蒲石河抽水蓄能電站土石方調(diào)配方案研究

宋浩然

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100)

蒲石河抽水蓄能電站土石方調(diào)配方案研究

宋浩然

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100)

針對蒲石河抽水蓄能電站的土石方明挖料和洞挖料的利用率進(jìn)行調(diào)整，分別建立兩種土石方調(diào)配方案。利用元胞自動機(jī)模型和求解方法進(jìn)行方案的調(diào)配結(jié)果計算，最終選擇出更為合適的方案。該方案在滿足各填筑部位物料需求的前提下，提高了利用率和中轉(zhuǎn)率，降低了工程造價，對類似工程具有一定的參考價值。

蒲石河抽水蓄能電站；土石方調(diào)配；元胞自動機(jī)模型

1 工程概況

蒲石河抽水蓄能電站是我國東北地區(qū)新建的大型水利工程項目，位于遼寧省寬甸滿族自治縣長甸鎮(zhèn)境內(nèi)[1]。該工程總投資約45億元，設(shè)置4臺機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘?20萬kW。工程建成后將擔(dān)負(fù)東北電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷任務(wù)，對保證東北電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有重要作用。蒲石河抽水蓄能電站為Ⅰ等大(1)型工程，主要由上下游水庫、混凝土面板堆石壩、上下水庫進(jìn)水口、泄洪排沙閘壩，以及地下廠房組成。其中，上水庫大壩壩頂全長714.0 m ，壩頂寬10.0 m，壩頂高程395.5 m，最大壩高78.5 m，壩上、下游坡比均為1∶1.4，大壩最大底寬237.3 m[2]。

按照電站的施工組織設(shè)計，其施工難點主要是施工工期緊張，上下水庫同時施工，需要進(jìn)行多項目交叉作業(yè)，物料運輸協(xié)調(diào)十分復(fù)雜。其中土石方平衡調(diào)配是施工組織設(shè)計和工程管理的重要內(nèi)容。合理設(shè)計土石方調(diào)配方案，可以減少開采、棄渣、轉(zhuǎn)運等諸環(huán)節(jié)的工作量，縮短工期、降低成本。而調(diào)配方案的順利實施又會對施工進(jìn)度、項目區(qū)環(huán)境產(chǎn)生明顯影響。因此，制定合理的土石方調(diào)配方案就顯得尤為重要。

2 基于元胞自動機(jī)土石方調(diào)配模型

2.1 建模背景

蒲石河電站工程的堆石壩物料需求很大，需要進(jìn)行大量的土石方調(diào)配，同時需要多料源、多料種上壩，而開采料場只有一個。因此，從供料源到受料源多為一對多的形式，都需要進(jìn)行合理的料物匹配，以滿足施工要求。為了達(dá)到料物的開采、轉(zhuǎn)運、填筑等環(huán)節(jié)的綜合平衡，同時兼顧上下游大壩同時施工的特點，特選用元胞自動機(jī)這種時間與空間均離散的建模原理進(jìn)行調(diào)配模型的構(gòu)建[3]。

2.2 土石方調(diào)配模型的構(gòu)建

土方調(diào)配模型需要達(dá)到的目的是：滿足工程費用、工期、質(zhì)量等相關(guān)要求，得到土石方的來源、流向、路徑及調(diào)配數(shù)量等詳細(xì)信息，為調(diào)配方案的優(yōu)化提供依據(jù)[4]。模型的具體構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 模型的構(gòu)建流程圖

本次研究中的元胞代表所劃分開挖項目、填筑項目、料場、中轉(zhuǎn)場、棄渣場五個項目，元胞空間代表調(diào)配項目所在的上庫區(qū)和下庫區(qū)兩個區(qū)域[5]。土石方調(diào)配項目主要包含供料源和受料區(qū)，供料源主要包括開挖料、料場開采料、中轉(zhuǎn)場中轉(zhuǎn)料；受料區(qū)主要包括開挖填筑項目，中轉(zhuǎn)場，棄渣場。對系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，確定元胞和元胞空間的網(wǎng)格，結(jié)合計算機(jī)的處理能力，本次研究選擇50×50的網(wǎng)格。模型的時間維采用仿真鐘的方法模擬，初始值為0，步長為1，模擬時間單元為“月”。模型的演化規(guī)則為：①讀取元胞的初始狀態(tài)；②讀取相關(guān)信息；③更新元胞狀態(tài)，獲取下一元胞的信息進(jìn)行更新；④以更新后的元胞狀態(tài)為基準(zhǔn)，計算下一時間步長內(nèi)的元胞狀態(tài)；⑤記載調(diào)配活動；⑥模擬時段完畢，演化結(jié)束[6]。

2.3 調(diào)配模型的求解方法

本文利用元胞自動機(jī)思想和鄰居狀態(tài)及其演化規(guī)則進(jìn)行調(diào)配結(jié)果的求解[7-8]。建立土石方調(diào)配模型后，以計算機(jī)編程語言 Visual Studio 2010 為開發(fā)平臺模擬設(shè)計整個土石方調(diào)配過程。

3 土石方調(diào)配方案比選

3.1 調(diào)配方案的設(shè)計

針對土石方明挖料和洞挖料的利用率進(jìn)行調(diào)

整，分別設(shè)計方案一和方案二進(jìn)行對比，并利用元胞自動機(jī)模型與求解方法，計算兩種方案的調(diào)配結(jié)果，以選擇更為合適的方案。方案一和方案二的利用系數(shù)見表1。由上、下水庫的填筑料需求可知，上水庫盡可能利用自身開挖獲得的可利用料，不足部分由尾料場供給。下水庫的開挖料主要是強風(fēng)化料，只有部分進(jìn)、出水口和庫盆處理獲得的弱風(fēng)化料可以用于工程填筑，而大壩填筑所需的石料主要由上水庫洞挖料和尾石料場提供。

表1 土石方明挖料利用系數(shù)

3.2 方案一的調(diào)配計算

對壩體填筑前土石方開挖轉(zhuǎn)存流向利用模型進(jìn)行調(diào)配后，獲得的供料源及受料區(qū)的上壩填筑的方式見表2和表3。

表2 供料源上壩方式統(tǒng)計表

表3 填筑區(qū)上壩方式統(tǒng)計表

對上、下庫區(qū)的主要項目進(jìn)行土石方調(diào)配，結(jié)果見表4和表5。由表中數(shù)據(jù)可知，上、下庫區(qū)各填筑項目所需物料由開挖項目提供 140.41萬 m3，由上水庫庫尾石料場需提供250 萬 m3的可利用石料，由下水庫中轉(zhuǎn)場可提供約 14.41 萬 m3弱風(fēng)化新鮮石料，由砂石加工系統(tǒng)提供 16.07 萬 m3加工石料，公路棄渣場可回采 8.93 萬 m3新鮮石料。

表4 上庫區(qū)主要項目土石方調(diào)配結(jié)果 104 m3

表5 下庫區(qū)主要項目土石方調(diào)配結(jié)果 104 m3

3.3 方案二的調(diào)配計算

對壩體填筑前土石方開挖轉(zhuǎn)存流向利用模型進(jìn)行調(diào)配后，獲得的供料源及受料區(qū)的上壩填筑的方式見表6和表7。

表6 供料源上壩方式統(tǒng)計表

對上、下庫區(qū)的主要項目進(jìn)行土石方調(diào)配，結(jié)果見表8和表9。由表8和表9可知，上、下庫區(qū)各填筑項目所需料物由開挖項目提供146.92萬 m3，由上水庫庫尾石料場需提供241.29 萬 m3的可利用石料，由下水庫中轉(zhuǎn)場可提供約 26.01萬 m3弱風(fēng)化新鮮石料，由砂石加工系統(tǒng)提供 16.67 萬 m3加工石料，公路棄渣場可回采 8.93 萬 m3新鮮石料。

表7 填筑區(qū)上壩方式統(tǒng)計表

表8 上庫區(qū)主要項目土石方調(diào)配結(jié)果 104 m3

表9 下庫區(qū)主要項目土石方調(diào)配結(jié)果 104 m3

3.4 結(jié)果分析

從計算結(jié)果可以看出，兩種方案中的上、下水庫的原料均采用直接上壩的方式，上壩率較高，對中轉(zhuǎn)填筑量的需求均較小，有利于施工過程中的道路運輸，降低施工成本。

從土石方填筑平衡計算結(jié)果來看，方案二的開挖料利用率較大，石料場需要提供241.29萬m3的石料，相比方案一減少8.71萬m3，而下水庫中轉(zhuǎn)場提供給大壩的過渡料填筑石料比方案一多11.60萬m3，從而減少了石料場的開采量。

4 結(jié) 論

(1)由方案的調(diào)配結(jié)果可知，基于元胞自動機(jī)的土石調(diào)配模型可以用于水利工程土石方調(diào)配計算，能夠顯著提高料物的直接上壩率、降低了中轉(zhuǎn)量與開采量，可以有效解決這一施工難點。

(2)通過對兩方案的計算結(jié)果對比，方案二石料場的開挖量較方案一少，且石方的開挖利用率較高，但施工過程中因為各種不可預(yù)知的因素造成石方的損耗加大，則很難進(jìn)行二次開挖進(jìn)行補充。因此，綜合考慮各種因素，建議采用方案一更為合適。

[1] 劉大群.蒲石河抽水蓄能電站的渣場布置與防護(hù)[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2017(1):48-51.

[2] 董秋艷.蒲石河水庫庫區(qū)水井封堵技術(shù)[J].黑龍江水利,2016(5):74-76.

[3] 陳國宏,蔡彬清,李美娟.元胞自動機(jī):一種探索管理系統(tǒng)復(fù)雜性的有效工具[J].中國工程科學(xué),2007(1):28-32，39.

[4] 李曉偉,劉大煒,姜韶陽,等.基于線性規(guī)劃的土石方動態(tài)調(diào)配系統(tǒng)建模仿真[J].人民黃河,2013(3):120-123.

[5] 周厚貴,曹生榮,申明亮.土石方調(diào)配研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].土木工程學(xué)報,2009，42(2):131-138.

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[7] 張晴,周宜紅,龔攀.績溪抽水蓄能電站土石方調(diào)配方案研究[J].水電能源科學(xué),2016(3):136-139.

[8] Jokar Arsanjani J H M K W. Integration of logistic regression, Markov chain and cellular automata models to simulate urban expansion[J].International Journal of Applied Earth, 2013 (21):265-275.

Research on earth-rock work allocation schemes ofPushihe pumped-storage power plant

SONG Haoran

(AdministrationBureauofGuanyinPavilionReservoirinLiaoningProvince,Benxi117100,China)

By adjusting the utilization of the open excavation and tunnel excavation earth-rock material of Pushihe pumped-storage power plant, two earth-rock work allocation schemes were established respectively. Using Cellular Automata model and solving method to calculate the results of the allocation schemes, finally a more appropriate scheme was selected. Under the prerequisite of meeting the material demand of every filling part, the scheme improves the utilization rate and transit rate, reduces the project cost, and has certain reference value for similar projects.

Pushihe pumped-storage power plant; earth-rock work allocation; Cellular Automata model

宋浩然(1984-)，男，遼寧鐵嶺人，工程師， 主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。E-mail：Cz100A@163.com。

TV541

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2096-0506(2017)04-0053-05