（水利水电工程专业论文）面板堆石坝施工中土石方调配平衡系统研究.pdf

中文摘要 堆石坝具有对基础要求低，造价较低、施工简便快速等特点，是当前筑坝 发展方向之一。而土石方调配平衡问题则是堆石坝施工中关系全局的核心问题， 牵涉到工程的总体布置、施工装备的配置、道路系统的布置及道路标准选择、 施工场地的征用、施工进度的协调等诸多方面，此问题的成功解决与否直接关 系到工程进度、造价、质量三大目标的实现。 本文对面板堆石坝施工中的土石方调配平衡系统进行了探讨，主要工作内 容如下： 在总结以往研究成果的基础上，应用大系统理论分解与协调的思想，分析 了土石方调配平衡系统中开挖部位、填筑分区、料场、中转场、弃渣场各因素 的特征和开挖、填筑、开采、中转、弃渣各个环节之间的相互关系，基于实际 情况总结系统特征。针对土石坝、堆石坝类枢纽工程施工过程的共性，通过建 立匹配矩阵，提出了土石方调配平衡模拟的通用模型。 土石方调配过程是贯穿本文的核心内容，而土石方调配平衡则是通过匹配 矩阵来实现的。矩阵中包含了所有的供料点( 开挖点、料场、中转场) 和需求 点( 填筑分区、中转场、弃渣场) 之间的土石方流动关系，利用匹配矩阵解决 了土石方的平衡问题，通过对土石方调运时的优先顺序安排，实现了土石方的 高效合理调配。 根据所建立的模型，针对工程规划设计阶段的条件和要求，利用v i s u a l b a s i c 、m sa c c e s s 、m se x c e l 等开发了通用、实用、方便的土石方调配平衡软 件。本软件可用于此类枢纽工程的土石方调配平衡工作，使这项工作快速、高 效、准确地完成。本软件具有一定的通用性，同样适用于类似工程。 结合水布垭工程建设实际需要，对水布垭工程面板堆石坝施工过程进行了 土石方调配平衡模拟。软件的计算结果与设计单位的数据相比，各项指标有比 较大的提高：直接上坝量增加2 2 4 1 9 万方，开挖料利用数量增加4 1 3 8 3 万方， 相应料场料利用减少4 1 3 8 3 万方，弃料数量减少4 1 3 8 3 万方，取得了良好的 经济效益。计算结果同时说明了模型建立与软件开发的实用性。 关键词：面板堆石坝，土石方，调配平衡，施工，匹配矩阵 a b s t r a c t r o c k f i l ld a mi so n eo fc u r r e n td e v e l o p i n gd a m t y p ew i t hc h a r a c t e ro fr e q u i r i n g l e s sf o rt h eb a s eo f t h ed a m ，s l o w i n gc o s to f d a ma n dc o n s t r u c t i n gs i m p l ya n dq u i c k l y t h ei s s u eo fe a r t h r o c ks c h e m i n ga n db a l a n c ei sc e n t r a li s s u ed u r i n gr o c k f i l ld a m c o n s t r u c t i o nw h i c h r e l a t i n gt ot h ew h o l el a y o u to f p r o j e c t ，c o n f i g u r i n go f c o n s t r u c t i o n e q u i p m e n t ，c o l l o c a t i o no f t h e r o a ds y s t e ma n ds e l e c t i o no f r o a dc r i t e r i o n ，c o n f i s c a t i n g o fc o n s t r u c t i o nf i e l d ，a n dh a r m o n i z i n go fc o n s t r u c t i o ns c h e d u l ea n de t c w h e t h e rt h e s u c c e s s f u ls o l u t i o no ft h ea b o v ei s s u eo rn o ti s i m p o r t a n tr e l a t i o nt oi m p l e m e n to f c o n s t r u c t i o ns c h e d u l e ，c o s to f p r o j e c ta n d q u a l i t yo f t h ep r o j e c t s ot h i s p a p e rd i s c u s s e st h ei s s u eo fe a r t h r o c ks c h e m i n ga n db a l a n c ed u r i n g c o n s t r u c t i o no f r o c k f i l ld a m ，w h i c h m a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e v e r a li s s u e s ： o nt h eb a s eo f s u m m a r i z i n g f o r m e r r e s e a r c h ，u s i n g t h em e t h o d so f d e c o m p o s i t i o n a n dc o o r d i n a t i o ni n l a r g e s c a l e s y s t e m s ，t h ep a p e ra n a l y s e t h e c h a r a c t e r so f f i l l i n gs u b f i e l d ，e x c a v a t i o ns p o t ，s t o r a g es t a t i o n ，t r a n s i ts t a t i o n ，s p o i l i n g s t a t i o na n dt h er e l a t i o na m o n g f i l l i n g ，e x c a v a t i o n ，e x p l o i t a t i o n ，t r a n s i t i n g ，s p o i l i n gi n t h ee a r t h r o c ks c h e m i n ga n db a l a n c es y s t e m a n di ts u m su pt h es y s t e mc h a r a c t e r s a c c o r d i n gt or e a lc o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o m m o nc h a r a c t e r si nt h ec o n s t r u c t i o n o fe a r t h f i l ld a ma n dr o c k f i l ld a m ，t h ep a p e r p u t sf o r w a r dt h eu n i v e r s a lm o d e lo ft h e e a r t h - r o c ks c h e m i n ga n db a l a n c es y s t e m b ye s t a b l i s h i n gm a t c h i n g m a t r i x t h ep r o c e s so fe a r t h r o c ks c h e m i n gi sk e r n e lc o n t e n tt h r o u t ht h ew h o l e p a p e r ， w h i c hi sr e a l i z e d b ym a t c h i n gm a t r i x m a t c h i n gm a t r i xi n c l u d e s t h ee a r t h - r o c k f l o w a g er e l a t i o nb e t w e e ma l le a r t h r o c ks o u r c e s ( e x c a v a t i o ns p o t 、s t o r a g es t a t i o n 、 t r a n s i ts t a t i o n ) a n da l le a r t h - r o c k r e q u i r e m e n ts p o t ( f i l l i n gs u b f i e l d 、t r a n s i ts t a t i o n 、 s p o i l i n gs t a t i o n ) t h es c h e m i n gp r o b l e mo fe a r t h r o c kh a sb e e ns o l v e d ，p r i o r i t yo r d e r o fe a r t h 。r o c ks c h e m i n gh a sb e e nr e a l i z e d ，e a r t h - r o c ke f f i c i e n ta n dr a t i o n a l s c h e m i n g h a sb e e na c h i e v e d ，w i t h u s i n gm a t c h i n g m a t r i x a c c o r d i n g t ot h em o d e l ，i na l l u s i o nt ot h ec o n d i t i o na n d r e q u i r e m e n td u r i n gt h e p r o j e c ts c h e m i n ga n dd e s i g n i n gp e r i o d ，t h eu n i v e r s a l ，p r a c t i c a l ，c o n v e n i e n te a r t h - r o c k s c h e m i n ga n db a l a n c es o f t w a r eh a se m p o l d e r e db yu s i n gp r e s e n tf a t i o n a b l es o f t w a r e v b ，a c c e s s ，e x c e la n de t c t h i ss o f t w a r ec a nb ea p p l i e dt oe a r t h r o c ks c h e m i n ga n d b a l a n c ew o r ki ns i m i l a r p r o j e c t ，a n dm a k e t h ew o r kb ec o m p l e t e d e f f e c t i v e l y ，f l e e t l y , e x a c t l y b e c a u s et h es o f t w a r eh a ss o m eu n i v e r s a lf u n c t i o n ，i tc a l lb ea p p l i e dt ot h e p r o b l e m i ns i m i l a rp r o j e c t c o m b i n e dt op r a c t i c a lr e q u i r e m e n ti ns h u i b u y ap r o j e c tc o n s t r u c t i o n ，t h ep r o c e s s o fe a r t h r o c ks c h e m i n ga n db a l a n c eh a sb e e ns i m u l a t e di n t h ep r o j e c t b yt h e s c h e m i n gw o r ko fs o f t w a r e ，e v e r yi n d e xh a sb e e ni m p r o v e d m u c hb yc o m p a r i s o nt o t h ec a l c u l a t i n gr e s u l tb e t w e e nt h es o f t w a r ea n dc w r c ，t h ed i r e c tf i l l i n ga m o u n th a s b e e ni n c r e a s e d2 2 4 2t h o u s a n ds q u a r e s ，t h eu s i n ga m o u n to fe x c a v a t i o ne a r t h r o c k 4 13 8 3t h o u s a n d s q u a r e s ，a c c o r d i n g l y t h ea m o u n to fs t o r a g es t a t i o ne a r t h r o c k d e c r e a s e d4 1 3 8 3t h o u s a n d s q u a r e s ，t h e a m o u n to f s p o i l i n g s t a t i o ne a r t h r o c k d e c r e a s e d7 6 5t h o u s a n ds q u a r e s t h es o f t w a r e sc a l c u l a t i o nr e s u l th a so b t a i n e dg o o d e c o n o m y b e n e f i t t h ec a l c u l a t i n gr e s u l ta c c o u n t sf o rt h eu t i l i t yo ft h em o d e la n dt h e s o f ta tt h es a m et i m e k e y w o r d s ：d e c kr o c k f i l ld a m ，e a r t h r o c k ，s c h e m i n ga n db a l a n c e ，c o n s t r u c t i o n ， m a t c h i n g m a t r i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲产柳签字蹴咖口工年彳月脚同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。嗣意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：阵蝌 签字日期：如a 年占月，j 日 导师签名 签字日期：御二年二月，zf i 第一章概述 1 1 选题背景及意义 一、面板堆石坝筑坝技术 第一章概述 堆石坝是以石渣、卵石、爆破石料为主要材料堆筑的坝体，是当前水利水 电工程中推广的三大新型坝型之一，在水利工程中占有重要地位。 自本世纪5 0 年代以来，随着振动碾压等施工技术的发展，能用碾压甚至薄 层碾压堆石代替原来的高抛填筑，堆石密实度增加、稳定性提高、沉降减少， 石料的选用范围大为放宽，风化石料照样可以修筑高坝等许多优点已为坝工建 设界所公认。因此，碾压式堆石坝得到了迅速发展，目前已成为坝工建设中的 一种重要坝型，建设的数量和高度在许多坝工发达国家中已超过混凝土坝。其 中的钢筋混凝土面板堆石坝得到了广泛应用，已成为今日高坝发展的趋向之一。 据不完全统计，已建和在建的高度l o o m 以上的面板堆石坝有3 7 座。其中 已完成最高的是墨西哥阿瓜密尔巴( a g u a m i l p a ) 坝，高1 8 7 m ，正在修建的马来 西亚巴昆( b a k u m ) 水电站大坝，高达2 0 5 m 。我国天生桥混凝土面板堆石坝高达 1 8 0 m ，湖北宜昌西北口混凝土面板堆石坝高9 5 m ，浙江珊溪混凝土面板堆石坝高 达1 3 0 8 m 。在建的水布垭面板堆石坝，高2 3 3 m ，为同类坝型世界第一高坝。 堆石筑坝具有以下几方面的主要特点： 堆石坝对自然条件有广泛的适应性，对地基要求比混凝土坝低，抗震性能 好。如地震区，多雨、寒冷以及交通不便地区等，都可以修建，而且不影响施 工。 堆石坝可利用当地材料，充分利用枢纽中其它建筑物开挖出来的石料，经 济上有较大的优越性。许多高坝坝址石料丰富，缺少土料，适宜于建造堆石坝。 堆石坝断面较小，即使在当地有土料的情况下，堆石坝也是一种可以考虑的坝 型。与混凝土坝相比，修筑堆石坝可节省大量钢材、木材和水泥，从而减轻了 对外交通的运输工作量。 施工场内运输量大。坝体填筑过程中运输路线的规划布置和运输效率是直 接影响堆石坝施工速度和造价的关键环节。 近2 0 年来，施工机械的迅速发展和施工的高度机械化，大大加速了建坝速 度，减少了投资费用。如巴基斯坦的塔贝拉坝，高1 4 3 m ，体积1 2 亿m 3 ，填筑 期只有4 年；美国的渥洛维尔坝，高2 3 6 m ，体积5 9 6 4 万m 3 ，填筑期也只有4 年 第一章概述 lz 【j o 堆石坝施工导流比土坝容易解决，可承受水头不大的坝顶漫溢，较之土坝 有更高韵安全性，施工度汛时也允许有少量漫水。经保护，可部分利用未完建 的堆石坝，采用坝面过水方案。 堆石坝所需施工机械及工艺流程较混凝土坝简单，采用现代大容量土石方 机械可以达到很高的上坝强度，施工干扰少。因其具备快速施工条件，发电工 期和总工期都可以较混凝土坝缩短，为工程提前受益创造了有利条件。 二、土石方调配平衡问题的重要性 土石方调配平衡问题是指堆石坝旌工过程中在协调填筑、开挖各项施工进 度的前提下，进行开挖、填筑、中转、弃渣、料场开采等各种土石方调配活动 的综合平衡，以期提高开挖料的直接利用，减少开采、弃渣、转运等几个环节 的工作量，降低生产成本，加快施工进度，缩短工期，实现堆石坝快速经济施 工的目的。 堆石坝施工的主要环节为坝体的填筑，土石方流动为堆石坝施工的核心问 题( 筑坝材料的运费一般约占堆石坝造价的5 0 6 0 ) ，土石方调配平衡问题则 是施工企业在堆石坝填筑施工中取得效益的关键点。问题解决的成功与否在很 大程度上影响工程的进度、质量和投资。国家“八五”重点科技攻关项目中设 立了堆石坝施工土石方平衡研究的子题，有关单位结合天生桥一期工程实际对 此课题进行了研究，并取得了可喜成果。 国外面板堆石坝工程很注重通过开挖与填筑的整体平衡和各枢纽建筑物的 空间布置来有效保证挖方的充分利用，达到土石方的挖填平衡。这样就可大量 利用开挖料上坝，甚至全部利用开挖料筑坝，不设专门料场，以取得最好的经 济效果。巴西的阿里亚、塞格雷多、辛戈3 座面板堆石坝，枢纽布置极为紧凑 和简洁，溢洪道和电站尾水渠都采用大开挖方案，而将开挖料直接上坝，经济 效益极佳。如阿里亚坝，坝体填筑方量为1 ，4 0 0 万方，其中l ，2 5 0 万方来自有 效挖方，即两岸建筑物的开挖料，平均运距不足1 。5 k m ，石方开挖1 ，2 8 7 万方， 绝大部分都上坝。“ 1 9 9 9 年，清江水布垭工程建设公司结合水布垭水利枢纽工程建设之需，将 堆石坝施工中土石方调配平衡问题列为水布垭工程施工重点研究课题之一，也 引起有关单位的高度关注。 土石方调配平衡问题又是堆石坝施工中关系全局的核心问题，牵涉到工程 的总体布置、施工装备的配置、道路系统的布置及道路标准选择、施工场地的 征用、施工进度的协调等诸多方面，直接影响工程施工进度、投资和质量三大 第一章概述 目标的实现。成功解决土石方调配平衡问题对于堆石坝这一坝型的推广运用也 具有重要意义。 本文的选题正是基于以上提到的面板堆石坝筑坝技术的日益发展，越来越 受到坝工界的重视，已成为当前最具有发展潜力的坝型之一；同时，士石方调 配平衡问题又是堆石坝施工中的关键问题。本着从设计、施工实际出发，为设 计、施工实际服务的原则，本文通过对土石方调配平衡问题进行动态分析，寻 求解决这一问题的通用方法，成果可供建设、设计和施工单位参考、使用。 本文是以清江水布垭面板堆石坝为背景，软件计算结果也已经应用于水布 垭工程实践中。在水布垭工程中，土石方调配平衡这一部分占整个工程投资的 比重较大，做好土石方调配平衡工作可显著降低工程造价。经估算，水布垭工 程中l m 3 土石方直接上坝比经过中转上坝费用节约￥1 8 0 0 。在这种施工条件下， 对土石方调配平衡问题进行研究，指导施工设计和施工现场管理，保证施工进 度和施工质量，降低工程造价，就具有特殊的作用和意义。 1 2 国内外研究现状与分析 土石方调配的方法较多，不同的方法，分别用于解决不同类型的问题，其 中最有代表性的是以下几种”1 ： 一、线性规划中的运输问题模型 针对工程中某一阶段，假定建设场地中有( m + n ) 个分区，其中m 个开挖区， 开挖方量分别为q 彬，i = 1 ，2 _ m 填筑区有n 个，填筑方量分别为o r , - ， j = 1 ，2 n ；从i 开挖区到j 填筑区的运输费用为c j ( 运输单价，也可用运输 距离近似代替) 。在开挖数量与填筑数量相等的情况下，怎样确定调配方案，使 得开挖、填筑运输费用最低。 该问题是线性规划中的运输问题，通常设定开挖方量等于填筑方量，用以 下两个表来说明该问题： 第一章概述 表1 1挖填平衡表 弋 12方鼙 lx l lx 1 2x 1 o w i 2x 2 1x 22x 2 。0 w 2 x m ix m 2x r n n0 w m 方量q t o lq t 、 表1 2运输单价表 12n 1c i l c 1 2c l n 2 c 2 lc ：?c 2 。 c 。ic ：c 肌 设由丌挖区f 到填筑区_ ，的填筑方量为。，则其数学模型可以归纳为 目标函数： 约束条件： m i nz = c u x f 扛ij = 】 瓦o ，扛1 , 2 ，；j = 1 , 2 r n f = 1 2 l = t 1 x f 滓l q z q w , x f = l j = 1 ，2 ，n i = 1 ，2 ，m f 2 1 ，2 ，m ，2 1 ，2 n 显然，该问题是线性规划中的一类特殊问题，其特点表现在以下几个方面： 共有m ”个变量x 。，m - l - n 个等式约束，且在约束方程中每一变量的系数 都为1 。 按照运输问题的一般习惯，我们将矩阵x 。称为运量矩阵，矩阵c 。称为价格 矩阵，分别表示为： 第一章概述 x 口= 爿l l】2 x 2 11 2 x n lx m 2 c 1 1d 2 c 2 1c 2 2 c n lc m 2 ，c g l m 利用线性规划中运输问题解法计算场地规划中的土石方平衡问题时，所做 的假定是运量平衡，即场地平整中开挖总量等于填筑总量，在实际工程中也存 在二者不相等的情况。 1 开挖量小于填筑量：当土石方开挖数量小于填筑数量时，在实践中需要 到场地外取料。在求解方法上，通常假定有一个“虚拟的”料源( 即开挖点) ， 其开挖数量等于填筑总量与开挖总量之差，建立土石方平衡的数量矩阵。在此 基础上，假定该开挖点与其它各填筑点的距离为足够大( 以保证该开挖点的开 挖料最后才进入调配优化方案) ，再用上述方法解决。最优解中由此虚拟开挖点 供给的土石方量即是要从场地外调配的土石方量。 2 开挖量大于填筑量：当土石方开挖数量大于填筑数量时，在实践中需要 往场地外弃料。在求解方法上，通常假定有一个“虚拟的”填筑点，其填筑数 量等于开挖总量与填筑总量之差，建立土石方平衡的数量矩阵。在此基础上， 假定该填筑点与其它各开挖点的距离为足够大( 以保证各开挖点的开挖料最后 才进入“虚拟的”填筑点) ，再用上述方法解决。最优解中流向此虚拟填筑点的 土石方量即是要运往场地外的土石方量。 此外，在求解方法上，可以用线性规划中的单纯形法进行计算。 利用线性规划中运输问题解法计算堆石坝的土石方平衡问题时，由于没有 考虑料性匹配、施工进度计划等因素，无法动态反映堆石坝施工过程中每一时 段的土石方平衡问题，其成果与实际施工过程出入较大。 二、大系统理论 大系统一般都存在着一阶基本子系统，各子系统之间又存在着耦合，同时 在子系统的外部还存在着不同层次的控制和管理系统，描述这些数学模型都是 高阶次的。大系统理论就是不把这个复杂的系统看成一个高维的整体来设计， 而是分成多级( 多层) 耦合的子系统，上级须对下级子系统间的关联进行协调， 或者分散地为每一个子系统设计与其他子系统有关联的局部控制器，通过把处 k 一训 c c 第一章概述 在同一线地位的各个子系统相互分离出来，并使他们各自都按照某种局部最优 方式运行，而且上一级系统能把这些子系统的工作协调起来，统一规划，达到 整体上最优化的目的。 大系统理论的重要思想是分解与协调。分解思想即把一个复杂的系统分解 成多级( 多层) 耦合的子系统。协调思想主要是基于分解后各子系统之间关联的 存在，分别求解各子系统问题后并不能得到整体问题的最优解，于是就需要协 调，达到整体最优的目的。如图1 1 所示的两级系统，原来系统中的各个子系 统送出其局部解“，i = l ，2 ，h ，然后在第二级设置一个协调器，综合考 虑了各系统的局部解后，向子系统送出关联值p e ，? = l ，2 ，n ，反复迭代 和修正“，肛，从而找到对总系统来说是最优的运行状态 6 0 l 。 图1 1大系统分级递阶控制系统 应用大系统理论解决堆石坝土石方调配平衡问题时，将堆石坝土石方系统 看作是一个总系统，该系统可以分解为开挖系统、运输系统和填筑系统等子系 统，各子系统在进行自身优化以后，将优化结果输入总系统中，根据系统的整 体目标进行协调，并向子系统送出协调后的关联值，供各子系统再次进行自身 优化，反复迭代和修正，直到找出对总系统来说是最优的运行状态。 三、逼近方法 在土木水利工程施工中，经常遇到天然料物无法直接满足工程设计需要的 情况，例如：在西南红土地域的很多工程，由于天然砂子储量不足，经常要进 行人工砂的加工。同时，天然料的级配也与施工用料不尽一致，按何种级配确 定开采数量也要进行计算分析。这类问题通常与加工工艺有关，牵涉到决策准 则。解决此类问题时，不能直接采用优化方法，而是要选用不同的控制粒径作 开采规划，通过技术经济比较，最终确定开采规划。 第一章概述 四、模拟方法 在土石坝及堆石坝施工中，由于开挖、填筑是一个动态过程，用以往静态 方法所建立的模型及求解结果与实际要求都相去较远，因此，要通过开挖、填 筑过程的动态模拟来求出挖填平衡的最优方案。就需要建立计算机模拟模型， 开发相应的模拟程序。 以往土石方调配平衡的研究工作主要针对场地平整中的挖填平衡问题，而 在堆石坝旌工中的土石方调配平衡问题方面所做的工作并不多，所取得的研究 成果也不多见。就现有成果而言，主要存在以下几个方面的问题： l 、受以往工作思路的影响，土石方调配平衡问题往往被理解为单纯的“土 石方平衡”，即开挖料和填筑料在数量上的、静态的“平衡”，没能结合填筑、 开挖施工进度进行动态分析与调配，更没能将每一施工时段的土石方流程进行 详细规划，可操作性较差。因此，本文中分析此问题时，更强调“土石方调配”， 即在整个施工期内各时段对土石方进行动态地调用、匹配，并产生最优调配方 案，而非粗线条的数量上的平衡。 2 、从研究方法看，以往存在“方法导向”的倾向，即对问题的实际系统要 素、过程所做研究较少，大多是用线性规划中的“运输问题解法”，在对原型进 行大量简化的基础上，用相应方法求解。 3 、从成果应用来看，由于没能与实际施工进度计划相结合，仅仅考虑了施 工分期特征，注重于同一分区中不同土石方“量”的关系。因此，就成果深度 来说，只是规划阶段的深入，而其中的许多问题都是在定性的前提下确定的， 实际操作时出入较大。 例如在三峡工程的土石方工程施工中，就注意到了土石方调配平衡问题的 重要性，也总结了一些经验。三峡工程的土石方工程量很大，在施工过程中需 尽量做到挖填平衡，降低工程造价。实际施工经验表明：统筹安排，充分利用 开挖料作为填筑料，做到土石方开挖与填筑工程施工同步。即开挖项目施工时， 要同时安排相应的回填项目。当开挖料质量与设计要求不相符时，就因料而加 以修改；或当相应的回填部位尚不具备施工条件时，开挖部位可作适当的调整。 当有一些土石方填筑工程还不具备施工条件的情况时，为充分利用一次开挖料， 从优化设计、施工入手，提前做好设计修改和施工准备，创造开挖与填筑施工 同步的条件。 虽然三峡工程的土石方调配平衡问题得到了足够的重视，但基本上以手工 调整、人工安排为主，较费时、基本上是定性的，而且不同阶段需经常调整土 石方调配设计。因此，寻找更为合理、有效、实用的土石方调配方法对提高堆 第一章概述 石坝施工的速度、质量和经济效益具有重要作用。 13 本文的主要工作与内容 本文是在对以往成果总结的基础上，通过对该问题实际背景的详细分析， 密切结合工程施工管理的要求，应用大系统理论分解与协调的思想，通过对土 石方调配平衡问题中各影响因素的更进一步分析，最后找出面板堆石坝土石方 调配平衡系统的最优解。 本文的研究工作拟达到以下几个目标： 成果实现通用性：主要反映在两方面。首先指不同的坝型，如面板堆石坝、 心墙堆石坝、土石坝等：其次指不同的工程，不只限于水布垭工程。确定通用 性目标的目的并非只为了避免重复开发，而是因为通用性的实现是建立在对实 际问题及其各种情况、尤其是特殊情况的考虑基础之上的，而这正是决定成果 质量的关键所在。 对水布垭工程土石方平衡过程进行模拟：模拟产生的结果可用于服务工程 决策，既有较强的可操作性，又可直接用于施工现场土石方调配的计划和管理； 同时验证土石方调配平衡软件的性能，包括通用性、实用性、方便可靠性与功 能完善性。 土石方调配平衡软件要结合开挖、填筑进度对现场施工的土石方平衡过程 进行详细的模拟，动态显示与之相应的坝体形象特征，并能服务于施工阶段的 现场土石方整体调配平衡与各单项工程的协调。 本文的主要工作就是寻找土石方平衡问题的解决方法，并且编制相应的分 析计算软件，利用计算机技术解决堆石坝施工中土石方调配平衡这重要问题。 争取实现施工全过程的优化，包括开挖与填筑进度协调、提高直接上坝率、减 少弃渣、中转费用与节省施工占地等内容，达到提高堆石坝的施工速度、施工 质量和经济效益的目的。 第二章堆t i 如! 施i i 中十币i 方调配平衡系统分析 第二章堆石坝施工中土石方调配平衡系统分析 2 1 系统特点分析 解决堆石坝施工过程中土石方调配平衡问题的实质就是通过开挖、填筑、 转运、开采、弃渣等土石方的综合处理，达到提高开挖料利用率、平衡土石方 开采强度和运输强度、快速经济施工的目的。而寻求该问题合理解决的前提是 对建筑物结构、填筑要求、开挖工程量、土石方储量与空间位置、弃渣场地的 容量与位置、分期施工进度以及以上诸要素之间的相互关系进行综合分析，并 且编制相应的计算分析软件，使这一问题得到圆满解决。 l 、建筑物特性分析 土石坝、堆石坝两类水工建筑物，不论其防渗型式、泄洪方式与结构尺寸 如何，其在结构上必然是由不同的功能部分( 如挡水建筑物、泄水建筑物、电 站建筑物等) 组成，而在施工上则是根据不同的土石方特性进行分区开挖与填 筑。因此，寻求种解决这一类问题的通用方法在理论上与技术上都是可行的， 在实践应用上则更具有意义。 对于坝体的不同施工分区，重点应考虑两个问题：是分区土石方种类特 性，在建筑物开挖料利用、开采料料源选择时考虑。二是分期施工的填筑工程 量，在土石方数量平衡规划中考虑。 2 、建筑物开挖工程量 建筑物不同部位的开挖料要尽量考虑在坝体填筑中利用。首先，某类丌挖 料只能用于坝体的某个特定部位( 如主堆石区、过渡料区等) ；其次，开挖料可 分为利用料和非利用料两种，利用料又可分为直接利用料和转储间接利用料两 种；同时，开挖料的堆弃要考虑开挖部位与弃渣场地的相对关系，如上下游、 左右岸、运距等因素。 3 、开挖料的系数处理与转换 开挖料的方量在不同的状态下是不同的，有自然方量、松散方量、压实方 量等之分，在土石方调配活动中要区别对待；在土石方的开挖、运输过程中有 各种损失，如开挖方法损失、中转损失、运输损失等，在土石方调配活动中均 要考虑这些损失。在本文所建立的模型中，以上的因素都在考虑范围之内。从 总体上说，以上的各个系数可以归纳为两类，一类为利用系数，另一类为弃料 系数。利用系数为开挖自然方转化成填筑压实方的系数；弃料系数为原始开挖 量的各种损失占开挖量的百分比。 第二章堆7 i 坝施l ：中士石方调配平衡系统分析 如上所述，钏对任一开挖料本文作了如下的处理：丌挖原始方量乘以利用 系数得到填筑区的压实方量( 压实方量= 原始开挖方量x 利用系数) ：剩余原始 方量乘以弃料系数得到原始弃料量( 原始弃料量：剩余原始方量x 弃料系数) 。 在这两个系数的取值时，均考虑了以上提到的各种损失。 4 、料场特性 料场特性指料场空间位置、不同类型的土石方储量、料场覆盖层剥离工程 量等。在调配中首先要满足料场开采料与坝体分区填筑料的一致性。 5 、中转与弃渣场地 中转与弃渣场地考虑的因素包括空间位置、堆存容量及道路、地形特征， 以便确定与开挖点的关系，是否可用作转运料堆存等。 6 、分期旌工进度 由于土石坝、堆石坝与混凝土类坝在导流拦洪渡汛方式上的明显区别，决 定了其在施工程序上的不同。土石坝、堆石坝旌工由于渡汛方式的不同有着严 格的施工分期。在土石方问题解决中，对分期施工进度的考虑主要有三点：一 是分期分区的填筑工程量；二是不同建筑物的分期开挖工程量：三是在不同施 工期内料场、弃渣场地的动态特性。 2 2 影响堆石坝土石方调配的因素 土石方调配平衡问题的影响因素主要有枢纽布置、薤工总布置和料场规划 等。这些因素必须从枢纽的规划阶段起就开始统筹考虑，是具体的土石方调配 活动的前提和基础。从某种意义上说，枢纽布置、施工总布置和料场规划等规 划工作是对调配平衡的宏观调控，而本文中提出的调配平衡方法是在这些边界 条件及开挖、填筑施工进度确定以后进行的微观调配。 以混凝士面板堆石坝为主体的水利水电枢纽与一般土石坝枢纽一样，包括 大坝、泄水建筑物、引水发电系统以及过木、鱼道、航运等建筑物，枢纽布景 就是将这些建筑物的位置进行优化选择，在适应当地地形、地质、水文、气象、 水工、施工、环境等具体条件的情况下，达到既安全又经济的目的，这是枢纽 设计中最为重要的一环，也是保证土石方调配平衡问题成功解决的基础。在枢 纽布置中，注意枢纽建筑物有效挖方的充分利用和土石方的挖填平衡，大量利 用开挖料上坝，甚至全部用开挖料筑坝，不设或尽量少设专门料场，以取得最 好的经济效果。枢纽布置的技术性很强，需要全面的知识和高度的技巧，经多 方案的比较才能最后选定最优布置。 施工总布置中的施工道路系统布置合理将使土石方运输畅通、经济，减少 第二章堆_ i 坝施：l ：中十4 l 方调配平衡系统分析 施工车辆相互干扰，降低施工费用。场内施工道路的布置一般根据地形条件、 枢纽布置、工程量大小、填筑强度、运输车辆情况等条件来统筹考虑，作到既 满足施工运输要求，交通便利，有利于各旖工系统之问的相互联系，每个施工 阶段均有相应的运输线路，又使道路工程量最省。堆石坝体填筑的上坝道路需 根据填筑施工的需要随时变换。施工期可以随着坝体上升在坝坡或坝体内部灵 活地设置“之”字形上坝道路，以便最大限度地减少坝体外的上坝道路，这对 于岸坡陡峭、修建道路困难的地方意义更大。 料场规划是施工组织设计的重要内容之一，也是指导和组织坝料开采的具 体依据。料场规划包括料场的空问规划和时间规划。其任务是根据工程枢纽布 置和施工组织设计的总要求，研究设计文件所规定的各种坝料的质量和数量， 以及各料场复查的资料，通过方案比较和优化选择，选定合适的料场，并选择 合理的开采、运输、加工、堆存方式，配置相应的施工设备和设施( 风、水、 电等) ，确定不同料场的开采程序、数量和填筑部位，作为料场全面而具体的布 嚣和安排。 以上三方面需要丰富的实践经验和对具体工程情况的全面深入掌握，经多 方案比较，综合各方面因索后方能确定。这些是本文研究工作的基础，文中的 工作都是在此基础之上进行的。 2 3 土石方调配的原则与方法 2 3 1 土石方调配的原则 在进行土石方调配时主要遵守以下的原则： l 、以大系统理论的分解与协调思想为基础、坝体填筑上升为整个系统模拟 的主线，在土石方调配满足坝体填筑上升要求的前提下，在整个施工期的各个 时段中，对于不同的分区料，依次调配和模拟土石方的填、挖、转、采、弃过 程，达到总体优化的目的。 2 、选定时段与填筑分区后，土石方的调配遵守以下的优先顺序： ( 1 ) 开挖料直接上坝。当有多个丌挖部位的开挖料可以利用时，优先利用 中转或弃渣距离较远的开挖点，同时考虑各中转场或弃渣场的容量。 ( 2 ) 中转料上坝。当有多个中转场的备用料可以利用时，优先利用运距较 短者。 ( 3 ) 料场料开采。当有多个料场的开采料可以利用时，优先利用运距较短 者。 3 、满足大坝对填筑料的基本技术要求，主要是岩性要求； 第二章堆i i 如 施： 中士z i 方调配平衡系统分析 4 、建筑物丌挖安排与大坝填筑进度和对料源的要求相匹配，阻最大限度地 利用建筑物开挖量直接上坝填筑，减少中转填筑量； 5 、尽量利用建筑物开挖料上坝填筑，不足部分从料场开采补充； 6 、建筑物开挖施工中，对不同用途的岩石，进行选择性挖装，以减少材料 损失； 7 、每一料场对不同性质的土石方分开堆放： 8 、利用率最大，中转率最小，周转率保持适当的水平； 9 、综合运量较小，运距较短； 1 0 、综合考虑工程总进度要求； 1 1 、综合考虑场内外交通和道路布置； 1 2 、结合地形、地质、水工设计、道路布置、施工程序、簏工方法等对可 利用料数量进行计算。 本文中，根据上述原则，采用了“利用率最高、直接上坝量最大、就近开 采、弃料、转运”的具体措施，以达到堆石坝快速经济施工之目的。 2 3 2 土石方调配的方法 在进行土石方调配活动时，采用的方法主要有以下几点： 1 、对建筑物开挖料，结合地形、地质、施工程序、施工布置等，考虑各 类型的损耗，分析各部位各类岩石的可利用数量； 2 、对建筑物丌挖料，结合开挖条件和使用时间，分配直接使用料量和中转 料量，对不足的土石方，规划取料场地； 3 、对各个建筑物作分项的开挖平衡表，规划利用料量、中转料量、弃渣料 量： 4 、根据建筑物开挖、存弃料平衡总表，计算出直接使用料量、中转料量、 各个弃渣场容量等； 5 、作建筑物填筑、取料平衡总表，根据利用料情况得出取料场的取料量， 并根据折方系数作出建筑物填筑、取料净挖方平衡总表，供弃渣规划使用； 6 、最后结合料场开采规划和存弃渣场规划，对土石方平衡和调配规划进行 优化调整。 2 4 大系统优化模型的建立 在堆石坝施工过程中，各项工作都要以坝体填筑施工为核心，在坝体填筑 质量满足施二 技术要求的前提下，确保坝体填筑进度既满足施工渡汛要求，同 时使各填筑分区协调上升。面板堆石坝土石方平衡规划系统主要包括以下组成 第二二章堆打坝施：i ：中士7 i 方调配平衡系统分析 要素： ( 1 ) 供料区是指能够为其他建筑物、转堆料场( 待存容量) 提供土石料的料 场或开挖建筑物、中转料场( 存储量) 和土石加工厂等。根据混凝土面板堆石坝 工程的特点，坝体填筑料料源即供料区主要为各建筑物开挖利用料和符合填筑 要求的料场供料作为调节料源。 ( 2 ) 受料区指能够接受其他料源供应的土石或转存和填筑的料源。中转料 区既是供料区又是受料区。 ( 3 ) 场地与上坝道路规划场地规划主要是指堆料场，用于开挖弃料的存 放以及上坝用料的临时堆存和加工石料的堆放；根据各工程的不同情况，按坝 体不同的填筑高程，分别设计从各供料区到受料区及堆料场的施工道路，一般 采用循环式与往复式相结合的布置方式，各供料源受料源的运距是求解调运总 费用的基本参数。 根据混凝土面板堆石坝设计与施工的特点，使模型能够反映系统运行的实 际状况，运用大系统理论及其分解与协调的方法，首先考虑用二层递阶结构来 进行模型分析。混凝土面板堆石坝坝型设计确定后，整个大坝的填筑方量以及 各分区部位的受料方量是一定的，大坝施工分时段、分层填筑。为此，以大坝 填筑为中心进行垂直分解，即从时间( 施工时段) 上解决各供料源的优化分配， 建土大系统聚合模型，此为第一层( 上层) ，该层对整个系统调度起控制作用； 在其下面按施工时段分解为许多子系统，在每个时段内进行大坝各受料区需求 量的空间优化，即把大坝该时段需求的填筑量优化分配到各供料区，这就是第 二层( 下层) 。 为面板堆石坝整个施工期的时段数，每个时段作为一个阶段，阶段以t 表 示，= 1 ，2 、，时段长度根据工程的施工组织设计的进度要求确定；c ( f ) 为时段t 内大坝各分区的受料填筑量；q ( f ) 为t 时段初转存料场的物料调入或调 出的平衡变量，t = 0 ，1 ，2 ，n 一1 。 为f 时段内i 供料区向j 受料区供料总方量：d f ( t ) 为时段t 内系统中调运 费用之和。 建立模型需建立一个二层递阶控制结构模型，但根据本研究问题的性质和 特点，拟建立如下大系统线性规划模型： ( 1 ) 变量 设置为t 时段从第i 供料区向第，受料区供应的土石料运量，i