陈家港水库土方调度平衡分析研究

孙 晨 苏 晨 陈 庠

(1.南京水科院勘测设计有限公司，江苏 南京 210098；2.河海大学设计研究院有限公司，江苏 南京 210098；3.南京市江宁区水务局，江苏 南京 211100)

1 引 言

平原水库具有蓄水、灌溉、防洪和养殖等功能，同时也能防止平原地区的水土流失[1]。随着江苏沿海开发战略的推进，水资源短缺的现状极大地制约了地方经济发展，平原水库的建设对于江苏沿海地区高质量发展具有非常重要的意义，沿海平原水库的建设迫在眉睫[2-3]。水库在兴建过程中不可避免地会产生大量土方，如何对其进行合理调度，最大程度减少外购回填和外弃挖除土方及其运输成本是一项重要的课题。当前有关水库土方调度平衡方面的研究相对较少，其他类似工程土方调度平衡的研究包括BIM技术在大型场地平整工程量计算及土方调运的研究、复杂地形下的土方平衡应用研究——以广西百色某学院项目为例、工程土石方计算及调度、基于线性规划数学模型算法的土方调度、古黄河水利枢纽工程土方施工组织与平衡的探讨、淮河干流疏浚工程超大型排泥场优化设计[4-9]等。本文根据江苏沿海地区库区土质特性、平原水库建设特点，对水库土方工程开展分析研究，具体以盐城市陈家港水库为例，对其土方开挖和回填进行调度平衡分析研究，以达到缩短工期和提高经济效益的目的。

2 土方调度模型

2.1 模型选择

运筹学提供了多种运用数学模型解决实际问题的数学算法，如运用图解法可以解决变量较少的线性规划最大最小值问题，表上作业法可以解决工程中产销平衡问题，动态规划可以解决资源分配问题等[10]。若把每个网格土方量的调度看作一个数学变量，那么土方量的调度涉及的变量众多，为解决多变量问题并寻求最优解，本文选用运筹学中的单纯形法建立土方工程的数学模型。单纯形法与一般寻优方法一样，都是从某初始可行解X开始，搜索与X相邻的可行解，如果存在某个相邻可行解X′优于初始可行解X，则用X′替代X，重新探查直至找到某个局部最优解X*，其目标函数值不劣于所有临近点为止。对于线性规划而言，找到的局部最优解X*即为全局最优解[11]。

2.2 模型建立

某土方工程有w个挖方区域和t个填方区域，分别用i、j表示挖方区和填方区的编号，目标函数Z的表达式如下：

(1)

约束条件为：

式中Lij——从第i个挖方区到第j个填方区的距离,m；

Eij——从第i个挖方区域调度到第j个填方区域的土方量,m2,Eij≥0，i=1,2，…，w；j=1,2，…，t。

3 土方调度平衡分析

3.1 陈家港水库基本情况

陈家港水库位于江苏省盐城市灌东经济开发区，地处盐城市响水县东北部陈家港境内沿海滩涂区灌东新材料产业园附近。水库利用现有盐塘，经深挖筑堤兴建，属围坝型沿海平原水库。通过水库对淡水资源进行调蓄，使得洪水资源化，以丰补欠，为盐城市沿海开发提供工农业生产、居民生活的用水保障。陈家港水库由库西、库东两个库区组成，库西区临近灌东开发区的工业园区及新型小城镇，一方面与灌东开发区旅游开发结合紧密具有景观功能，另一方面还兼顾工业园区排涝。库西区主要特征参数如下：库底高程-2.0m、死水位-0.5m、正常蓄水位3.5m，总库容2768万m3，兴利库容2027万m3，死库容741万m3，新建堤防等级为3级，堤顶高程5.5m，堤顶宽6m，大坝轴线长度8.919km。

3.2 土方施工布置

开挖区为陈家港水库库西区，弃土区为灌东新材料产业区，筑堤土堆场为坝轴线内侧30m至坝轴线外侧15m，排泥场位于开挖区西侧，施工管理区位于开挖区南侧。施工总平面布置见图1。

图1 施工总平面布置示意图

3.3 土方平衡设计分析

土方平衡设计不仅要考虑各区土方“量”的调度平衡，同时还应重视各区土方供给“质”的平衡影响。综合考虑水库开挖区域地下土质分布情况，判断适合回填的土方种类，结合本项目可利用的土方类型，确定土方平衡设计方案，以此确保土方调配在质上的平衡，以保证土方量平衡的最终落地。本项目可利用土方类型为岛屿预留土方、筑堤土方以及施工管理区土方。根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)，筑堤土方坝体填筑土方要求采用黏粒含量为10%～35%、塑性指数为7～20的黏性土。因此，开挖区第②层粉质黏土应全部作为筑堤土方。岛屿土方预留土方为清淤工程完成后预留一定范围的面积暂不开挖；堤防清基弃土则作为施工管理区场地平整土方。

3.4 分区土方分析计算

3.4.1 开挖区

工程开挖区总面积503万m2，开挖区共分为24个区，各开挖区详细情况见表1。

表1 开挖区土方计算

续表

3.4.2 排泥场

工程清淤量共387.31万m3，松散系数取1.2，排泥深度取2.2m，需排泥场面积约2.11km2。本次选取排泥场总面积约2.25km2，总库容约481.09万m3，可以满足清淤工程的需要，排泥场土方计算见表2。

表2 排泥场土方计算

3.4.3 筑堤土堆场

水库筑堤需土约119.35万m3，取自第②层粉质黏土，为方便水库堤防施工，筑堤土堆场布置在坝轴线两侧，总面积约43.8万m2，平均堆高约2.75m，筑堤土方计算见表1。

3.4.4 岛屿预留区

在水库建成后，库区内将形成5座岛屿。在清淤工程完成后，岛屿及其周边一定范围内作为岛屿土方预留区暂不开挖，经计算，岛屿土方预留区面积约0.972km2，预留土方181.64万m3，岛屿预留区土方计算见表3。

表3 岛屿预留区土方计算

3.4.5 弃土区

弃土区总面积约1904.36万m2。弃土区现状地面高程约2.3m，规划地面高程约3m，本次弃土土方量约1474.6万m3，考虑道路、排水沟占用部分弃土区及松土堆高等因素，弃土区堆高在0.9～1m，弃土区填平压实后大约比原地面高0.77m。根据弃土区现状和规划的道路、水系格局，将弃土区划分为24个分区，弃土区土方计算见表4。

表4 弃土区土方计算

续表

3.4.6 施工管理区

施工管理区总面积约53万m2，其场地平整土方来自堤防清基弃土，总土方约18.82万m3。

3.5 土方调度平衡计算结果

工程开挖总土方2000.08万m3(含清淤土方量387.31万m3)，其中库区分区开挖土方1981.26万m3，另外坝体清基土方18.82万m3。水库开挖土方中，淤泥利用水力冲挖在排泥场晾晒，第②层粉质黏土的一部分用于坝体填筑，其他土方规划运至弃土区。

采用MATLAB软件进行模型函数计算，计算结果见表5。

表5 土方调度平衡

续表

根据表5计算成果，坝体填筑需土方119.35万m3，所需土方来源于WF1、WF2、WF3、WF4、WF5、WF8、WF9、WF12、WF13、WF16、WF17、WF20、WF21、WF22、WF23、WF24开挖的部分粉质黏土。其余1880.73万m3全部运排泥场、弃土区及施工管理区。其中排泥场储存淤泥约387.31万m3，弃土区堆土约1474.6万m3，坝体清基土方用于平整施工管理区，约18.82万m3。

4 结 论

陈家港水库土方涉及开挖区、排泥场、筑堤土堆场、岛屿预留区、弃土区、施工管理区共六类区域，包括24个开挖区、3个排泥场、1个筑堤土堆场、5个岛屿预留区、24个弃土区、1个施工管理区。在进行各区土方“量”调度平衡的同时还应重视各区土方供给“质”的平衡以及接纳要求，这是一个复杂的运筹学问题。本文利用单纯形法建立数学模型简化问题，并采用MATLAB软件进行模型函数计算，这一方法可为解决类似新建水库土方的调度平衡提供参考。