水利水电工程施工土石方调配方法及其应用.docx

水利水电工程施工土石方调配方法及其应用 宋 凤 莲，刘全，邬志（武 汉 大 学 动力与机械学院 ；水 利 水 电 学 院 ，武 汉 ；中国水电工程顾问集团公司华东勘测设计研究院 ，杭 州 ）摘 要 ：水利水电工程施工土石方调配受其空间 、时 间 和 数 量 的 限 制 ，是影响工程成本的重要因素之一 。 通 过 分 析 工程 土 石 方 在 开 挖 、转 运 、加 工 、利用等过程中的施工进度与其类型和数量平衡的关系以及开挖 、填筑与空间关 系 的 协 调 性 ，建立了土石方调配初始条件和边界条件表达方式 ，建 立 了 小 时 段 、大 数 量 、高精度的动态调配 仿 真 模 型 ，提 出 土 石 方 的 生 产 、加 工 、利 用 、系统调度及其相关关系的数 学 模 型 ，实现了水电工程土石方施工的调配 及 其 动 态 控 制 。 结合工程实例的应用分析 ，验证了模型的可靠性与实 用 性 。 可广泛应用于水利水电工程的土石方调配方 案 制 定 与 施工现场管理中 ，具有较重要的理论意义和工程实践价值 。关 键 词 ：土 石 方 施 工 ；系 统 分 析 ；土 石 方 调 配 ；施 工 管 理中 图 分 类 号 ：文 献 标 识 码 ：文 章 编 号 ：（） ， ， （ ； ，；，） ：， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ：；水 利 水 电 工 程一般具有施工场地集中 、工 期 长 、工 程 量大 ，特别是土建工程量大 ，包 括 土 石方开挖与填筑 、地 下 洞 室 开 挖 与 出 渣 、砂 石 料的加工与存储运输 、混凝土生产与浇筑 等 多 类 工 程 ，施 工 土石方存储与运输计划复杂的特征 ，直 接 影 响工程施工布置 、规 划 、交 通 与 运 输 成 本 ，是工程施工管理 研究的热点和难点 。 通 常 ，土 石 方 调运问题具有线性规划特 征 ，以单纯形法及其相关分析方法 解决工程中的土石方调运 问 题 ，该 方 法 较 为 简 单 ，易 于 实 现 ，应 用 广 泛 。 随 着 计 算 方 法与求解模型研究的深入 ，土 石 方平衡计算从仅考虑总量 到 其 特 性 、特 征 上 的 均 衡 ；根 据其料性和中转场数量引入 匹 配 矩 阵 ，解 决多点多源土石方调配问题 。 随 着 学 科 知 识的融合与发展 ，网 络引入到工程道路网络描述中 ，运收 稿 日 期 ：修 回 日 期 ：网 络 出 版 时 间 ：网 络 出 版 地 址 ：作 者 简 介 ：宋 凤 莲 （），女 ，湖 北 新 洲 人 ，高 级 工 程 师 ，主要从事工程机械与设备管理研究 。：探 讨 与 交 流 第 卷 总 第 期 南水北调与水利科技 年 第 期用 仿真模型及方法优选施工机械 设 备 的 配 置 ，较 好 地 反 映 了施 工 系 统 状态的动态变化情况 。 土 石 方 的 运 输 是 在 道 路网络上发生的 ，可将运输流视为网络流 ，以解决其运输求 解 困 难 。 同 时 ，土 石 方 施工受相关的随机因素影响 ，可 以 通 过 系 统 仿 真较好地反映土石方开挖施工过程 ，通 过 施 工 过程的质量控制 、系统仿真检验 网络进度计划可靠性和施 工机械配置的合理性 。由 于 水 电 工 程 施工土石方运输系统分析与控制的复杂 性 ，通 常 以 典 型 时 段代替一般时段 ，以静态边界条件代替多 变 的 施 工 系 统 条 件 ，增大了初始条件和边界条件处理工作 量 ，使 小 时 段 、大 数 量 、高精度的分析计算 难 以 实 现 。 同 时 ， 施 工进度决定了施工土石方生 产 和 匹 配 ，施 工 进 度 。 本 文 将 施 工 进 度 系 统 、土 石 方 加 工 、存储与处理系统和系统配置结 合 起 来 ，建立相应的系统模型定量 分析施工土石方的调配和 动 态控制系统仿真方法 ，为 工 程 土 石方平衡优化和施工道路 网络总布置优化提供条件和技术支撑 。 （ ）式 中 ： 空 值 ，渣场无输出土石方 ； 渣 场 的 堆 渣 量 。相 应 的 ，料场和土石方供应点 简化的土石方加工厂来描 述 ，如 式 （）所 示 。 （ ）式 中 ： 料场的有效储量 。土石方施工调度的计算方法 土石方调度的计算方法 对 于 特 定 的 施工土石方运输周期 ，存 在 土 石 方 产 出 和 消 耗 。 满 足 供 需 平 衡 时 ，可以建立供需关系 ，确 定 土 石 方 的 流 向 ；对于多余的产出 ，如 果 中 转 场 可 接 受 ，即 可 转 入 中 转 场 ，确定土石方流向 ；如 果 中 转 场 不 接 受 ，则运往弃渣场作弃 料 处 理 ；对于无法满足的需求 ，如 果中转场可供给 ，则 由 中 转 场 转 出 ，确定土石方回采流向 ；如 果中转场无供给 ，则 应 由 料 场 开 采 供 给 。 土石方施工与调度关系见图 。土石方施工系统分析 水 电 工 程 土 石 方施工一般分为工程开挖 、加 工 和 转 存 、工 程填筑以及相关联的运输道路 系 统 ，决定着其物流的配置 和 系 统 效 率 。 土 石 方 开 挖 。 水 利 水 电工程施工开挖部位的土石方 一 般以土石方类型和土石方量等 参数的元组构成 ，即 某 个 开 挖部位的土石方可用式 （）表 达 。 （）式 中 ： 开挖土石方类型 ； 开 挖 土 石 方 量 ； 土 石 方 开挖 的 时 间 ； 土石方开挖部位的空间 。 土 石 方 加 工 。 施 工 过 程中部分土石方加工或者处理 后 利 用 ，加 工 也可以视为土石方类型的转换过程 。 如 ：混 凝 土 骨 料 的 加 工 ，可使用开挖的骨料 毛料经砂石料加工厂得到 混 凝 土 骨 料 和 一部分加工弃料 。 由于加工后的土石方特性 发 生 变 化 ，不 再具有土石方类型相容性 。 因 此 ，土 石 方 加 工 处 理 可 用 式 （）表 达 。图 土石方施工调度关系 对 于 特 定 的 土石方运输时段 ，其 土 石 方 生 产 可 以 用式 （）表 示 。 烄烌 （） （） 烅烍式 中 ： 土 石 方加工厂的可接受料性 ，即可以运入中转场 的 土 石 方 类 型 ； 土石方加工厂的输出料性 ，即 中 转 场 转 出的土石方类型 ； 土石方加工厂输入日最高强度 ，即 每 日可以运入中 转 场 的 最 高 强 度 ； 土石方加工厂输出日 烆 烎对应土石方的加工可以表示为 ：烄烌 土石方的存储与中转 。 土石方存储与中转场的输入 和 输 出 料 性 相 同 ，即转入和转出的土石方类型相同 。 因 此 ，类似土石方加工处理的数学表达 ，如 式 （）所 示 。（）烅烍烎烆 （）针对特定的土石方类 型 ，其 总 量 可 用 式 （）表 示 。 烌烄式 中 ： 存储或中转场的当前储量 。 渣 场 和 料 场 。 渣 场 、料场和土石方供应点可 以 看 作 是仅有输入或者输出的土石方 加 工 厂 。 渣场只接受土石方 ， 而料场只产出土石方 。 因 此 ，渣 场 为简化的土石方加工厂来 描 述 ，如 式 （）所 示 。 （） 烅烍烆 烎消耗土石方总量 可 用 式 （）表 示 。 探 讨 与 交 流宋 凤 莲 等 水利水电工程施工土石方调配方法及其应用 水电工程土石方的调度与控制 ，一般以运距为评价指标 。 运距 可 以通过模型中的空间参数 计 算 ，即 运 距 向 量 如 式（）所 示 。烄 烌 （）烅烍 （ ） 烎式 中 ：和之间的施工道 路 水 平 距 离 ； 和烆 对 于 需 求 任 务 ，供需平衡的必要条件为式 （）。之间的施工道路高差 。对于备选方案的运距可以使用 运 距 向 量 描 述 ，将 运 距 向 量作为运距优化 的 指 标 。 运 输 成 本 一 般 可 以 使 用 土 石 方 的运距与量的乘积测度 ，即 ：（ ，）（）则可得土石方调配的表达式 （）。 （）（） 实 例 分 析某 混 凝 土 拱坝工程设计工期 ，土 石方开挖总量约 万 ，混 凝 土 浇 筑 总 量 约 万 。 工 程 选 择 了 个人工砂石料系统 、 个 混 凝 土 系 统 、 个 弃 渣 场 、 个 中 转 场 和 个 石 料 场 ，施工现场土石 方的调度与调配复杂 。 现 选 择 左 岸导流洞施工标段为分析对象 ，通过施工仿真分析场内土 石 方 的 合 理 调 度 ，确定土石方调 运 总 量 、土石方直接利用量 、 土石方运输总成本等 。 其 工程量与进度信息如见 ，其 中 “ 号 、 号 、 号导流洞混凝土浇筑 ”项目总料量为负值 ，说 明 该 项 为 回 填 项 目 。 对 于 供 大 于 求 ，可 先 满 足 的 需 求 部 分 ，剩 余 部 分 根据中转场情况进行选择 。 中转场选择的必 要 条 件 如 式 （）所 示 。烄 烅 烌烍烆烎 （）（） 式 中 ： 土石方的种类相容性条件 ； （）为 中 转场 容 量 限 制 。当 满 足 式 （）时 ，土石方调运的表达式 （）。表 左岸导流洞工程量与进度安排 项 目 名 称总 料 量开 始 时 间完 成 时 间 号 、 号 、 号 导 流 （ ）洞出口石方明挖 （） 号 、 号 、 号 导 流洞出口土方明挖 如 果 满 足 （）条件土石方仍 有 剩 余 ，则逐步降低土石方 的 等 级 并 排 序 ，寻 找可能匹配或者中转场 ，直至最后降低为 弃 渣 ，转 向 弃 渣 场 。对 于 供 小 于 求 的 情 况 ，优 先 考 虑 利 用 的 产 出 ， 不 足 部 分 由 中 转 场 补 充 ；如果仍无法满足 ，可 开 采 料 场 。 与 式 （）情 况 类 似 ，中转调出土石方满足需求表达式 （）。 号 、 号 、 号 导 流洞 洞 挖 号 、 号 、 号 导 流洞 混 凝 土 浇 筑 号 、 号 、 号 导 流洞进口石方明挖 （） 号 、 号 、 号 导 流洞进口土方明挖 （）该 标 段 有 人工砂石料加工系统 、混凝土生产系统 、弃 渣 场 、弃 渣 场 、弃 渣 场 和 石 料 场 。 根 据 场 地 规 划 要 求 ，需 要 优 先 填 筑 弃 渣 场 ，随 后 填 筑 弃 渣 场 。 调 运 平 衡 周 期 为 月 。 根 据 仿 真 计 算 ， 年 月 土 石 方 调 配 如 图所 示 ； 年 月土石方调配如图 所 示 ； 年 月 土 石 方 调 配 如 图 所 示 ；土 石 方 量 如 表 所 示 。土 石 方 施 工 的 主 要 工 程 特 征 参 数 施工项目的重要性 。 施工项目的重要次序决定其土 石 方 生 产 和 需 求 的 调 配 。 在仿真模型中使用施工项目的优 先 级 来 描 述 ，优先级高的项目优先配置土石方施工的资源 。 土 石 方 计 量 。 在工程施工中土石方计量可 分 为 ：自 然 方 、松 方 和 压 实 方 等 多 种 。 在土石方调度仿真模型中 ，可 以利用参数说明方式处理土石方计量之间的转换关系 。 施工标段资源的分划 。 大型水电工程一般分为多个 标 段 施 工 ，标 段 之 间一般不存在直接的土石方调运 ，约 束 了 土石方的中转场 、渣场和加工资 源 的 选 择 范 围 。 在 模 型 中 使 用 施工资源分组的方法处理施工 标段资源的分划 ，以 说 明 标 段施工资源的约束 。 运 距 与 运 输 成 本 分 析 。 在考虑上述约束的 基 础 上 ，图 年 月土石方调配图 探 讨 与 交 流 第 卷 总 第 期 南水北调与水利科技 年 第 期图 弃 渣 场 堆 存 累 计 图表 左岸导流洞土石方量 图 年 月土石方调配图 注 ：水 泥 供 应 点 为 水 泥 ，混 凝 土 系 统 为 混 凝 土 石 方洞 挖石 方明 挖直 接利 用 量项 目 名 称土 方混 凝 土 号 、 号 、 号 导 流 洞进 口 土 方 明 挖 号 、 号 、 号 导 流 洞出 口 土 方 明 挖 号 、 号 、 号 导 流 洞进 口 石 方 明 挖 号 、 号 、 号 导 流 洞出 口 石 方 明 挖 号 、 号 、 号 导 流 洞洞 挖号、 号、 号 导 流 洞 混图 年 月土石方调配图 注 ：水 泥 供 应 点 为 水 泥 ，混 凝 土 系 统 为 混 凝 土凝土浇筑 表 左岸导流洞的土石方转换系数 名 称名 称比 例土 料弃 土 料土 料 处 理导流洞进出口石方明挖料 石方明挖可用料 弃 石 料导 流 洞 进 出 口石 方 明 挖 转 换 号 、 号 、 号导流洞洞挖料 洞 挖 可 用 料 弃 石 料图 左岸导流洞土石方的单位施工成本 号 、 号 、 号 导流 洞 洞 挖 转 换 其 它 混 凝 土其他混凝土骨料组 混 凝 土 水 泥表 左岸导流洞土石方施工成本 其它混凝土生产 元从 图 中 可 以 看 出 ， 年 月工程施工以开挖为主 ，开 挖 可 用料运至中转场 ，弃料运往对应距离较近的弃 渣 场 。 年 月 “ 号 、 号 、 号 导 流 洞 混 凝 土 浇 筑 ”开 始 ， 混 凝 土 系 统 投 产 ，料 源 来 自 加 工 系 统 ，毛 料 来 自 中 转 场 。导 流 洞 的 开挖料可以直接利用 。 年 月 弃 渣 场 达到设计填渣高程 （见 图 ），开挖弃渣转向弃渣场 。根 据现场道路布置情况 （运 距 ）和配置的机械能耗定额 ，土石方的单位施工成本如图 所 示 ，统 计 数 据 如 表 所 示 。任 务 名 称土 石 方 成 本 号 、 号 、 号导流洞进口土方明挖 号 、 号 、 号导流洞混凝土浇筑 号 、 号 、 号导流洞出口土方明挖 号 、 号 、 号导流洞进口石方明挖 号 、 号 、 号导流洞出口石方明挖 号 、 号 、 号 导 流 洞 洞 挖 探 讨 与 交 流宋 凤 莲 等 水利水电工程施工土石方调配方法及其应用 ，（）： （）， ，（）：结 论本 文 通 过 对 水 利水电工程施工进度 、土 石 方 加 工 、存 储 与 处理系统和物料系统配置的系 统 分 析 ，构建其系统调配的 数 学 模 型 ，较好地解决了施工过程 中的土石方调配的初始条 件和边界条件处 理 工 作 ，实 现 小 时 段 、高精度的分析计算土 石 方 生 产 和 匹 配 ，以及在给定交通 道路条件下土石方施工成 本 和 料 场 （堆 场 ）储量等评价信息 ，为工程土石方平衡优化和 施工道路布置优化提供重要的参考 。参 考 文 献 （）： 曹 丽 华 ，王 泽 良 单纯形法用于港口工程土石方物流 物 流 科 技 ，（）：（ ， ，（）：（） 许 应 成 ，王 理 ，夏 国 平 ，等 土石方开挖数学模型和仿真系统的 设 计 与 研 究 计 算 机 工 程 与 应 用 ，（）：（ ， ， ， ，（）：（） ，；， ，（）： ， ， ， ，（）： 周 厚 贵 ，曹 生 荣 ，申 明 亮 土石方调配研 究 现 状 与 发 展 方 向 土 木 工 程 学 报 ，（）： （ ， ， ，（）：（） 舒 华 英 ，胡 志 根 ，刘 全 施 工 截 流运输系统的赋时 网 模 型及 其 仿 真 实 现 系 统 仿 真 学 报 ，（）：（ ， ，（）：（） ， ，（）： ，（）： 燕 乔 ，杨 占 宇 ，陈 炎 和 ，等 土石方开挖随机模 糊仿真技术研究 岩 土 力