孫 晨 蘇 晨 陳 庠

(1.南京水科院勘測設(shè)計有限公司，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210098；3.南京市江寧區(qū)水務(wù)局，江蘇 南京 211100)

1 引 言

平原水庫具有蓄水、灌溉、防洪和養(yǎng)殖等功能，同時也能防止平原地區(qū)的水土流失[1]。隨著江蘇沿海開發(fā)戰(zhàn)略的推進，水資源短缺的現(xiàn)狀極大地制約了地方經(jīng)濟發(fā)展，平原水庫的建設(shè)對于江蘇沿海地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展具有非常重要的意義，沿海平原水庫的建設(shè)迫在眉睫[2-3]。水庫在興建過程中不可避免地會產(chǎn)生大量土方，如何對其進行合理調(diào)度，最大程度減少外購回填和外棄挖除土方及其運輸成本是一項重要的課題。當(dāng)前有關(guān)水庫土方調(diào)度平衡方面的研究相對較少，其他類似工程土方調(diào)度平衡的研究包括BIM技術(shù)在大型場地平整工程量計算及土方調(diào)運的研究、復(fù)雜地形下的土方平衡應(yīng)用研究——以廣西百色某學(xué)院項目為例、工程土石方計算及調(diào)度、基于線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型算法的土方調(diào)度、古黃河水利樞紐工程土方施工組織與平衡的探討、淮河干流疏浚工程超大型排泥場優(yōu)化設(shè)計[4-9]等。本文根據(jù)江蘇沿海地區(qū)庫區(qū)土質(zhì)特性、平原水庫建設(shè)特點，對水庫土方工程開展分析研究，具體以鹽城市陳家港水庫為例，對其土方開挖和回填進行調(diào)度平衡分析研究，以達(dá)到縮短工期和提高經(jīng)濟效益的目的。

2 土方調(diào)度模型

2.1 模型選擇

運籌學(xué)提供了多種運用數(shù)學(xué)模型解決實際問題的數(shù)學(xué)算法，如運用圖解法可以解決變量較少的線性規(guī)劃最大最小值問題，表上作業(yè)法可以解決工程中產(chǎn)銷平衡問題，動態(tài)規(guī)劃可以解決資源分配問題等[10]。若把每個網(wǎng)格土方量的調(diào)度看作一個數(shù)學(xué)變量，那么土方量的調(diào)度涉及的變量眾多，為解決多變量問題并尋求最優(yōu)解，本文選用運籌學(xué)中的單純形法建立土方工程的數(shù)學(xué)模型。單純形法與一般尋優(yōu)方法一樣，都是從某初始可行解X開始，搜索與X相鄰的可行解，如果存在某個相鄰可行解X′優(yōu)于初始可行解X，則用X′替代X，重新探查直至找到某個局部最優(yōu)解X*，其目標(biāo)函數(shù)值不劣于所有臨近點為止。對于線性規(guī)劃而言，找到的局部最優(yōu)解X*即為全局最優(yōu)解[11]。

2.2 模型建立

某土方工程有w個挖方區(qū)域和t個填方區(qū)域，分別用i、j表示挖方區(qū)和填方區(qū)的編號，目標(biāo)函數(shù)Z的表達(dá)式如下：

(1)

約束條件為：

式中Lij——從第i個挖方區(qū)到第j個填方區(qū)的距離,m；

Eij——從第i個挖方區(qū)域調(diào)度到第j個填方區(qū)域的土方量,m2,Eij≥0，i=1,2，…，w；j=1,2，…，t。

3 土方調(diào)度平衡分析

3.1 陳家港水庫基本情況

陳家港水庫位于江蘇省鹽城市灌東經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，地處鹽城市響水縣東北部陳家港境內(nèi)沿海灘涂區(qū)灌東新材料產(chǎn)業(yè)園附近。水庫利用現(xiàn)有鹽塘，經(jīng)深挖筑堤興建，屬圍壩型沿海平原水庫。通過水庫對淡水資源進行調(diào)蓄，使得洪水資源化，以豐補欠，為鹽城市沿海開發(fā)提供工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活的用水保障。陳家港水庫由庫西、庫東兩個庫區(qū)組成，庫西區(qū)臨近灌東開發(fā)區(qū)的工業(yè)園區(qū)及新型小城鎮(zhèn)，一方面與灌東開發(fā)區(qū)旅游開發(fā)結(jié)合緊密具有景觀功能，另一方面還兼顧工業(yè)園區(qū)排澇。庫西區(qū)主要特征參數(shù)如下：庫底高程-2.0m、死水位-0.5m、正常蓄水位3.5m，總庫容2768萬m3，興利庫容2027萬m3，死庫容741萬m3，新建堤防等級為3級，堤頂高程5.5m，堤頂寬6m，大壩軸線長度8.919km。

3.2 土方施工布置

開挖區(qū)為陳家港水庫庫西區(qū)，棄土區(qū)為灌東新材料產(chǎn)業(yè)區(qū)，筑堤土堆場為壩軸線內(nèi)側(cè)30m至壩軸線外側(cè)15m，排泥場位于開挖區(qū)西側(cè)，施工管理區(qū)位于開挖區(qū)南側(cè)。施工總平面布置見圖1。

圖1 施工總平面布置示意圖

3.3 土方平衡設(shè)計分析

土方平衡設(shè)計不僅要考慮各區(qū)土方“量”的調(diào)度平衡，同時還應(yīng)重視各區(qū)土方供給“質(zhì)”的平衡影響。綜合考慮水庫開挖區(qū)域地下土質(zhì)分布情況，判斷適合回填的土方種類，結(jié)合本項目可利用的土方類型，確定土方平衡設(shè)計方案，以此確保土方調(diào)配在質(zhì)上的平衡，以保證土方量平衡的最終落地。本項目可利用土方類型為島嶼預(yù)留土方、筑堤土方以及施工管理區(qū)土方。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)，筑堤土方壩體填筑土方要求采用黏粒含量為10%～35%、塑性指數(shù)為7～20的黏性土。因此，開挖區(qū)第②層粉質(zhì)黏土應(yīng)全部作為筑堤土方。島嶼土方預(yù)留土方為清淤工程完成后預(yù)留一定范圍的面積暫不開挖；堤防清基棄土則作為施工管理區(qū)場地平整土方。

3.4 分區(qū)土方分析計算

3.4.1 開挖區(qū)

工程開挖區(qū)總面積503萬m2，開挖區(qū)共分為24個區(qū)，各開挖區(qū)詳細(xì)情況見表1。

表1 開挖區(qū)土方計算

續(xù)表

3.4.2 排泥場

工程清淤量共387.31萬m3，松散系數(shù)取1.2，排泥深度取2.2m，需排泥場面積約2.11km2。本次選取排泥場總面積約2.25km2，總庫容約481.09萬m3，可以滿足清淤工程的需要，排泥場土方計算見表2。

表2 排泥場土方計算

3.4.3 筑堤土堆場

水庫筑堤需土約119.35萬m3，取自第②層粉質(zhì)黏土，為方便水庫堤防施工，筑堤土堆場布置在壩軸線兩側(cè)，總面積約43.8萬m2，平均堆高約2.75m，筑堤土方計算見表1。

3.4.4 島嶼預(yù)留區(qū)

在水庫建成后，庫區(qū)內(nèi)將形成5座島嶼。在清淤工程完成后，島嶼及其周邊一定范圍內(nèi)作為島嶼土方預(yù)留區(qū)暫不開挖，經(jīng)計算，島嶼土方預(yù)留區(qū)面積約0.972km2，預(yù)留土方181.64萬m3，島嶼預(yù)留區(qū)土方計算見表3。

表3 島嶼預(yù)留區(qū)土方計算

3.4.5 棄土區(qū)

棄土區(qū)總面積約1904.36萬m2。棄土區(qū)現(xiàn)狀地面高程約2.3m，規(guī)劃地面高程約3m，本次棄土土方量約1474.6萬m3，考慮道路、排水溝占用部分棄土區(qū)及松土堆高等因素，棄土區(qū)堆高在0.9～1m，棄土區(qū)填平壓實后大約比原地面高0.77m。根據(jù)棄土區(qū)現(xiàn)狀和規(guī)劃的道路、水系格局，將棄土區(qū)劃分為24個分區(qū)，棄土區(qū)土方計算見表4。

表4 棄土區(qū)土方計算

續(xù)表

3.4.6 施工管理區(qū)

施工管理區(qū)總面積約53萬m2，其場地平整土方來自堤防清基棄土，總土方約18.82萬m3。

3.5 土方調(diào)度平衡計算結(jié)果

工程開挖總土方2000.08萬m3(含清淤土方量387.31萬m3)，其中庫區(qū)分區(qū)開挖土方1981.26萬m3，另外壩體清基土方18.82萬m3。水庫開挖土方中，淤泥利用水力沖挖在排泥場晾曬，第②層粉質(zhì)黏土的一部分用于壩體填筑，其他土方規(guī)劃運至棄土區(qū)。

采用MATLAB軟件進行模型函數(shù)計算，計算結(jié)果見表5。

表5 土方調(diào)度平衡

續(xù)表

根據(jù)表5計算成果，壩體填筑需土方119.35萬m3，所需土方來源于WF1、WF2、WF3、WF4、WF5、WF8、WF9、WF12、WF13、WF16、WF17、WF20、WF21、WF22、WF23、WF24開挖的部分粉質(zhì)黏土。其余1880.73萬m3全部運排泥場、棄土區(qū)及施工管理區(qū)。其中排泥場儲存淤泥約387.31萬m3，棄土區(qū)堆土約1474.6萬m3，壩體清基土方用于平整施工管理區(qū)，約18.82萬m3。

4 結(jié) 論

陳家港水庫土方涉及開挖區(qū)、排泥場、筑堤土堆場、島嶼預(yù)留區(qū)、棄土區(qū)、施工管理區(qū)共六類區(qū)域，包括24個開挖區(qū)、3個排泥場、1個筑堤土堆場、5個島嶼預(yù)留區(qū)、24個棄土區(qū)、1個施工管理區(qū)。在進行各區(qū)土方“量”調(diào)度平衡的同時還應(yīng)重視各區(qū)土方供給“質(zhì)”的平衡以及接納要求，這是一個復(fù)雜的運籌學(xué)問題。本文利用單純形法建立數(shù)學(xué)模型簡化問題，并采用MATLAB軟件進行模型函數(shù)計算，這一方法可為解決類似新建水庫土方的調(diào)度平衡提供參考。