黃初華

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽 550000)

0 引 言

隨著中國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，越來越多的電源點不斷并入電網(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。通過中國水利工程人員數(shù)十載的不懈努力，目前一大批具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的水利工程項目得到廣泛的應(yīng)用。值得一提的是，中國的水利工程技術(shù)已經(jīng)走出國門，逐步向著國際頂尖的技術(shù)行列邁進。面板堆石壩施工現(xiàn)場圖見圖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，對施工的質(zhì)量和安全性要求較高。文章針對面板堆石壩在施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，提出了基于土石方全過程動態(tài)監(jiān)控的面板堆石壩施工策略，為土石方在運輸、填筑等環(huán)節(jié)提供一套完整的、全過程動態(tài)監(jiān)控模型，在提高施工效率的同時也可滿足工程的質(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 土石方全過程動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

土石方運輸、填筑等調(diào)配過程是否合理直接關(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程中，通常要開挖大量的土石方，因此，建立高效、完善的土石方全過程動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為必要[1]。

1.1 系統(tǒng)需求分析

如何實現(xiàn)對土石方施工全過程的合理調(diào)配、實時動態(tài)仿真并使系統(tǒng)功能達到最優(yōu)化，這是系統(tǒng)建模過程的首要任務(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)研究中的難點問題。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，以土石方施工總費用作為最小目標(biāo)函數(shù)進行線性規(guī)劃建模，如圖2所示。多維度決策模型將開采費用、施工風(fēng)險以及質(zhì)量安全等幾方面因素與社會、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對整體施工進度加以把握，但具體的時空約束性問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程動態(tài)監(jiān)控的面板堆石壩施工策略，以良好地解決其施工過程中的時空約束性問題[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程中的時空約束性問題為出發(fā)點，將土石方在施工全過程調(diào)配中的總費用作為目標(biāo)約束函數(shù)，并綜合考慮此過程中各種定量及其他約束性條件，使全過程細分為若干個節(jié)點進行分析和計算，具體過程如圖3所示，從而把具體的狀態(tài)變化關(guān)系與土石方中轉(zhuǎn)料場的均衡性完美融合，以實現(xiàn)時空傳遞條件的表達以及對土石方施工全過程的動態(tài)監(jiān)控，最終生成最優(yōu)調(diào)配方案[3]。

圖3 節(jié)點分析計算過程

但應(yīng)注意的問題是，土石方施工動態(tài)監(jiān)控模型在搭建的過程中須以下面2個假設(shè)為前提：①土石方施工前期的準(zhǔn)備工作，監(jiān)控系統(tǒng)中開挖及填筑進度和所有用料的規(guī)劃，也就是土石方的所有施工過程必須在既定的工期內(nèi)完成；②所直接開采的土石方在質(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，并將余下的物料運至棄渣場。

1.3 算法實現(xiàn)過程

所搭建的土石方全過程動態(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)場的環(huán)境而改變所致，且約束條件通常使用不同的方程來表達，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態(tài)監(jiān)控全過程的所有可能因素，包括達到動態(tài)平衡的時間及影響因子等，其動態(tài)監(jiān)控模型可表達如下：

(1)

式中：F為目標(biāo)函數(shù)；t為施工階段的編號；i,j分別為所開挖的項目以及所填筑的項目，Cijt代表t時段所開挖的項目，Xijt代表t之后的任意時刻所開挖的項目。如果將土石方全過程動態(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，則通常需要將開挖、填筑等環(huán)節(jié)視作施工中的影響因素[4]。假設(shè)開挖項目進料約束的表達式為：

(2)

則填筑項目進料約束關(guān)系可表達如下：

(3)

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

(4)

在土石方全過程動態(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作為開發(fā)平臺以及微軟Access數(shù)據(jù)庫來搭建土石方全過程動態(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)場動態(tài)調(diào)配功能[5]。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

國華開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

大壩總填筑量達到800萬m3，包括約70萬m3的溢洪道三期開挖的砂頁巖，以及50萬m3的河床天然砂礫石，主堆石料約500萬m3，過渡料大約50萬m3，墊層料和蓋重料分別為20萬m3和30萬m3左右。

3.2 土石方全過程動態(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)動態(tài)數(shù)據(jù)以及參數(shù)錄入到系統(tǒng)，利用人機交互模式來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)控數(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個等級的調(diào)配順序，包括選取、開挖、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)

通過對所搭建的土石方全過程動態(tài)監(jiān)控模型的試驗，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，使其直接投入率達到了最大，而開挖物料的需求量減至最小，即已經(jīng)通過土石方全過程動態(tài)監(jiān)控模型實現(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，詳細分析了土石方在調(diào)配、填筑等施工中的細節(jié)問題，針對具體的時空約束性瓶頸方面，文章提出了基于土石方全過程動態(tài)監(jiān)控的面板堆石壩施工模型，對具體工程的需求進行了詳細分析，隨后搭建了系統(tǒng)監(jiān)控模型并實現(xiàn)了模型的核心算法。在最后的試驗驗證部分，以浙江國華開潭水電站為例，將所搭建的土石方全過程動態(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，并實現(xiàn)了土石方施工全過程的動態(tài)監(jiān)控、調(diào)配以及優(yōu)化。但文章對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程的動態(tài)監(jiān)控與調(diào)配環(huán)節(jié)中應(yīng)用前景廣闊。

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