浅析施工项目土石方平衡调配及优化管理——以岷江犍为航电枢纽厂房工程为例

孙永全，李永山

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，成都，610066)

1 工程概况

岷江犍为航电枢纽工程位于四川省岷江干流下游河段，坝址位于乐山市犍为县城上游约3km处，其下游约1.4km处为犍为县岷江大桥。犍为航电枢纽总库容为2.27亿m3，总装机容量为500MW，为河床式水电站，闸坝式挡水建筑物，Ⅲ级船闸(单级)通航1000t级船舶。

岷江犍为航电枢纽工程开发任务以航运为主，发电为主导，兼顾供水、灌溉，极为有效地促进了地方经济社会发展。工程等级为Ⅱ等，工程规模为大(2)型。枢纽工程主要建筑物采用“一字型”布置形式，厂房和船闸分岸布置。从左至右分别布置有左岸接头重力坝段(含鱼道)、厂房坝段、右储门槽坝段、泄洪冲砂闸坝段、船闸段、右岸接头重力坝段，坝顶总长1094.55m，坝顶高程342.8m，最大坝高37.80m。

左岸发电厂房土石开挖包括发电厂房、重力坝、护坡、鱼道等工程土石方明挖，土石方开挖总量约为455万m3，其中石方为110万m3。土石方开挖工程量大、工期较短、交叉作业多，施工强度较高，为高强度开挖，因此进行土石平衡规划尤为迫切。

2 土石方平衡目的及原则

2.1 土石方平衡目的

土石方调配是指在工程施工过程中，为了形成具有特定空间属性和物理属性的建筑物，对自然状态下的土方、石方所进行的开挖、填筑、中转、弃渣、料场维护等环节组成的综合系统。土石方平衡的主要目的是在兼顾环保、降低工程造价的基础上[1]，结合发电厂房施工进度安排和选定的土石料场对施工区土石料开挖和土石方填筑情况，提出土石方填筑料物的开采和填筑在时间和空间上的平衡计划，形成土石方平衡图，以确保土石方填筑工程供料的可靠性和均衡性[2]。

根据土石方平衡计划的成果对工程渣场进行使用时间和空间合理规划[3]，达到有效规划、管理、节约成本、高效运作的目的。

2.2 土石方平衡原则

在保证发电厂房开挖和附属建筑物(鱼道、围堰、护坡等)填筑的前提下，尽量使开挖料物的进度与填筑进度相匹配，最大限度地提高开挖料的直接利用率。同时充分利用工程区域的地形条件，合理布置转存料场、弃渣场和规划各部位建筑物开挖料的转存和弃料，实现中转和弃渣运距最小，费用最低。因此，项目选择发电厂房基坑开挖土石方经分解后直接用于鱼道工程、护坡工程、围堰工程的填筑，最大限度满足开挖料与填筑料匹配直供。

3 土石方平衡调配方法

3.1 土石方平衡调配方法确定

(1)确定研究方法。目前，国内外针对土石平衡的研究有很多方法[4]，根据犍为航电发电厂房的工程特点及地理特征，分析各种研究方法在该项目区的优缺点，以高效实用为原则，达到方案优化结果既能服务于工程决策，又有较强的可操作性。基于此，本文采用GIS数字化地形构建与土石方三维平衡法进行仿真模拟。模型如图1所示。

图1 犍为航电枢纽仿真模型示意

(2)GIS数字化地形构建。全项目区间采用无人机航测机载激光雷达对岷江犍为航电枢纽工程进行三维地形勘测，面积约3km2。经数据处理得到1∶500比例尺的激光点云数据、分类激光点云数据(地面点、建筑物、电力线)、DOM、DEM、等高线。实现高精度GIS数字化地形的构建，保障实施精细化土石方开挖的信息化数字模拟。GIS数字化地形如图2所示。

图2 犍为航电枢纽GIS数字化地形示意

(3)运用excel软件进行三维动态仿真计算，以达到实时指导土石平衡的目的。

(4)施工过程控制调节，结合本工程现场情况，通过对比设计阶段的土石平衡计划和实际施工中的土石方平衡情况，从施工过程中的多个变化方面分析对工程成本、进度的影响，及时纠偏，保证优质高效完成施工任务。

3.2 土石方平衡调配流程

3.2.1 前期准备

熟悉实施性施工组织设计、施工总进度计划、建筑物填筑料种类、填筑质量要求、测量校核土石方开挖总量、土石方填筑总量、各部位土石方开挖与填筑量。分析各施工区域、各部位、各填筑料、各时间段开挖填筑工程量，如犍为航电枢纽分为发电厂房工程、鱼道工程、左岸护坡工程、临时主干道工程、围堰工程、中转料场、渣场等部位，并以表格形式清晰地表示出来，确定开挖料的转换系数，如自然方量、压实方量以及运输过程中的各种损失(开挖方量损失、中转损失、运输损失)，同时确定料场空间位置、堆存容量、运距等参数。最终取值为土方1∶0.85，石方1∶1.31，混合料1∶0.94，块石1∶1.43。

3.2.2 实施优化

结合前期准备的资料，根据犍为航电枢纽工程施工组织设计和总进度计划，综合考虑影响土石平衡的各个因素，运用三维平衡动态研究方法，合理安排调整施工时段，确定各开挖区开挖料去向，填筑区填筑料来源，并以减少二次转运、缩短总运距，合理安排工期、节约成本为目的，对投标阶段土石方平衡方案进行优化，指导实际施工。

3.2.3 实施过程优化调整

由于工程条件的复杂性，影响因素的多样性和不确定性，工程施工过程中的道路布置、平面布置、施工时段、工程地质、设计图纸等的变化，导致土石工程量、运距、施工时段、渣料要求等发生变化。鉴于此，根据实施性土石平衡方案的优化方法，建立GIS数字化地形与动态仿真模型，按照土石方施工过程中的相应变化，调整相应参数，运用计算机进行自动计算，以达到实时指导施工的目的。

3.3 土石方平衡优化及施工管理

3.3.1GIS数字化地形构建

借助无人机航测校核、激光扫描、专业地理信息模型，实现高精度GIS数字化地形构建，比对完善并矫正大量的传统测绘数据信息，完整准确的施工现场信息数据模型的构建，有利于实时精细化土石方开挖与填筑及施工组织实施等信息数字化模拟。

3.3.2 三维建模

三维模型是物体的多边形表示，显示的物体为前期根据规划设计虚构的构建筑物模型，通过仪器设备测量及AutoCAD软件对对象特性及物理结构建模，能清晰形象地显示整体土石方开挖量、运距、时段及渣料要求等特性指标。

3.3.3 施工过程管理

通过配置专职施工技术员对开挖回填料物进行实时统计，测量人员每周进行测量校核，确保开挖回填料物按照规划方向进行流转。

4 结语

结合犍为航电枢纽工程实际，既考虑了开挖、回填区的空间、时间分布，又考虑了实施过程中各种因素改变引起的土石平衡调整，以节约成本、施工程序合理为依托，针对土石方施工全过程进行土石调配，优化平衡方案，实现了土石方开挖量二次转运量为零，具有很强的指导性、可操作性，既优质高效地完成了开挖回填任务，又为动态土石平衡提供研究思路及可操作性的依据，对今后其他同类工程的设计和施工提供宝贵的借鉴参考。