淺析南水北調(diào)中線總干渠渠道土石方的調(diào)配

【摘 要】南水北調(diào)中線總干渠渠道工程的土石方開挖、填筑工程量很大，土石方調(diào)配平衡問(wèn)題處理得合理與否，對(duì)整個(gè)工程的占地、投資等方面有較大影響。為減少工程投資和施工占地，根據(jù)總干渠渠道工程的長(zhǎng)跨度特點(diǎn)，提出相應(yīng)的土石方調(diào)配平衡規(guī)劃的設(shè)計(jì)原則，利用線性規(guī)劃技術(shù)研究了總干渠土石方調(diào)配平衡的問(wèn)題，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型并求解，得到合理、優(yōu)化的土石方調(diào)配平衡結(jié)果，為南水北調(diào)中線總干渠渠道施工組織設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】土石方調(diào)配原則；線性規(guī)劃；南水北調(diào)中線一期工程

1.調(diào)配平衡原則

對(duì)于南水北調(diào)總干渠此類大跨度工程，由于線路過(guò)長(zhǎng)，施工場(chǎng)地多，沿線的施工條件（自然、社會(huì)）多變，渠道上還有眾多跨河流的交叉建筑物，使總干渠土石方調(diào)配的邊界條件過(guò)多，難以建立一個(gè)對(duì)于整個(gè)工程都適用的數(shù)學(xué)模型。因此，考慮將平衡目標(biāo)分解成多個(gè)小目標(biāo)后分別進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

初步考慮對(duì)總干渠整個(gè)線路分段規(guī)劃，分解調(diào)配平衡的范圍，使調(diào)配的原則能在小范圍內(nèi)相對(duì)統(tǒng)一和簡(jiǎn)化，然后在分段規(guī)劃的基礎(chǔ)上逐段進(jìn)行土石方調(diào)配平衡。這樣分段調(diào)配優(yōu)化，也更能便于后期的分標(biāo)施工及現(xiàn)場(chǎng)管理服務(wù)。因此，對(duì)總干渠調(diào)配平衡需考慮分段、調(diào)土，取土和棄渣等方面的平衡原則。

1.1分段原則

施工分段盡量按照施工分標(biāo)的原則考慮。南水北調(diào)總干渠沿線各段施工內(nèi)容大致相同，主要包括土石方開挖、渠堤填筑、邊坡及渠底防護(hù)等，因此，在施工分段規(guī)劃時(shí)，可不必像水電站項(xiàng)目那樣以工作內(nèi)容、部位和進(jìn)度為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分施工標(biāo)段，而是主要根據(jù)總干渠現(xiàn)有條件、行政區(qū)域、河流分界，分成若干個(gè)施工分段進(jìn)行調(diào)配。這樣劃分單元既符合將來(lái)的施工分標(biāo)，也能夠與施工時(shí)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門管理的區(qū)域性相適應(yīng)，有利于施工過(guò)程中管理協(xié)調(diào)工作的順利進(jìn)行。

在劃分的單元中，再根據(jù)地形地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)的挖填分布及相應(yīng)工程量的不同，將分段單元再劃分為若干個(gè)長(zhǎng)度為100m至2km不等的小單元，并按照樁號(hào)順序排列。設(shè)計(jì)過(guò)程中，就以這類小單元為研究對(duì)象，進(jìn)行調(diào)配平衡規(guī)劃。

此外，在劃分總干渠的研究對(duì)象時(shí)不宜考慮沿線跨越車流較大的公路、鐵路，以免增加調(diào)運(yùn)的復(fù)雜性。

由于施工時(shí)間的限制，渠道中交叉建筑物先于總干渠施工，且其土石方工程量相對(duì)于渠道而言小得多，故交叉建筑物的土石方調(diào)配問(wèn)題單獨(dú)分項(xiàng)考慮，不和干渠的土方調(diào)配問(wèn)題一起考慮。

1.2調(diào)、取土原則

由于填筑土料的單價(jià)是整個(gè)工程投資的關(guān)鍵所在，近距離調(diào)運(yùn)和利用土方直接上堤利用，是減少填筑土方單價(jià)的最有效措施。

（1）盡量利用滿足填筑質(zhì)量要求的開挖料作為利用方。

（2）優(yōu)先利用就近開挖的可利用土方進(jìn)行填筑；當(dāng)不能滿足填筑量需求時(shí)，則考慮調(diào)用鄰近剩余的可利用土方；仍然不足的部分，則考慮沿渠道附近選擇合格土料場(chǎng)取土。

（3）調(diào)配過(guò)程中，盡量調(diào)運(yùn)可利用土方直接上堤填筑，減少二次轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)配，二次轉(zhuǎn)運(yùn)的利用料盡量考慮利用工程永久占地或附近棄渣場(chǎng)臨時(shí)堆放，不增加臨時(shí)占地，確實(shí)不足時(shí)再考慮增加臨時(shí)堆場(chǎng)占地。

由于總干渠有較長(zhǎng)渠段位于膨脹土區(qū)域，填筑過(guò)程中，為保證渠道邊坡的穩(wěn)定安全，局部部位采用非膨脹土換填。為減少投資，盡量利用無(wú)膨脹性土料換填，缺少無(wú)膨脹性土料或者無(wú)膨脹土運(yùn)距過(guò)遠(yuǎn)時(shí)（經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)比較暫定為不超過(guò)18～25km），則利用弱膨脹性土料改性后進(jìn)行填筑。膨脹土區(qū)域土的調(diào)配優(yōu)先于其他部位的土方調(diào)配。

1.3棄渣原則

棄渣的主要原則是盡量少占農(nóng)田。棄渣時(shí)需根據(jù)土方和石方兩種不同的料質(zhì)特性區(qū)別堆棄與調(diào)配。

（1）土方開挖棄料，首先考慮就近在取土料場(chǎng)回填棄土料場(chǎng)回填棄土，這樣既減少了因棄土堆放而增加的占地費(fèi)用以及對(duì)周圍環(huán)境的影響，又有利于恢復(fù)取土所破壞的耕地。

（2）對(duì)于剩余土方渣料，應(yīng)盡量結(jié)合施工區(qū)附近的地形、地貌條件，棄于附近的高崗間凹地、溝谷、荒丘、低洼等地集中堆放，填坑補(bǔ)洼，改造農(nóng)田。

（3）對(duì)石渣棄料需棄至集中棄渣場(chǎng)，如與土方棄料混棄時(shí)，應(yīng)考慮將石方料堆在底部，上覆土方。

（4）棄土回填土料場(chǎng)時(shí)，為節(jié)約臨時(shí)堆存占地，考慮結(jié)合料場(chǎng)分區(qū)開采順序，在料場(chǎng)開采范圍臨時(shí)堆存，堆高不超過(guò)5m。

（5）根據(jù)地形條件，土方棄料堆高盡量不超過(guò)3m，棄土后可復(fù)墾還耕，列為臨時(shí)征地；如因地形地勢(shì)，棄渣容量和堆棄石渣等情況的限制，可增加堆高至8m，列為永久征地。

2.調(diào)配數(shù)學(xué)建模求解

渠道工程的料物調(diào)配以土方為主，調(diào)配工作實(shí)質(zhì)上是針對(duì)滿足填筑質(zhì)量的開挖土料和填筑土料兩部分之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的規(guī)劃。根據(jù)研究對(duì)象的挖填情況，分為挖填方區(qū)、挖棄方區(qū)與借填方區(qū)3個(gè)部分作為目標(biāo)函數(shù)。

挖填方區(qū)。挖填方區(qū)的土料是指在渠道內(nèi)開挖后直接上渠堤填筑，其費(fèi)用只包括運(yùn)輸費(fèi)用（開挖、填筑費(fèi)用是必須發(fā)生的，在優(yōu)化模型中可不予考慮），為調(diào)配數(shù)量與運(yùn)距及運(yùn)輸單價(jià)的乘積。

挖棄方區(qū)。開挖后的土料直接運(yùn)至規(guī)定地點(diǎn)堆棄，其費(fèi)用為調(diào)配數(shù)量與運(yùn)距及運(yùn)輸單價(jià)的乘積，此外還應(yīng)包括無(wú)聊堆存占用棄渣場(chǎng)的費(fèi)用。

借填方區(qū)。指從相鄰對(duì)象借土或從料場(chǎng)采料填筑，對(duì)從相鄰對(duì)象借土而言，其費(fèi)用為調(diào)配數(shù)量與運(yùn)距、運(yùn)輸單價(jià)的乘積，后者則需要加上土料開采的單價(jià)。

根據(jù)前述的調(diào)配原則，有如下目標(biāo)函數(shù)的約束條件。①挖方：挖方總量=直接填方量+調(diào)出填方量+棄渣量；②填方：填方總量=直接填方量+借填方量；③棄渣：各點(diǎn)棄渣量總和不大于該棄渣點(diǎn)棄渣容量；④借方：各點(diǎn)借方總量不大于本借點(diǎn)（開挖點(diǎn)或料場(chǎng)）可提供的土方總量。

3.結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)中線一期工程線路長(zhǎng)、規(guī)模大、施工順序有先有后、施工單位眾多，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。其土石方調(diào)配涉及物料種類及邊界條件繁多，調(diào)配過(guò)程復(fù)雜。采用分標(biāo)段、按行政區(qū)劃分的前提條件進(jìn)行調(diào)配，其結(jié)果使減少征地、增加調(diào)配用量和直接上堤填方、縮短運(yùn)距等方面得到合理優(yōu)化。同時(shí)，在具體實(shí)施過(guò)程中，土方調(diào)配方案需與地方行政管理協(xié)調(diào)一致，根據(jù)地方規(guī)劃和需要，結(jié)合當(dāng)?shù)氐某墙ㄇ闆r調(diào)整土石方平衡規(guī)劃，合理地調(diào)配土料，盡可能提高工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。