水利水电工程施工土石方调配方法及其应用

赵风海

（山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）

土石方工程是水利水电工程建设的重要环节，有较大的工程量和施工难度。当前水利水电工程中已经十分广泛地应用土石方调配技术，该技术发挥的作用也越来越明显。为了保证水利水电工程施工效果，需要相关工作者提高对土石方调配方法的重视，并加大调配方式的改进创新，确保安全顺利地完成水利水电施工活动，切实发挥工程的服务性作用。

1 水利水电土石方施工特点

1.1 土石方工程量和调配难度大

在整个水利水电工程中，土石方施工涉及到施工人员、材料和机械设备都较多，是工程中占比较大的部分，无论是消耗的资金还是时间都较多，需要科学严谨地完成土石方调配才能保证高效顺利地完成施工[1]。

1.2 土石方施工普遍存在

水利水电工程中普遍存在土石方施工，即便是小规模的水利水电项目也需要进行土石方作业，可见，在新建项目当中，土石方施工是必要的工作，其调配情况直接影响到水利水电工程能否顺利地推进。现代水利水电工程对土石方工程设计规划、施工进度和施工方法等多方面都有着严格的要求，采用科学的调配方法可以降低土石方施工产生的不良影响，避免破坏周边的生态环境，影响周围交通、经济等。

1.3 土石方工程和环境联系密切

土石方工程施工不但受到周边环境的影响，还会污染、破坏周边的自然环境。传统的土石方施工中产生的粉尘较多，对周边地表形态、地质结构稳定性和周边水质条件都会产生不同程度的影响，同时还会产生较大的施工噪音。在生态环保施工理念下，很多企业已经开始意识到土方施工的负面影响，并且按照相关规定标准加强完善土石方调配方式，提高土石方施工环保性，推动水利水电工程建设和生态环境和谐发展[2]。

2 水利水电土石方调配原则

2.1 开挖填埋同步进行

土石方施工中最为基础的2项作业内容就是开挖和填埋，通常同步完成土石方的开挖填埋工作，通过合理地调度可以将倒运次数减少，将施工现场工作量减少，实现工作效率的提升，将施工总量减少，进而达到项目成本控制的效果。

2.2 运输距离、土方作业量范围控制

运输是土石方开挖填埋必然会涉及到的问题，在开展土石方开挖填埋方案编制时应当对多方面因素进行综合考虑分析，结合实际情况编制调配方案，做好开挖和填埋量的确定，将运输路线合理地规划设计好，同时对运输距离、运输工具和运输方案进行科学地测算和选择，最终确保满足施工现场土石方调配需求。

2.3 还原耕地

土石方施工会对周围生态环境产生一定的负面影响，为保证经济可持续发展，降低对生态环境的负面影响，在具体调配过程中应尽量保持现有土地面积和质量，合理调整施工方案，加大耕地保护力度。可以在专家指导下建设针对性的保护和修复措施，在尽量降低施工负面影响的同时，及时修复已经受损的耕地[3]。

2.4 全局性原则

科学调配水利水电工程土石方工作，保证调配平衡，避免浪费土石方材料，通过科学调配和合理应用，提高资源利用率。

3 水利水电土石方调配常用方法

3.1 直接上坝法

该方法是当前水利水电工程土石方调配最为常用的施工方法。工程项目建设中会出现较多的土石方，而工程施工对土石方的需求量也较大，此时可以直接将开挖出来的土石方运输到需要的施工地点，不但可以节约运输时间成本，还可以节约原材料，将工程项目建设的经济性提高。施工前技术人员应充分分析开挖具体情况，避免盲目使用该方法，应尊重实际需要。

3.2 中转上坝法

水利水电施工现场空间有限，加上大量设备材料、人员活动，导致有时无法采用直接上坝法调配土石方，此时可以设置土石方调配中转站的方式进行处理。中转站建设前技术人员可以综合考虑施工便捷性、经济性，做好中转场的地点、位置的合理规划。

3.3 料场开采法

针对一些较大规模的水利水电项目，往往需要大量的土方进行填筑作业，施工现场对土方需求量过大导致直接上坝法和中转上坝法无法满足实际需求，此时可以选择料场开采法提高施工效率，确保土石方供应量。比如在工程附近选择石料厂将开采的速度加快，确保土石方可以满足水利水电填筑需求，该方法也适用于料场开采不足的工程中[4]。

3.4 土石方中转和弃渣

有的水利水电土石方施工完成后会有部分土方剩余，此时可以根据土方量采取报废、转让等处理方式，如果依然存在部分运输能力，可以将剩余的土石方储存在中转站中。

4 水利水电工程中土石方调配过程

4.1 土石方计算

水利水电工程建设规模和数量随着我国工业化水平提高、水资源和电力资源需求量的增大而增多。水利水电工程中，土石方类项目数量占据的比重较大，通过土石平衡有助于提高施工效率。所谓土方平衡就是利用“土石方平衡图”将工程需要挖出的土方量精确地计算出来，同时明确填入低处土方的数量，继而合理地完成土石方运输工作。土石方平衡技术影响着现场平面布置和土石方项目成本，对运输方案、征地、进度计划的编制都有着深远的影响。如果没有细致精确地计算，那么可能增加工程造价，降低项目效益。因此，应采用专门的方法计算土石方量[5]。

其一，方格网土石方计算方法。该方法是将施工现场按照固定的时间、间距划分为多个区域，方格网点即为测定点，在测点测量周围每个格网四角高程，然后利用如下公式计算四角高程平均值

式中：A1和A2为2个相邻断面挖方或者填方的面积；L为相邻断面间距。

其二，断面法土石方计算。此方法主要是以一定距离平行地划分施工场地，按照多个横断面精确地测量每个断面的地面线，在此基础上技术人员精确地计算每个断面填挖体积。

其三，DTM法土石方计算。该方法为数字地面模型，用于表达地形起伏。在应用该方法时，需要构建三维坐标图，坐标数据为地形表面的1组数据。计算公式如下

式中：V+为计算方量；Z1、Z2、Z3为三角形角点填挖高差；S3为三棱柱底面积。

4.2 土石方调配技术

土石方调配技术应用中主要包括如下内容。

第一，实际调制。在施工中对施工现场进行灵活地指挥，主要用于协调进度、劳动力和临时施工等问题，保证土石方调配工作能够有条不紊地完成。第二，现场施工中做好实际定额并且按照多劳多得的方式进行施工。第三，机桥控制。工作人员加强机械设备的定期检查维护，保证机械设备在尽心土石方调配过程中可以正常运转，避免出现机械故障对施工进度和安全产生威胁。第四，做好施工进度的合理调控，加强土石方调度工程量统计，由专业的统计人员检查监控土石方调配过程，如果发生延误应及时确定原因并且优化调整。

4.3 土石方调配技术的应用

为了充分发挥土石方调配技术，严格控制水利水电工程建设周期、成本和设备等因素，大多施工企业会选用土石坝施工方式。在信息科技不断发展的背景下，BIM等先进信息技术的应用进一步提升了土石方调配的科学性和合理性，可以模拟土石方调配过程，进而降低实际施工中的冲突，有效解决施工方案中的不足[6]。

5 水利水电工程施工中土石方调配技术的应用要点

某大型水利水电工程涉及到水库、电站、大坝和供水等多个项目，大坝采用的是沥青混凝土心墙砂砾石坝，该工程开挖总量为950 m3。为提高土石方调配科学性、项目建设经济性，该工程采取如下方法进行土石方调配和应用。

5.1 编制土石方调配图表

为了更加清晰地呈现出土石方调配过程，为后续开展管理工作提供支持，平衡土石方，可以编制土石方调配表。

第一，以大型水利水电项目建设实际情况为基础进行调配区的科学划分，在平面设计图上将开挖区、填筑区清晰标注，确定其边界线，结合现场地形地貌、施工条件做好调配区的合理划分，确保便于开展施工作业，同时还要考虑土方机械作业的长度，确保调配区有足够的空间供给机械作业。第二，计算土方量。按照平面图划分的调配区对每个区域土方量进行精确地计算并且标注清楚各个区域计算结果。第三，计算每个调配区之间的运输距离，确定平均距离后将挖图方中心位置和填土方中心位置确定，标注于调配图上，用直尺将两者之间的距离测定，根据平面图比例换算土方平均运输距离。如果开挖区距离填筑区较远，可以结合实际情况计算运土工具调配土石料的距离[7]。第四，土方调配。采用“表上作业法”将最佳土方调配方案确定，明确土方量、调配方向和运输距离等参数后标注在场地土方地形图上，罗列出土方量平衡表，正式开展土方调配。该工程土石方调配表见表1。

表1 土石方调配平衡表

5.2 构建土石方动态管理模型

通过土石方调配模型的建立可以采用可视化方式详细地呈现出土石方调配过程，动态管理并且平衡土石方调配工作。在土石方动态管理模型构建中，应对土石方调配系统构成、调配关系进行细致地分析，保证合理地衔接各个工序，提高施工效率，控制施工周期，将转运次数和转运量尽量减少，实现土方量运输路线的优化，尽可能地将工程成本降低。在土石方动态管理模型构建中可以积极借助地理信息系统，该技术主要基础为地理空间数据库，同时结合计算机及其软件系统采集、分析和管理工程项目数据，通过合理选择分析方法实时呈现出空间和动态地理信息。

具体来讲按照如下流程建立土石方平衡调配管理模型。第一，模拟施工现场。对于新建实力水电工程项目，可以利用三维模型呈现施工现场整体情况，借助不规则三角网模型和规则网格模型对施工现场地形地貌进行模拟。有的水利水电工程处于山区、高原等地形起伏变化明显的区域，针对这些区域在地表模型构建中常常选择的是不规则三角网模型，需要技术人员按照算法进行数据计算[8]。第二，构建地物模型。地表、地面自然环境和人工因素都会对土石方调配作业过程产生影响，为此，应根据地理空间特征对地理空间位置进行充分考虑，将地理实体空间特点、分布特点等明确，将地理实体之间的关系明确，然后利用点、线、面等基本图形元素表示空间对象，通过运算转换构建地物模型。第三，模拟调配过程。在调配模拟时通常需要应用到仿真技术和三维动画技术，利用这些技术将土石方调配过程直观地展现出来，然后利用计算程序优化调配过程，得到最佳调配方案，在GIS数据库中导入数据信息，处理导入数据后形成可视化的多条调配路径。在该阶段，可以利用三维动画连续播放不同环节、不同时间段土石方调配过程，完整直观地呈现出整个调配过程，并且清晰地展示土石方开挖量、时段和运输距离等参数，借助模型将土石方调配中存在的不足及时查找出来，技术人员经过调整优化提高土石方调配的合理性，实现现场管理效果的平衡。

5.3 工程合作

土石方调配涉及到开挖、填筑、料场开采、土石料中转和弃渣处理等多方面的内容，会受到多种因素影响，比如当地生态环境、机械系统和道路系统等。为保证土石方调配工作顺利完成，需要充分协调各个因素，提高施工团队的合作能力。比如中转、弃渣处理环节需要对土石料余量、开挖量进行充分考虑，提前做好原有土石料的充分利用，将借土量减少，提高现有材料的利用率，并且在便于使用和外运的位置堆放土方料，将中转次数和中转距离减少。

水利水电施工中产生的废渣可以根据土石料特点确认其应用于填筑项目还是按照废弃物处理，在通过预估后对废渣长面积和容量进行合理地规划，并且统一堆放，为后期集中处理提供便捷。同时，新建大型水利水电项目调配土石方过程中需要借助的机械设备较多，其中包含大量的大型设备，为优化管理土石方调配工作，可以从工程合作角度做好开挖料、填方料的计算，然后合理选择设备型号、数量，确保可以按照施工进度计划完成工程施工，确保人员、物资等供给充足。同时，大量大型机械设备的应用会增加施工现场安全风险隐患，管理者应充分考虑施工现场的安全管理工作，做好各个环节施工工序的有效衔接，对统一作业面基础承载能力加强考虑，合理调度机械设备，避免引发坍塌等事故[9]。

此外，现代工程项目建设要求尽可能地降低对环境产生的破坏，为此，大型水利水电工程土石方开挖和填筑过程中还要注意尽量避免破坏周围的植被、土壤和水体等生态资源，综合考虑周围环境因素后合理调配土石方。具体来讲，在现场生态环境管理中可以加强地理信息技术、景观评价模型等方法的应用，协调处理土石方调配和生态环境保护工作，在保证工程顺利建设的同时加大环境保护力度，统一经济目标和环境目标。

5.4 以填代储

土石料的利用和转运是土石方调配的核心，是节约项目成本的重要环节。在平衡调配土石方过程中可以采用以填代储的方式将土石料的利用率提升，以免浪费材料。比如调配中采用计算表进行纵向调配，技术人员先将取土场最佳位置确定，综合考虑填缺、挖余的分布情况和运输成本等方面因素后，明确选择调用还是借用的方式利用土石料。如果土石料开挖可以达到建设需求那么可以用现场土石料供给填筑作业，将土石料的存储量减少。在考虑路线纵坡、自然条件、填缺和挖余情况后充分利用就近的土石料，将调运数量、方向清楚地标注在调配栏当中。在纵向调配完成后如果依然存在填缺、挖余情况那么可以在借方或者弃方栏中备注土石料数量[10]。

6 结束语

水利水电工程建设中重要的环节之一就是土石方调配，土石方对整个项目建设质量和进度产生影响，为此，应科学设计土石方平衡调配方案，优化调配过程管理力度，确保项目顺利建设。