水利水電工程施工土石方調(diào)配方法及其應(yīng)用

趙風(fēng)海

（山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262500）

土石方工程是水利水電工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，有較大的工程量和施工難度。當(dāng)前水利水電工程中已經(jīng)十分廣泛地應(yīng)用土石方調(diào)配技術(shù)，該技術(shù)發(fā)揮的作用也越來越明顯。為了保證水利水電工程施工效果，需要相關(guān)工作者提高對土石方調(diào)配方法的重視，并加大調(diào)配方式的改進(jìn)創(chuàng)新，確保安全順利地完成水利水電施工活動，切實(shí)發(fā)揮工程的服務(wù)性作用。

1 水利水電土石方施工特點(diǎn)

1.1 土石方工程量和調(diào)配難度大

在整個水利水電工程中，土石方施工涉及到施工人員、材料和機(jī)械設(shè)備都較多，是工程中占比較大的部分，無論是消耗的資金還是時間都較多，需要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赝瓿赏潦秸{(diào)配才能保證高效順利地完成施工[1]。

1.2 土石方施工普遍存在

水利水電工程中普遍存在土石方施工，即便是小規(guī)模的水利水電項(xiàng)目也需要進(jìn)行土石方作業(yè)，可見，在新建項(xiàng)目當(dāng)中，土石方施工是必要的工作，其調(diào)配情況直接影響到水利水電工程能否順利地推進(jìn)。現(xiàn)代水利水電工程對土石方工程設(shè)計(jì)規(guī)劃、施工進(jìn)度和施工方法等多方面都有著嚴(yán)格的要求，采用科學(xué)的調(diào)配方法可以降低土石方施工產(chǎn)生的不良影響，避免破壞周邊的生態(tài)環(huán)境，影響周圍交通、經(jīng)濟(jì)等。

1.3 土石方工程和環(huán)境聯(lián)系密切

土石方工程施工不但受到周邊環(huán)境的影響，還會污染、破壞周邊的自然環(huán)境。傳統(tǒng)的土石方施工中產(chǎn)生的粉塵較多，對周邊地表形態(tài)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和周邊水質(zhì)條件都會產(chǎn)生不同程度的影響，同時還會產(chǎn)生較大的施工噪音。在生態(tài)環(huán)保施工理念下，很多企業(yè)已經(jīng)開始意識到土方施工的負(fù)面影響，并且按照相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)完善土石方調(diào)配方式，提高土石方施工環(huán)保性，推動水利水電工程建設(shè)和生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展[2]。

2 水利水電土石方調(diào)配原則

2.1 開挖填埋同步進(jìn)行

土石方施工中最為基礎(chǔ)的2項(xiàng)作業(yè)內(nèi)容就是開挖和填埋，通常同步完成土石方的開挖填埋工作，通過合理地調(diào)度可以將倒運(yùn)次數(shù)減少，將施工現(xiàn)場工作量減少，實(shí)現(xiàn)工作效率的提升，將施工總量減少，進(jìn)而達(dá)到項(xiàng)目成本控制的效果。

2.2 運(yùn)輸距離、土方作業(yè)量范圍控制

運(yùn)輸是土石方開挖填埋必然會涉及到的問題，在開展土石方開挖填埋方案編制時應(yīng)當(dāng)對多方面因素進(jìn)行綜合考慮分析，結(jié)合實(shí)際情況編制調(diào)配方案，做好開挖和填埋量的確定，將運(yùn)輸路線合理地規(guī)劃設(shè)計(jì)好，同時對運(yùn)輸距離、運(yùn)輸工具和運(yùn)輸方案進(jìn)行科學(xué)地測算和選擇，最終確保滿足施工現(xiàn)場土石方調(diào)配需求。

2.3 還原耕地

土石方施工會對周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，為保證經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，降低對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，在具體調(diào)配過程中應(yīng)盡量保持現(xiàn)有土地面積和質(zhì)量，合理調(diào)整施工方案，加大耕地保護(hù)力度。可以在專家指導(dǎo)下建設(shè)針對性的保護(hù)和修復(fù)措施，在盡量降低施工負(fù)面影響的同時，及時修復(fù)已經(jīng)受損的耕地[3]。

2.4 全局性原則

科學(xué)調(diào)配水利水電工程土石方工作，保證調(diào)配平衡，避免浪費(fèi)土石方材料，通過科學(xué)調(diào)配和合理應(yīng)用，提高資源利用率。

3 水利水電土石方調(diào)配常用方法

3.1 直接上壩法

該方法是當(dāng)前水利水電工程土石方調(diào)配最為常用的施工方法。工程項(xiàng)目建設(shè)中會出現(xiàn)較多的土石方，而工程施工對土石方的需求量也較大，此時可以直接將開挖出來的土石方運(yùn)輸?shù)叫枰氖┕さ攸c(diǎn)，不但可以節(jié)約運(yùn)輸時間成本，還可以節(jié)約原材料，將工程項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性提高。施工前技術(shù)人員應(yīng)充分分析開挖具體情況，避免盲目使用該方法，應(yīng)尊重實(shí)際需要。

3.2 中轉(zhuǎn)上壩法

水利水電施工現(xiàn)場空間有限，加上大量設(shè)備材料、人員活動，導(dǎo)致有時無法采用直接上壩法調(diào)配土石方，此時可以設(shè)置土石方調(diào)配中轉(zhuǎn)站的方式進(jìn)行處理。中轉(zhuǎn)站建設(shè)前技術(shù)人員可以綜合考慮施工便捷性、經(jīng)濟(jì)性，做好中轉(zhuǎn)場的地點(diǎn)、位置的合理規(guī)劃。

3.3 料場開采法

針對一些較大規(guī)模的水利水電項(xiàng)目，往往需要大量的土方進(jìn)行填筑作業(yè)，施工現(xiàn)場對土方需求量過大導(dǎo)致直接上壩法和中轉(zhuǎn)上壩法無法滿足實(shí)際需求，此時可以選擇料場開采法提高施工效率，確保土石方供應(yīng)量。比如在工程附近選擇石料廠將開采的速度加快，確保土石方可以滿足水利水電填筑需求，該方法也適用于料場開采不足的工程中[4]。

3.4 土石方中轉(zhuǎn)和棄渣

有的水利水電土石方施工完成后會有部分土方剩余，此時可以根據(jù)土方量采取報(bào)廢、轉(zhuǎn)讓等處理方式，如果依然存在部分運(yùn)輸能力，可以將剩余的土石方儲存在中轉(zhuǎn)站中。

4 水利水電工程中土石方調(diào)配過程

4.1 土石方計(jì)算

水利水電工程建設(shè)規(guī)模和數(shù)量隨著我國工業(yè)化水平提高、水資源和電力資源需求量的增大而增多。水利水電工程中，土石方類項(xiàng)目數(shù)量占據(jù)的比重較大，通過土石平衡有助于提高施工效率。所謂土方平衡就是利用“土石方平衡圖”將工程需要挖出的土方量精確地計(jì)算出來，同時明確填入低處土方的數(shù)量，繼而合理地完成土石方運(yùn)輸工作。土石方平衡技術(shù)影響著現(xiàn)場平面布置和土石方項(xiàng)目成本，對運(yùn)輸方案、征地、進(jìn)度計(jì)劃的編制都有著深遠(yuǎn)的影響。如果沒有細(xì)致精確地計(jì)算，那么可能增加工程造價，降低項(xiàng)目效益。因此，應(yīng)采用專門的方法計(jì)算土石方量[5]。

其一，方格網(wǎng)土石方計(jì)算方法。該方法是將施工現(xiàn)場按照固定的時間、間距劃分為多個區(qū)域，方格網(wǎng)點(diǎn)即為測定點(diǎn)，在測點(diǎn)測量周圍每個格網(wǎng)四角高程，然后利用如下公式計(jì)算四角高程平均值

式中：A1和A2為2個相鄰斷面挖方或者填方的面積；L為相鄰斷面間距。

其二，斷面法土石方計(jì)算。此方法主要是以一定距離平行地劃分施工場地，按照多個橫斷面精確地測量每個斷面的地面線，在此基礎(chǔ)上技術(shù)人員精確地計(jì)算每個斷面填挖體積。

其三，DTM法土石方計(jì)算。該方法為數(shù)字地面模型，用于表達(dá)地形起伏。在應(yīng)用該方法時，需要構(gòu)建三維坐標(biāo)圖，坐標(biāo)數(shù)據(jù)為地形表面的1組數(shù)據(jù)。計(jì)算公式如下

式中：V+為計(jì)算方量；Z1、Z2、Z3為三角形角點(diǎn)填挖高差；S3為三棱柱底面積。

4.2 土石方調(diào)配技術(shù)

土石方調(diào)配技術(shù)應(yīng)用中主要包括如下內(nèi)容。

第一，實(shí)際調(diào)制。在施工中對施工現(xiàn)場進(jìn)行靈活地指揮，主要用于協(xié)調(diào)進(jìn)度、勞動力和臨時施工等問題，保證土石方調(diào)配工作能夠有條不紊地完成。第二，現(xiàn)場施工中做好實(shí)際定額并且按照多勞多得的方式進(jìn)行施工。第三，機(jī)橋控制。工作人員加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的定期檢查維護(hù)，保證機(jī)械設(shè)備在盡心土石方調(diào)配過程中可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免出現(xiàn)機(jī)械故障對施工進(jìn)度和安全產(chǎn)生威脅。第四，做好施工進(jìn)度的合理調(diào)控，加強(qiáng)土石方調(diào)度工程量統(tǒng)計(jì)，由專業(yè)的統(tǒng)計(jì)人員檢查監(jiān)控土石方調(diào)配過程，如果發(fā)生延誤應(yīng)及時確定原因并且優(yōu)化調(diào)整。

4.3 土石方調(diào)配技術(shù)的應(yīng)用

為了充分發(fā)揮土石方調(diào)配技術(shù)，嚴(yán)格控制水利水電工程建設(shè)周期、成本和設(shè)備等因素，大多施工企業(yè)會選用土石壩施工方式。在信息科技不斷發(fā)展的背景下，BIM等先進(jìn)信息技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提升了土石方調(diào)配的科學(xué)性和合理性，可以模擬土石方調(diào)配過程，進(jìn)而降低實(shí)際施工中的沖突，有效解決施工方案中的不足[6]。

5 水利水電工程施工中土石方調(diào)配技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

某大型水利水電工程涉及到水庫、電站、大壩和供水等多個項(xiàng)目，大壩采用的是瀝青混凝土心墻砂礫石壩，該工程開挖總量為950 m3。為提高土石方調(diào)配科學(xué)性、項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)濟(jì)性，該工程采取如下方法進(jìn)行土石方調(diào)配和應(yīng)用。

5.1 編制土石方調(diào)配圖表

為了更加清晰地呈現(xiàn)出土石方調(diào)配過程，為后續(xù)開展管理工作提供支持，平衡土石方，可以編制土石方調(diào)配表。

第一，以大型水利水電項(xiàng)目建設(shè)實(shí)際情況為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)配區(qū)的科學(xué)劃分，在平面設(shè)計(jì)圖上將開挖區(qū)、填筑區(qū)清晰標(biāo)注，確定其邊界線，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌、施工條件做好調(diào)配區(qū)的合理劃分，確保便于開展施工作業(yè)，同時還要考慮土方機(jī)械作業(yè)的長度，確保調(diào)配區(qū)有足夠的空間供給機(jī)械作業(yè)。第二，計(jì)算土方量。按照平面圖劃分的調(diào)配區(qū)對每個區(qū)域土方量進(jìn)行精確地計(jì)算并且標(biāo)注清楚各個區(qū)域計(jì)算結(jié)果。第三，計(jì)算每個調(diào)配區(qū)之間的運(yùn)輸距離，確定平均距離后將挖圖方中心位置和填土方中心位置確定，標(biāo)注于調(diào)配圖上，用直尺將兩者之間的距離測定，根據(jù)平面圖比例換算土方平均運(yùn)輸距離。如果開挖區(qū)距離填筑區(qū)較遠(yuǎn)，可以結(jié)合實(shí)際情況計(jì)算運(yùn)土工具調(diào)配土石料的距離[7]。第四，土方調(diào)配。采用“表上作業(yè)法”將最佳土方調(diào)配方案確定，明確土方量、調(diào)配方向和運(yùn)輸距離等參數(shù)后標(biāo)注在場地土方地形圖上，羅列出土方量平衡表，正式開展土方調(diào)配。該工程土石方調(diào)配表見表1。

表1 土石方調(diào)配平衡表

5.2 構(gòu)建土石方動態(tài)管理模型

通過土石方調(diào)配模型的建立可以采用可視化方式詳細(xì)地呈現(xiàn)出土石方調(diào)配過程，動態(tài)管理并且平衡土石方調(diào)配工作。在土石方動態(tài)管理模型構(gòu)建中，應(yīng)對土石方調(diào)配系統(tǒng)構(gòu)成、調(diào)配關(guān)系進(jìn)行細(xì)致地分析，保證合理地銜接各個工序，提高施工效率，控制施工周期，將轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)量盡量減少，實(shí)現(xiàn)土方量運(yùn)輸路線的優(yōu)化，盡可能地將工程成本降低。在土石方動態(tài)管理模型構(gòu)建中可以積極借助地理信息系統(tǒng)，該技術(shù)主要基礎(chǔ)為地理空間數(shù)據(jù)庫，同時結(jié)合計(jì)算機(jī)及其軟件系統(tǒng)采集、分析和管理工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)，通過合理選擇分析方法實(shí)時呈現(xiàn)出空間和動態(tài)地理信息。

具體來講按照如下流程建立土石方平衡調(diào)配管理模型。第一，模擬施工現(xiàn)場。對于新建實(shí)力水電工程項(xiàng)目，可以利用三維模型呈現(xiàn)施工現(xiàn)場整體情況，借助不規(guī)則三角網(wǎng)模型和規(guī)則網(wǎng)格模型對施工現(xiàn)場地形地貌進(jìn)行模擬。有的水利水電工程處于山區(qū)、高原等地形起伏變化明顯的區(qū)域，針對這些區(qū)域在地表模型構(gòu)建中常常選擇的是不規(guī)則三角網(wǎng)模型，需要技術(shù)人員按照算法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算[8]。第二，構(gòu)建地物模型。地表、地面自然環(huán)境和人工因素都會對土石方調(diào)配作業(yè)過程產(chǎn)生影響，為此，應(yīng)根據(jù)地理空間特征對地理空間位置進(jìn)行充分考慮，將地理實(shí)體空間特點(diǎn)、分布特點(diǎn)等明確，將地理實(shí)體之間的關(guān)系明確，然后利用點(diǎn)、線、面等基本圖形元素表示空間對象，通過運(yùn)算轉(zhuǎn)換構(gòu)建地物模型。第三，模擬調(diào)配過程。在調(diào)配模擬時通常需要應(yīng)用到仿真技術(shù)和三維動畫技術(shù)，利用這些技術(shù)將土石方調(diào)配過程直觀地展現(xiàn)出來，然后利用計(jì)算程序優(yōu)化調(diào)配過程，得到最佳調(diào)配方案，在GIS數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入數(shù)據(jù)信息，處理導(dǎo)入數(shù)據(jù)后形成可視化的多條調(diào)配路徑。在該階段，可以利用三維動畫連續(xù)播放不同環(huán)節(jié)、不同時間段土石方調(diào)配過程，完整直觀地呈現(xiàn)出整個調(diào)配過程，并且清晰地展示土石方開挖量、時段和運(yùn)輸距離等參數(shù)，借助模型將土石方調(diào)配中存在的不足及時查找出來，技術(shù)人員經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化提高土石方調(diào)配的合理性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場管理效果的平衡。

5.3 工程合作

土石方調(diào)配涉及到開挖、填筑、料場開采、土石料中轉(zhuǎn)和棄渣處理等多方面的內(nèi)容，會受到多種因素影響，比如當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、機(jī)械系統(tǒng)和道路系統(tǒng)等。為保證土石方調(diào)配工作順利完成，需要充分協(xié)調(diào)各個因素，提高施工團(tuán)隊(duì)的合作能力。比如中轉(zhuǎn)、棄渣處理環(huán)節(jié)需要對土石料余量、開挖量進(jìn)行充分考慮，提前做好原有土石料的充分利用，將借土量減少，提高現(xiàn)有材料的利用率，并且在便于使用和外運(yùn)的位置堆放土方料，將中轉(zhuǎn)次數(shù)和中轉(zhuǎn)距離減少。

水利水電施工中產(chǎn)生的廢渣可以根據(jù)土石料特點(diǎn)確認(rèn)其應(yīng)用于填筑項(xiàng)目還是按照廢棄物處理，在通過預(yù)估后對廢渣長面積和容量進(jìn)行合理地規(guī)劃，并且統(tǒng)一堆放，為后期集中處理提供便捷。同時，新建大型水利水電項(xiàng)目調(diào)配土石方過程中需要借助的機(jī)械設(shè)備較多，其中包含大量的大型設(shè)備，為優(yōu)化管理土石方調(diào)配工作，可以從工程合作角度做好開挖料、填方料的計(jì)算，然后合理選擇設(shè)備型號、數(shù)量，確保可以按照施工進(jìn)度計(jì)劃完成工程施工，確保人員、物資等供給充足。同時，大量大型機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用會增加施工現(xiàn)場安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，管理者應(yīng)充分考慮施工現(xiàn)場的安全管理工作，做好各個環(huán)節(jié)施工工序的有效銜接，對統(tǒng)一作業(yè)面基礎(chǔ)承載能力加強(qiáng)考慮，合理調(diào)度機(jī)械設(shè)備，避免引發(fā)坍塌等事故[9]。

此外，現(xiàn)代工程項(xiàng)目建設(shè)要求盡可能地降低對環(huán)境產(chǎn)生的破壞，為此，大型水利水電工程土石方開挖和填筑過程中還要注意盡量避免破壞周圍的植被、土壤和水體等生態(tài)資源，綜合考慮周圍環(huán)境因素后合理調(diào)配土石方。具體來講，在現(xiàn)場生態(tài)環(huán)境管理中可以加強(qiáng)地理信息技術(shù)、景觀評價模型等方法的應(yīng)用，協(xié)調(diào)處理土石方調(diào)配和生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，在保證工程順利建設(shè)的同時加大環(huán)境保護(hù)力度，統(tǒng)一經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和環(huán)境目標(biāo)。

5.4 以填代儲

土石料的利用和轉(zhuǎn)運(yùn)是土石方調(diào)配的核心，是節(jié)約項(xiàng)目成本的重要環(huán)節(jié)。在平衡調(diào)配土石方過程中可以采用以填代儲的方式將土石料的利用率提升，以免浪費(fèi)材料。比如調(diào)配中采用計(jì)算表進(jìn)行縱向調(diào)配，技術(shù)人員先將取土場最佳位置確定，綜合考慮填缺、挖余的分布情況和運(yùn)輸成本等方面因素后，明確選擇調(diào)用還是借用的方式利用土石料。如果土石料開挖可以達(dá)到建設(shè)需求那么可以用現(xiàn)場土石料供給填筑作業(yè)，將土石料的存儲量減少。在考慮路線縱坡、自然條件、填缺和挖余情況后充分利用就近的土石料，將調(diào)運(yùn)數(shù)量、方向清楚地標(biāo)注在調(diào)配欄當(dāng)中。在縱向調(diào)配完成后如果依然存在填缺、挖余情況那么可以在借方或者棄方欄中備注土石料數(shù)量[10]。

6 結(jié)束語

水利水電工程建設(shè)中重要的環(huán)節(jié)之一就是土石方調(diào)配，土石方對整個項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度產(chǎn)生影響，為此，應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)土石方平衡調(diào)配方案，優(yōu)化調(diào)配過程管理力度，確保項(xiàng)目順利建設(shè)。