陳家港水庫土方調度平衡分析研究

孫 晨 蘇 晨 陳 庠

(1.南京水科院勘測設計有限公司，江蘇 南京 210098；2.河海大學設計研究院有限公司，江蘇 南京 210098；3.南京市江寧區水務局，江蘇 南京 211100)

1 引 言

平原水庫具有蓄水、灌溉、防洪和養殖等功能，同時也能防止平原地區的水土流失[1]。隨著江蘇沿海開發戰略的推進，水資源短缺的現狀極大地制約了地方經濟發展，平原水庫的建設對于江蘇沿海地區高質量發展具有非常重要的意義，沿海平原水庫的建設迫在眉睫[2-3]。水庫在興建過程中不可避免地會產生大量土方，如何對其進行合理調度，最大程度減少外購回填和外棄挖除土方及其運輸成本是一項重要的課題。當前有關水庫土方調度平衡方面的研究相對較少，其他類似工程土方調度平衡的研究包括BIM技術在大型場地平整工程量計算及土方調運的研究、復雜地形下的土方平衡應用研究——以廣西百色某學院項目為例、工程土石方計算及調度、基于線性規劃數學模型算法的土方調度、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優化設計[4-9]等。本文根據江蘇沿海地區庫區土質特性、平原水庫建設特點，對水庫土方工程開展分析研究，具體以鹽城市陳家港水庫為例，對其土方開挖和回填進行調度平衡分析研究，以達到縮短工期和提高經濟效益的目的。

2 土方調度模型

2.1 模型選擇

運籌學提供了多種運用數學模型解決實際問題的數學算法，如運用圖解法可以解決變量較少的線性規劃最大最小值問題，表上作業法可以解決工程中產銷平衡問題，動態規劃可以解決資源分配問題等[10]。若把每個網格土方量的調度看作一個數學變量，那么土方量的調度涉及的變量眾多，為解決多變量問題并尋求最優解，本文選用運籌學中的單純形法建立土方工程的數學模型。單純形法與一般尋優方法一樣，都是從某初始可行解X開始，搜索與X相鄰的可行解，如果存在某個相鄰可行解X′優于初始可行解X，則用X′替代X，重新探查直至找到某個局部最優解X*，其目標函數值不劣于所有臨近點為止。對于線性規劃而言，找到的局部最優解X*即為全局最優解[11]。

2.2 模型建立

某土方工程有w個挖方區域和t個填方區域，分別用i、j表示挖方區和填方區的編號，目標函數Z的表達式如下：

(1)

約束條件為：

式中Lij——從第i個挖方區到第j個填方區的距離,m；

Eij——從第i個挖方區域調度到第j個填方區域的土方量,m2,Eij≥0，i=1,2，…，w；j=1,2，…，t。

3 土方調度平衡分析

3.1 陳家港水庫基本情況

陳家港水庫位于江蘇省鹽城市灌東經濟開發區，地處鹽城市響水縣東北部陳家港境內沿海灘涂區灌東新材料產業園附近。水庫利用現有鹽塘，經深挖筑堤興建，屬圍壩型沿海平原水庫。通過水庫對淡水資源進行調蓄，使得洪水資源化，以豐補欠，為鹽城市沿海開發提供工農業生產、居民生活的用水保障。陳家港水庫由庫西、庫東兩個庫區組成，庫西區臨近灌東開發區的工業園區及新型小城鎮，一方面與灌東開發區旅游開發結合緊密具有景觀功能，另一方面還兼顧工業園區排澇。庫西區主要特征參數如下：庫底高程-2.0m、死水位-0.5m、正常蓄水位3.5m，總庫容2768萬m3，興利庫容2027萬m3，死庫容741萬m3，新建堤防等級為3級，堤頂高程5.5m，堤頂寬6m，大壩軸線長度8.919km。

3.2 土方施工布置

開挖區為陳家港水庫庫西區，棄土區為灌東新材料產業區，筑堤土堆場為壩軸線內側30m至壩軸線外側15m，排泥場位于開挖區西側，施工管理區位于開挖區南側。施工總平面布置見圖1。

圖1 施工總平面布置示意圖

3.3 土方平衡設計分析

土方平衡設計不僅要考慮各區土方“量”的調度平衡，同時還應重視各區土方供給“質”的平衡影響。綜合考慮水庫開挖區域地下土質分布情況，判斷適合回填的土方種類，結合本項目可利用的土方類型，確定土方平衡設計方案，以此確保土方調配在質上的平衡，以保證土方量平衡的最終落地。本項目可利用土方類型為島嶼預留土方、筑堤土方以及施工管理區土方。根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)，筑堤土方壩體填筑土方要求采用黏粒含量為10%～35%、塑性指數為7～20的黏性土。因此，開挖區第②層粉質黏土應全部作為筑堤土方。島嶼土方預留土方為清淤工程完成后預留一定范圍的面積暫不開挖；堤防清基棄土則作為施工管理區場地平整土方。

3.4 分區土方分析計算

3.4.1 開挖區

工程開挖區總面積503萬m2，開挖區共分為24個區，各開挖區詳細情況見表1。

表1 開挖區土方計算

續表

3.4.2 排泥場

工程清淤量共387.31萬m3，松散系數取1.2，排泥深度取2.2m，需排泥場面積約2.11km2。本次選取排泥場總面積約2.25km2，總庫容約481.09萬m3，可以滿足清淤工程的需要，排泥場土方計算見表2。

表2 排泥場土方計算

3.4.3 筑堤土堆場

水庫筑堤需土約119.35萬m3，取自第②層粉質黏土，為方便水庫堤防施工，筑堤土堆場布置在壩軸線兩側，總面積約43.8萬m2，平均堆高約2.75m，筑堤土方計算見表1。

3.4.4 島嶼預留區

在水庫建成后，庫區內將形成5座島嶼。在清淤工程完成后，島嶼及其周邊一定范圍內作為島嶼土方預留區暫不開挖，經計算，島嶼土方預留區面積約0.972km2，預留土方181.64萬m3，島嶼預留區土方計算見表3。

表3 島嶼預留區土方計算

3.4.5 棄土區

棄土區總面積約1904.36萬m2。棄土區現狀地面高程約2.3m，規劃地面高程約3m，本次棄土土方量約1474.6萬m3，考慮道路、排水溝占用部分棄土區及松土堆高等因素，棄土區堆高在0.9～1m，棄土區填平壓實后大約比原地面高0.77m。根據棄土區現狀和規劃的道路、水系格局，將棄土區劃分為24個分區，棄土區土方計算見表4。

表4 棄土區土方計算

續表

3.4.6 施工管理區

施工管理區總面積約53萬m2，其場地平整土方來自堤防清基棄土，總土方約18.82萬m3。

3.5 土方調度平衡計算結果

工程開挖總土方2000.08萬m3(含清淤土方量387.31萬m3)，其中庫區分區開挖土方1981.26萬m3，另外壩體清基土方18.82萬m3。水庫開挖土方中，淤泥利用水力沖挖在排泥場晾曬，第②層粉質黏土的一部分用于壩體填筑，其他土方規劃運至棄土區。

采用MATLAB軟件進行模型函數計算，計算結果見表5。

表5 土方調度平衡

續表

根據表5計算成果，壩體填筑需土方119.35萬m3，所需土方來源于WF1、WF2、WF3、WF4、WF5、WF8、WF9、WF12、WF13、WF16、WF17、WF20、WF21、WF22、WF23、WF24開挖的部分粉質黏土。其余1880.73萬m3全部運排泥場、棄土區及施工管理區。其中排泥場儲存淤泥約387.31萬m3，棄土區堆土約1474.6萬m3，壩體清基土方用于平整施工管理區，約18.82萬m3。

4 結 論

陳家港水庫土方涉及開挖區、排泥場、筑堤土堆場、島嶼預留區、棄土區、施工管理區共六類區域，包括24個開挖區、3個排泥場、1個筑堤土堆場、5個島嶼預留區、24個棄土區、1個施工管理區。在進行各區土方“量”調度平衡的同時還應重視各區土方供給“質”的平衡以及接納要求，這是一個復雜的運籌學問題。本文利用單純形法建立數學模型簡化問題，并采用MATLAB軟件進行模型函數計算，這一方法可為解決類似新建水庫土方的調度平衡提供參考。