水利水電工程施工場(chǎng)地設(shè)施布置方法研究

王成虎

(四川安和水利水電工程有限公司，四川 成都 610200)

我國(guó)的水能資源總量穩(wěn)居世界第一位，但是從目前的利用和開發(fā)上看，電量的開發(fā)率僅有10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，這在我國(guó)的前進(jìn)道路上還有很大發(fā)展空間。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)的水利水電進(jìn)入了一個(gè)迅速改進(jìn)的過程，“十五”計(jì)劃的規(guī)劃將中國(guó)變成一個(gè)水利水電的大國(guó)。清華教授張光斗也曾經(jīng)說過，在我國(guó)的水利水電方面缺少理論方向的研究。胡志根、肖煥熊等在砂石料場(chǎng)方面建立了系統(tǒng)規(guī)劃模型，并提出了合理的規(guī)劃方案，刑林濤等應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)提出了實(shí)時(shí)控制管理的方法[1- 10]。國(guó)內(nèi)在這個(gè)領(lǐng)域的研究相當(dāng)零散，還沒有找到適用的理論成果，因此，這方面的研究就顯得尤為重要。

1 水利水電施工設(shè)施場(chǎng)地布置基本理論

水利水電施工設(shè)施的場(chǎng)地布置需要不斷地反復(fù)修改，場(chǎng)地設(shè)施種類多、布置繁瑣，并且在設(shè)施的使用和施工技術(shù)方面又存在著一定的聯(lián)系。之前，我們的施工設(shè)施場(chǎng)地多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來布置，不能針對(duì)每一個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，不能反映施工設(shè)施的具體規(guī)律和聯(lián)系。因此，針對(duì)這些存在的問題，我們必須采用定量的施工方法來指導(dǎo)施工場(chǎng)地的布置。

1.1 基本理論

為了選取更加合理的施工場(chǎng)地設(shè)施布置，應(yīng)該根據(jù)定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的關(guān)系，以及邊界條件和施工設(shè)施的關(guān)系找出合理的方案，在進(jìn)行決策和評(píng)價(jià)時(shí)需要借助數(shù)學(xué)理論對(duì)施工設(shè)施和邊界條件的模糊狀態(tài)進(jìn)行分析。

在初步方案完成后，首先需要對(duì)初步方案進(jìn)行比選，針對(duì)這種不確定問題的分析通常使用的是模糊綜合評(píng)價(jià)法。在這些方法中，在指標(biāo)之間沒有明確的界限，在這里簡(jiǎn)單的介紹一種常用的評(píng)價(jià)方法：模糊決策優(yōu)選理論模型。

在該決策模型中，相對(duì)于優(yōu)、劣2個(gè)目標(biāo)的優(yōu)屬度和劣屬度的向量如下：

g=(1，1，…，1)T

(1)

b=(0,,0，…，0)T

(2)

權(quán)向量：

a=(a1，a2，…，am)T

(3)

隸屬度向量：

rj=(r1j，r2j，…rmj)T

(4)

優(yōu)、劣的廣義權(quán)距離為：

(5)

(6)

通過上述參數(shù)，計(jì)算得到的相對(duì)優(yōu)屬度為：

(7)

式中，a可取1或2。當(dāng)優(yōu)化準(zhǔn)則a取值為1時(shí)，采用的優(yōu)化準(zhǔn)則是最小一乘法，當(dāng)優(yōu)化準(zhǔn)則a取值為2時(shí)，采用的優(yōu)化準(zhǔn)則是最小二乘法。在優(yōu)化準(zhǔn)則選取時(shí)，可以根據(jù)具體的實(shí)際情況選取不同的組合。

1.2 施工設(shè)施點(diǎn)狀分布的定量計(jì)算方法

施工場(chǎng)地的施工設(shè)施呈點(diǎn)狀分布，為了系統(tǒng)地研究施工設(shè)施的分布，我們將施工設(shè)施簡(jiǎn)化成一個(gè)點(diǎn)。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的不同需求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的中心位置和離散程度進(jìn)行詳細(xì)的分析，并對(duì)他們進(jìn)行分別計(jì)算，來表達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的具體分布情況。

1.2.1 中心位置的測(cè)度

在現(xiàn)場(chǎng)控制中心位置時(shí)，大多數(shù)情況下通過直接的定位和傳統(tǒng)的習(xí)慣相互結(jié)合，這種方法得到的結(jié)果基本上是符合使用條件的。但是在遇到特殊情況時(shí)，這些中心點(diǎn)的確認(rèn)就不能做到精準(zhǔn)，例如：地形復(fù)雜、施工區(qū)域改變。當(dāng)遇到這種情況時(shí)，為了更加精準(zhǔn)的去測(cè)定那個(gè)中心位置，就需要我們進(jìn)行定量的分析。

(1)中項(xiàng)中心的計(jì)算。中項(xiàng)中心的計(jì)算是通過兩條相互垂直的水平線和豎直線的交叉點(diǎn)確定出來的，兩條相互垂直的線是將平面內(nèi)的點(diǎn)按照上下和左右等量的均分，如圖1所示。

圖1 點(diǎn)狀中項(xiàng)中心和平均中心分布圖

(2)平均中心計(jì)算。通過給定的任一坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，通過下面公式計(jì)算x、y的平均值。

(8)

(9)

在通常情況下，中項(xiàng)和平均中心的位置是不能完全吻合的，中項(xiàng)中心的確定比平均中心的確定更為容易，但是中項(xiàng)中心的精度沒有平均中心的精度高，平均中心能夠用于計(jì)算機(jī)的信息處理。

1.2.2 離散程度和集中程度的測(cè)度

(1)中項(xiàng)中心的確定是通過2根相互垂直的線確定的，將分布區(qū)域分為上下和左右兩側(cè)，在1/2中項(xiàng)中心分布的基礎(chǔ)上，然后在4個(gè)半片上做中項(xiàng)中心，分成4個(gè)較小的矩形，通過這些矩形判斷中項(xiàng)中心的離散程度，就是每個(gè)小矩形和大矩形的面積比，如圖2—3所示。

圖2 點(diǎn)狀中項(xiàng)離散分布圖

圖3 施工場(chǎng)地中項(xiàng)離散程度圖

(2)指點(diǎn)中心離散程度的測(cè)試。在通常情況下，指點(diǎn)中心離散程度的測(cè)試是通過頻率累計(jì)曲線進(jìn)行分析的，通過確定幾個(gè)中心來確定中心點(diǎn)并不一定是正確的，所以通過選定任意中心點(diǎn)來分析離散程度就顯得更為簡(jiǎn)便，如圖4所示。

圖4 點(diǎn)狀分布頻率統(tǒng)計(jì)圖

在水利水電施工場(chǎng)地布置方面最重要的就是選址分布位置的問題，因此對(duì)場(chǎng)地分布的測(cè)試能夠很好地解決施工設(shè)施布置的問題。

3 某水電站施工總布置方案比選

該水電站大壩為雙曲拱壩，壩頂長(zhǎng)約212m，最大壩高88m，壩頂高程297m，正常蓄水位293m；溢流壩段有溢流表孔3孔和泄洪深孔2孔；設(shè)有2條引水隧洞，洞徑8m，單洞引水流量161m3/s；左岸設(shè)有地下發(fā)電廠房，廠房長(zhǎng)108m，寬18m，高49m，裝2臺(tái)裝機(jī)容量為85MW水輪發(fā)電機(jī)組。

3.1 施工總布置規(guī)劃原則

施工總布置方案的原則必須遵循因地制宜、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)合理，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，并根據(jù)該水電站的具體情況列出以下布置原則。

(1)該施工場(chǎng)地位于山間地帶，耕地面積很少，交通相當(dāng)不方便，應(yīng)該合理規(guī)劃使用場(chǎng)地，并希望在布置場(chǎng)地時(shí)能夠填平溝壑，改善現(xiàn)場(chǎng)條件。

(2)該地區(qū)交通不便，在施工過程中盡量不占用其他道路，結(jié)合交通規(guī)劃，減少運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，避免二次倒運(yùn)，做到不影響周邊地域的交通。

(3)因地制宜，合理利用當(dāng)?shù)刭Y源，減少加工的臨時(shí)設(shè)施，降低工程經(jīng)費(fèi)。

(4)在進(jìn)行施工布置時(shí)，必須滿足當(dāng)?shù)卣撸⒎袭?dāng)?shù)氐某擎?zhèn)化規(guī)劃。

(5)沿河的施工場(chǎng)地還必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，達(dá)到防洪要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、施工條件和布置原則，針對(duì)施工場(chǎng)地的總體布置方案進(jìn)行了方案比選，以達(dá)到合理選擇施工總布置的方案。布置方案比選實(shí)施實(shí)施如圖5所示。

圖5 施工場(chǎng)地總體布置方案比選流程

3.2 施工總布置方案擬定

根據(jù)施工布置的要求可供選擇的施工布置場(chǎng)地有料場(chǎng)臺(tái)地、學(xué)校下游河灘地、河口臺(tái)地。針對(duì)以上3個(gè)位置，現(xiàn)列出以下3種方案。

方案一：將料場(chǎng)臺(tái)地作為施工主要布置場(chǎng)地。料場(chǎng)臺(tái)地地面高程為510～570m，呈條帶狀，可布置施工倉(cāng)庫、生活區(qū)和施工工廠；但是該位置沒有充足的水源，可將砂石和混凝土加工系統(tǒng)布置在高程為270～290m的位置，將廠區(qū)的油庫布置在交通比較便利的公路外側(cè)，將棄渣場(chǎng)分別布置在大橋上游的左右岸，共4個(gè)棄渣場(chǎng)。

方案二：將學(xué)校下游河灘作為施工主要布置場(chǎng)地。該位置高程為220～240m，可將砂石和混凝土加工廠布置在下游的河灘地，將倉(cāng)庫、生活區(qū)和施工工廠布置在學(xué)校和水文站之間，油庫仍然布置在公路的外側(cè)，將3個(gè)棄渣場(chǎng)分別布置在學(xué)校的下游臺(tái)地。

方案三：將河口臺(tái)地作為施工主要布置場(chǎng)地。河口臺(tái)地高程為221～245m，該地區(qū)呈條帶狀，將砂石和混凝土加工廠布置在大橋上游側(cè)，遠(yuǎn)離人群；將綜合加工廠、倉(cāng)庫和生活場(chǎng)地布置在學(xué)校下游地區(qū)，油庫布置在公路的外側(cè)，將4個(gè)棄渣場(chǎng)分別布置在上游左右岸和學(xué)校下游左右岸。

3.3 施工總布置方案比較

針對(duì)上述3個(gè)施工方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行以下幾個(gè)因素的方案比較。

(1)工程地質(zhì)條件。在3個(gè)位置布置輔助工廠和施工設(shè)施滿足工程地質(zhì)條件，不存在制約因素。

(2)主要工廠布置。方案一遠(yuǎn)離人群聚集區(qū)，場(chǎng)地布置和征地較為容易，但是該地區(qū)用水很不方便，砂石和混凝土加工廠會(huì)對(duì)附近的居民和學(xué)校帶來一定的影響；方案二能夠利用學(xué)校下游的淺水地區(qū)，后期還能擴(kuò)大耕地，砂石和混凝土加工廠會(huì)對(duì)居民區(qū)和學(xué)校造成噪音和粉塵污染相對(duì)較小；方案三在倉(cāng)庫和加工廠與方案一和方案二類似，砂石和混凝土布置地區(qū)也可增加后期的耕地面積，對(duì)居民和學(xué)校的影響在粉塵和噪聲方面能夠降到最低。

(3)場(chǎng)內(nèi)交通。方案一由于工廠位置的高程較高導(dǎo)致運(yùn)輸成本高；方案二在運(yùn)送施工用料的時(shí)候需要經(jīng)過城鎮(zhèn)，對(duì)居民和學(xué)校的影響較大；方案三與方案一和方案二相比較不需要經(jīng)過城鎮(zhèn)，雖然需要轉(zhuǎn)運(yùn)，但是沒有增加運(yùn)輸成本，且不會(huì)對(duì)居民和學(xué)校產(chǎn)生噪音和粉塵污染。綜上，方案三更加合理。

4 結(jié)論

水利水電施工場(chǎng)地相對(duì)比較復(fù)雜，影響因素很多，既有現(xiàn)場(chǎng)矛盾，又有人員因素的影響。在之前的研究中，經(jīng)驗(yàn)占到了很重要的地位，一直以來都沒有形成一個(gè)科學(xué)合理的布置方案，本文針對(duì)這些問題得出以下結(jié)論。

(1)在場(chǎng)地設(shè)施布置時(shí)，因?yàn)閮?nèi)容繁多、影響因素各種各樣，針對(duì)施工設(shè)施的布置，得到了場(chǎng)地設(shè)施布置時(shí)的具體步驟和程序。

(2)施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，為了使設(shè)施布置方案更加合理，研究出分層次、分單元系統(tǒng)的比選方案。

(3)由于場(chǎng)地的復(fù)雜性，很難形成直觀形象的布置方案，通過理論與評(píng)價(jià)的方法針對(duì)相對(duì)優(yōu)屬度的概念找到更加合理的布置方案。

(4)通過某水利水電工程的總布置比選，得到了該水利水電合理的總布置方案。