蒲石河抽水蓄能电站土石方调配方案研究

宋浩然

(辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪 117100)

蒲石河抽水蓄能电站土石方调配方案研究

宋浩然

(辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪 117100)

针对蒲石河抽水蓄能电站的土石方明挖料和洞挖料的利用率进行调整，分别建立两种土石方调配方案。利用元胞自动机模型和求解方法进行方案的调配结果计算，最终选择出更为合适的方案。该方案在满足各填筑部位物料需求的前提下，提高了利用率和中转率，降低了工程造价，对类似工程具有一定的参考价值。

蒲石河抽水蓄能电站；土石方调配；元胞自动机模型

1 工程概况

蒲石河抽水蓄能电站是我国东北地区新建的大型水利工程项目，位于辽宁省宽甸满族自治县长甸镇境内[1]。该工程总投资约45亿元，设置4台机组，装机总容量120万kW。工程建成后将担负东北电网的调峰、填谷任务，对保证东北电网的稳定运行具有重要作用。蒲石河抽水蓄能电站为Ⅰ等大(1)型工程，主要由上下游水库、混凝土面板堆石坝、上下水库进水口、泄洪排沙闸坝，以及地下厂房组成。其中，上水库大坝坝顶全长714.0 m ，坝顶宽10.0 m，坝顶高程395.5 m，最大坝高78.5 m，坝上、下游坡比均为1∶1.4，大坝最大底宽237.3 m[2]。

按照电站的施工组织设计，其施工难点主要是施工工期紧张，上下水库同时施工，需要进行多项目交叉作业，物料运输协调十分复杂。其中土石方平衡调配是施工组织设计和工程管理的重要内容。合理设计土石方调配方案，可以减少开采、弃渣、转运等诸环节的工作量，缩短工期、降低成本。而调配方案的顺利实施又会对施工进度、项目区环境产生明显影响。因此，制定合理的土石方调配方案就显得尤为重要。

2 基于元胞自动机土石方调配模型

2.1 建模背景

蒲石河电站工程的堆石坝物料需求很大，需要进行大量的土石方调配，同时需要多料源、多料种上坝，而开采料场只有一个。因此，从供料源到受料源多为一对多的形式，都需要进行合理的料物匹配，以满足施工要求。为了达到料物的开采、转运、填筑等环节的综合平衡，同时兼顾上下游大坝同时施工的特点，特选用元胞自动机这种时间与空间均离散的建模原理进行调配模型的构建[3]。

2.2 土石方调配模型的构建

土方调配模型需要达到的目的是：满足工程费用、工期、质量等相关要求，得到土石方的来源、流向、路径及调配数量等详细信息，为调配方案的优化提供依据[4]。模型的具体构建流程如图1所示。

图1 模型的构建流程图

本次研究中的元胞代表所划分开挖项目、填筑项目、料场、中转场、弃渣场五个项目，元胞空间代表调配项目所在的上库区和下库区两个区域[5]。土石方调配项目主要包含供料源和受料区，供料源主要包括开挖料、料场开采料、中转场中转料；受料区主要包括开挖填筑项目，中转场，弃渣场。对系统进行网格划分后，确定元胞和元胞空间的网格，结合计算机的处理能力，本次研究选择50×50的网格。模型的时间维采用仿真钟的方法模拟，初始值为0，步长为1，模拟时间单元为“月”。模型的演化规则为：①读取元胞的初始状态；②读取相关信息；③更新元胞状态，获取下一元胞的信息进行更新；④以更新后的元胞状态为基准，计算下一时间步长内的元胞状态；⑤记载调配活动；⑥模拟时段完毕，演化结束[6]。

2.3 调配模型的求解方法

本文利用元胞自动机思想和邻居状态及其演化规则进行调配结果的求解[7-8]。建立土石方调配模型后，以计算机编程语言 Visual Studio 2010 为开发平台模拟设计整个土石方调配过程。

3 土石方调配方案比选

3.1 调配方案的设计

针对土石方明挖料和洞挖料的利用率进行调

整，分别设计方案一和方案二进行对比，并利用元胞自动机模型与求解方法，计算两种方案的调配结果，以选择更为合适的方案。方案一和方案二的利用系数见表1。由上、下水库的填筑料需求可知，上水库尽可能利用自身开挖获得的可利用料，不足部分由尾料场供给。下水库的开挖料主要是强风化料，只有部分进、出水口和库盆处理获得的弱风化料可以用于工程填筑，而大坝填筑所需的石料主要由上水库洞挖料和尾石料场提供。

表1 土石方明挖料利用系数

3.2 方案一的调配计算

对坝体填筑前土石方开挖转存流向利用模型进行调配后，获得的供料源及受料区的上坝填筑的方式见表2和表3。

表2 供料源上坝方式统计表

表3 填筑区上坝方式统计表

对上、下库区的主要项目进行土石方调配，结果见表4和表5。由表中数据可知，上、下库区各填筑项目所需物料由开挖项目提供 140.41万 m3，由上水库库尾石料场需提供250 万 m3的可利用石料，由下水库中转场可提供约 14.41 万 m3弱风化新鲜石料，由砂石加工系统提供 16.07 万 m3加工石料，公路弃渣场可回采 8.93 万 m3新鲜石料。

表4 上库区主要项目土石方调配结果 104 m3

表5 下库区主要项目土石方调配结果 104 m3

3.3 方案二的调配计算

对坝体填筑前土石方开挖转存流向利用模型进行调配后，获得的供料源及受料区的上坝填筑的方式见表6和表7。

表6 供料源上坝方式统计表

对上、下库区的主要项目进行土石方调配，结果见表8和表9。由表8和表9可知，上、下库区各填筑项目所需料物由开挖项目提供146.92万 m3，由上水库库尾石料场需提供241.29 万 m3的可利用石料，由下水库中转场可提供约 26.01万 m3弱风化新鲜石料，由砂石加工系统提供 16.67 万 m3加工石料，公路弃渣场可回采 8.93 万 m3新鲜石料。

表7 填筑区上坝方式统计表

表8 上库区主要项目土石方调配结果 104 m3

表9 下库区主要项目土石方调配结果 104 m3

3.4 结果分析

从计算结果可以看出，两种方案中的上、下水库的原料均采用直接上坝的方式，上坝率较高，对中转填筑量的需求均较小，有利于施工过程中的道路运输，降低施工成本。

从土石方填筑平衡计算结果来看，方案二的开挖料利用率较大，石料场需要提供241.29万m3的石料，相比方案一减少8.71万m3，而下水库中转场提供给大坝的过渡料填筑石料比方案一多11.60万m3，从而减少了石料场的开采量。

4 结 论

(1)由方案的调配结果可知，基于元胞自动机的土石调配模型可以用于水利工程土石方调配计算，能够显著提高料物的直接上坝率、降低了中转量与开采量，可以有效解决这一施工难点。

(2)通过对两方案的计算结果对比，方案二石料场的开挖量较方案一少，且石方的开挖利用率较高，但施工过程中因为各种不可预知的因素造成石方的损耗加大，则很难进行二次开挖进行补充。因此，综合考虑各种因素，建议采用方案一更为合适。

[1] 刘大群.蒲石河抽水蓄能电站的渣场布置与防护[J].水利技术监督,2017(1):48-51.

[2] 董秋艳.蒲石河水库库区水井封堵技术[J].黑龙江水利,2016(5):74-76.

[3] 陈国宏,蔡彬清,李美娟.元胞自动机:一种探索管理系统复杂性的有效工具[J].中国工程科学,2007(1):28-32，39.

[4] 李晓伟,刘大炜,姜韶阳,等.基于线性规划的土石方动态调配系统建模仿真[J].人民黄河,2013(3):120-123.

[5] 周厚贵,曹生荣,申明亮.土石方调配研究现状与发展方向[J].土木工程学报,2009，42(2):131-138.

[6] Vahdatikhaki F, Hammad A. Framework for near real-time simulation of earthmoving projects using location tracking technologies[J].Automation in Construction, 2014 (42):50-67.

[7] 张晴,周宜红,龚攀.绩溪抽水蓄能电站土石方调配方案研究[J].水电能源科学,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，辽宁铁岭人，工程师， 主要从事水利工程建设与管理工作。E-mail：Cz100A@163.com。

TV541

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2096-0506(2017)04-0053-05