孫 晨 蘇 晨 陳 庠

(1.南京水科院勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210098；3.南京市江寧區(qū)水務(wù)局，江蘇 南京 211100)

1 引 言

平原水庫(kù)具有蓄水、灌溉、防洪和養(yǎng)殖等功能，同時(shí)也能防止平原地區(qū)的水土流失[1]。隨著江蘇沿海開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)，水資源短缺的現(xiàn)狀極大地制約了地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，平原水庫(kù)的建設(shè)對(duì)于江蘇沿海地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展具有非常重要的意義，沿海平原水庫(kù)的建設(shè)迫在眉睫[2-3]。水庫(kù)在興建過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量土方，如何對(duì)其進(jìn)行合理調(diào)度，最大程度減少外購(gòu)回填和外棄挖除土方及其運(yùn)輸成本是一項(xiàng)重要的課題。當(dāng)前有關(guān)水庫(kù)土方調(diào)度平衡方面的研究相對(duì)較少，其他類似工程土方調(diào)度平衡的研究包括BIM技術(shù)在大型場(chǎng)地平整工程量計(jì)算及土方調(diào)運(yùn)的研究、復(fù)雜地形下的土方平衡應(yīng)用研究——以廣西百色某學(xué)院項(xiàng)目為例、工程土石方計(jì)算及調(diào)度、基于線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型算法的土方調(diào)度、古黃河水利樞紐工程土方施工組織與平衡的探討、淮河干流疏浚工程超大型排泥場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-9]等。本文根據(jù)江蘇沿海地區(qū)庫(kù)區(qū)土質(zhì)特性、平原水庫(kù)建設(shè)特點(diǎn)，對(duì)水庫(kù)土方工程開(kāi)展分析研究，具體以鹽城市陳家港水庫(kù)為例，對(duì)其土方開(kāi)挖和回填進(jìn)行調(diào)度平衡分析研究，以達(dá)到縮短工期和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

2 土方調(diào)度模型

2.1 模型選擇

運(yùn)籌學(xué)提供了多種運(yùn)用數(shù)學(xué)模型解決實(shí)際問(wèn)題的數(shù)學(xué)算法，如運(yùn)用圖解法可以解決變量較少的線性規(guī)劃最大最小值問(wèn)題，表上作業(yè)法可以解決工程中產(chǎn)銷平衡問(wèn)題，動(dòng)態(tài)規(guī)劃可以解決資源分配問(wèn)題等[10]。若把每個(gè)網(wǎng)格土方量的調(diào)度看作一個(gè)數(shù)學(xué)變量，那么土方量的調(diào)度涉及的變量眾多，為解決多變量問(wèn)題并尋求最優(yōu)解，本文選用運(yùn)籌學(xué)中的單純形法建立土方工程的數(shù)學(xué)模型。單純形法與一般尋優(yōu)方法一樣，都是從某初始可行解X開(kāi)始，搜索與X相鄰的可行解，如果存在某個(gè)相鄰可行解X′優(yōu)于初始可行解X，則用X′替代X，重新探查直至找到某個(gè)局部最優(yōu)解X*，其目標(biāo)函數(shù)值不劣于所有臨近點(diǎn)為止。對(duì)于線性規(guī)劃而言，找到的局部最優(yōu)解X*即為全局最優(yōu)解[11]。

2.2 模型建立

某土方工程有w個(gè)挖方區(qū)域和t個(gè)填方區(qū)域，分別用i、j表示挖方區(qū)和填方區(qū)的編號(hào)，目標(biāo)函數(shù)Z的表達(dá)式如下：

(1)

約束條件為：

式中Lij——從第i個(gè)挖方區(qū)到第j個(gè)填方區(qū)的距離,m；

Eij——從第i個(gè)挖方區(qū)域調(diào)度到第j個(gè)填方區(qū)域的土方量,m2,Eij≥0，i=1,2，…，w；j=1,2，…，t。

3 土方調(diào)度平衡分析

3.1 陳家港水庫(kù)基本情況

陳家港水庫(kù)位于江蘇省鹽城市灌東經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，地處鹽城市響水縣東北部陳家港境內(nèi)沿海灘涂區(qū)灌東新材料產(chǎn)業(yè)園附近。水庫(kù)利用現(xiàn)有鹽塘，經(jīng)深挖筑堤興建，屬圍壩型沿海平原水庫(kù)。通過(guò)水庫(kù)對(duì)淡水資源進(jìn)行調(diào)蓄，使得洪水資源化，以豐補(bǔ)欠，為鹽城市沿海開(kāi)發(fā)提供工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活的用水保障。陳家港水庫(kù)由庫(kù)西、庫(kù)東兩個(gè)庫(kù)區(qū)組成，庫(kù)西區(qū)臨近灌東開(kāi)發(fā)區(qū)的工業(yè)園區(qū)及新型小城鎮(zhèn)，一方面與灌東開(kāi)發(fā)區(qū)旅游開(kāi)發(fā)結(jié)合緊密具有景觀功能，另一方面還兼顧工業(yè)園區(qū)排澇。庫(kù)西區(qū)主要特征參數(shù)如下：庫(kù)底高程-2.0m、死水位-0.5m、正常蓄水位3.5m，總庫(kù)容2768萬(wàn)m3，興利庫(kù)容2027萬(wàn)m3，死庫(kù)容741萬(wàn)m3，新建堤防等級(jí)為3級(jí)，堤頂高程5.5m，堤頂寬6m，大壩軸線長(zhǎng)度8.919km。

3.2 土方施工布置

開(kāi)挖區(qū)為陳家港水庫(kù)庫(kù)西區(qū)，棄土區(qū)為灌東新材料產(chǎn)業(yè)區(qū)，筑堤土堆場(chǎng)為壩軸線內(nèi)側(cè)30m至壩軸線外側(cè)15m，排泥場(chǎng)位于開(kāi)挖區(qū)西側(cè)，施工管理區(qū)位于開(kāi)挖區(qū)南側(cè)。施工總平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 施工總平面布置示意圖

3.3 土方平衡設(shè)計(jì)分析

土方平衡設(shè)計(jì)不僅要考慮各區(qū)土方“量”的調(diào)度平衡，同時(shí)還應(yīng)重視各區(qū)土方供給“質(zhì)”的平衡影響。綜合考慮水庫(kù)開(kāi)挖區(qū)域地下土質(zhì)分布情況，判斷適合回填的土方種類，結(jié)合本項(xiàng)目可利用的土方類型，確定土方平衡設(shè)計(jì)方案，以此確保土方調(diào)配在質(zhì)上的平衡，以保證土方量平衡的最終落地。本項(xiàng)目可利用土方類型為島嶼預(yù)留土方、筑堤土方以及施工管理區(qū)土方。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)，筑堤土方壩體填筑土方要求采用黏粒含量為10%～35%、塑性指數(shù)為7～20的黏性土。因此，開(kāi)挖區(qū)第②層粉質(zhì)黏土應(yīng)全部作為筑堤土方。島嶼土方預(yù)留土方為清淤工程完成后預(yù)留一定范圍的面積暫不開(kāi)挖；堤防清基棄土則作為施工管理區(qū)場(chǎng)地平整土方。

3.4 分區(qū)土方分析計(jì)算

3.4.1 開(kāi)挖區(qū)

工程開(kāi)挖區(qū)總面積503萬(wàn)m2，開(kāi)挖區(qū)共分為24個(gè)區(qū)，各開(kāi)挖區(qū)詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

表1 開(kāi)挖區(qū)土方計(jì)算

續(xù)表

3.4.2 排泥場(chǎng)

工程清淤量共387.31萬(wàn)m3，松散系數(shù)取1.2，排泥深度取2.2m，需排泥場(chǎng)面積約2.11km2。本次選取排泥場(chǎng)總面積約2.25km2，總庫(kù)容約481.09萬(wàn)m3，可以滿足清淤工程的需要，排泥場(chǎng)土方計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 排泥場(chǎng)土方計(jì)算

3.4.3 筑堤土堆場(chǎng)

水庫(kù)筑堤需土約119.35萬(wàn)m3，取自第②層粉質(zhì)黏土，為方便水庫(kù)堤防施工，筑堤土堆場(chǎng)布置在壩軸線兩側(cè)，總面積約43.8萬(wàn)m2，平均堆高約2.75m，筑堤土方計(jì)算見(jiàn)表1。

3.4.4 島嶼預(yù)留區(qū)

在水庫(kù)建成后，庫(kù)區(qū)內(nèi)將形成5座島嶼。在清淤工程完成后，島嶼及其周邊一定范圍內(nèi)作為島嶼土方預(yù)留區(qū)暫不開(kāi)挖，經(jīng)計(jì)算，島嶼土方預(yù)留區(qū)面積約0.972km2，預(yù)留土方181.64萬(wàn)m3，島嶼預(yù)留區(qū)土方計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 島嶼預(yù)留區(qū)土方計(jì)算

3.4.5 棄土區(qū)

棄土區(qū)總面積約1904.36萬(wàn)m2。棄土區(qū)現(xiàn)狀地面高程約2.3m，規(guī)劃地面高程約3m，本次棄土土方量約1474.6萬(wàn)m3，考慮道路、排水溝占用部分棄土區(qū)及松土堆高等因素，棄土區(qū)堆高在0.9～1m，棄土區(qū)填平壓實(shí)后大約比原地面高0.77m。根據(jù)棄土區(qū)現(xiàn)狀和規(guī)劃的道路、水系格局，將棄土區(qū)劃分為24個(gè)分區(qū)，棄土區(qū)土方計(jì)算見(jiàn)表4。

表4 棄土區(qū)土方計(jì)算

續(xù)表

3.4.6 施工管理區(qū)

施工管理區(qū)總面積約53萬(wàn)m2，其場(chǎng)地平整土方來(lái)自堤防清基棄土，總土方約18.82萬(wàn)m3。

3.5 土方調(diào)度平衡計(jì)算結(jié)果

工程開(kāi)挖總土方2000.08萬(wàn)m3(含清淤土方量387.31萬(wàn)m3)，其中庫(kù)區(qū)分區(qū)開(kāi)挖土方1981.26萬(wàn)m3，另外壩體清基土方18.82萬(wàn)m3。水庫(kù)開(kāi)挖土方中，淤泥利用水力沖挖在排泥場(chǎng)晾曬，第②層粉質(zhì)黏土的一部分用于壩體填筑，其他土方規(guī)劃運(yùn)至棄土區(qū)。

采用MATLAB軟件進(jìn)行模型函數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 土方調(diào)度平衡

續(xù)表

根據(jù)表5計(jì)算成果，壩體填筑需土方119.35萬(wàn)m3，所需土方來(lái)源于WF1、WF2、WF3、WF4、WF5、WF8、WF9、WF12、WF13、WF16、WF17、WF20、WF21、WF22、WF23、WF24開(kāi)挖的部分粉質(zhì)黏土。其余1880.73萬(wàn)m3全部運(yùn)排泥場(chǎng)、棄土區(qū)及施工管理區(qū)。其中排泥場(chǎng)儲(chǔ)存淤泥約387.31萬(wàn)m3，棄土區(qū)堆土約1474.6萬(wàn)m3，壩體清基土方用于平整施工管理區(qū)，約18.82萬(wàn)m3。

4 結(jié) 論

陳家港水庫(kù)土方涉及開(kāi)挖區(qū)、排泥場(chǎng)、筑堤土堆場(chǎng)、島嶼預(yù)留區(qū)、棄土區(qū)、施工管理區(qū)共六類區(qū)域，包括24個(gè)開(kāi)挖區(qū)、3個(gè)排泥場(chǎng)、1個(gè)筑堤土堆場(chǎng)、5個(gè)島嶼預(yù)留區(qū)、24個(gè)棄土區(qū)、1個(gè)施工管理區(qū)。在進(jìn)行各區(qū)土方“量”調(diào)度平衡的同時(shí)還應(yīng)重視各區(qū)土方供給“質(zhì)”的平衡以及接納要求，這是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)籌學(xué)問(wèn)題。本文利用單純形法建立數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化問(wèn)題，并采用MATLAB軟件進(jìn)行模型函數(shù)計(jì)算，這一方法可為解決類似新建水庫(kù)土方的調(diào)度平衡提供參考。