基于土石方全過程動態監控的面板堆石壩施工技術研究

黃初華

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550000)

0 引 言

隨著中國電力體制改革的不斷深入，尤其是售電業務范圍的逐漸拓寬，越來越多的電源點不斷并入電網，水電站作為清潔能源發電的代表，其施工、建設的質量及安全性等方面一直都是業內專家們所關注的重點。通過中國水利工程人員數十載的不懈努力，目前一大批具有我國自主知識產權的水利工程項目得到廣泛的應用。值得一提的是，中國的水利工程技術已經走出國門，逐步向著國際頂尖的技術行列邁進。面板堆石壩施工現場圖見圖1。

圖1 面板堆石壩施工

面板堆石壩作為水利樞紐工程中的主要部分，其施工技術復雜，對施工的質量和安全性要求較高。文章針對面板堆石壩在施工過程中的薄弱環節，提出了基于土石方全過程動態監控的面板堆石壩施工策略，為土石方在運輸、填筑等環節提供一套完整的、全過程動態監控模型，在提高施工效率的同時也可滿足工程的質量及安全性等方面要求，是面板堆石壩施工技術的一次有益嘗試，應用前景廣闊。

1 土石方全過程動態監控系統

土石方運輸、填筑等調配過程是否合理直接關系到堆石壩施工的整體質量，在大中型水電站的施工過程中，通常要開挖大量的土石方，因此，建立高效、完善的土石方全過程動態監控系統顯得尤為必要[1]。

1.1 系統需求分析

如何實現對土石方施工全過程的合理調配、實時動態仿真并使系統功能達到最優化，這是系統建模過程的首要任務，而最終目的是將研究成果推廣到具體的工程應用中，這是模型搭建及后續研究中的難點問題。目前常規的土石方監控模型主要有線性規劃模型、多維度決策模型以及基于大系統理論架構的模型等。

圖2 線性規劃模型

線性規劃模型以道路坡度作為決策變量，以土石方施工總費用作為最小目標函數進行線性規劃建模，如圖2所示。多維度決策模型將開采費用、施工風險以及質量安全等幾方面因素與社會、環境以及生態影響等指標相關聯。大系統架構模型主要從土石方施工的宏觀層面來對整體施工進度加以把握，但具體的時空約束性問題是其模型本身性能難以全部發揮的瓶頸。為此，文章提出基于土石方全過程動態監控的面板堆石壩施工策略，以良好地解決其施工過程中的時空約束性問題[2]。

1.2 系統建模方案

系統建模的具體方案應以解決土石方施工過程中的時空約束性問題為出發點，將土石方在施工全過程調配中的總費用作為目標約束函數，并綜合考慮此過程中各種定量及其他約束性條件，使全過程細分為若干個節點進行分析和計算，具體過程如圖3所示，從而把具體的狀態變化關系與土石方中轉料場的均衡性完美融合，以實現時空傳遞條件的表達以及對土石方施工全過程的動態監控，最終生成最優調配方案[3]。

圖3 節點分析計算過程

但應注意的問題是，土石方施工動態監控模型在搭建的過程中須以下面2個假設為前提：①土石方施工前期的準備工作，監控系統中開挖及填筑進度和所有用料的規劃，也就是土石方的所有施工過程必須在既定的工期內完成；②所直接開采的土石方在質量方面要有特定的限制，滿足任何調配的需求，且所有土石方在最后都能得到最大的利用，并將余下的物料運至棄渣場。

1.3 算法實現過程

所搭建的土石方全過程動態監控模型包括以下幾部分內容，即目標函數、決策變量以及約束條件。其目標函數為非線性方程，這是由于其所關聯的因素常隨現場的環境而改變所致，且約束條件通常使用不同的方程來表達，但目標函數及約束條件與決策變量卻始終成線性關系，綜合考慮土石方施工動態監控全過程的所有可能因素，包括達到動態平衡的時間及影響因子等，其動態監控模型可表達如下：

(1)

式中：F為目標函數；t為施工階段的編號；i,j分別為所開挖的項目以及所填筑的項目，Cijt代表t時段所開挖的項目，Xijt代表t之后的任意時刻所開挖的項目。如果將土石方全過程動態監控的制約因素轉化為線性規劃模型中特定的約束條件，則通常需要將開挖、填筑等環節視作施工中的影響因素[4]。假設開挖項目進料約束的表達式為：

(2)

則填筑項目進料約束關系可表達如下：

(3)

式中：Ait代表開挖項目i在施工階段t內的物料總方量，Ajt代表填筑項目j在施工階段t內的物料總方量，假設Akt代表施工階段t的初始中轉場k的物料存量，Vkt代表施工階段t的初始中轉場k的物料存量極限值，則可得如下約束關系：

(4)

在土石方全過程動態監控模型中，將決策變量定義為模型中待求解的變量，即各施工階段所有的組成因素間的物料調配方量，利用VB 6.0作為開發平臺以及微軟Access數據庫來搭建土石方全過程動態監控系統，所搭建的系統兼備土石方施工數學規劃模型及現場動態調配功能[5]。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

國華開潭水電站位于浙江省麗水市，處于河流的上游位置，屬第一級水電站，以鋼混結構的面板堆石壩為工程主體，共分為8部分建筑用料填筑區，其中壩體部分的填筑分多期完成，具體填筑階段如圖4所示。

圖4 填筑階段

大壩總填筑量達到800萬m3，包括約70萬m3的溢洪道三期開挖的砂頁巖，以及50萬m3的河床天然砂礫石，主堆石料約500萬m3，過渡料大約50萬m3，墊層料和蓋重料分別為20萬m3和30萬m3左右。

3.2 土石方全過程動態監控結果分析

在此工程案例中，將土石方施工的基礎動態數據以及參數錄入到系統，利用人機交互模式來獲取各種約束限制下的工程全局優化方案[6,7]。所獲取的動態監控結果主要包括所用物料的具體調配數據以及各重要施工路段的監控數據，以2016年7月份調配數據為例，分別給出了1-4個等級的調配順序，包括選取、開挖、回采以及棄置等，具體數據如表1所示。

表1 物料調配數據

通過對所搭建的土石方全過程動態監控模型的試驗，不難發現，天然砂礫石料以及R3白云巖石料在大壩填筑后總方量仍有剩余，而其余石料已按要求全部利用完，但值得注意的是，根據溢洪道物料優先利用的原則，使其直接投入率達到了最大，而開挖物料的需求量減至最小，即已經通過土石方全過程動態監控模型實現了物料最佳的調配方式[8-10]。如圖5所示。

圖5 物料最佳調配方式

4 結 論

文章以當前面板堆石壩核心的施工技術為切入點，詳細分析了土石方在調配、填筑等施工中的細節問題，針對具體的時空約束性瓶頸方面，文章提出了基于土石方全過程動態監控的面板堆石壩施工模型，對具體工程的需求進行了詳細分析，隨后搭建了系統監控模型并實現了模型的核心算法。在最后的試驗驗證部分，以浙江國華開潭水電站為例，將所搭建的土石方全過程動態監控模型成功應用到該水電站的土石方調配系統中，并實現了土石方施工全過程的動態監控、調配以及優化。但文章對于壩后堆石棱體等物料組成部分的調配數據未作分析和探討，這部分內容將在以后的工作中作進一步研究。文章為同類面板堆石壩施工方案提供了一定的理論依據，尤其是在土石方施工全過程的動態監控與調配環節中應用前景廣闊。

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