠房工程、魚道工程、左岸護(hù)坡工程、臨時主干道工程、圍堰工程、中轉(zhuǎn)料場、渣場等部位，并以表格形式清晰地表示出來，確定開挖料的轉(zhuǎn)換系數(shù)，如自然方量、壓實方量以及運輸過程中的各種損失(開挖方量損失、中轉(zhuǎn)損失、運輸損失)，同時確定料場空間位置、堆存容量、運距等參數(shù)。最終取值為土方1∶0.85，石方1∶1.31，混合料1∶0.94，塊石1∶1.43。

3.2.2 實施優(yōu)化

結(jié)合前期準(zhǔn)備的資料，根據(jù)犍為航電樞紐工程施工組織設(shè)計和總進(jìn)度計劃，綜合考慮影響土石平衡的各個因素，運用三維平衡動態(tài)研究方法，合理安排調(diào)整施工時段，確定各開挖區(qū)開挖料去向，填筑區(qū)填筑料來源，并以減少二次轉(zhuǎn)運、縮短總運距，合理安排工期、節(jié)約成本為目的，對投標(biāo)階段土石方平衡方案進(jìn)行優(yōu)化，指導(dǎo)實際施工。

3.2.3 實施過程優(yōu)化調(diào)整

由于工程條件的復(fù)雜性，影響因素的多樣性和不確定性，工程施工過程中的道路布置、平面布置、施工時段、工程地質(zhì)、設(shè)計圖紙等的變化，導(dǎo)致土石工程量、運距、施工時段、渣料要求等發(fā)生變化。鑒于此，根據(jù)實施性土石平衡方案的優(yōu)化方法，建立GIS數(shù)字化地形與動態(tài)仿真模型，按照土石方施工過程中的相應(yīng)變化，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，運用計算機進(jìn)行自動計算，以達(dá)到實時指導(dǎo)施工的目的。

3.3 土石方平衡優(yōu)化及施工管理

3.3.1GIS數(shù)字化地形構(gòu)建

借助無人機航測校核、激光掃描、專業(yè)地理信息模型，實現(xiàn)高精度GIS數(shù)字化地形構(gòu)建，比對完善并矯正大量的傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)信息，完整準(zhǔn)確的施工現(xiàn)場信息數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，有利于實時精細(xì)化土石方開挖與填筑及施工組織實施等信息數(shù)字化模擬。

3.3.2 三維建模

三維模型是物體的多邊形表示，顯示的物體為前期根據(jù)規(guī)劃設(shè)計虛構(gòu)的構(gòu)建筑物模型，通過儀器設(shè)備測量及AutoCAD軟件對對象特性及物理結(jié)構(gòu)建模，能清晰形象地顯示整體土石方開挖量、運距、時段及渣料要求等特性指標(biāo)。

3.3.3 施工過程管理

通過配置專職施工技術(shù)員對開挖回填料物進(jìn)行實時統(tǒng)計，測量人員每周進(jìn)行測量校核，確保開挖回填料物按照規(guī)劃方向進(jìn)行流轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

結(jié)合犍為航電樞紐工程實際，既考慮了開挖、回填區(qū)的空間、時間分布，又考慮了實施過程中各種因素改變引起的土石平衡調(diào)整，以節(jié)約成本、施工程序合理為依托，針對土石方施工全過程進(jìn)行土石調(diào)配，優(yōu)化平衡方案，實現(xiàn)了土石方開挖量二次轉(zhuǎn)運量為零，具有很強的指導(dǎo)性、可操作性，既優(yōu)質(zhì)高效地完成了開挖回填任務(wù)，又為動態(tài)土石平衡提供研究思路及可操作性的依據(jù)，對今后其他同類工程的設(shè)計和施工提供寶貴的借鑒參考。