基于三維土質(zhì)模型的疏浚吹填工程土料調(diào)配優(yōu)化與應(yīng)用

李明超，張雨新，高?偉，秦?亮

?

基于三維土質(zhì)模型的疏浚吹填工程土料調(diào)配優(yōu)化與應(yīng)用

李明超1，張雨新1，高?偉2，秦?亮3

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300354；2. 中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461；3. 中交天津航道局有限公司，天津 300461)

為了提高疏浚吹填工程土料調(diào)配方案設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化疏浚吹填工程土料調(diào)配過程，針對(duì)疏浚吹填工程土質(zhì)情況復(fù)雜、土料調(diào)配過程施工工序多、施工環(huán)境復(fù)雜且極易受到外界自然條件的影響和限制的特點(diǎn)，提出了基于三維土質(zhì)模型的疏浚吹填工程土料調(diào)配優(yōu)化方法．該方法采用基于不同數(shù)據(jù)來源的三維多精度建模方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜水下土質(zhì)條件的三維建模；基于疏浚吹填工程施工工藝，綜合考慮了疏浚吹填土料在調(diào)配過程中所受到的復(fù)雜約束條件，建立了疏浚吹填土料調(diào)配平衡優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型．工程實(shí)例應(yīng)用表明，該方法能有效對(duì)疏浚吹填工程土料調(diào)配過程進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)方法對(duì)比，該方法能夠確定更優(yōu)的土料調(diào)配規(guī)劃方案，有效節(jié)約工程成本，為疏浚吹填工程的調(diào)配方案設(shè)計(jì)提供了新的手段．

疏浚吹填；三維土質(zhì)模型；土料動(dòng)態(tài)調(diào)配；施工過程；優(yōu)化平衡；

疏浚吹填工程是指在規(guī)定的范圍和深度內(nèi)利用挖泥船挖掘河湖、航道和港口水底的淤泥、粉砂及巖石等土料，并輸送至陸地或水下邊灘進(jìn)行填筑的工程.隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沿海地區(qū)的用地需求不斷增長(zhǎng)，促進(jìn)了疏浚吹填技術(shù)在圍海造陸工程中的?應(yīng)用[1]．

疏浚吹填工程往往工程量巨大，可達(dá)幾千萬(wàn)方．吹填土料料源眾多，不同吹填區(qū)域?qū)ν临|(zhì)要求各不相同，料源開挖時(shí)間及土料運(yùn)輸受工程施工進(jìn)度計(jì)劃及圍埝施工的限制．因此，土料的優(yōu)化調(diào)配與綜合平衡系統(tǒng)是一個(gè)受時(shí)間、空間影響與約束的動(dòng)態(tài)調(diào)配系統(tǒng)，對(duì)降低工程造價(jià)和保證工期有重要意義．目前，在疏浚吹填工程中進(jìn)行土料的優(yōu)化調(diào)配與綜合平衡大多是設(shè)計(jì)人員結(jié)合自身的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行土料的綜合調(diào)配，其問題本質(zhì)是土料優(yōu)化調(diào)配模型的建立，這與土石壩工程、路堤工程、場(chǎng)平工程等涉及到的土料調(diào)配問題的主要原理與方法是一致的[2]．但在考慮其具體工程施工工藝特征時(shí)，其側(cè)重點(diǎn)與需要解決的關(guān)鍵問題有所不同．例如，Moreb[3]綜合考慮道路工程中的道路坡度和土石方調(diào)運(yùn)，建立了以道路坡度為決策變量、以土石方調(diào)配總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)的線性規(guī)劃模型；鐘登華等[4]、胡程順等[5]針對(duì)土石壩工程，考慮了調(diào)配系統(tǒng)中的時(shí)間因素，采用系統(tǒng)分析的方法，建立了土石方動(dòng)態(tài)調(diào)配優(yōu)化模型；楊瑞敏等[6]通過以泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)為基礎(chǔ)，分析了料場(chǎng)內(nèi)疏浚泥沿程變化規(guī)律，為準(zhǔn)確評(píng)估料場(chǎng)存儲(chǔ)能力和合理選擇疏浚泥處理工藝提供了理論基礎(chǔ)；王凱等[7]將采用最小元素方法對(duì)疏浚吹填工程的管線布置方案進(jìn)行優(yōu)化，但其數(shù)學(xué)模型僅考慮疏浚土料在空間數(shù)量上的平衡，沒有考慮實(shí)際疏浚土質(zhì)情況．

而三維地質(zhì)模型技術(shù)能夠?qū)⒌刭|(zhì)體的三維效果逼真地顯示出來，同時(shí)能夠保證各種信息數(shù)據(jù)不失?真[8]．例如，Lemon與Jones[9]綜合考慮工程勘測(cè)提供的鉆孔與剖面數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)體地質(zhì)模型的構(gòu)建；Caumon[10]與Hack等[11]提出考慮包括時(shí)間維度信息的四維地質(zhì)建模新設(shè)想，為地質(zhì)建模工作開拓新的思路；鐘登華等[12]提出基于NURBS混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一建模方法，實(shí)現(xiàn)水利水電工程三維地質(zhì)建模與分析；并進(jìn)一步應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下地下洞室三維參數(shù)化建模與方案設(shè)計(jì)，取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果[13]；Li等[14]針對(duì)多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的離散性與不規(guī)則性特征，提出了4種適用于不同數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)精度的三維建模方法，為實(shí)際工程需求提供了靈活的建模模式；繆正建等[15]針對(duì)疏浚工程的特殊性和復(fù)雜性，提出了基于細(xì)節(jié)層次模型的多精度建模方法，實(shí)現(xiàn)了多精度模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)并保證了三維土質(zhì)模型的精確度和準(zhǔn)確性．

在上述研究成果基礎(chǔ)上，針對(duì)疏浚吹填工程的特點(diǎn)，綜合考慮疏浚土質(zhì)分類、疏浚吹填施工工藝和施工過程的關(guān)鍵影響因素和約束條件，基于三維土質(zhì)模型的建立，結(jié)合工程施工進(jìn)度，以全過程系統(tǒng)調(diào)配成本最低為目標(biāo)，建立疏浚吹填土料平衡調(diào)配優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，提出疏浚吹填土料調(diào)配規(guī)劃方案的優(yōu)化分析方法，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了應(yīng)用分析．

1?考慮土質(zhì)條件的疏浚吹填土料調(diào)配優(yōu)化分析方法

1.1?疏浚吹填工程施工過程分析

目前常用的吹填法主要分為以下4種[16]：①絞吸式挖泥船直接吹填；②斗式或射流式挖泥船挖泥裝泥駁，用吹泥船吹填；③耙吸式挖泥船自挖、自吹；④耙吸式挖泥船挖泥、運(yùn)泥倒入儲(chǔ)泥坑，而后用絞吸式挖泥船挖出．實(shí)際施工中以絞吸式挖泥船直接吹填為主，其主要原因是絞吸式挖泥船的挖深范圍大、可挖取的土質(zhì)范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)能夠?qū)⑼谀?、輸送、吹填等工序一次性完成，且?duì)其他工程輔助船舶的依賴性小，能夠在施工過程中連續(xù)作業(yè)，作業(yè)效率高[18]．因此本文以絞吸式挖泥船施工來開展研究．

疏浚吹填工程主要施工工藝流程如圖1所示[16-17].

(1) 挖泥方法．采用絞吸式挖泥船直接吹填的挖泥施工以單樁前移橫挖法為宜，即以一根鋼樁為主樁，始終對(duì)準(zhǔn)挖槽中心線作為橫挖的擺動(dòng)中心，而另一根鋼樁作為副樁，備前移換樁之用．最大挖寬一般為船長(zhǎng)的(1.2～1.4)倍，船體左右搖擺角度以70°～80°為宜．

(2) 吹填方法．①施工準(zhǔn)備，包括實(shí)測(cè)吹填區(qū)地形、設(shè)計(jì)吹填斷面、計(jì)算吹填所需土料、施工放樣等步驟；②吹填施工，包括水力充填和沉淀池輪回分邊吹填，一般設(shè)計(jì)高程與水下坡比達(dá)1/20時(shí)停止吹填；③人工填筑和固頂，待固結(jié)穩(wěn)定，吹填區(qū)下沉一定尺寸后，人工進(jìn)行加高、整形、修坡以達(dá)到設(shè)計(jì)要求．

1.2?三維土質(zhì)模型支持下的土料調(diào)配平衡優(yōu)化方法

疏浚工程中，往往面臨復(fù)雜水下土質(zhì)條件，傳統(tǒng)的疏浚勘察無法準(zhǔn)確估計(jì)三維土質(zhì)空間分布情況．隨著疏浚工程項(xiàng)目迅速發(fā)展，傳統(tǒng)斷面法計(jì)算疏浚量的方式效率低、準(zhǔn)確性差，使其越來越不能滿足疏浚工藝的要求，而土質(zhì)三維建模和可視化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并已經(jīng)成功應(yīng)用于大量工程中．本課題組研制開發(fā)了疏浚工程土質(zhì)三維建模與可視化分析系統(tǒng)，在復(fù)雜土質(zhì)條件下疏浚工程土級(jí)定量分類、針對(duì)疏浚工程不同階段的土質(zhì)土級(jí)三維多精度建模、基于土質(zhì)土級(jí)模型的疏浚工程開挖過程模擬與分析等方面取得了相應(yīng)的成果[15,19-20]．通過結(jié)合三維土質(zhì)模型，不僅能夠直觀反映出疏浚區(qū)的土質(zhì)情況，而且能夠準(zhǔn)確地計(jì)算疏浚工程量，大大彌補(bǔ)傳統(tǒng)斷面法的不足，為土料調(diào)配規(guī)劃提供更詳細(xì)的土質(zhì)信息．

圖1?疏浚吹填工程主要施工工藝流程

土料調(diào)配優(yōu)化系統(tǒng)是一個(gè)受時(shí)間、空間約束限制的復(fù)雜動(dòng)態(tài)調(diào)配系統(tǒng)．因此，本文提出了一種基于三維土質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)調(diào)配優(yōu)化方法，其主要流程包括測(cè)量勘察→三維土質(zhì)模型→土料調(diào)配綜合平衡規(guī)劃→最優(yōu)土料調(diào)配規(guī)劃方案，如圖2所示．該方法具體的實(shí)現(xiàn)過程為：①對(duì)工程區(qū)域進(jìn)行鉆孔勘察；②利用勘察資料，三維建模，建立三維土質(zhì)模型；③基于三維土質(zhì)模型，對(duì)疏浚吹填工程進(jìn)行疏浚工程量計(jì)算分析、土質(zhì)信息分析、吹填排距計(jì)算分析；④通過疏浚吹填土料動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)配模型，初步確定土料調(diào)配規(guī)劃方案；⑤根據(jù)工程及現(xiàn)場(chǎng)具體情況，對(duì)初步方案進(jìn)行施工檢查，若土料調(diào)配規(guī)劃方案存在不合理的地方，則調(diào)整方案和改進(jìn)優(yōu)化調(diào)配模型相關(guān)輸入?yún)?shù)，直至得出最優(yōu)土料調(diào)配規(guī)劃方案．

圖2?基于三維土質(zhì)模型的土料調(diào)配優(yōu)化方法流程

該方法綜合考慮了關(guān)鍵的影響因素和制約條件，將整個(gè)疏浚吹填工程施工全過程作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，可協(xié)調(diào)工程實(shí)施過程中遇到的相互制約的關(guān)系，便于優(yōu)化整個(gè)施工過程．

2?疏浚吹填施工過程土料動(dòng)態(tài)調(diào)配數(shù)學(xué)模型

圖3給出了任意時(shí)段從疏浚區(qū)到吹填區(qū)土料調(diào)配示意，為了描述方便，對(duì)各料源的數(shù)量做統(tǒng)一規(guī)定：個(gè)疏浚供料源，個(gè)吹填受料區(qū)，個(gè)施工時(shí)段．土料調(diào)配就是在滿足各項(xiàng)施工進(jìn)度和吹填材料質(zhì)量要求的前提下滿足以下條件：①合理調(diào)配疏浚吹填工程疏浚吹填土料；②全過程調(diào)配成本最低的目標(biāo)，以確定各時(shí)期、各區(qū)域相應(yīng)的調(diào)配規(guī)劃．對(duì)土料動(dòng)態(tài)調(diào)配數(shù)學(xué)模型有如下假定：所有疏浚、吹填分區(qū)規(guī)劃(包括分區(qū)的數(shù)量、位置及各種土料儲(chǔ)量、吹填容量等)已經(jīng)完成，即土料調(diào)配是在已經(jīng)確定的規(guī)劃下進(jìn)行的．

圖3?任意時(shí)段土料調(diào)配示意

建立疏浚吹填工程中土料調(diào)配數(shù)學(xué)模型，其目標(biāo)函數(shù)為

?(1)

考慮的約束條件主要包括以下7個(gè)方面．

1) 供量約束

?(2)

2) 需量約束

?(3)

3) 吹填土料土質(zhì)特性約束

吹填土料土質(zhì)特性約束指在進(jìn)行吹填土料調(diào)配的過程中，根據(jù)用途在相應(yīng)吹填區(qū)內(nèi)的吹填土料必須滿足相應(yīng)地基設(shè)計(jì)要求，從而對(duì)吹填土料有具體土質(zhì)要求．根據(jù)設(shè)計(jì)要求，吹填區(qū)需要由疏浚區(qū)運(yùn)輸某種吹填土料P(m3)，則有

?(4)

4) 不可能運(yùn)輸路徑約束

不可能運(yùn)輸路徑反映了疏浚區(qū)與吹填區(qū)的使用規(guī)劃、吹填土料的吹填填筑關(guān)系．同時(shí)，土料的吹填填筑關(guān)系是進(jìn)行土料動(dòng)態(tài)調(diào)配最重要和最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)．根據(jù)前面敘述過的供料源與受料源的詳細(xì)劃分，對(duì)不可能的運(yùn)輸路徑→，標(biāo)定其調(diào)配量為0，即

?(5)

5) 價(jià)格系數(shù)約束

?(6)

6) 疏浚區(qū)疏浚強(qiáng)度約束

疏浚區(qū)的疏浚方量應(yīng)滿足疏浚強(qiáng)度的要求，即

?(7)

7)非負(fù)約束

要求線性規(guī)劃的所有變量為非負(fù)數(shù)，即

?(8)

綜合上述目標(biāo)函數(shù)和約束條件，從而構(gòu)建了疏浚吹填土料動(dòng)態(tài)調(diào)配系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型．

3?工程實(shí)例分析

某疏浚吹填工程布置如圖4所示，A1、A2、A3區(qū)域?yàn)槭杩^(qū)，需開挖至設(shè)計(jì)水深-10,m，設(shè)計(jì)疏浚量790.02×104,m3．吹填區(qū)域分為B1、B2、B3、B4、B5共5個(gè)區(qū)域，設(shè)計(jì)吹填高程為5.5,m，設(shè)計(jì)容納土料790.02×104,m3．這里，疏浚量、吹填量已換算為考慮土質(zhì)膨脹等因素影響后的實(shí)際工程量．

圖4?疏浚吹填區(qū)域布置

3.1?三維土質(zhì)建模

根據(jù)疏浚區(qū)的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)建立的疏浚區(qū)三維土質(zhì)模型如圖5所示，圖5(a)為疏浚整體區(qū)域的三維土質(zhì)模型，圖5(b)為疏浚區(qū)A3的三維土質(zhì)模型.

在疏浚吹填工程中，土料輸送管線的布置安排即是由疏浚吹填土料的調(diào)配安排所決定的，管線排距是其中一個(gè)重要的定量指標(biāo)．管線排距指進(jìn)行泥漿輸送過程的輸送土料管線的長(zhǎng)度，為疏浚區(qū)到吹填區(qū)之間的距離，并以疏浚分塊的幾何中心點(diǎn)到吹填分塊的幾何中心點(diǎn)的連線距離作為理論排距．按照疏浚和吹填分區(qū)實(shí)際位置，測(cè)得不同區(qū)域之間的排距見表1.

圖5?疏浚區(qū)三維土質(zhì)模型

表1?疏浚吹填工程排距

Tab.1 Transportation distances of dredging and filling

各疏浚區(qū)不同土質(zhì)開挖量見表2．

表2?疏浚區(qū)不同土質(zhì)開挖量

Tab.2?Excavation volumes of different soil in dredging areas

3.2?土料調(diào)配優(yōu)化分析

根據(jù)行業(yè)規(guī)范相關(guān)規(guī)定[21-23]可計(jì)算得出在相應(yīng)疏浚工程船舶條件下不同疏浚單位土料運(yùn)價(jià)表，如表3所示，由式(6)計(jì)算可得各疏浚區(qū)的綜合土料運(yùn)價(jià)表，見表4．

表3?單位土料運(yùn)價(jià)表

Tab.3?Transportation price of unit soil元·(m3·km)-1

表4?加權(quán)單位土料運(yùn)價(jià)表

Tab.4?Weighted transportation price of unit soil元·(m3·km)-1

在該工程實(shí)例中，根據(jù)疏浚區(qū)的土料儲(chǔ)備和吹填區(qū)地基設(shè)計(jì)使用要求，吹填土料需滿足3點(diǎn)設(shè)計(jì)需求：①吹填區(qū)B2需從疏浚區(qū)A1調(diào)配125×104,m3的粉砂；②吹填區(qū)B5需從疏浚區(qū)A2調(diào)配53×104,m3的粉質(zhì)黏土；③吹填區(qū)B3需從疏浚區(qū)A3調(diào)配60×104,m3的砂質(zhì)黏土．將工程的基本調(diào)配數(shù)據(jù)及數(shù)學(xué)模型所需參數(shù)輸入后，通過所編制的程序運(yùn)算得到各種約束條件下的整體土料調(diào)配規(guī)劃優(yōu)化方案．所得到的調(diào)配結(jié)果數(shù)據(jù)主要包括各疏浚吹填區(qū)域之間具體的調(diào)配數(shù)據(jù)，見表5，最終計(jì)算得出總的調(diào)配費(fèi)用為35,654.37萬(wàn)元．由于文章篇幅有限，這里不詳細(xì)列出各個(gè)時(shí)段的疏浚吹填土料調(diào)配方案，表5為各不同時(shí)間階段調(diào)配結(jié)果的總體統(tǒng)計(jì)．

表5?疏浚吹填工程土料調(diào)配規(guī)劃方案

Tab.5 Optimization scheme of transportation distance of pipeline in dredging and filling engineering

3.3?方案比較分析

采用目前常用的最小元素法計(jì)算得到的疏浚吹填工程土料調(diào)配規(guī)劃方案見表6，總的調(diào)配費(fèi)用為38,833.17萬(wàn)元．

通過兩種優(yōu)化方法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可以看出，與最小元素法相比，所提出的優(yōu)化方法能有效降低了7.41%的工程成本，取得了較為顯著的效果．

上述兩種優(yōu)化方法的區(qū)別主要有以下3個(gè)方面：①本文提出的優(yōu)化方法通過基于三維土質(zhì)模型的分析方法得到疏浚吹填土料調(diào)配所需數(shù)據(jù)，提高了疏浚吹填土料調(diào)配數(shù)據(jù)參數(shù)的精度；②本文優(yōu)化方法考慮了更多的實(shí)際約束條件，尤其是基于三維土質(zhì)模型的土料分類約束；③兩種優(yōu)化方法在優(yōu)化求解計(jì)算上的區(qū)別為本文對(duì)優(yōu)化調(diào)配數(shù)學(xué)模型的求解是利用改進(jìn)的單純形法，該方法更適用于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的高效率?計(jì)算．

表6 基于最小元素法的疏浚吹填工程土料調(diào)配規(guī)劃?方案

Tab.6 Optimization scheme of transportation distance of pipeline based on minimum element method

4?結(jié)?語(yǔ)

疏浚吹填工程土料調(diào)配優(yōu)化是疏浚吹填工程施工中的一項(xiàng)重要內(nèi)容．本文針對(duì)疏浚吹填工程水下土質(zhì)情況復(fù)雜且難以分析的特點(diǎn)，提出三維土質(zhì)模型支持下的土料平衡調(diào)配優(yōu)化方法，建立基于三維土質(zhì)模型的疏浚吹填土料平衡調(diào)配優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并在某疏浚吹填工程土料調(diào)配規(guī)劃方案優(yōu)化上成功應(yīng)用．工程實(shí)例應(yīng)用表明，所提出的優(yōu)化模型能夠有效降低工程成本．

由于影響土料調(diào)配的因素眾多，例如實(shí)際施工中如果有兩條或者多條疏浚船舶布置在一個(gè)疏浚區(qū)域內(nèi)，或者在相鄰區(qū)域的施工干擾問題；管線由于地形等障礙物限制而不能按照直線布置而增加排距等，且隨機(jī)事件時(shí)有發(fā)生，如何更加真實(shí)地體現(xiàn)其受到的眾多約束以及人為干預(yù)因素，將是今后這項(xiàng)研究工作深入開展的重要內(nèi)容．

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(責(zé)任編輯：王新英)

Optimization Analysis and Application of Soil Allocation for Dredg ing and Filling Project Based on 3D Soil Model

Li Mingchao1，Zhang Yuxin1，Gao Wei2，Qin Liang3

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300354，China；2. Tianjin Port & Waterway Prospection and Design Research Institute，China Communications Construction Company Ltd，Tianjin 300461，China；3. Tianjin Dredging Company Limited，China Communications Construction Company Ltd，Tianjin 300461，China)

In order to improve the design efficiency of soil allocation scheme and optimize soil allocation process in dredging and filling engineering，considering complex soil condition，complex construction environment and a large number of construction processes and soil allocation process of dredging and filling engineering easily affected and restricted by the external natural conditions，a method of soil allocation optimization for dredging and filling engineering based on 3D soil model is proposed．A 3D multi precision modeling method based on different data sources is used and the 3D modeling of complex underwater soil conditions is realized in this method．Taking the complex constraint conditions in the process of soil allocation，a mathematical model of soil optimization allocation in dredging and filling engineering is established based on the construction technology of dredging and filling engineering．The application in practice shows that the soil allocation process in dredging and filling engineering can be effectively analyzed by this method．Compared with the traditional method，this method can determine a better plan of soil allocation，reduce engineering cost and provide a new method for the design of soil allocation in dredging and filling engineering.

dredging and filling；3D soil model；dynamic soil allocation；construction process；optimum balancing

10.11784/tdxbz201707067

TV512

A

0493-2137(2018)07-0684-07

2017-07-23；

2017-12-07.

李明超（1979—），男，博士，教授.

李明超，lmc@tju.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51622904 )；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379006)．

the National Natural Science Foundation of China for Excellent Young Scientists(No.,51622904) and the National Natural Science Foundation of China(No.,51379006)．