淺析南水北調中線總干渠渠道土石方的調配

【摘 要】南水北調中線總干渠渠道工程的土石方開挖、填筑工程量很大，土石方調配平衡問題處理得合理與否，對整個工程的占地、投資等方面有較大影響。為減少工程投資和施工占地，根據總干渠渠道工程的長跨度特點，提出相應的土石方調配平衡規劃的設計原則，利用線性規劃技術研究了總干渠土石方調配平衡的問題，通過建立數學模型并求解，得到合理、優化的土石方調配平衡結果，為南水北調中線總干渠渠道施工組織設計提供了可靠依據。

【關鍵詞】土石方調配原則；線性規劃；南水北調中線一期工程

1.調配平衡原則

對于南水北調總干渠此類大跨度工程，由于線路過長，施工場地多，沿線的施工條件（自然、社會）多變，渠道上還有眾多跨河流的交叉建筑物，使總干渠土石方調配的邊界條件過多，難以建立一個對于整個工程都適用的數學模型。因此，考慮將平衡目標分解成多個小目標后分別進行規劃設計。

初步考慮對總干渠整個線路分段規劃，分解調配平衡的范圍，使調配的原則能在小范圍內相對統一和簡化，然后在分段規劃的基礎上逐段進行土石方調配平衡。這樣分段調配優化，也更能便于后期的分標施工及現場管理服務。因此，對總干渠調配平衡需考慮分段、調土，取土和棄渣等方面的平衡原則。

1.1分段原則

施工分段盡量按照施工分標的原則考慮。南水北調總干渠沿線各段施工內容大致相同，主要包括土石方開挖、渠堤填筑、邊坡及渠底防護等，因此，在施工分段規劃時，可不必像水電站項目那樣以工作內容、部位和進度為標準來劃分施工標段，而是主要根據總干渠現有條件、行政區域、河流分界，分成若干個施工分段進行調配。這樣劃分單元既符合將來的施工分標，也能夠與施工時當地相關部門管理的區域性相適應，有利于施工過程中管理協調工作的順利進行。

在劃分的單元中，再根據地形地質條件和設計的挖填分布及相應工程量的不同，將分段單元再劃分為若干個長度為100m至2km不等的小單元，并按照樁號順序排列。設計過程中，就以這類小單元為研究對象，進行調配平衡規劃。

此外，在劃分總干渠的研究對象時不宜考慮沿線跨越車流較大的公路、鐵路，以免增加調運的復雜性。

由于施工時間的限制，渠道中交叉建筑物先于總干渠施工，且其土石方工程量相對于渠道而言小得多，故交叉建筑物的土石方調配問題單獨分項考慮，不和干渠的土方調配問題一起考慮。

1.2調、取土原則

由于填筑土料的單價是整個工程投資的關鍵所在，近距離調運和利用土方直接上堤利用，是減少填筑土方單價的最有效措施。

（1）盡量利用滿足填筑質量要求的開挖料作為利用方。

（2）優先利用就近開挖的可利用土方進行填筑；當不能滿足填筑量需求時，則考慮調用鄰近剩余的可利用土方；仍然不足的部分，則考慮沿渠道附近選擇合格土料場取土。

（3）調配過程中，盡量調運可利用土方直接上堤填筑，減少二次轉運調配，二次轉運的利用料盡量考慮利用工程永久占地或附近棄渣場臨時堆放，不增加臨時占地，確實不足時再考慮增加臨時堆場占地。

由于總干渠有較長渠段位于膨脹土區域，填筑過程中，為保證渠道邊坡的穩定安全，局部部位采用非膨脹土換填。為減少投資，盡量利用無膨脹性土料換填，缺少無膨脹性土料或者無膨脹土運距過遠時（經過經濟比較暫定為不超過18～25km），則利用弱膨脹性土料改性后進行填筑。膨脹土區域土的調配優先于其他部位的土方調配。

1.3棄渣原則

棄渣的主要原則是盡量少占農田。棄渣時需根據土方和石方兩種不同的料質特性區別堆棄與調配。

（1）土方開挖棄料，首先考慮就近在取土料場回填棄土料場回填棄土，這樣既減少了因棄土堆放而增加的占地費用以及對周圍環境的影響，又有利于恢復取土所破壞的耕地。

（2）對于剩余土方渣料，應盡量結合施工區附近的地形、地貌條件，棄于附近的高崗間凹地、溝谷、荒丘、低洼等地集中堆放，填坑補洼，改造農田。

（3）對石渣棄料需棄至集中棄渣場，如與土方棄料混棄時，應考慮將石方料堆在底部，上覆土方。

（4）棄土回填土料場時，為節約臨時堆存占地，考慮結合料場分區開采順序，在料場開采范圍臨時堆存，堆高不超過5m。

（5）根據地形條件，土方棄料堆高盡量不超過3m，棄土后可復墾還耕，列為臨時征地；如因地形地勢，棄渣容量和堆棄石渣等情況的限制，可增加堆高至8m，列為永久征地。

2.調配數學建模求解

渠道工程的料物調配以土方為主，調配工作實質上是針對滿足填筑質量的開挖土料和填筑土料兩部分之間轉換過程的規劃。根據研究對象的挖填情況，分為挖填方區、挖棄方區與借填方區3個部分作為目標函數。

挖填方區。挖填方區的土料是指在渠道內開挖后直接上渠堤填筑，其費用只包括運輸費用（開挖、填筑費用是必須發生的，在優化模型中可不予考慮），為調配數量與運距及運輸單價的乘積。

挖棄方區。開挖后的土料直接運至規定地點堆棄，其費用為調配數量與運距及運輸單價的乘積，此外還應包括無聊堆存占用棄渣場的費用。

借填方區。指從相鄰對象借土或從料場采料填筑，對從相鄰對象借土而言，其費用為調配數量與運距、運輸單價的乘積，后者則需要加上土料開采的單價。

根據前述的調配原則，有如下目標函數的約束條件。①挖方：挖方總量=直接填方量+調出填方量+棄渣量；②填方：填方總量=直接填方量+借填方量；③棄渣：各點棄渣量總和不大于該棄渣點棄渣容量；④借方：各點借方總量不大于本借點（開挖點或料場）可提供的土方總量。

3.結語

南水北調中線一期工程線路長、規模大、施工順序有先有后、施工單位眾多，是一項復雜的系統工程。其土石方調配涉及物料種類及邊界條件繁多，調配過程復雜。采用分標段、按行政區劃分的前提條件進行調配，其結果使減少征地、增加調配用量和直接上堤填方、縮短運距等方面得到合理優化。同時，在具體實施過程中，土方調配方案需與地方行政管理協調一致，根據地方規劃和需要，結合當地的城建情況調整土石方平衡規劃，合理地調配土料，盡可能提高工程建設的經濟性，減少對生態環境的影響。