黄初华

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550000)

0 引 言

随着中国电力体制改革的不断深入，尤其是售电业务范围的逐渐拓宽，越来越多的电源点不断并入电网，水电站作为清洁能源发电的代表，其施工、建设的质量及安全性等方面一直都是业内专家们所关注的重点。通过中国水利工程人员数十载的不懈努力，目前一大批具有我国自主知识产权的水利工程项目得到广泛的应用。值得一提的是，中国的水利工程技术已经走出国门，逐步向着国际顶尖的技术行列迈进。面板堆石坝施工现场图见图1。

图1 面板堆石坝施工

面板堆石坝作为水利枢纽工程中的主要部分，其施工技术复杂，对施工的质量和安全性要求较高。文章针对面板堆石坝在施工过程中的薄弱环节，提出了基于土石方全过程动态监控的面板堆石坝施工策略，为土石方在运输、填筑等环节提供一套完整的、全过程动态监控模型，在提高施工效率的同时也可满足工程的质量及安全性等方面要求，是面板堆石坝施工技术的一次有益尝试，应用前景广阔。

1 土石方全过程动态监控系统

土石方运输、填筑等调配过程是否合理直接关系到堆石坝施工的整体质量，在大中型水电站的施工过程中，通常要开挖大量的土石方，因此，建立高效、完善的土石方全过程动态监控系统显得尤为必要[1]。

1.1 系统需求分析

如何实现对土石方施工全过程的合理调配、实时动态仿真并使系统功能达到最优化，这是系统建模过程的首要任务，而最终目的是将研究成果推广到具体的工程应用中，这是模型搭建及后续研究中的难点问题。目前常规的土石方监控模型主要有线性规划模型、多维度决策模型以及基于大系统理论架构的模型等。

图2 线性规划模型

线性规划模型以道路坡度作为决策变量，以土石方施工总费用作为最小目标函数进行线性规划建模，如图2所示。多维度决策模型将开采费用、施工风险以及质量安全等几方面因素与社会、环境以及生态影响等指标相关联。大系统架构模型主要从土石方施工的宏观层面来对整体施工进度加以把握，但具体的时空约束性问题是其模型本身性能难以全部发挥的瓶颈。为此，文章提出基于土石方全过程动态监控的面板堆石坝施工策略，以良好地解决其施工过程中的时空约束性问题[2]。

1.2 系统建模方案

系统建模的具体方案应以解决土石方施工过程中的时空约束性问题为出发点，将土石方在施工全过程调配中的总费用作为目标约束函数，并综合考虑此过程中各种定量及其他约束性条件，使全过程细分为若干个节点进行分析和计算，具体过程如图3所示，从而把具体的状态变化关系与土石方中转料场的均衡性完美融合，以实现时空传递条件的表达以及对土石方施工全过程的动态监控，最终生成最优调配方案[3]。

图3 节点分析计算过程

但应注意的问题是，土石方施工动态监控模型在搭建的过程中须以下面2个假设为前提：①土石方施工前期的准备工作，监控系统中开挖及填筑进度和所有用料的规划，也就是土石方的所有施工过程必须在既定的工期内完成；②所直接开采的土石方在质量方面要有特定的限制，满足任何调配的需求，且所有土石方在最后都能得到最大的利用，并将余下的物料运至弃渣场。

1.3 算法实现过程

所搭建的土石方全过程动态监控模型包括以下几部分内容，即目标函数、决策变量以及约束条件。其目标函数为非线性方程，这是由于其所关联的因素常随现场的环境而改变所致，且约束条件通常使用不同的方程来表达，但目标函数及约束条件与决策变量却始终成线性关系，综合考虑土石方施工动态监控全过程的所有可能因素，包括达到动态平衡的时间及影响因子等，其动态监控模型可表达如下：

(1)

式中：F为目标函数；t为施工阶段的编号；i,j分别为所开挖的项目以及所填筑的项目，Cijt代表t时段所开挖的项目，Xijt代表t之后的任意时刻所开挖的项目。如果将土石方全过程动态监控的制约因素转化为线性规划模型中特定的约束条件，则通常需要将开挖、填筑等环节视作施工中的影响因素[4]。假设开挖项目进料约束的表达式为：

(2)

则填筑项目进料约束关系可表达如下：

(3)

式中：Ait代表开挖项目i在施工阶段t内的物料总方量，Ajt代表填筑项目j在施工阶段t内的物料总方量，假设Akt代表施工阶段t的初始中转场k的物料存量，Vkt代表施工阶段t的初始中转场k的物料存量极限值，则可得如下约束关系：

(4)

在土石方全过程动态监控模型中，将决策变量定义为模型中待求解的变量，即各施工阶段所有的组成因素间的物料调配方量，利用VB 6.0作为开发平台以及微软Access数据库来搭建土石方全过程动态监控系统，所搭建的系统兼备土石方施工数学规划模型及现场动态调配功能[5]。

3 工程案例分析

3.1 工程概况

国华开潭水电站位于浙江省丽水市，处于河流的上游位置，属第一级水电站，以钢混结构的面板堆石坝为工程主体，共分为8部分建筑用料填筑区，其中坝体部分的填筑分多期完成，具体填筑阶段如图4所示。

图4 填筑阶段

大坝总填筑量达到800万m3，包括约70万m3的溢洪道三期开挖的砂页岩，以及50万m3的河床天然砂砾石，主堆石料约500万m3，过渡料大约50万m3，垫层料和盖重料分别为20万m3和30万m3左右。

3.2 土石方全过程动态监控结果分析

在此工程案例中，将土石方施工的基础动态数据以及参数录入到系统，利用人机交互模式来获取各种约束限制下的工程全局优化方案[6,7]。所获取的动态监控结果主要包括所用物料的具体调配数据以及各重要施工路段的监控数据，以2016年7月份调配数据为例，分别给出了1-4个等级的调配顺序，包括选取、开挖、回采以及弃置等，具体数据如表1所示。

表1 物料调配数据

通过对所搭建的土石方全过程动态监控模型的试验，不难发现，天然砂砾石料以及R3白云岩石料在大坝填筑后总方量仍有剩余，而其余石料已按要求全部利用完，但值得注意的是，根据溢洪道物料优先利用的原则，使其直接投入率达到了最大，而开挖物料的需求量减至最小，即已经通过土石方全过程动态监控模型实现了物料最佳的调配方式[8-10]。如图5所示。

图5 物料最佳调配方式

4 结 论

文章以当前面板堆石坝核心的施工技术为切入点，详细分析了土石方在调配、填筑等施工中的细节问题，针对具体的时空约束性瓶颈方面，文章提出了基于土石方全过程动态监控的面板堆石坝施工模型，对具体工程的需求进行了详细分析，随后搭建了系统监控模型并实现了模型的核心算法。在最后的试验验证部分，以浙江国华开潭水电站为例，将所搭建的土石方全过程动态监控模型成功应用到该水电站的土石方调配系统中，并实现了土石方施工全过程的动态监控、调配以及优化。但文章对于坝后堆石棱体等物料组成部分的调配数据未作分析和探讨，这部分内容将在以后的工作中作进一步研究。文章为同类面板堆石坝施工方案提供了一定的理论依据，尤其是在土石方施工全过程的动态监控与调配环节中应用前景广阔。

[1]申明亮，倪锦初，陈伟，等．水利水电工程施工仿真与土石方平衡[M]．北京:中国水利水电出版社，2007：64-67．

[2]Ahmad A Moreb．Linear Programming Model for Finding Optimal Roadway Grades that Minimize Earth-Rock Cost[J]．European Journal of Operational，1996(05):148-154．

[3]胡程顺，钟登华，张静，等．土石方动态调配模型与可视化研究[J]．中国工程科学，2003(12) :73-79．

[4]罗时朋，糜莺英，胡志根．料场开采方案的多目标模糊优选[J]．武汉水利电力大学学报，2000(06):47-49．

[5]王晓梅，梁轶．大系统理论在面板堆石坝工程土石方平衡规划中的应用[J]．水利水电快报，2001(17):14-17．

[6]曹生荣，王先甲，申明亮．大型水电工程土石方调配系统分析及其优化调配模型[J]．中国工程科学，2003(07):72-76．

[7]郭科，陈聆，魏友华．最优化方法及其应用[M]．北京：高等教育出版社，2007：42-70.

[8]赵春菊，周宜红，胡育林．基于仿真的溧阳面板堆石坝土石方调配动态平衡研究[M].北京：中国水利水电出版社，2009：486-490．

[9]文峰，袁光裕．用系统分析方法进行砂石料料场规划[J]．人民黄河，1984，6(02):28-32．

[10]程严．基于计算机仿真的面板堆石坝土石方动态调配方法研[D]．武汉：武汉大学，2005．