新马电站工程砂石料场优选的研究

2010-04-18蒲元威雷学刚

四川水利 2010年6期

蒲元威,雷学刚,陈新

(1.四川大学水电学院,成都,610065;2.四川省都江堰外江管理处,四川崇州,611230)

在水利水电工程中,尤其是长、大隧洞引水式电站工程中,工区范围较长(目前国内最长的引水隧洞已经超过 20km),工程面临多个需料点的情况。如坝体、厂房、调压井以及各个支洞口,都需要数目不等的混凝土拌和物。同时出于运输原因的考虑,砂石骨料料场分部在整个工程沿线。在这种无论是工程的砂石骨料供料点,还是砂石骨料需用点的分布都比较分散的情况下,设计砂石系统需要考虑更多的因素。因此,在砂石骨料“多供点 -多需点”的情况下,如何优化砂石系统的设计,是一个需要研究的问题。

本文以新马电站工程为例作一介绍。

1 新马电站工程概况

新马水电站位于四川省西昌市德昌县安宁河中游,德昌县城以南,上游为已建的小高桥水电站及在建的三棵树水电站。闸首位于小高桥乡的下大村,厂区位于锦川乡的罗乜村。本工程为低闸引水式电站,由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽三部分组成。

新马水电站工程共需混凝土总量 44.03万m3,碎石 0.17万 m3,浆砌块石 2.47万 m3,砂石骨料 124.12万 t。其中,卵(碎)石料 74.10万 t,砂料 50.02万 t。砌筑、抛填及钢筋笼用块 (卵)石料 2.55万 m3。

闸首枢纽需砂石骨料 21.15万 t。其中,卵(碎)石料 10.03万 t,砂料 4.90万 t。砌筑、抛填及钢筋笼用大块(卵)石料 2.18万 m3。厂区枢纽(包括前进渠进水口)需砂石骨料 12.57万 t,其中卵(碎)石料 8.49万 t,砂料 4.08万 t,砌筑、抛填及钢筋笼用块(卵)石料 1.37万 m3,土石方回填及填筑料 2.67万 m3。引水系统需砂石骨料61.04万 m3。其中 ,卵(碎)石料 55.58万 t,砂料41.05万 t。

据勘探资料,工程区内及附近共有天然砂卵石料场 11个。料场 1、料场 2、料场 4～料场 11共11个料场,为安宁河漫滩及心滩,除料场 1～料场2位于闸址上游 2.5km外,其余均位于闸址与厂址之间,分布高程 1160m～1309m,高于枯期河水位 1m～3m,料场距离闸址 0.9km～35km,距离厂址 1km～35km,有公路相通,交通便利。砂卵石料场的基本特征见表 1。

2 基于动态规划原理的骨料平衡计算模型的建立

2.1 动态规划原理

动态规划是应用数学中的一个实用分支,它是解决优化问题的一种特殊途径。动态规划不是一种特殊算法,实际上动态规划所要做的,是把解多个变量的问题,转化为解多个单变量问题。只要这样做可行,通常仅需要很小的计算量。这是经典极值方法所做不到的。

一般意义看,可以将骨料平衡(包括总量平衡)和级配描述为:m个供料点(料场)和 n个需料点供料的物料规划问题。对于天然采石场以及可利用的主体工程,开挖石渣料均根据位置的不同看作一个或多个供料点,后者与普通意义上的料场的区别,仅是可供料的级配不同(对于块石料场和主体工程开挖石渣料而言,只能提供的＞150mm或＞120mm的骨料)。同样,对于可利用主体工程开挖的砂卵石料,也根据位置的不同计为一个或多个供料点。

设 Wj为 j供料点的最大可采储量,则有:

Xj为 j供料点的开采储量则有约束条件 0≤Xj≤Wj。工程共有 n个需料点,bki表示计及损耗的第 k个需料点的第 i级骨料的需用量,Bk表示计及损耗的第 k个需料点的各级骨料的需用量之和。则:

表示各个供料点向第 k个需料点提供的骨料。xkj即表示第 j个供料点向第 k个需料点提供的骨料量,B表示工程骨料总需用量。则有:

用 X表示最优开采方案,则有:

本文中未经说明的涉及骨料量的各参数单位均为 t。

2.2 模型的建立

根据上述推导,引入虚拟时间段,将每一次循环计算为一个决策阶段,计算共需 N个循环。

设状态变量 Sk表示至前 k次循环时所确定的供料点开采方案,则对于初始状态 S0以各供料点均未开始开采计,有:

令 u1为第一次计算分析得到的可确定的供料点开采方式,即通过第一次计算分析,可以确定开采量和供料方案的料场;S1为第一循环累计确定的各供料点开采量,则:

相应于 u1供料方式的各料场开采方案为X1,用料方案为 C1,则为:

用料方案 C1为:

则,待定的各需料点骨料需用量 B2和供料点最大可采储量 W2可替换为:

则:

这时,待定的需料点骨料需要量 Bk+1和供料点的最大可采储量 Wk+1为:

对于前 k次循环时所确定的供料点开采方案Sk,有:

决策变量 uk表示第 k次循环所确定的供料点开采方案,uk为:

状态转移方程:

其中,Wk表示第 k次循环时,各供料点的最大可开采量。有:

令最优函数 fk(Sk)表示用料方案 Sk情况下的最小骨料生产及相关项目费用。因而可以写出动态规划的顺推关系式:

当 k=n时,Sn为系统的最优解。

2.3 最优性定理的验证

采用反证法证明如下:

模型计算出的最优开采方案为:

对于任意一个 k,0＜k＜n,若有:

即是说明,至少存在一个开采方案,较计算方案更优。设此方案为:

由上可知和计算过程矛盾,不能成立。即本模型满足动态规划的最优性定理。

3 料场规划系统的建立

本系统针对的是一类半结构化的决策问题。需要系统能通过提供背景资料、协助明确问题、修改完善模型、列举可能方案、进行分析比较等方式,为设计者做出正确决策提供帮助的人机交互式系统。系统具有以下一些基本的功能:

(1)能辅助设计完成规划设计问题,系统可以解决一部分分析工作的系统化问题,但这一过程的控制还需决策者的洞察力和判断力;

(2)系统通过人机交互接口为决策者提供辅助功能,它注重用户的学习、创造和审核;但是必须是辅助和支持用户,而不是代替他们进行判断;

(3)系统的目标是辅助人的决策过程,以改进决策制定的效能;

(4)系统能在不同的阶段为使用者提供不同的帮助;其程序的框架图见图 1。系统的框架细部图与系统框架思想图见图 2、图 3。

图 1 程序框架图

4 砂石料场优选系统求解

4.1 计算参数的选择

根据地勘提供的资料,共有 11个可选天然砂石料料场。根据试验资料,1#～3#支洞开挖料为千枚岩,不适合作为人工骨料原料,故未考虑采用隧洞开挖料作为人工骨料原料。故,工程按 11个天然供料点和 3个块石供料点(4#～6#支洞开挖料)计。

工程按地理位置的差异分为:闸首施工区、1#～6#支洞施工区、压力钢管及调压井施工区和厂房及前进堰施工区等 9个施工区。由于各工区位置相对独立,故将每个施工区看作 1个需料点。工程共有 9个需料点。

4.2 计算结果及分析

运用开发的料场优选系统,计算求得最优用料方案如表 2所示。根据料场选择的常规方法和优选系统,求解两种计算方法的结果和数据库中的参数,可以计算出两方案的技术经济指标(列于表 3中)。分析表 3可知,采用料场优选系统计算出的最优用料方案与常规计算方法相比,减少开挖量 35.41万 t,占总开挖量的 23.31%;减少弃料量 48.05万 t,占总弃料量的 371.04%;弃料百分比降低 24.29个百分点;骨料采用总投资减少 210万元,占总投资的 16.16%,综合骨料成本降低 2.6元 /t。