淺析施工項目土石方平衡調配及優化管理
——以岷江犍為航電樞紐廠房工程為例

孫永全，李永山

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，610066)

1 工程概況

岷江犍為航電樞紐工程位于四川省岷江干流下游河段，壩址位于樂山市犍為縣城上游約3km處，其下游約1.4km處為犍為縣岷江大橋。犍為航電樞紐總庫容為2.27億m3，總裝機容量為500MW，為河床式水電站，閘壩式擋水建筑物，Ⅲ級船閘(單級)通航1000t級船舶。

岷江犍為航電樞紐工程開發任務以航運為主，發電為主導，兼顧供水、灌溉，極為有效地促進了地方經濟社會發展。工程等級為Ⅱ等，工程規模為大(2)型。樞紐工程主要建筑物采用“一字型”布置形式，廠房和船閘分岸布置。從左至右分別布置有左岸接頭重力壩段(含魚道)、廠房壩段、右儲門槽壩段、泄洪沖砂閘壩段、船閘段、右岸接頭重力壩段，壩頂總長1094.55m，壩頂高程342.8m，最大壩高37.80m。

左岸發電廠房土石開挖包括發電廠房、重力壩、護坡、魚道等工程土石方明挖，土石方開挖總量約為455萬m3，其中石方為110萬m3。土石方開挖工程量大、工期較短、交叉作業多，施工強度較高，為高強度開挖，因此進行土石平衡規劃尤為迫切。

2 土石方平衡目的及原則

2.1 土石方平衡目的

土石方調配是指在工程施工過程中，為了形成具有特定空間屬性和物理屬性的建筑物，對自然狀態下的土方、石方所進行的開挖、填筑、中轉、棄渣、料場維護等環節組成的綜合系統。土石方平衡的主要目的是在兼顧環保、降低工程造價的基礎上[1]，結合發電廠房施工進度安排和選定的土石料場對施工區土石料開挖和土石方填筑情況，提出土石方填筑料物的開采和填筑在時間和空間上的平衡計劃，形成土石方平衡圖，以確保土石方填筑工程供料的可靠性和均衡性[2]。

根據土石方平衡計劃的成果對工程渣場進行使用時間和空間合理規劃[3]，達到有效規劃、管理、節約成本、高效運作的目的。

2.2 土石方平衡原則

在保證發電廠房開挖和附屬建筑物(魚道、圍堰、護坡等)填筑的前提下，盡量使開挖料物的進度與填筑進度相匹配，最大限度地提高開挖料的直接利用率。同時充分利用工程區域的地形條件，合理布置轉存料場、棄渣場和規劃各部位建筑物開挖料的轉存和棄料，實現中轉和棄渣運距最小，費用最低。因此，項目選擇發電廠房基坑開挖土石方經分解后直接用于魚道工程、護坡工程、圍堰工程的填筑，最大限度滿足開挖料與填筑料匹配直供。

3 土石方平衡調配方法

3.1 土石方平衡調配方法確定

(1)確定研究方法。目前，國內外針對土石平衡的研究有很多方法[4]，根據犍為航電發電廠房的工程特點及地理特征，分析各種研究方法在該項目區的優缺點，以高效實用為原則，達到方案優化結果既能服務于工程決策，又有較強的可操作性。基于此，本文采用GIS數字化地形構建與土石方三維平衡法進行仿真模擬。模型如圖1所示。

圖1 犍為航電樞紐仿真模型示意

(2)GIS數字化地形構建。全項目區間采用無人機航測機載激光雷達對岷江犍為航電樞紐工程進行三維地形勘測，面積約3km2。經數據處理得到1∶500比例尺的激光點云數據、分類激光點云數據(地面點、建筑物、電力線)、DOM、DEM、等高線。實現高精度GIS數字化地形的構建，保障實施精細化土石方開挖的信息化數字模擬。GIS數字化地形如圖2所示。

圖2 犍為航電樞紐GIS數字化地形示意

(3)運用excel軟件進行三維動態仿真計算，以達到實時指導土石平衡的目的。

(4)施工過程控制調節，結合本工程現場情況，通過對比設計階段的土石平衡計劃和實際施工中的土石方平衡情況，從施工過程中的多個變化方面分析對工程成本、進度的影響，及時糾偏，保證優質高效完成施工任務。

3.2 土石方平衡調配流程

3.2.1 前期準備

熟悉實施性施工組織設計、施工總進度計劃、建筑物填筑料種類、填筑質量要求、測量校核土石方開挖總量、土石方填筑總量、各部位土石方開挖與填筑量。分析各施工區域、各部位、各填筑料、各時間段開挖填筑工程量，如犍為航電樞紐分為發電廠房工程、魚道工程、左岸護坡工程、臨時主干道工程、圍堰工程、中轉料場、渣場等部位，并以表格形式清晰地表示出來，確定開挖料的轉換系數，如自然方量、壓實方量以及運輸過程中的各種損失(開挖方量損失、中轉損失、運輸損失)，同時確定料場空間位置、堆存容量、運距等參數。最終取值為土方1∶0.85，石方1∶1.31，混合料1∶0.94，塊石1∶1.43。

3.2.2 實施優化

結合前期準備的資料，根據犍為航電樞紐工程施工組織設計和總進度計劃，綜合考慮影響土石平衡的各個因素，運用三維平衡動態研究方法，合理安排調整施工時段，確定各開挖區開挖料去向，填筑區填筑料來源，并以減少二次轉運、縮短總運距，合理安排工期、節約成本為目的，對投標階段土石方平衡方案進行優化，指導實際施工。

3.2.3 實施過程優化調整

由于工程條件的復雜性，影響因素的多樣性和不確定性，工程施工過程中的道路布置、平面布置、施工時段、工程地質、設計圖紙等的變化，導致土石工程量、運距、施工時段、渣料要求等發生變化。鑒于此，根據實施性土石平衡方案的優化方法，建立GIS數字化地形與動態仿真模型，按照土石方施工過程中的相應變化，調整相應參數，運用計算機進行自動計算，以達到實時指導施工的目的。

3.3 土石方平衡優化及施工管理

3.3.1GIS數字化地形構建

借助無人機航測校核、激光掃描、專業地理信息模型，實現高精度GIS數字化地形構建，比對完善并矯正大量的傳統測繪數據信息，完整準確的施工現場信息數據模型的構建，有利于實時精細化土石方開挖與填筑及施工組織實施等信息數字化模擬。

3.3.2 三維建模

三維模型是物體的多邊形表示，顯示的物體為前期根據規劃設計虛構的構建筑物模型，通過儀器設備測量及AutoCAD軟件對對象特性及物理結構建模，能清晰形象地顯示整體土石方開挖量、運距、時段及渣料要求等特性指標。

3.3.3 施工過程管理

通過配置專職施工技術員對開挖回填料物進行實時統計，測量人員每周進行測量校核，確保開挖回填料物按照規劃方向進行流轉。

4 結語

結合犍為航電樞紐工程實際，既考慮了開挖、回填區的空間、時間分布，又考慮了實施過程中各種因素改變引起的土石平衡調整，以節約成本、施工程序合理為依托，針對土石方施工全過程進行土石調配，優化平衡方案，實現了土石方開挖量二次轉運量為零，具有很強的指導性、可操作性，既優質高效地完成了開挖回填任務，又為動態土石平衡提供研究思路及可操作性的依據，對今后其他同類工程的設計和施工提供寶貴的借鑒參考。