白鶴灘水電站料場(chǎng)補(bǔ)充開采規(guī)劃優(yōu)選設(shè)計(jì)

丁曉唐,覃 牧,崔恩豪

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098;2. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

白鶴灘水電站是金沙江下游4個(gè)梯級(jí)水電站中的第二級(jí)電站,是國(guó)家“西電東送”戰(zhàn)略中的骨干工程,電站總裝機(jī)容量為16 GW,多年平均發(fā)電量為624.43億kW·h,電站建成后,將僅次于三峽水電站,成為世界第二大巨型水電站[1]。

白鶴灘水電站旱谷地料場(chǎng)在開采施工過程中,發(fā)現(xiàn)料場(chǎng)地質(zhì)條件與前期勘查結(jié)果不一致,原有的料場(chǎng)開挖設(shè)計(jì)方案的有用料儲(chǔ)量復(fù)核計(jì)算后為1 090萬(wàn)m3,而有用料的規(guī)劃開采量根據(jù)DL/T 5397—2007《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定復(fù)核計(jì)算后為1 400萬(wàn)m3,按此計(jì)算,目前有用料儲(chǔ)量存在缺口約310萬(wàn)m3,存在有用料儲(chǔ)量不足的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這一工程問題,確保工程順利建設(shè),本文根據(jù)料場(chǎng)復(fù)核勘查資料,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開采面貌,擬進(jìn)行補(bǔ)充開采規(guī)劃方案的優(yōu)選設(shè)計(jì),并對(duì)補(bǔ)充開采規(guī)劃方案采用線性加權(quán)和法進(jìn)行多目標(biāo)方案分析,最終綜合多方面因素得出最優(yōu)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。

1 補(bǔ)充開采規(guī)劃設(shè)計(jì)及多方案對(duì)比分析方法

1.1 補(bǔ)充開采規(guī)劃設(shè)計(jì)要素

由于現(xiàn)場(chǎng)已按原開采方案進(jìn)行了開挖,形成了100 m高的開挖邊坡,并且現(xiàn)場(chǎng)存在前期征地紅線等邊界條件限制,同時(shí)由于白鶴灘水電站大壩已開始澆筑,需保證在進(jìn)行補(bǔ)充開采規(guī)劃時(shí)不影響開采施工,確保骨料的不間斷供應(yīng)。因此,為了確保補(bǔ)充開采規(guī)劃方案的科學(xué)合理,結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)及本工程特點(diǎn),對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)要素進(jìn)行分析[2-6]。

a. 料場(chǎng)南側(cè)下挖的必要性。由于料場(chǎng)開采施工中新發(fā)現(xiàn)了角礫狀灰?guī)r,分析判定為無(wú)用料,而現(xiàn)場(chǎng)開采揭露料場(chǎng)靠近大彎子溝側(cè)角礫狀灰?guī)r分布面積大,因此對(duì)于該范圍內(nèi)進(jìn)行料場(chǎng)開采的必要性需進(jìn)行論證,為補(bǔ)充開采規(guī)劃方案提供依據(jù)。

b. 料場(chǎng)各開采面開挖現(xiàn)狀。補(bǔ)充開采規(guī)劃設(shè)計(jì)需依據(jù)料場(chǎng)開挖現(xiàn)狀、場(chǎng)地布置和征地條件進(jìn)行,故需充分掌握料場(chǎng)各開采面的開挖現(xiàn)狀,進(jìn)而保證規(guī)劃的可行性。

c. 擴(kuò)挖方案施工條件及實(shí)施時(shí)機(jī)。在進(jìn)行具體的補(bǔ)充開采規(guī)劃方案設(shè)計(jì)時(shí),需要依據(jù)開挖現(xiàn)狀及施工通道進(jìn)行布置,分析方案各擴(kuò)挖區(qū)域的實(shí)施條件和實(shí)施時(shí)機(jī),確保方案的可行性,該項(xiàng)分析需依據(jù)具體方案進(jìn)行。

d. 方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。補(bǔ)充開采規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要是指在滿足工程建設(shè)需要的前提下,考慮擴(kuò)挖成本、相關(guān)設(shè)施改造費(fèi)用、工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)等因素。

1.2 方案綜合對(duì)比分析方法

對(duì)于多方案的對(duì)比分析,需考慮的因素往往很多,而目前解決多目標(biāo)規(guī)劃問題的一個(gè)基本途徑就是把它轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)規(guī)劃問題,這種處理方式稱之為目標(biāo)規(guī)劃問題的標(biāo)量化處理[7],主要方法包括評(píng)價(jià)函數(shù)法、目的規(guī)劃法、分層序列法、交互規(guī)劃法、隸屬函數(shù)法等。其中評(píng)價(jià)函數(shù)法常見的處理方法是通過構(gòu)造一個(gè)實(shí)函數(shù),使得原多目標(biāo)規(guī)劃問題變?yōu)橐粋€(gè)線性或者非線性規(guī)劃問題,目前常見的處理函數(shù)主要包括線性加權(quán)和法、參考目標(biāo)方法、極大極小點(diǎn)法、范數(shù)理想點(diǎn)法等[8]。

本文采用線性加權(quán)和法進(jìn)行多目標(biāo)方案分析[9-10],該方法是通過構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)來進(jìn)行方案的對(duì)比分析,通過對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算而最終根據(jù)綜合函數(shù)值得出最優(yōu)方案。結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)情況,主要考慮有用料儲(chǔ)量、擴(kuò)挖時(shí)機(jī)、擴(kuò)挖條件和經(jīng)濟(jì)性4項(xiàng)指標(biāo),采取工程類比法[11]對(duì)各因素的權(quán)重進(jìn)行設(shè)置,然后計(jì)算得出各方案的綜合分?jǐn)?shù),最終得出最優(yōu)方案。最優(yōu)方案應(yīng)避免工程后期因骨料不足而延誤工程施工進(jìn)而影響工程質(zhì)量、工程造價(jià)、工程工期等問題,保障白鶴灘水電站的順利建設(shè)。

2 補(bǔ)充開采規(guī)劃方案設(shè)計(jì)

2.1 料場(chǎng)南側(cè)下挖的必要性

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)專業(yè)提供的地質(zhì)平切面圖,可知料場(chǎng)南側(cè)區(qū)域有用料所占比例隨著開挖高程的降低而逐步增大。以3條典型斷層F5、F6、F14為界分析各高程平臺(tái)的有用料所占比例,結(jié)果見圖1,可見1 510 m高程以下,有用料所占比例逐步遞增,尤其是1 425 m高程以下有用料所占比例較高。經(jīng)統(tǒng)計(jì),斷層F5南側(cè)區(qū)域有用料占57.7%,整體而言,該處下挖仍是有必要的。

圖1 1 525 m高程以下斷層F14、F6、F5以南有用料所占比例

2.2 料場(chǎng)各開采面開挖現(xiàn)狀

旱谷地料場(chǎng)截至2017年7月10日,下挖至1 525 m高程并形成大平臺(tái),將料場(chǎng)開挖邊坡從東邊逆時(shí)針依次標(biāo)記為A～E面邊坡,料場(chǎng)開挖區(qū)面貌如圖2所示。

圖2 旱谷地料場(chǎng)2017年7月10日開挖面貌

目前,A面邊坡已大規(guī)模開挖并支護(hù),1 525 m高程樁號(hào)AK0+300 m以北角礫狀灰?guī)r基本無(wú)出露,且從1 510 m高程以下角礫狀灰?guī)r面積占比逐漸變小,料源性質(zhì)轉(zhuǎn)好,A面邊坡上游與居民點(diǎn)尚有一段距離,存在擴(kuò)挖可行性。

B面邊坡頂部局部已開挖并支護(hù),外側(cè)無(wú)用料剝離最低高程已經(jīng)達(dá)到1 480 m,1 510～1 530 m高程已大規(guī)模開挖,爆出料塊度較大、強(qiáng)度較高、銹面較少、夾泥不明顯,料源整體質(zhì)量較好,為目前料場(chǎng)開挖實(shí)際出露最好的料源位置。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘,發(fā)現(xiàn)B面邊坡區(qū)域上部位置可進(jìn)行擴(kuò)挖。

C面邊坡通過地質(zhì)補(bǔ)充勘查,補(bǔ)充勘查鉆孔揭示該處風(fēng)化溶蝕問題突出,巖體破碎,含泥量高,繼續(xù)開采該部分利用率較低。此外,該處緊鄰小紅巖溝,溝壁外側(cè)堆積崩坡積體、沖洪積體較厚,原開挖方案存在側(cè)坡不穩(wěn)定和小紅巖溝側(cè)向滲漏問題,C面邊坡臨近小紅巖溝無(wú)法擴(kuò)挖。

D面邊坡尚未啟動(dòng)開挖支護(hù),擴(kuò)挖區(qū)域位于料場(chǎng)以西、砂石系統(tǒng)粗碎卸車平臺(tái)以東的坡緩地帶,現(xiàn)有原狀地面高程為1 405～1 430 m左右,擴(kuò)挖條件較好。

E面邊坡臨近大灣子溝,邊坡外側(cè)為陡崖,不存在擴(kuò)挖可行性。

2.3 補(bǔ)充開采規(guī)劃方案1

鑒于現(xiàn)場(chǎng)開挖揭露的A、B面邊坡夾角位置料源品質(zhì)最好,本規(guī)劃方案主要針對(duì)A、B面邊坡交界部位進(jìn)行補(bǔ)充開采設(shè)計(jì),擴(kuò)挖規(guī)劃設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：①A面邊坡樁號(hào)AK0+200 m以北的1 480～1 495 m高程邊坡開挖坡比由1∶0.5調(diào)整為1∶0.4,1 480 m高程以下邊坡開挖坡比由1∶0.3調(diào)整為1∶0.2;②B面邊坡開挖底邊線整體平行外擴(kuò)49 m,并將B面邊坡走向按逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)25°;③將C面邊坡原設(shè)計(jì)邊坡底邊線回退40 m;④D面邊坡底邊線外擴(kuò)100 m。整體補(bǔ)充開采規(guī)劃方案如圖3所示。

圖3 方案1整體擴(kuò)挖規(guī)劃示意圖 (單位:m)

通過對(duì)A、B、D面邊坡擴(kuò)挖并考慮C面邊坡回退后,可增加有用料儲(chǔ)量約262萬(wàn)m3(表1),總的有用料儲(chǔ)量為1 352萬(wàn)m3,有用料擴(kuò)大系數(shù)為1.45。該方案優(yōu)點(diǎn)是B面邊坡有用料開挖量較大,該部分目前出露的料源質(zhì)量相對(duì)較好,開采獲得有用料的保證性較好。缺點(diǎn)是B坡面擴(kuò)挖超出征地紅線,按管理部提供的信息,解決征地最少需要4個(gè)月以上,且通往擴(kuò)挖區(qū)的道路將隨A面邊坡開采而被挖除,B面邊坡二次邊坡開挖道路布置困難,開挖設(shè)備及材料運(yùn)輸存在問題。

表1 方案1儲(chǔ)量增量

2.4 補(bǔ)充開采規(guī)劃方案2

本方案規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)以有用料充分開采為設(shè)計(jì)目標(biāo),針對(duì)方案1中有用料儲(chǔ)量略顯不足進(jìn)行設(shè)計(jì),將A面邊坡進(jìn)一步擴(kuò)挖,對(duì)A面邊坡樁號(hào)AK0+300 m以北邊坡走向進(jìn)行整體順時(shí)針偏轉(zhuǎn)15°調(diào)整,以不影響周圍居民區(qū)為限制,充分開挖該位置料源,其余的B、C、D、E面邊坡同方案1。方案2的整體擴(kuò)挖規(guī)劃見圖4。

圖4 方案2整體擴(kuò)挖規(guī)劃示意圖(單位:m)

通過A、B、D面邊坡擴(kuò)挖并考慮C面邊坡回退后,可增加有用料儲(chǔ)量約383萬(wàn)m3(表2),有用料擴(kuò)大系數(shù)為1.58。該方案優(yōu)點(diǎn)是開挖至1 360 m高程的有用料開挖量最大,規(guī)劃后的終采面積最大,對(duì)骨料料源保障性高。缺點(diǎn)是:①A面邊坡需要二次開挖,因邊坡已開挖了近100 m,而目前出露的有用料主要在臨近開挖邊坡側(cè),二次開挖將影響下方有用料區(qū)的開采,影響時(shí)間至少5個(gè)月,可能影響成品料供應(yīng);②A、B面邊坡超出征地紅線,解決征地最少需要4個(gè)月以上,且A面邊坡擴(kuò)挖后離居民點(diǎn)較近,爆破影響較大;③二次邊坡開挖道路布置困難,開挖設(shè)備及材料運(yùn)輸存在問題。

表2 方案2儲(chǔ)量增量

2.5 補(bǔ)充開采規(guī)劃方案3

本方案為了避免方案1中重新征地的問題,將B面邊坡的擴(kuò)挖距離進(jìn)行了調(diào)整,B面邊坡開挖底邊線整體外擴(kuò)30 m,并將B面邊坡走向按逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)20°,方案無(wú)須新征地。同時(shí)為了保證有用料規(guī)劃開采量?jī)?chǔ)備滿足要求,將料場(chǎng)開采底高程降低至1 340 m,其余擴(kuò)挖設(shè)計(jì)同方案1。其中A面邊坡、B面邊坡在1 360 m高程留30 m寬?cǎi)R道,C、D、E面邊坡在1 360 m高程留3 m寬?cǎi)R道,下挖坡比1∶0.75。方案3的整體擴(kuò)挖規(guī)劃見圖5。

圖5 方案3整體擴(kuò)挖規(guī)劃示意圖(單位：m)

通過A、B、D面邊坡擴(kuò)挖,1 360 m平臺(tái)向下擴(kuò)挖,并考慮C面邊坡回退后,可增加有用料儲(chǔ)量約380萬(wàn)m3(表3),保證有用料擴(kuò)大系數(shù)為1.57。該方案優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需新征地即可實(shí)施,可利用現(xiàn)有道路通往B面邊坡擴(kuò)挖位置,不存在時(shí)間上的滯后導(dǎo)致道路中斷,A面邊坡擴(kuò)挖只涉及1 495 m高程以下邊坡坡比的調(diào)整,不影響現(xiàn)有工作面施工及出料。缺點(diǎn)是規(guī)劃后的終采面積最小,終采至1 360 m高程時(shí)有用料增加儲(chǔ)量小于設(shè)計(jì)需要量的1.5倍,開采至1 360 m高程的有用料儲(chǔ)量保證性低于前兩種方案,整體挖至1 340 m后料場(chǎng)總有用料量滿足設(shè)計(jì)需要量的1.5倍要求。

表3 方案3儲(chǔ)量增量

3 設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

3.1 方案分項(xiàng)對(duì)比

a. 擴(kuò)挖儲(chǔ)量。方案1可增加有用料約263萬(wàn)m3,有用料擴(kuò)大系數(shù)為1.45,方案2可增加有用料約383萬(wàn)m3,有用料擴(kuò)大系數(shù)為1.58,方案3可增加有用料約380萬(wàn)m3,有用料擴(kuò)大系數(shù)為1.57,以1.5倍有用料擴(kuò)大系數(shù)為基準(zhǔn),方案2略優(yōu)于方案3,方案3優(yōu)于方案1。

b. 擴(kuò)挖條件及擴(kuò)挖時(shí)機(jī)。方案1調(diào)整后B面邊坡開口線超出征地紅線約45 m,需新增征地約1.33 hm2,方案2調(diào)整后A面邊坡超出征地紅線約100 m,B面邊坡開口線超出征地紅線約45 m,兩面邊坡合計(jì)新增征地約2.8 hm2,方案3基本不需要重新征地,方案3優(yōu)于方案1,方案1優(yōu)于方案2。

c. 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。方案1和方案2均需要進(jìn)行征地,該部分成本較高,方案3不需要進(jìn)行征地,擴(kuò)挖成本相對(duì)較低;相關(guān)設(shè)施改造費(fèi)用中方案2對(duì)于A面邊坡的擴(kuò)挖改造面積較大,費(fèi)用較高,方案1和方案3相關(guān)設(shè)施改造成本類似,相對(duì)較低。因此方案3優(yōu)于方案1,方案1優(yōu)于方案2。

3.2 方案綜合對(duì)比分析

對(duì)3個(gè)補(bǔ)充開采規(guī)劃方案采用線性加權(quán)和法進(jìn)行多目標(biāo)方案分析,該方法是通過構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)(式(1))來進(jìn)行方案的對(duì)比分析,通過對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算而最終根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值得出最優(yōu)方案。

(1)

式中:u為綜合評(píng)價(jià)值;fi為第i個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值;wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；m為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

對(duì)于本次補(bǔ)充開采規(guī)劃設(shè)計(jì)方案,本文結(jié)合工程實(shí)際主要考慮有用料儲(chǔ)量指標(biāo)、擴(kuò)挖時(shí)機(jī)指標(biāo)、施工條件指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重的設(shè)置根據(jù)工程類比法,參照蔡小輝等[12]基于層次分析法并結(jié)合各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性得出。因?yàn)橛杏昧蟽?chǔ)量必須滿足規(guī)范要求和工程建設(shè)需要,且白鶴灘水電站工程為了確保工程順利建設(shè)高度重視料源充足的問題,相對(duì)重要,故有用料儲(chǔ)量指標(biāo)按照0.3的權(quán)重考慮;考慮到大壩混凝土工程已開始澆筑,需確?；炷翝仓倪B續(xù)性,因此補(bǔ)充開采期間不能影響料場(chǎng)的出料施工,而方案的擴(kuò)挖時(shí)機(jī)對(duì)于方案的可行性影響較大,擴(kuò)挖時(shí)機(jī)指標(biāo)同樣按照0.3的權(quán)重進(jìn)行考慮;由于目前施工隊(duì)伍施工經(jīng)驗(yàn)豐富,施工設(shè)備齊全,且白鶴灘水電站工程資金相對(duì)充足,故施工條件及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)于保障白鶴灘工程順利建設(shè)相對(duì)可按照0.2的權(quán)重進(jìn)行考慮。對(duì)于各方案,按照4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分評(píng)價(jià)(1～5分),其中具體評(píng)價(jià)值根據(jù)3.1節(jié)各分項(xiàng)方案對(duì)比得出的結(jié)果進(jìn)行考慮,然后按照各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算得出各方案的綜合評(píng)價(jià)值,計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 補(bǔ)充開采方案綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算結(jié)果

由表4計(jì)算結(jié)果可知,方案3的綜合評(píng)價(jià)值最高,方案2次之,方案1的綜合評(píng)價(jià)值最低,因此依據(jù)最優(yōu)方案求解方法可知,方案3為設(shè)計(jì)方案中的最優(yōu)方案,因此,推薦按照補(bǔ)充開采規(guī)劃方案3進(jìn)行補(bǔ)充開采施工。

4 結(jié) 論

a. 白鶴灘水電站工程實(shí)際情況分析表明:進(jìn)行料場(chǎng)補(bǔ)充開采規(guī)劃設(shè)計(jì)需考慮料場(chǎng)地質(zhì)條件、開采施工現(xiàn)狀、擴(kuò)挖時(shí)機(jī)、施工條件、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等問題,以確保規(guī)劃方案科學(xué)合理。依據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果,針對(duì)不同目標(biāo)提出了3個(gè)補(bǔ)充開采規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。

b. 依據(jù)有用料儲(chǔ)量、擴(kuò)挖時(shí)機(jī)、施工條件和經(jīng)濟(jì)性4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),運(yùn)用線性加權(quán)和法將提出的3個(gè)補(bǔ)充開采規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了綜合對(duì)比分析,得出方案3是本次規(guī)劃設(shè)計(jì)中的最優(yōu)方案。通過方案3的擴(kuò)挖,可增加有用料380萬(wàn)m3,有用料儲(chǔ)量擴(kuò)大系數(shù)可達(dá)1.57,可確保大壩混凝土工程骨料的供應(yīng),保障白鶴灘水電站的順利建設(shè)。