二期圍堰填筑料場的優(yōu)化

周厚貴

1、 概述

三峽工程二期圍堰是攔斷長江主河床、擔(dān)負(fù)保護(hù)大江基坑內(nèi)二期工程建筑物在干地條件下安全施工的擋水建筑物。上游圍堰設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅱ級(jí)臨時(shí)建筑物，下游圍堰為Ⅲ級(jí)臨時(shí)建筑物。上游橫向圍堰最大高度82.5m，形成蓄洪庫容20億m³，是二期工程施工期最關(guān)鍵的安全屏障。上下游圍堰頂高程分別為88.5m和81.5m，堰軸線長度分別為1439.6m和1075.9m，防滲墻最大深度分別為74m和68m。

二期圍堰堰體主要由風(fēng)化砂、石碴、石碴混合料、過渡料和塊石等材料填筑而成，大部分填料為水下拋填，最大水深60m，少部分堰體為陸上分層碾壓。為了在截流前減少施工水深，采用預(yù)平拋砂礫石及中小石墊底方式將河床深槽墊高至40m高程左右。圍堰防滲采用混凝土防滲墻下接帷幕灌漿，上接防滲土工膜方案。

二期圍堰主標(biāo)段主要工程量量為：土石方填筑量1032.1萬m³，其中左岸進(jìn)料回填約占78.3%，混凝土防滲面積8.35萬m²。控制性進(jìn)度要求大江截流后6個(gè)月內(nèi)填筑至度汛高程，堰體填筑最高月強(qiáng)度達(dá)265萬m³，防滲墻月最大成墻面積1.38萬m²。針對(duì)如此規(guī)模的圍堰工程和如此巨大的圍堰填筑工程量，要保證圍堰優(yōu)質(zhì)、按期地順利建成，顯然填筑料料場的規(guī)劃與優(yōu)化十分關(guān)鍵。故此，擬對(duì)該項(xiàng)專題加以介紹。

2、 料場及其特點(diǎn)

根據(jù)二期圍堰主標(biāo)段合同要求，上游圍堰填筑備料量673萬m³，下游圍堰填筑備料量490萬m³，合計(jì)備料量

1163萬m³。水下平拋墊底備料32萬m³。為了滿足二期圍堰備料總量的要求，共提供了17個(gè)料場(備料場)。其中，陸上料場(備料場)15個(gè)，它們分別是左岸11個(gè)，料場名稱為1～4號(hào)、7～12號(hào)料場和古樹嶺料場；右岸5個(gè)，料場名稱為5號(hào)料場、關(guān)門洞、一期圍堰和大沱路料場。水上料場共2個(gè)，分別是上游香溪河和下游云池料場。上述陸上各料場的備料工程總量可達(dá)1565萬m³，綜合備料系數(shù)為1.35。

上述各料場有以下主要特點(diǎn)：

(1)料場數(shù)量多且比較分散。整個(gè)二期圍堰料源來自17個(gè)料場，分布范圍廣，左右岸控制范圍3.5km，上下游控制范圍110km，料場距二期圍堰最遠(yuǎn)的達(dá)77km。

(2)料場存儲(chǔ)工程量大，開采品種多。所有料場存料總量1600萬m³。存料品種包括風(fēng)化砂、石碴混合料、石碴料、塊石、墊層料和砂、礫石料等，這些都需要分門別類布置存儲(chǔ)。

(3)由于存料的品種繁多，給料場的規(guī)劃和料源平衡帶來較大難度。在規(guī)劃中，必須考慮滿足填筑工期、符合用料程序、降低備料成本、方便上堰取料等綜合因素，使各料場供給二期圍堰的填料匹配達(dá)到最優(yōu)。

(4)左、右岸料場分布極不平衡，大部分集中在左岸。左岸儲(chǔ)料量為70.8%，右岸儲(chǔ)料量僅占29.2%，這就給二期圍堰兩岸雙向進(jìn)占帶來料源平衡上的困難。因此，右岸截流基地的108萬m³備料還需從左岸料場轉(zhuǎn)移過來。

(5)從料場復(fù)查結(jié)果看，雖然料源的數(shù)量和質(zhì)量可以滿足大江截流及二期圍堰填筑的需要，但有個(gè)別品種的料源仍存在數(shù)量或質(zhì)量方面的問題。如原開挖利用料堆存時(shí)未能嚴(yán)格按規(guī)劃料分類堆存，需要在填筑過程中邊查找邊取料；又如古樹嶺人工碎石系統(tǒng)料源緊張，使過渡料備料緊張，需要采取綜合措施解決。

3、 料場優(yōu)化方法

3.1 料場復(fù)查與料場規(guī)劃

料場復(fù)查即對(duì)設(shè)計(jì)文件所提供的各個(gè)料場逐一進(jìn)行核查，確認(rèn)料場的范圍大小，存料的數(shù)量和質(zhì)量等，全面弄清各料場的基本資料。在料場復(fù)查的基礎(chǔ)上再對(duì)每一個(gè)料場進(jìn)行規(guī)劃，主要內(nèi)容包括出入料場交通道路、取(堆)料高度、取(堆)料面積、取(堆)料分層、取(堆)料的程序與方法，料場排水設(shè)施，料場開采的設(shè)備安排，人員、設(shè)施及供水、供電配套等。

料場復(fù)查和料場規(guī)劃是進(jìn)行料場優(yōu)化的重要前提條件，通過料場復(fù)查和料場規(guī)劃，可全面掌握各個(gè)料場的自身情況，為進(jìn)行各料場間的綜合優(yōu)化和用料平衡提供基本資料。

3.2 線性規(guī)劃

下面以大江截流和二期上游圍堰的料源規(guī)劃為例采用線性規(guī)劃方法來進(jìn)行料場優(yōu)化。

為大江截流和二期上游圍堰工程所規(guī)劃的備料場主要有5個(gè)，分別位于永久船閘、上游引航道、劉家河下段、左岸上游截流基地和右岸截流基地，順序編號(hào)為l～5號(hào)備料場。設(shè)計(jì)儲(chǔ)量分別為150、30、301、41和108萬m³，共計(jì)691.9萬m³。根據(jù)大江截流和二期上游圍堰的施工實(shí)際，所需填筑用量為534.29萬m³。如考慮在進(jìn)占和填筑期間直接利用一些開挖碴料，則從5個(gè)備料場中的取料量僅為438.06萬m³。因此，5個(gè)料場的備料量有約58%的富裕，能夠滿足截流和二期上游圍堰填筑的需要。

在5個(gè)已有的備料場中究竟要分別選取多少量才是最優(yōu)?這是典型的線性規(guī)劃問題。對(duì)此，首先確定在保證質(zhì)量、進(jìn)度的前提下造價(jià)最低作為料場規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)(MinZ)，然后對(duì)各料場采、翻、挖、運(yùn)的實(shí)際條件逐一進(jìn)行綜合單價(jià)分析，計(jì)算出5個(gè)料場的綜合單價(jià)分別為a1～a5。最后，建立料場規(guī)劃的線性方程組為：

MinZ＝a₁X₁+a₂X₂+₃X₃+a₄X₄+a₅X₅

5

ΣX_i＝438.06

n-1

以及

X₁≤150 (2)

X₂≤30

X₃≤301

X₄≤41

X₅≤108

式中，Xi，為第i料場的取料數(shù)量，萬m³。

將各料場的綜合單價(jià)代入上式，進(jìn)行線性規(guī)劃求解，并在規(guī)劃求解的基礎(chǔ)上再進(jìn)行綜合平衡，最后得出在1～5號(hào)料場的取料數(shù)量分別為114.66、23、211.98、36.88和51.54萬m³。按照上述求解結(jié)果取料進(jìn)行大江截流和二期上游圍堰填筑，其成本最低。

同樣，可以求出二期下游圍堰的各料場的最優(yōu)取料數(shù)量，并使其成本最低。

3.3 用料平衡圖

用料平衡圖是進(jìn)行料場優(yōu)化的重要方法。其優(yōu)點(diǎn)是科學(xué)、直觀、簡潔、明了，能夠反映用料流向和用料平衡關(guān)系。

用料平衡圖包括以下幾個(gè)基本要素：

(1)源框，即提供料源供應(yīng)信息的圖框。在該圖框中，主要信息包括料場名稱、儲(chǔ)存料源的品種及儲(chǔ)量等。

(2)目標(biāo)框，即提供料源需求信息的圖框。在該圖框中所展示的信息有填筑部位名稱、所需填料的品種及用量等。

(3)箭線，用以表示物料流向。在箭線上(或下)標(biāo)注的信息有用料流動(dòng)的種類及流動(dòng)量、流動(dòng)距離及運(yùn)輸手段等。

用料平衡圖的構(gòu)造規(guī)則是：源框與目標(biāo)框均可以是多個(gè)，箭線必須從源框指向目標(biāo)框，某一種料的流動(dòng)量不得大于儲(chǔ)量。

在三峽工程大江截流及二期圍堰主標(biāo)段的施工規(guī)劃中，曾先后在投標(biāo)文件、施工組織設(shè)計(jì)文件以及施工實(shí)施中的修編文件中多次采用用料平衡圖方法進(jìn)行料場優(yōu)化。圖1給出了1997年8月修訂實(shí)施方案的用料平衡圖。

4、 結(jié)束語

三峽工程大江截流及二期圍堰填筑料場的優(yōu)化是該項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵之一。沒有充足的填筑料源，就不可能順利實(shí)現(xiàn)大江截流及二期圍堰填筑，沒有填筑料場的優(yōu)化，就不可能實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目優(yōu)質(zhì)、高速、低耗、安全的目標(biāo)。

在三峽工程大江截流及二期圍堰的填筑施工中廣泛采用了本文中所介紹的料場規(guī)劃、線性規(guī)劃、用料平衡圖等料場優(yōu)化方法，通過加大緊缺料源的備料力度，加大對(duì)非平衡料源的調(diào)配力度，保障了填筑料源的供應(yīng)充足，確保了二期圍堰于1998年6月1日全線封閉和大江基坑于9月11日抽干見底。