基于模糊貼近度原理的“充砂袋”圍堰造價預測方法應用

孫 勤， 李蔚東， 肖 輝, 范方方， 傅東箭

(1.湖南瑞元建設工程有限公司, 湖南 長沙 410004; 2.湖南省交通規(guī)劃勘測設計院有限公司, 湖南 長沙 410200;3.湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015； 4.長沙理工大學 水利與環(huán)境工程學院， 湖南 長沙 410114)

0 引言

“充砂袋”圍堰是一種新的圍堰形式，因其施工簡便、取材便捷、適應性強，在航道建設項目中得到越來越多的應用。對比黏土圍堰與其他形式的圍堰，充砂袋圍堰不僅顯著減少工程成本，而且可以縮短工期，特別適用于多沙的湖區(qū)。我國學者在充砂袋圍堰的施工工序及施工特點方面研究較多，但關(guān)于其造價預測研究較少。本文結(jié)合華容河船閘充砂袋圍堰的施工工藝，運用模糊貼近度預測方法，構(gòu)建充砂袋圍堰造價預測基本模型，為航道工程圍堰造價預測提供了新的估算方法。

1 項目概況

藕池東支—華容河航道位于湖南省境內(nèi)，河道全長224 km,是湖南省打通的水運出口大通道之一，更是湘江經(jīng)洞庭湖連接長江中上游的便捷通道。

華容河船閘是湖南省藕池東支—華容河航道建設項目的關(guān)鍵性工程，其施工導流是重中之重。圍堰是確保施工正常進行的重要節(jié)點，既要保證基坑正常施工，又要保證安全度汛。受土石料缺乏、環(huán)境保護及周邊影響等因素制約，土石圍堰施工方案難以實施，考慮洞庭湖區(qū)沙量巨大的特點，就地取材，首次在湖南省船閘圍堰施工中采用了充砂袋圍堰的施工方案，取得了預期的效果。

2 圍堰形式選擇

2.1 圍堰形式對比分析

圍堰形式的選擇應根據(jù)河湖特性、導流特點和地質(zhì)條件、料源狀況等因素來確定?，F(xiàn)有航道工程中圍堰主要采用木板樁、鋼板樁、土石圍堰等形式，隨著施工機械大型化、專業(yè)化的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了充砂袋的圍堰形式，各種圍堰的適用條件與優(yōu)缺點對比見表1。

2.2 圍堰施工方案選擇

華容河航道河道較寬、水深較大，顯然不適合使用木板樁圍堰。首先，若采用土石圍堰，內(nèi)河全年圍堰臨水面、背水面分別按照1∶2和1∶1.5坡比進行放坡，圍堰設計頂寬4.5 m，堰底高程21.5m，圍堰高12 m，則堰底寬度將達到46.5 m，將擠壓六門閘過流斷面寬度。圍堰土石總量約8萬m3，且土石料運距超過20 km，經(jīng)濟性欠佳。其次，考慮到基坑地質(zhì)為流動性粉質(zhì)淤泥層與黏土硬塑層，土石圍堰方案施工工期可能較長。因此，為

表1 圍堰形式的適用范圍與優(yōu)缺點圍堰形式適用范圍優(yōu)點缺點木板樁圍堰適用于小型水利項目,可用于水流流速較小、水深較淺、河床地質(zhì)透水性較強的河流條件施工方法簡便,技術(shù)難度低,木質(zhì)施工材料獲取便捷密封性較差,木板受水流影響存在腐蝕現(xiàn)象鋼板樁圍堰一般適用于水深較大、地質(zhì)透水性較強的河流鋼板強度高,防滲性能好,鋼板材料可以重復使用,回收利用價值高鋼板質(zhì)量較大,施工受風浪、浮吊技術(shù)等因素影響較大土石圍堰適用于河床地質(zhì)穩(wěn)定、通透性弱的河流土石料來源較為廣泛,成本低;技術(shù)操作簡單,使用工期長土體透水性較強,易發(fā)生滲透破壞及邊坡失穩(wěn)的狀況充砂袋圍堰適用于大型工程項目,可用于地基較差、地質(zhì)河床較軟弱的河流砂料成本低,且容易獲得;施工適應性強,施工作業(yè)面廣,效率高擋水高度受限,砂袋堆高、砂袋充填與拆除需專業(yè)船機配合

降低施工成本且保證六門閘過流斷面寬度，采用充砂袋圍堰的施工方案，將內(nèi)河全年圍堰內(nèi)外坡比全部調(diào)整為1∶1.5，27.5 m高程以下采用充砂袋圍堰，在圍堰底部加筑子堰，堰頂高程33.5 m，圍堰底寬隨之減小。

3 充砂袋圍堰施工工藝

充砂袋圍堰施工工藝流程如圖1所示。

圖1 充砂袋圍堰施工工藝流程

3.1 充砂袋主要技術(shù)指標

充砂袋尺寸應根據(jù)設計斷面確定，袋體在橫斷面方向整塊制作并在設計圍堤斷面寬度的基礎上適當加長，寬度根據(jù)水位及施工工效確定。本工程充砂袋材質(zhì)采用的是 230 g /m2的防老化聚丙烯編織布，具體指標見表2?？p制方式分為橫縫縫制和縱縫縫制，以8 m為標準，寬度≥8 m的充砂袋采用橫縫縫制，寬度<8 m的采用縱縫縫制。采用鏈式針腳縫合，縫合縫應避免彎曲，縫制線強度需達到設計強度。

表2 充砂袋袋體指標抗拉強度/(kN·m-1)縱向橫向延伸率/%等效孔/mmO90O95垂直滲透系數(shù)/(cm·s-1)≥46≥33≤25>0.07<0.5>2×10-3

充砂袋的單層厚度控制在0.5 m左右，充填飽滿度控制在85%左右，充填后的干重度達到14.5 kN/m3。充填料為砂源區(qū)砂，也可采用排水性較好的砂性土、粉細砂類料，保證粒徑大于0.075 mm以上的顆粒含量大于75%，黏粒含量小于5%，避免雜質(zhì)和有機質(zhì)混入。

平均 16～20 m2布置1個袖口，袖口縱向間距為 5 m ，橫向布置4個，均勻布設。袖口材料與袋體同，直徑25cm，伸入袋體 30 cm，外露袋面長度根據(jù)水深確定，袖口和袋體連接采用包縫縫接方式。制作袋體與袖口的原材料進場后都應進行取樣檢測，合格后方可進行加工生產(chǎn)。

3.2 施工方法

砂袋的鋪設方式有水上鋪設與水下鋪設，均采用泥漿泵充灌，施工順序為先水下后水上，水下砂袋采用定位船鋪設，水上砂袋采用人工鋪設。

3.2.1水下鋪設與充灌

砂袋水下部分鋪設需利用兩條對拉船進行定位，對拉船與圍堰軸線分別平行布置在圍堰軸線的兩側(cè)。將制作好的袋體先放置在臨水側(cè)對拉船上，再將袋體的4個角綁扎牽引繩并分別連接到兩條對拉船上。泥漿泵管需插入袋體袖口內(nèi)并綁扎牢固，綁扎完成后即可開動背水側(cè)對拉船上的絞錨機將袋體展開平鋪在軸線位置，鋪設到位后再進行砂料充灌工作。充灌需要注意提前將泥漿泵開機以便清出管內(nèi)清水，充灌應按“先高后低，由中間向兩邊”的順序進行，以防皺褶。

3.2.2水上鋪設與充灌

人工鋪設即人工將袋體展開，袋體邊緣與放樣標記對齊，鋪設形式采用階梯式，使砂袋層層疊壓。鋪設時為杜絕水平、垂直通縫，同一層袋體之間不應有間隔并保證相互之間搭接大于1 m，上、下層袋體應錯縫鋪設并保證錯距大于5 m。充灌時可在袋體上施加重物以防止袋體滑動。

4 基于模糊貼近度原理的造價預測模型

4.1 模糊貼近度原理

模糊貼近度是一種以相似性為依據(jù)，模擬與比較為手段，模糊集合論為方法的數(shù)學識別模式。在模糊數(shù)學中，模糊貼近度原理通常用來解決相似性問題，在工程建設中，同樣也可以引用模糊貼近度原理來解決相應問題。例如，在項目決策階段，工程造價估算的及時性和準確性對提高項目投資效益具有重要意義[1]，對于圍堰等大型臨時工程來說，若直接利用概預算定額[2]進行估算，其估算結(jié)果與實際施工造價會存在差異，尤其是在施工方法創(chuàng)新的情況下?；诖?，可以將模糊貼近度原理運用在圍堰等大型臨時工程的造價估算中，以提高造價估算的及時性與準確性。運用模糊貼近度原理進行造價估算時，首先要找出與擬建工程相似的已建工程，并確定兩者的模糊關(guān)系，再對兩者相似程度進行定量化，確定貼近度，建立估算模型，最后利用模糊貼近度的數(shù)學估算表達式計算出擬建工程的單位造價[3]。

4.2 建立模糊關(guān)系

首先判斷擬建工程的類型，并分析其特征，根據(jù)擬建工程的特征和要求，找出具有相同或相似特征，然后將能代表工程主要特征的特征元素集合成特征論域[4]。假設找出n個相似的已建工程，并用Si(i=1，2，…，n)表示已建工程，用Sx表示擬建工程。對每個可供參考的已建工程進行比較分析，選擇出相同且具有代表性的工程特征元素，一般選取m個特征元素，使用li表示特征元素，將這些特征元素集合成特征論域并用U表示，則U=(l1，l2，…，lm)。

4.3 確定貼近度

建立擬建工程和已建工程的模糊關(guān)系矩陣之后，即可確定兩者的模糊貼近度。根據(jù)模糊數(shù)學理論，模糊貼近度公式為:

(Si，Sj)=[Si·Sj+(1-Si⊙Sj)]/2

(1)

式中:Si·Sj=∨λ=1n(Siλ∧Sjλ)為內(nèi)積；Si⊙Sj=∧λ=1n(Siλ∨Sjλ)為外積；∨表示取大運算，∧表示取小運算。

4.4 建立預測模型

將計算出的擬建工程與已建工程的貼近度由ai(i=1，2…n)表示，并由大至小排列為a1、a2、a3、…、an，依據(jù)擇近原則，取模糊貼近度最大的3個已建工程的相關(guān)資料為估算擬建工程造價的主要依據(jù)，如：若Sx與S1模糊貼近度最大，則為a1；Sx與S2的模糊貼進度次之，則為a2；Sx與S3的模糊貼近度為第3，則為a3；且三者關(guān)系為a1≥a2≥a3。設S1、S2、S3工程對應的單位造價為c1、c2、c3，一般取每立方米造價。確定擬建工程的單位造價C的估算公式為：

(2)

式中：k為調(diào)整系數(shù)，可以依據(jù)施工經(jīng)驗來確定。

5 實例分析

將工程造價預測模型應用于華容河航道工程的圍堰工程，通過對該工程相關(guān)資料以及類似工程長沙綜合樞紐、大源渡樞紐、南茅運河等船閘進行綜合分析，可利用模糊貼近度的方法對其進行工程造價預測。

首先建立工程項目模糊關(guān)系。通過對多個同類型已建的工程項目資料進行分析，最終選出最相似的6個圍堰工程項目，分別表示為S1～S6。根據(jù)擬建工程的特征，確定出具有代表性的工程特征元素集合U=(工程量、地質(zhì)條件、施工條件、施工方法、材料可獲得性)，根據(jù)特征論域，計算出各元素的隸屬函數(shù)值，則可確定工程模糊關(guān)系系數(shù)，如表3所示。

表3 工程模糊關(guān)系系數(shù)工程類型代號工程量地質(zhì)條件施工條件施工方法材料可獲得性S10.830.700.840.690.78S20.850.770.810.820.90已建工程S30.850.680.790.750.87S40.800.820.830.850.79S50.760.850.800.770.85S60.900.780.850.800.87擬建工程Sx0.840.810.870.790.86

確定已建工程和擬建工程的工程模糊系數(shù)之后，即可根據(jù)模糊貼近度數(shù)學計算公式計算出兩者的貼近度。Sx與Si(i=1，2，3，4，5，6)的貼近度計算結(jié)果如表4所示。

表4 擬建工程與已建工程的貼近度計算項目S1S2S3S4S5S6Sx·Si0.840.860.860.830.850.86Sx☉Si0.790.810.790.810.790.80Sx與Si的貼近度0.5250.5250.5350.5100.5300.530

根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)，對貼近度數(shù)值進行從大到小排序，分別為0.535，0.530，0.530，0.525，0.525，0.510。根據(jù)擇近原則，選出3個貼近度數(shù)值最大的已建工程作為估算擬建工程造價的基礎，分別為S3、S5、S6對應的貼近度數(shù)值，即a1=0.535，a2=0.530，a3=0.530。

已知已建工程S3的單位工程造價約為c1=122元/m3；S5的單位工程造價約為c2=131元/m3；S6的單位工程造價約為c3=128元/m3。依據(jù)施工經(jīng)驗，調(diào)整系數(shù)k的取值范圍為1.02～1.05，本工程取k=1.04，利用模糊數(shù)學公式估算圍堰工程的單位工程造價。根據(jù)式(2)，可得C=130.44元/m3。

估算出擬建工程的造價之后，需對其結(jié)果進行可靠性檢驗。利用以上方法對該工程造價進行估算，并與實際造價進行比較，結(jié)果顯示，估算結(jié)果比概算定額價低約8%，與其實際造價的誤差小于10%，可說明利用模糊貼近度的造價估算方法可行，預估結(jié)果可靠。

6 結(jié)語

介紹了一種基于模糊貼近度原理的圍堰造價預測方法，并以華容河航道圍堰工程為例進行驗證。從實際情況表現(xiàn)來看，用模糊貼近度方法估算出的工程造價與該工程實際造價誤差小于10%，具有較好的吻合度。因此，在確定出較為準確的模糊參數(shù)前提下，模糊貼近度的造價預測方法相對于傳統(tǒng)造價估算方法，其估算速度會更及時、準確，對工程造價的預測有較好的參考價值。