基于土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控的面板堆石壩施工技術(shù)研究

黃初華

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550000)

0 引 言

隨著中國(guó)電力體制改革的不斷深入，尤其是售電業(yè)務(wù)范圍的逐漸拓寬，越來(lái)越多的電源點(diǎn)不斷并入電網(wǎng)，水電站作為清潔能源發(fā)電的代表，其施工、建設(shè)的質(zhì)量及安全性等方面一直都是業(yè)內(nèi)專家們所關(guān)注的重點(diǎn)。通過(guò)中國(guó)水利工程人員數(shù)十載的不懈努力，目前一大批具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水利工程項(xiàng)目得到廣泛的應(yīng)用。值得一提的是，中國(guó)的水利工程技術(shù)已經(jīng)走出國(guó)門，逐步向著國(guó)際頂尖的技術(shù)行列邁進(jìn)。面板堆石壩施工現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)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(shù)復(fù)雜，對(duì)施工的質(zhì)量和安全性要求較高。文章針對(duì)面板堆石壩在施工過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，提出了基于土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控的面板堆石壩施工策略，為土石方在運(yùn)輸、填筑等環(huán)節(jié)提供一套完整的、全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型，在提高施工效率的同時(shí)也可滿足工程的質(zhì)量及安全性等方面要求，是面板堆石壩施工技術(shù)的一次有益嘗試，應(yīng)用前景廣闊。

1 土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

土石方運(yùn)輸、填筑等調(diào)配過(guò)程是否合理直接關(guān)系到堆石壩施工的整體質(zhì)量，在大中型水電站的施工過(guò)程中，通常要開(kāi)挖大量的土石方，因此，建立高效、完善的土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為必要[1]。

1.1 系統(tǒng)需求分析

如何實(shí)現(xiàn)對(duì)土石方施工全過(guò)程的合理調(diào)配、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真并使系統(tǒng)功能達(dá)到最優(yōu)化，這是系統(tǒng)建模過(guò)程的首要任務(wù)，而最終目的是將研究成果推廣到具體的工程應(yīng)用中，這是模型搭建及后續(xù)研究中的難點(diǎn)問(wèn)題。目前常規(guī)的土石方監(jiān)控模型主要有線性規(guī)劃模型、多維度決策模型以及基于大系統(tǒng)理論架構(gòu)的模型等。

圖2 線性規(guī)劃模型

線性規(guī)劃模型以道路坡度作為決策變量，以土石方施工總費(fèi)用作為最小目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行線性規(guī)劃建模，如圖2所示。多維度決策模型將開(kāi)采費(fèi)用、施工風(fēng)險(xiǎn)以及質(zhì)量安全等幾方面因素與社會(huì)、環(huán)境以及生態(tài)影響等指標(biāo)相關(guān)聯(lián)。大系統(tǒng)架構(gòu)模型主要從土石方施工的宏觀層面來(lái)對(duì)整體施工進(jìn)度加以把握，但具體的時(shí)空約束性問(wèn)題是其模型本身性能難以全部發(fā)揮的瓶頸。為此，文章提出基于土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控的面板堆石壩施工策略，以良好地解決其施工過(guò)程中的時(shí)空約束性問(wèn)題[2]。

1.2 系統(tǒng)建模方案

系統(tǒng)建模的具體方案應(yīng)以解決土石方施工過(guò)程中的時(shí)空約束性問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，將土石方在施工全過(guò)程調(diào)配中的總費(fèi)用作為目標(biāo)約束函數(shù)，并綜合考慮此過(guò)程中各種定量及其他約束性條件，使全過(guò)程細(xì)分為若干個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算，具體過(guò)程如圖3所示，從而把具體的狀態(tài)變化關(guān)系與土石方中轉(zhuǎn)料場(chǎng)的均衡性完美融合，以實(shí)現(xiàn)時(shí)空傳遞條件的表達(dá)以及對(duì)土石方施工全過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，最終生成最優(yōu)調(diào)配方案[3]。

圖3 節(jié)點(diǎn)分析計(jì)算過(guò)程

但應(yīng)注意的問(wèn)題是，土石方施工動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型在搭建的過(guò)程中須以下面2個(gè)假設(shè)為前提：①土石方施工前期的準(zhǔn)備工作，監(jiān)控系統(tǒng)中開(kāi)挖及填筑進(jìn)度和所有用料的規(guī)劃，也就是土石方的所有施工過(guò)程必須在既定的工期內(nèi)完成；②所直接開(kāi)采的土石方在質(zhì)量方面要有特定的限制，滿足任何調(diào)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(yùn)至棄渣場(chǎng)。

1.3 算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程

所搭建的土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型包括以下幾部分內(nèi)容，即目標(biāo)函數(shù)、決策變量以及約束條件。其目標(biāo)函數(shù)為非線性方程，這是由于其所關(guān)聯(lián)的因素常隨現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境而改變所致，且約束條件通常使用不同的方程來(lái)表達(dá)，但目標(biāo)函數(shù)及約束條件與決策變量卻始終成線性關(guān)系，綜合考慮土石方施工動(dòng)態(tài)監(jiān)控全過(guò)程的所有可能因素，包括達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間及影響因子等，其動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型可表達(dá)如下：

(1)

式中：F為目標(biāo)函數(shù)；t為施工階段的編號(hào)；i,j分別為所開(kāi)挖的項(xiàng)目以及所填筑的項(xiàng)目，Cijt代表t時(shí)段所開(kāi)挖的項(xiàng)目，Xijt代表t之后的任意時(shí)刻所開(kāi)挖的項(xiàng)目。如果將土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控的制約因素轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃模型中特定的約束條件，則通常需要將開(kāi)挖、填筑等環(huán)節(jié)視作施工中的影響因素[4]。假設(shè)開(kāi)挖項(xiàng)目進(jìn)料約束的表達(dá)式為：

(2)

則填筑項(xiàng)目進(jìn)料約束關(guān)系可表達(dá)如下：

(3)

式中：Ait代表開(kāi)挖項(xiàng)目i在施工階段t內(nèi)的物料總方量，Ajt代表填筑項(xiàng)目j在施工階段t內(nèi)的物料總方量，假設(shè)Akt代表施工階段t的初始中轉(zhuǎn)場(chǎng)k的物料存量，Vkt代表施工階段t的初始中轉(zhuǎn)場(chǎng)k的物料存量極限值，則可得如下約束關(guān)系：

(4)

在土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)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(diào)配方量，利用VB 6.0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及微軟Access數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)搭建土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，所搭建的系統(tǒng)兼?zhèn)渫潦绞┕?shù)學(xué)規(guī)劃模型及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)配功能[5]。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

國(guó)華開(kāi)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(jí)水電站，以鋼混結(jié)構(gòu)的面板堆石壩為工程主體，共分為8部分建筑用料填筑區(qū)，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(dá)到800萬(wàn)m3，包括約70萬(wàn)m3的溢洪道三期開(kāi)挖的砂頁(yè)巖，以及50萬(wàn)m3的河床天然砂礫石，主堆石料約500萬(wàn)m3，過(guò)渡料大約50萬(wàn)m3，墊層料和蓋重料分別為20萬(wàn)m3和30萬(wàn)m3左右。

3.2 土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控結(jié)果分析

在此工程案例中，將土石方施工的基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及參數(shù)錄入到系統(tǒng)，利用人機(jī)交互模式來(lái)獲取各種約束限制下的工程全局優(yōu)化方案[6,7]。所獲取的動(dòng)態(tài)監(jiān)控結(jié)果主要包括所用物料的具體調(diào)配數(shù)據(jù)以及各重要施工路段的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以2016年7月份調(diào)配數(shù)據(jù)為例，分別給出了1-4個(gè)等級(jí)的調(diào)配順序，包括選取、開(kāi)挖、回采以及棄置等，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 物料調(diào)配數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)所搭建的土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型的試驗(yàn)，不難發(fā)現(xiàn)，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(jù)溢洪道物料優(yōu)先利用的原則，使其直接投入率達(dá)到了最大，而開(kāi)挖物料的需求量減至最小，即已經(jīng)通過(guò)土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型實(shí)現(xiàn)了物料最佳的調(diào)配方式[8-10]。如圖5所示。

圖5 物料最佳調(diào)配方式

4 結(jié) 論

文章以當(dāng)前面板堆石壩核心的施工技術(shù)為切入點(diǎn)，詳細(xì)分析了土石方在調(diào)配、填筑等施工中的細(xì)節(jié)問(wèn)題，針對(duì)具體的時(shí)空約束性瓶頸方面，文章提出了基于土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控的面板堆石壩施工模型，對(duì)具體工程的需求進(jìn)行了詳細(xì)分析，隨后搭建了系統(tǒng)監(jiān)控模型并實(shí)現(xiàn)了模型的核心算法。在最后的試驗(yàn)驗(yàn)證部分，以浙江國(guó)華開(kāi)潭水電站為例，將所搭建的土石方全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型成功應(yīng)用到該水電站的土石方調(diào)配系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)了土石方施工全過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、調(diào)配以及優(yōu)化。但文章對(duì)于壩后堆石棱體等物料組成部分的調(diào)配數(shù)據(jù)未作分析和探討，這部分內(nèi)容將在以后的工作中作進(jìn)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(jù)，尤其是在土石方施工全過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控與調(diào)配環(huán)節(jié)中應(yīng)用前景廣闊。

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