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最新水利工程论文 基于价值工程的津桥湖水库工程施工方案研究

2018-12-03 17:26:33来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要

  工程施工方案关系着工程建设成本,并对工程建设工期、效益以及社会综合效益有着影响,而优化工程施工方案的目的是通过对方案进度调整、施工技术改进、施工场地布置优化以及资源优化配置等方面,在满足工程工期质量的条件下,最大限度的节省工程建设成本,实现工程效益最大化,而施工方案优化方法有层次分析法、模糊数学综合评判法、灰色关联度分析法以及价值工程法等。本文以津桥湖水库工程项目为背景,采用价值工程结合层次分析方法,以提高津桥湖水库工程的价值为主要目的,对其施工方案进行优化,并从技术与经济角度评价工程施工工艺。

  因此本文的主要研究内容与成果如下:

  (1)对工程施工方案优化方法进行分析,选取价值工程为本文工程施工方案的优化方法,结合层次分析法和专家打分法建立了工程施工方案优化模型;

  (2)分析了津桥湖水库工程施工特点,综合考虑了该工程施工导流方式、基础石方开挖料利用以及工期等方面的因素,设计了三种施工方案,并利用建立的施工方案优化模型对三种方案进行了价值计算,以“价值越大,方案越优”的原则,选择了第三种方案作为津桥湖水库工程的最优施工方案,结果是合理、可信的;

  (3)对最优的施工方案的大坝工程、溢洪道工程、隧洞工程的费用进行层次分析,利用价值工程对象选择原则,将坝体石渣料填筑施工工艺作为优化评价对象;

  (4)分析了坝体石料填筑工序,认为改进石料的开采工艺有助于提高工程价值,并以功能成本法确定了优化填筑工程所要达到的目标;

  (5)对浅孔爆破以及深孔梯段爆破进行试验结果,经开采成本、石料填筑单价以及价值比较,采用深孔梯段爆破能够提高石料的价值,并将目标值从0.88提高到了0.89,填筑工程价值得到了提高,但没达到设定的目标,进一步优化深孔梯段爆破工艺将对提高石渣料的价值有重要意义;

  (6)铵油炸药代替乳化炸药,并改变爆破装药结构的改进方案,得到的价值系数1.002,成本期望降低值为169.93万元,达到了设定的目标要求,坝体填筑工艺价值得到了提高。

  关键词:水利工程价值工程施工方案目标成本功能评价价值分析

  Optimization analysis of construction scheme based on value engineering of Jinqiaohu Reservoir Project

  Specialty:Hydraulic engineering

  Postgraduate:Lei Yu Tutor:Xie Xinsheng

  Abstract

  Construction scheme related to the construction costs,and the project construction period,comprehensive benefits and social benefits has affected,and the purpose of optimizing construction scheme is adjusted by the program schedule,construction technology improvements,optimize the site layout and the allocation of resources,etc.,in the construction period to meet the quality conditions,the maximum saving construction costs and maximize efficiency engineering,optimization methods of construction has AHP,fuzzy comprehensive evaluation,gray correlation degree analysis and value engineering.In this paper,as the background of Jinqiao Reservoir Project,the theory of value engineering methods was used to increase the value of the project for the purpose of optimizing the construction plan,the construction and evaluation of process engineering from a technical and economic point of view.

  So in this paper,the main r esearch c ontent and results are as follows:

  (1)Analysis the Optimization of the construction methods,value engineering selected to optimize the methods described herein construction program,the establishment of the construction scheme optimization model combines AHP and expert scoring method;

  (2)Analyzes the construction characteristics of Jinqiaohu reservoir project,considering the manner of construction diversion,the material use of foundation excavation and the construction period and other factors,designed three construction schemes,and use the construction scheme optimization model is established for three kinds of schemes are terms,with the principle of"the value,the greater the scheme,the optimal",ch oose the third scheme as the optimum construction scheme of Jinqiaohu reservoir project,the result is reasonable and credible;

  (3)Dam,spillway engineering,tunnel engineering on the cost hierarchy analysis of the optimum construction scheme,using the principle of value engineering object selection,dam filling construction technology as the optimization evaluation objects;

  (4)Analysis of the dam body stone filling process,think that improve the stone mining process is helpful to improve engineering value,and the function of cost method to determine the optimized filling to achieve the goal of the project;

  (5)Experiment results of Shallow hole blasting,and deep hole bench blasting,the cost of mining,stone filling unit price and value comparison,using deep hole bench blasting can improve the value of stone,and the target value increased from 0.88 to 0.89,filling engineering value has been increased,but did not reach the target goal,further optimization of deep hole bench blasting process will has important significance to improve the value of the engineering;

  (6)Anfo explosives instead of emulsion explosive,and change the improvement plan of blasting charge structure,get the value of the coefficient of 1.002,the cost expectation to reduce the value of 1.70 million yuan,to achieve the targets set by the requirement,the dam filling process value is also improved.

  The keywords:Water conservancy project The Value engineering The construction plan Target cost Function evaluation Value analysis

  目录

  1绪论

  1.1研究背景及意义

  十八大以来,水利工程建设持续发展,各大江河流域大型水利工程正在快速建设,相比于大型水利工程显注,在小型河流区域的水利工程也在各地方政府的关注下,加大了建设力度,特别是农田水利灌溉、饮水、城区景观水库等中小型水利工程。

  水利工程项目的增多必然带来投资增大的结果,如何保证工程项目的施工质量、工期以及工程成本,与工程施工方案有着重要的关系。施工方案是工程项目施工的重要指导性文件[1],对于施工承包商的日常施工和项目管理起着前瞻性的指导性作用,是承包商进行项目投标与合同签订的依据[2]。施工方案编制的主要内容包括施工条件分析、施工导流方式的选择、主体工程施工技术方案的确定、施工道路运输线路的布置、施工工程设施、枢纽工程平面总布置、施工总进度以及主要资源供应计划等[3]。承包商制定高效的施工方案有利于充分发挥人机的工作效率,起到保证工程在规定工期内完成,成本有效节俭,承包商获得充足的利润,并保证工程质量达到标准和安全施工,因此合理安排工程项目所需的资源是施工方案制定的最终目标。

  优化工程施工方案,对于承包商而言,不但是在合同工期内按质按期完成工程项目,更是为了利用新技术,合理规划项目资源,使得工程项目能够“快、好、省、稳”完成。成本、进度、质量和安全等是施工承包商优化施工方案的主要内容,也是施工方案优化的目的所在。

  大型工程项目施工方案优化方法常用到的有:层次分析法、多属性模糊综合数学法、灰色关联度分析法、以及价值工程分析法等,并在施工方案优化上取得了良好的效果,而中小型水利工程,用于施工方案优化的方法却不常见,多以经验法,简单的成本、工程量比较来选择施工方案,没有系统的评价指标与优化模型,致使工程建设过程当中经常改变施工技术方案。

  因此,为中小型水利工程施工方案建立施工方案优化方法,对工程施工方案进行优化评价,这对中小型水利工程的施工企业来说,能够减少工程成本,保证工程安全施工,在规定时间内完成合格质量的工程建设显得十分重要。

  津桥湖水库工程属于小(一)小型水利工程,工程建设地理位置在城市规划建设区域内,属城区水利工程建设,为了能够更好的完成工程建设任务,对津桥湖水库工程编制先进合理的施工方案,对于施工方进行工程施工具有重要的指导作用。

  因此本文以津桥湖水库工程为项目背景,通过价值工程理论结合层次分析法、专家调查法等评价方法,建立施工方案优化模型,在分析工程施工特点基础上,设计了多种施工方案,利用建立的方案优化模型对施工方案进行评价与优化分析,以提高工程价值为目的,改进工程施工工艺,为施工方利用价值工程优化施工方案提供参考思路和方法,这对津桥湖水库工程的施工承包方节约工程工程,增加企业经济效益具有重大意义,同时也为同类水利工程进行施工方案优化提供参考价值。

  1.2施工方案优化研究的国内外现状

  在文献资料的查阅过程中,笔者发现,施工方案的优化分析研究是随着项目管理理论的变革而发生变化,水利工程项目是一个复杂的系统工程,而施工阶段是包含竖向与水平相交叉的复杂施工阶段,只有具体分析工程的所具有的特点,通过事前控制并计划好工程项目的进展情况,这样才能编制符合实际情况、技术合理并且经济高效的施工方案[5][6]。

  工程项目的施工方案是施工承包企业在进行工程建设管理时的主要依据以及作为管理的指导性文件,方案编制的内容也是项目管理的主要内容,因此对施工方案的研究与项目管理理论的发展相互联系的,。

  随着项目管理理论、方法的发展,众多管理学的方法先后引入,目前,在施工方案优化研究分析中经常采用多指标决策的研究方法,主要方法有模糊数学评价法、层次分析方法(AHP)、以及灰色关联度分析法等[7][8]:

  (1)模糊综合评价法

  模糊数学是20世纪70年代发展起来的一门用数学方法研究和处理模糊性现象的新兴学科[9]。模糊性是外界客观中的事物在呈现在人们脑海中反映的不确定性,它是由外界事物的客观差异的中介过渡性所产生的一种不确定性。模糊数学方法为工程中一些带有较大模糊性、不确定性和需要全局寻优的实际问题的有效解决,提供了一种新的方法。

  模糊数学综合评价法,即Fuzzy Comprehensive Evaluation,就是以模糊数学作为评价方法的基础理论,将实际工程项目中的带有模糊性、不确定性以及不易定量的因素应用模糊关系进行定量化,为需要对总体寻优的实际工程问题提供一种有效方法。这种方法的基本思路为:利用单因素评价矩阵,通过适当的合成算子将模糊因素集中对应的权向量进行转换,得到评判结果,然后对结果进行分析排序来评价方案的优劣[10]。模糊数学综合评判法的优点是将定性指标定量化,将定性问题与定量指标相结合,解决工程问题判断的模糊性和不确定性,其计算结果为单一向量,克服了以往传统数学方法计算结果唯一性的不足,最终结果包含的信息量十分丰富;缺点是不能解决评判指标间相关造成的评价信息重复问题,且各因素带有一定的主观性[11]。

  模糊综合评价法在水电行业当中的运用较为广泛,如周宜红运用模糊决策理论建立了以导流费用、年施工时间、导流风险率为评价指标的过水围堰导流标准选择的多目标风险分析模型,该模型提出了定量指标值的表示方法及定性指标量化的三角模糊数两级比例法,并采用模糊数来表示各评价指标的指标值和各指标的权重;韩聪亚利用模糊综合评价法对施工现场工区进行评价,确定了各工区的优先度等[12]。

  (2)层次分析法(AHP)

  层次分析方法,即The Analytic Hierarchy Process,是由美国数学教授、运筹学家萨迪于上世纪70年代中期提出来的一种将定性、定量问题相结合的、系统化、层次化的分析方法[11]。AHP方法的基本思路为:把要目标问题分为递进的几个层次,并对每个层次进行定量反映,进而建立判断矩阵以求得特征向量,得到各元素的权重值,并通过加权的方法归并,得出总目标的权重系数,之后可以进行多方案评价;对于多种方案比较,最终权重最大值者为最优,而对项目评价,可以跟其他决策方法相结合进行评判。

  这种方法的优点在于将总目标作为系统问题,把待解决的问题分为若干层次,将由于人为因素形成的主观经验定量化,将定性和定量相结合,使得待解决的问题具有条理性以及科学性。其缺点在于判断矩阵的计算的结果容易出现前后的不一致性。

  目前在国内,层次分析法在水利工程中的应用较为广泛,如康迎宾等[13]在土料场选择中,利用层次分析方法建立了以运距、料场储量、开采费用、环境保护等为指标的层次结构模型;钟登华等利用改进的层次分析法确定多目标在评价对象中的权重,再利用多目标决策理论将其转化为单个指标决策模型,利用总体综合评价方法对方案进行评价;黄玉刚[14]建立了施工组织方案层次结构模型,计算总目标层的权重等。

  (3)灰色关联度分析法

  灰色关联度分析法(GRA)最早出现于1982年,邓聚龙提出的灰色系统概念并以此概念建立了灰色系统理论[11]。

  该方法在工程中的运用时根据工程的具体特性、实践经验和有关资料确定出方案的主要影响因素,事先设计出符合工程的理想方案,并利用其原理将各方案与理想方案的关联度计算出来,作为判断各方案的指标,依计算出的因素间的关联度大小从而确定最优方案[15]。该方法在水利工程运用中较少,如张绍波[16]工方案的优化选择上运用灰色关联度分析方法时,将复杂的水利工程项目简单化,通过少量信息获得最佳方案介绍了此类方法的运用。

  (4)价值工程

  价值工程(VE),是由上个世纪40年代后期的美国工程师麦尔斯[17],在材料紧缺时用便宜的材料或具有相同功能的材料代替指定材料,以此总结出的一套在保证相同功能的条件下降低材料成本的科学方法。

  价值工程的目的降低成本的同时保证产品或工艺的功能[18],至今,价值工程在世界各国的工程建设过程中得到广泛运用,尤其是在工程决策、设计等阶段。

  价值工程方法在工程当中的运用较为广泛,如岳井峰[19]运用价值工程在建筑工程设计方案比选中,经过功能分析,确定功能,并为功的相互能重要性程度进行专家评分,以此计算方案的价值,选取最大价值的工程设计方案为最终方案;付永春[20]在其学位论文当中运用价值工程原理对坝体堆石料开采进行研究分析,并最终取得了良好的经济效果。

  目前,除了以上施工方案优化方法外,运用各种方法相互结合的衍生方法如多层次模糊数学综合评判法、多层次价值工程法、以及TOPSIS决策模型等,同样在水电工程中普遍适用,如杨进博[21]建立了以工程费用和施工工期为指标的基于熵权的导流方案的TOPSIS决策模型,通过对备选方案的比较确定导流方案。

  1.3主要研究内容与技术路线

  1、研究目的

  本文研究的目的是为中小型水利工程利用价值工程理论建立施工方案优化模型,并以津桥湖水库工程为项目背景,设计多种施工方案,运用优化模型,选择最优施工方案,对最优施工方案利用价值工程的对象评价原则选取方案优化对象,利用价值工程的“替代”原理进行施工工艺方案的改进,从而达到降低津桥湖水库工程成本的目的,提高施工方案价值的目的。

  2、研究技术路线

  (1)通过查阅国内外文献资料,研究分析工程项目施工方案优化方法,以及对比现有水利工程评价指标,学习价值工程原理以及应用方法,建立适合于中小型工程方案评价与优化模型;

  (2)分析津桥湖水库工程建设施工特点,根据工程的工期要求、地质、水文环境等设计多种施工方案,利用建立的价值工程计算程序,对设计的各方案进价值计算,选取价值系数最大的施工方案为最优施工方案;

  (3)对最优的施工方案,运用价值工程优化改进对象的选择原则,选取价值最大的项目作为下一步改进优化对象;根据价值工程选择的评价对象,分析优化对象各个工序、所用材料等,并利用功能成本法,确定优化对象的功能评价值以及目标成本;

  (4)分析评价对象可采用的工艺方法,通过试验、价值分析,确定优化对象的最佳施工工艺;分析该工艺能否用其他工艺代替或代替所采用的材料,并进行相关的试验研究,测算成本,降低现有功能与目标成本之间的差距;

  (5)对最终确定的工艺进行技术和经济上评价。

  3、特色与创新之处

  本文的特色与创新之处在于:结合价值工程在设计、决策等方面的应用情况以及运用价值工程活动实施流程,建立以价值工程为理论的施工方案优化模型,并将以运用于津桥湖水库工程当中,提高工程价值,降低工程成本,同时也为同类提供工程利用价值工程评价与优化方案的思路。

  2价值工程理论及应用

  2.1工程施工方案评价及优化理论概述

  2.1.1施工方案评价理论

  施工方案评价,首先要设计相应的评价指标体系,结合与之对应的评价方法,根据建立的模型,计算指标权重,最终选取工程最优施工方案。而工程项目施工方案的内容是关系工程进度、成本、质量以及安全四个方面,因此优选最优施工方案可以这四个方面为基础,建立计算模型进行综合评价。施工方案是项目管理的内容之一,随着项目管理科学的发展,为了能够制定高效、经济的施工方案,在方案的评价上,出现了许多的评价指标。

  在施工方案指标的研究上,关于工程方案评价指标的研究,已经相对成熟了,并且有了一些针对性的管理方法和优化评价模型。国内外,在对方案评价指标体系的研究上,对于大型工程项目的评价指标体系研究较为丰富[15][22],经历了从单项指标到多想指标的过程。金以慧、郭仲伟[23]在指标的控制和管理上,提出了以系统工程为理论方法的前馈-反馈控制系统概念,并得到了具体的应用。然而面对复杂的水利工程环境,单项指标研究已不能满足水利工程的各项指标相互影响的复杂的施工情况,因此,指标的研究转向为指标之间相互关系的研究,对此已经有了一些定性和定量的研究结论,比如在成本与工期关系上,吴之明等[24]提出了基于施工网络计划的费用优化管理;刘伟,刘景泉[25]通过对成本和工期关系的研究,得出了在赶工情况下成本和工期的定量计算公式。丁传波等[26]提出了以安全技术管理,资源管理以及安全生产业绩等多个指标的安全评价指标体系。

  在已有的指标体系中,均是对于大型工程项目施工方案评价建立的,对于中小型工程却不太适用,只能通过工程、成本、质量与安全方面分析,这是因为,大型工程项目规模大,各个方面因素交错,而施工方案的实施与实际施工紧密结合,优选施工方案需要综合考虑的各方面因素,但工程建设过程中存在诸多不确定性因素,使得各评价指标选取十分困难,权重设计也难以达到精确,任何一方面的选取的不同将导致施工方案达不到最优效果。而中小型工程不同于大型工程,特别是小型工程,因其工程规模小,施工技术简单,各个方面的关联度不紧密,可依据大型工程项目评价指标体系简化后为中小型工程的评价指标体系,但这种简化后评价指标体系在评价深度上较为缺失。

  因此对于中小型工程建立一种简单、高效、却不失评价深度的评价指标体系,这种体系综合考虑施工方案主要内容,并以单一评价值衡量工程施工方案已显得十分有必要,而价值工程方法是将成本、工期、质量、安全等指标结合为一体的评价方法,他以价值衡量整体施工方案。

  2.1.2施工方案优化方法

  工程项目施工方案是承包商进行施工项目管理的重要指导性文件,而工程项目施工方案的优化要从方案的主要内容进度、成本方面着手。

  工程施工方案的优化包括进度优化、施工技术优化、资源利用优化、以及场面布置优化等方面。随着项目管理学的发展,在优化工程施工方案方面,出现多种优化方法,如定性分析方法、层次分析方法、功能评价系数方法、运筹学优选法、模糊数学综合评判方法、灰色关联度分析方法、价值工程理论、TOPSIS方法等。模糊综合数学分析法以及关联度分析法多应用于大型工程项目当中,层次分析法不仅适合于大型项目也适用于中小型工程项目。

  运筹学优选方法是利用数学研究各种系统最优化问题[27],通过工程特点分析,设置约束条件,将工程所要达到的目标设置目标函数,以此构建数学计算模型,并计算模型最优解,以此确定工程最佳优化方案。运筹学优选方法适合于道路交通运输线路优化和资源配送等方面。

  功能评价系数方法用于施工方案优选时,在若干施工方案中进行功能分析,确定各功能的比重,然后根据工程特点通过专家打分确定各功能评价系数,并将各项评价系数汇总起来,并经计算获得最终评价系数,将最终评价系数最大值为最优方案。功能评价系数法多用于产品多方案评价,在大型工程项目中运用较少。

  价值工程是一种简单高效的施工优化方法,最先应用于产品材料代替方面的研究分析,后逐步发展与其他行业,在水利工程领域方面,也多应用于设计方案的比选、施工方案的设计比选、施工技术方案改进以及项目决策等方面。

  价值工程是集价值、功能、以及成本为一体的工程施工方案优化方法,目的在于以最少成本实现工程所具有的功能。对于水利工程,选用价值工程作为施工方案优化的方法,其重点在于如何确定工程项目施工方案的功能,而水利工程工程项目众多,确定各工程项目的功能极其困难,但中小型水利工程,对于整体工程项目所要达到的功能可根据工程本身的特点确定,因此将价值工程作为中小型水利工程施工方案优化方法,以价值和成本降低期望值作为评价指标。

  2.2价值工程理论用于工程施工方案优化的研究

  2.2.1价值工程的概念

  价值工程是提高方案研究对象价值的思想和技术,通过对所研究对象具体的功能和成本进行定义和分析,通过方案创新,达到研究对象以最低成本可靠地实现产品或工艺所需功能的目的,以此获取方案最优的综合效益[28]。

  价值工程理论方法包含以三个方面的内容:

  (1)寿命周期成本

  寿命周期成本,包括制造成本和使用成本[29][30]。制造成本包括决策、产品设计以及生产过程中的全部费用,后者指在使用过程中支付的各种费用总和。

  (2)功能

  功能(F)是产品本身所要达到的具体用途或作用,即满足使用者在使用过程中利用产品所要实现的某种需要,因此功能只有在使用过程中才能体现出来。

  (3)价值

  价值是反应产品功能与成本之间的比例关系[29],其三者之间的关系为:

  (2-1)

  式中:V—价值;

  F—功能;

  C—成本。

  2.2.2价值工程的特点

  (1)价值工程是按照一定的工作程序来进行的有计划有组织的活动[31]。

  (2)价值工程以功能分析为核心,以实现项目必要功能为目的[32]。功能与成本的关系见图2.2-1。

  (3)价值工程的目的是以提高产品价值,研究功能与成本之间的关系,以最小的资源消耗从而获取最大的经济效果。

  成本(C)

  C1生产成本

  Cmin

  C2使用成本

  功能(F)

  图2.2-1功能与成本的关系

  2.2.3工程施工方案优化中价值工程特点

  运用价值工程优化工程施工方案,其具备层次分析法、模糊数学综合评价法等的一般特性,但又具有其特殊性。

  一般性在于,价值工程方法与层次分析法、模糊数学综合评判法一样首先需建立项目评价体系,最终以综合评价指标值来衡量方案的优差,选择最佳方案。用于施工方案优化的各个施工方法最终体现在项目成本、工期、质量与安全上面。

  价值工程不同于其他方法的特殊性在于:①价值工程的评价指标体系只有功能、成本以及价值、成本降低期望值,是以综合各方面与成本为一体的评价方法。在确定方案价值的过程中,考虑了工期、质量、安全等因素,最终体现为价值,以价值最大的选取标准选择最佳方案;②在施工过程中应用价值工程具有一次性、高效性和降低成本的可能性等特点[38]。

  因此,价值工程区别于其他方法的地方不仅在于其计算评价过程,还在于价值工程本身就是一种方案创新与优化的方法。

  2.2.4价值工程理论的应用

  价值工程作为工程项目管理的一种方法和手段,在工程建设方面,价值工程理论为优化工程设计、评价施工方案和优化施工程序提供了有效方法,运用价值工程在工程项目的决策和设计阶段能够将工程造价降低20%-35%[33]。

  2.2.4.1价值工程在工程当中的应用

  价值工程在不断的完善与丰富,其研究成果也被用于多方面的领域。在工程建设方面,价值工程利用其原理在工程建设中,优化设计、施工方案提供了有效方法。它的出现促使施工企业在审核自身条件时,去优化工程设计方案、施工方案、以及施工机械设备等,从功能、成本、价值三方面考虑,优质创新并应用与实践,加强自身管理水平。

  价值工程是技术和经济的集合体,随着社会经济和科技的不断发展而形成的一种现代化管理方法[34]。在诸多行业当中运用价值工程并取得较大的经济成果。

  在俄亥俄河大坝枢纽设计中[43],从功能和成本两个方面利用价值工程的理论方法,对大坝、溢洪道进行了综合分析,改变了溢洪道设计方案,以及闸门施工工艺使其枢纽工程保证了具有必须的功能的同时,运用价值工程使得大坝建筑投资节约了近2000万美元。

  另外我国在水利工程设计中,在进行宝钢自备电厂储灰场长江围堤筑坝设计时[43][44],采用价值工程,利用钢渣代替抛石在技术上是可行的,并通过实验证明了该方案是成功的,该方案的实施获得了高额的效益,并保证了工程所具有的功能。

  可见,价值工程在工程当中的应用效果,它的使用使得工程在设计上降低投资,并且运用价值工程的“替代”原理,优化了工程的设计施工方案。

  2.2.4.2施工方案优化的价值工程方法

  施工方案是工程项目施工承包商进行项目管理的重要指示性文件,其重要性不言而喻,优化工程施工方案需要从施工方案的内容出发,包括施工技术方案、施工场面布置、施工资源安排等。运用价值工程理论优化施工方案,根据其原理以及在诸多行业中的应用情况,功能评价是价值工程理论的核心,需对功能进行定义、并评价功能,以及计算方案成本、价值,因此对施工方案展开价值工程活动,要从功能、成本、价值三方面出发。

  本文选用价值工程理论对津桥湖水库工程进行施工方案优化,其分析优化方式如下:

  1、施工方案评价选择

  (1)根据津桥湖水库工程项目施工特点,设计多种施工方案,分析明确方案所要的功能,并对各功能进行评价;

  (2)在明确分析功能过后,测算工程设计的各方案实现必要功能所需的最低成本,将方案的成本系数计算出来;

  (3)利用价值工程原理,计算价值系数,选取价值系数最大的为最佳施工方案。

  2、施工方案优化

  在选择了最优施工方案后,利用价值工程,价值(V)最大的选取标准选择优化改进对象,并以价值和成本期望降低值(∆C)为评价指标,以不断提高工程功能价值为目的,对选取的对象进行工艺改进以及材料替换,优化施工工艺,达到降低工艺成本,提高功能价值的目的,并从技术和经济方面评价改进的施工方案。

  2.2.5功能评价的方法

  在价值工程活动当中,功能评价是活动中最重要的内容,如何确定方案的功能评价值关系着价值工程活动成败。在价值工程理论出现后,对于功能的评价方法也有了相应的研究,现如今功能评价的方法综合起来有功能成本法和功能指数法。

  1、功能评价

  价值工程是技术和经济相结合现代化管理科学[35],因此价值工程中的功能评价也含成本评价和功能评价[45]。

  价值评价是分析成本与功能的匹配程度,即是运用价值的计算公式。

  成本评价是确定研究对象的现实成本以及功能评价值,成本评价的计算公式为:,∆C为成本降低期望值。

  在一般情况下,当∆C>0时,∆C大则为VE活动优先改进对象。

  功能评价值在企业分析运用中可以当作是企业预期将要达到的的成本目标值,因此功能评价值也可称为目标成本。成本评价公式可写成:

  (2-1)

  式中C目标—对象的目标成本。

  2、功能评价的步骤

  对于运用价值工程进行工程方案的优化,功能评价是最重要的评价环节,进行价值工程功能评价的一般步骤如下:

  (1)分析定义功能;

  (2)确定对象的功能评价值F;

  (3)计算对象功能的目前成本C;

  (4)计算和分析对象的价值V;

  (5)计算成本改进期望值∆C;

  功能评价程序如图2-1所示。

  功能定义

  评价对象

  确定目前成本C

  确定功能评价值F

  计算功能价值V

  计算成本改进期望值∆C

  图2-1功能评价的程序

  3、功能评价的方法

  对功能进行定量化的方法虽然不少,但归纳起来可以分为两大类:一是绝对值法(功能成本法),另一类是相对值法(功能指数法)[36]。

  (一)功能成本法

  功能成本法,又称为绝对价值法,目的在于对功能进行定量化分析。此方法方法是利用测算方法,测定研究对象的实现所需要的最低成本,以及所消耗的目前成本,经过比较对比分析,得到研究对象的价值系数和成本降低期望值,确定价值工程的改进对象;

  (2-4)

  另外,运用功能成本法在确定功能评价值时常用的方法有以下几种:

  (1)方案估算法

  此方法是依靠具有相关专业方面的有丰富经验的专家、教授,预先根据收集的关于类似工程的技术、经济等资料,估算实现初拟的设想方案所需要的成本,然后经过分析、比较,将估算的最低成本方案作为评价对象的功能评价值。

  (2)实际统计值法

  实际统计值评价法也称为比例估算法,此方法是依靠大量的工程或产品数据统计资料,计算出类似工程的成本结构比例关系,并以此关系测算研究对象的功能评价值。

  (3)实际价值标准法

  实际价值标准法与比例估算法有很大的相似,其方法是对同类工程或工艺产品等进行技术经济资料统计,并计算各自的成本,并以成本最低的作为研究对象的功能评价值。

  (二)功能指数法

  功能指数法,是对各功能的相对重要性程度利用专家进行评分,再将任意一项功能评分值与各项功能评分值总和之比,即为该项功能的功能系数或功能指数[36],将功能指数与相应的成本指数的比值即价值指数,计算公式如下:

  2.2.6价值分析

  1、功能成本法中功能价值分析

  功能成本法中的功能价值分析的计算公式:V=F/C

  功能价值系数V的计算结果表明:

  (1)V<1,结果说明C>F,实现方案的必要功能所需的现实成本高于目标成本,表明目前成本偏高,造成这种结果的原因有:一方面由于功能过剩造成,另一方面实现必要功能的条件和工艺方法不佳造成现实成本的增加;

  (2)V=1,结果说明C=F,这种情况评价对象的功能价值为最佳,说明工程与费用相符合,评价对象不要再进行改进;

  (3)V>1,结果说明C

  2、功能指数法中功能价值分析

  功能价值指数用VI来表示,其计算公式为:。

  这种计算公式的计算结果分为三种情况:

  (1)VI<1,结果表明方案评价对象的成本系数大于其功能系数,说明系统内相对于其他评价对象而言该对象的目前成本系数偏高,对象的功能过剩。以降低成本系数为对象的改进方向;

  (2)VI=1,结果表明评价对象的功能系数与成本系数大致平衡,可以认为功能与目前成本相匹配;

  (3)VI>1,结果表明评价对象的成本系数小于其功能系数。原因有:第一种是由于目前成本偏低,产品质量不满足实现必要功能的要求,造成对象最终功能偏低,是将控制施工工艺、方法以及产品质量作为对象的改进方向;第二种是方案具有的功能已经超过了其必要功能的水平,改进对象应从重新定义功能。

  2.2.7价值工程活动的基本程序

  根据我国最新的关于价值工程基础用语相关标准,开展价值活动进行产品或工艺优化时,其实施的基本程序可分为四个阶段和15个具体步骤。各自的详细步骤见表2.2-1。

  表2.2-1开展价值活动的基本程序

  价值工程

  工作阶段设计程序工作步骤价值工程对应问题基本步骤详细步骤准备阶段制定工作计划确定目标1.对象选择1.这是什么?2.信息搜集分析阶段规定评价(功能要求事项实现程度的)标准功能分析3.功能定义2.这是干什么用的?4.功能整理功能评价5.功能成本分析3.它的成本是多少?6.功能评价4.它的价值是多少?7.确定改进范围创新阶段初步设计(提出各种设计方案)制定改进方案8.方案创造5.有其它方法实现这一功能吗?评价方案,并进行改进、选优9.概略评价6.新方案的成本是多少?10.调整完善11.详细评价书面化12.提出提案7.是否满足功能要求?实施阶段检查实施情况并评价活动成果实施评价成果13.审批8.偏离目标了吗?14.实施与检查15.成果鉴定

  2.3施工方案优化的价值工程活动程序

  根据工程价值活动的基本程序,笔者在利用价值工程进行施工方案评价优化研究时,将价值工程活动分为两个阶段进行,分别为:分析评价阶段、优化创新阶段。并采用价值工程分析法、专家打分法建立方案评价计算程序。

  2.3.1分析评价阶段

  分析阶段的目的在于分析施工方案,明确方案功能,并评价施工方案,选择最优施工方案,其具体内容及步骤如下:

  1、资料收集。收集津桥湖水库工程建设资料,以及开展价值活动进行功能评价的运用方法的相关资料;

  2、分析施工方案。根据工程施工特点,设计多种施工方案,并分析各方案特点;

  3、功能定义与评价。根据各方案特点,明确方案所要达到的功能,并运用功能指数法对功能进行评价,其具体步骤如下:

  (1)功能分析。分析拟定的施工方案特点,所要达到的目的,将其作为功能评价指标,如工程工期指标(F1)、施工技术指标(F2)、施工场地临时工程布置指标(F3)以及石料的选择应用指标(F4)等作为方案评价的功能评价值;

  (2)功能评价。以计算功能指数为目的,通过对各项功能评价指标的相对重要程度进行打分构成判断矩阵。相关的评分方法0-1分法,0-4分法[30][39],本文采用0-4分法,通过对明确的两个功能因素相互进行比较,对其重要性程度分为。

  表2.3-1 0-4评分法

  重要程度很不重要较不重要同等重要较重要很重要评分01234

  ①对功能相对重要程度打分(0-4分法),并以此构造判断矩阵;判断矩阵是进行功能权重计算的主要依据。判断矩阵结构组成见表2.3-3所示:

  表2.3-2方案功能相对重要程度打分表(0-4)

  方案功能F1F2F3F4功能评分F1F2F3F4

  表2.3-3构成的判断矩阵形式

  AF1……FnF1f11……f1n…………fij……Fnfn1……fnn

  其中,fij代表Fi对Fj的重要程度,并存在以下关系:

  (fij≠0)(2-5)

  ②对方案的功能进行评分(10分制)。见2.3-4所示;

  表2.3-4方案功能评分

  方案功能方案功能得分方案一方案二方案三F1F2F3F4

  ③功能重要性系数计算;

  a、功能重要性系数(权重)计算

  根据对功能的相对重要性程度打分所构造的判断矩阵,以此矩阵通过向量计算得出判断矩阵的特征向量P,并对其进行归一化处理[46],使其满足,因此计算得出的特征值和向量进行功能权重一致性检验。具体步骤如下:

  将判断矩阵的每行相乘后开n次方根,得到判断矩阵的特征向量P:

  (2-6)

  然后对进行归一化处理,即:

  (2-7)

  则向量即为所求的特征向量。

  计算判断矩阵的最大特征值

  (2-8)

  式中:——为最大特征根;

  n——判断矩阵中指标的个数;

  A——判断矩阵;

  P——判断矩阵的特征向量;

  (AP)i——判断矩阵A与特征向量p相乘而得的向量AP的第i个分量。

  b、一致性检验

  对判断矩阵A进行指标的一致性检验,以保证各判断结果的协调一致,以防出现矛盾结果。一致性检验要求指标CI满足:CI≤0.1,随机一致性比率CR≤0.1,其中

  (2-9)

  (2-10)

  RI为随机变量的一致性指标均值,与判断矩阵构成的阶数n相关,其值可以在表2.3-5查询。

  表2.3-5随机一致性指标RI

  阶数n123456RI0.000.000.580.901.121.26

  ④功能权重系数的计算。根据各方案的评分与加权总分进行比较,计算出每个方案的功能系数,功能系数Fi=方案总分/∑方案总分[40]。

  表2.3-6功能系数(FI)计算

  方案功能重要性系数(1)方案功能得分方案功能加权得分方案一(2)方案二(3)方案三(4)方案一

  (5)=(1)*(2)方案二

  (6)=(1)*(3)方案三

  (7)=(1)*(4)F1F2F3F4各方案加权得分合计各方案加权得分总分功能系数

  (3)成本系数CI计算。计算出各方案达到必要的功能所需的最低建设成本;

  表2.3-7成本系数(CI)计算

  方案方案一方案二方案三合计∑Ci工程成本C成本系数Ci/∑Ci

  4、价值系数(VI)计算。依据价值计算原理,采用功能指数法对各方案进行价值计算;

  表2.3-8价值系数计算

  方案方案一方案二方案三功能指数(1)成本指数(2)价值系数(3)=(1)/(2)

  5、方案选择与评价。比较分析设计方案的价值系数,并将价值系数最大的方案作为为最优施工方案[40][41]。

  2.3.2优化创新阶段

  ①优化创新阶段目的在于,对第一阶段选择的最优施工方案,运用价值工程对象选取原则,即价值最大为评价对象,并通过工程量,施工成本等方面比较,选择该方案中价值最高的工程项目为改进对象;

  ②利用功能成本法中的实际统计值法,分析已完工实际工程建设,最终成本降低比率作为本工程的成本降低期望率,并计算改进对象的功能评价值(F),评价对象的价值(V),以及成本降低期望值(∆C);

  ③在确定的价值基础上,对现有施工工艺进行试验研究分析,通过各工艺方案的价值(V)计算、成本降低期望值(∆C)等,分析比较可降低工程成本,提高价值的工艺方案,并将其作为进一步改进的工艺方案对象;

  ④对改进对象的施工工艺、施工材料等进行分析,通过改变工艺的结构形式、所用材料等来提高工程施工方案的价值。

  ⑤对最终的施工工艺后进行技术和经济上的评价。

  3津桥湖水库工程施工方案评价与选择

  3.1工程概述

  3.1.1工程概况

  巴州津桥湖水库工程位于巴中市区巴河右岸小支流新桥河上。新桥河发源于平凉城的东北侧,经马家湾、贾家坝、龙舌坝,津桥湖水库坝址位于柳星桥上游约1.29km处,该工程所在的主河道总长度5.6公里,坝址以上控制集雨面积共9.96平方公里,平均坡降36.0‰。

  津桥湖水库工程是在新桥河筑坝挡水,形成人工湖,湖面与滨河绿地构成滨河公园,并将大坝坝顶作为二环路通道。津桥湖水库大坝为强风化泥岩心墙土石坝,根据水利部SL303-2004《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定,津桥湖水库工程属小(1)型水库,工程等级为Ⅳ等,主要建筑物为4级,工程设计洪水采用50年一遇、校核洪水1000年一遇。

  津桥湖水库枢纽工程主要由大坝、右岸溢洪道、右岸泄洪放空隧洞等组成。水库正常蓄水位即汛限水位为380m,相应库容134.29万m3,校核洪水位383.07m,设计洪水位为381.32m,总库容193.14万m3,蓄水下限水位368.00m。心墙底部设置截水槽,截水槽底部坐落于密实的强风化基岩层上,底高程350.00m。沿截水槽底部做基础帷幕灌浆防渗,灌浆深度深入地基相对不透水层下5m。心墙上游侧设置1.0m厚粗砂和2.0m厚砂卵石反滤层,下游侧铺设一层土工膜与心墙联合防渗,土工膜后设置1.0m厚粗砂找平层及2.0m厚砂卵石反滤层。截水槽底部周边用10cm厚M75砂浆封闭,并在底部设混凝土刺墙。具体坝体结构见图3.1-1所示。

  溢洪道位于河道右侧,堰顶高程380.00m,宽为15m,溢洪道分为引水渠段、溢流堰、收缩段、箱涵段、转弯段、直线段、渐变段、斗槽段以及消力池段,消力池采用底流消能,总长346.16m。

  右岸泄洪放空(导流)隧洞,进口采用塔式进水口,进口孔口尺寸3.8m×3.8m,孔口进口底板高程366.00m,洞身断面为圆形,隧洞洞径3.8m,采用C30钢筋混凝土衬砌,洞轴线总长418.0m。枢纽工程平面布置图见附图1。

  3.1.2工程地质条件

  (一)坝址区地质条件

  坝址位于柳津桥上游约1000米处,坝址区河道顺直。河水位360.81m时,河床宽30m,水深0.0~2.3米。属侵蚀构造低山—丘陵山区河流峡谷地貌。岸坡上部坡度较陡,在厚层砂岩出露区形成悬崖峭壁,薄层砂岩、砂质泥岩出露区形成缓坡。两岸坡脚或平台上有大量崩坡积砂岩块和残坡积物,砂岩块直径约0.9~1.5米。

  河流两岸基本对称,两岸斜坡台地上分布有第四系残坡积物,坝址区在地貌上属典型的河岸斜坡堆积地貌单元,包括少量崩塌堆积、斜坡堆积等地貌形态。

  (二)溢洪道地质条件

  溢洪道其地貌属二级向三级过度的台阶地貌,地层为第四系残坡积物及白垩系苍溪组泥岩K1c,岩层近产状小于5°。基岩中局部层间裂隙普遍发育,尤以砂岩与泥岩接触带为甚。溢洪道基岩从上往下依次为粉质粘土、粗粒混合土、泥质粉砂岩、砂质泥岩、泥质。

  溢洪道陡槽接消力池段表层为第四系残坡积物,下部为砂质泥岩和泥岩。边坡结构为碎裂结构岩质边坡,层面倾角近似水平。弱风化区适宜作建筑物持力层。

  消力池处于河床之中,地层结构简单,岩性变化较小,第四系土层主要为河流冲洪积杂填土及粉质粘土。

  (三)泄洪洞地质条件

  隧洞顶板、洞底及侧壁围岩为泥岩,隧洞洞身段横穿山腰。洞口为弃土堆填,自身稳定性差,必须采取可靠的措施,方能进行洞口段的开挖。该段围岩类别为Ⅳ类。隧道开挖后顶板因应力回弹局部可能松动,隧洞顶板岩层层间结合较差,尤其是砂泥岩交界部位,如不进行及时支护可能产生一定规模的坍塌。泥岩的抗风化能力差,失水后将迅速崩解,可能出现局部剥落和掉块。

  隧洞出口段顶板围岩为(K1c)泥岩和泥质粉砂岩,洞底及侧壁为(K1c)泥岩和泥质粉砂岩,节理不发育。

  3.1.3工程水文条件

  津桥湖水库位于巴河支流新桥河上,坝址在巴中市回风社区境内,地势向东北倾斜,属低山区,植被较好,农田相对较少,水土流失不严重。

  流域洪水由暴雨形成,降雨量集中在6~10月,一次暴雨经历的时间为3~5天,主雨峰历时1~3天。流域主汛期为6~10月,由于是山溪河流,洪水过程线多陡涨陡落的单峰,一次洪水历时3~5天,峰顶持续时间约0.5~1.0小时。

  根据蔡家河水文站实测资料,该区域5月为汛前过渡期,6~9月为主汛期。10月属汛后过渡期。11月降水更少,洪水也小。12月~翌年3月是稳定退水期。可将全年划分为4月、5月、6~9月、10月、11月、12月~翌年3月,因此根据蔡家河水文站实测资料,将该流域全年划分为6个时期,津桥湖水库分期设计洪水成果见表3.1-1所示。

  表3.1-1津桥湖水库分期设计洪水成果表

  分期(月)设计洪峰(m3/s)P=0.1%P=1%P=2%P=5%P=10%P=20%P=50%444.125.219.7713.038.384.350.685116.367.253.235.623.312.512.216~927118215612296.371.639.610116.969.655.938.526.2153.371139.722.217.2911.177.013.470.4512~324.510.226.732.90.980.130.05因此,津桥湖水库流域枯水期在11月~次年5月,6~10月为汛期。6月为汛前过渡期,10月为讯后过渡期。

  3.1.4工程施工环境

  津桥湖水库工程地处城市规划区,且距离市中心距离5km左右,工程周边有居民群,场地范围狭小,业主方因混凝土拌制过程中会造成噪音和环境污染,因此工程建设采用商品混凝土,混凝土由厂商按照工程要求,拌制合格后采用混凝土搅拌车运输到施工现场进行入仓浇筑。大坝填筑所需的石渣料、心墙填筑料由料场开采,块石采用购买形式、石渣料来源与刘家嘴料场和工程基础开挖料,心墙来源于距施工现场26km的黄家沟土料场。

  3.1.5工程施工技术要求

  津桥湖水库工程主要施工内容有:基础土石方明挖工程、隧洞石方洞挖工程、隧洞衬砌工程、坝体填筑工程、混凝土浇筑工程以及钢筋工程等,各主要工程的施工技术要求如下:

  1、基础土石方明挖工程

  土石方明挖工程施工位置分布于大坝左右两岸、河床基础、溢洪道基础开挖,以及泄洪放空洞进出口土石方开挖。

  土方开挖采用自上而下分层分段依次进行,施工时先修筑临时简易施工道路至工作面,形成施工平台后,大型机械设备进入工作面进行大面积开挖,临时道路高程随分层开挖下降。土方开挖主要采用柳工225反铲、15t自卸汽车联合作业。

  石方开挖结合土方开挖自上而下跟进,石方开挖分为边坡松动体开挖和石方开挖。边坡松动体开挖主要采用柳工225反铲直接挖除,局部不能挖除的岩体,采用YT-28手风钻钻孔,爆破解小。爆破弃碴料由反铲挖掘机翻渣料至下部装渣平台,再用柳工225反铲挖装15t自卸汽车运至指定碴场弃碴。

  2、石方洞挖工程

  石方洞挖工程属于泄洪放空洞工程洞身段施工。

  泄洪遂洞洞身为基本稳定的Ⅲ类围岩,开挖采用光面爆破,全断面开挖,为保持周边围岩的完整性,采用严格控制周边轮廓的爆破方法,使用毫秒延迟雷管。隧洞开挖断面尺寸r=2.5m,因爆破的夹制作用大,根据经验,为了控制爆破震动影响,每循环进尺钻孔长度在1.5~2.5m左右,炮孔直径40mm左右。洞内出渣工作采用立爪扒碴机装碴,农用运输车配合装运,运输至洞外指定地点堆放。

  洞身石方开挖施工安排两个工作组同时从隧洞进出口进行施工,每钻孔进尺1.5~2.0m,隧洞平均开挖强度100m/月,进出口施工后,进行洞口临时支护措施,保证施工安全。隧洞进水口、引水渠道土石方开挖后用于洞前填筑围堰,其余部分开挖后运输至弃料场堆放。

  3、洞身衬砌施工

  泄洪洞洞身段属于III级围岩段,岩石破碎,开挖后做初期喷护处理。进出口位置各25m和20m范围内为Ⅳ级围岩,开挖后安装钢拱架打锚杆支护并喷射混凝土进行封闭,喷射所用混凝土采用现场拌制。

  待洞身围岩和初期支护变形稳定后进行隧洞二次衬砌施工。津桥湖水库工程的二次衬砌采用钢筋混凝土衬砌,利用定制的钢模台车一次成型,二次衬砌的厚度为60cm,围岩主筋使用Φ22钢筋,混凝土采用商品混凝土。

  洞身衬砌按10~15m一节进行施工,各节洞身衬砌施工程序:

  洞身清理冲洗→测量放样→垫层砼浇筑→垫层砼养护→测量放样→止水带表面清理→伸缩缝板安装→钢筋绑扎→仓内清理冲洗→台车就位安装→检查验收→砼浇筑→砼养护→退出台车→下一节循环施工。

  4、混凝土工程施工

  津桥湖水库工程混凝土施工分布于大坝心墙底部刺墙、溢洪道混凝土浇筑施工,以及泄洪放空洞进口渠系施工。

  工程混凝土施工采用商品混凝土,浇筑部分待工程模板与钢筋制作安装完成后,混凝土由搅拌车运输至施工现场,采取混凝土泵泵送入仓其施工工序为:

  钢筋制安→侧模板支护→钢筋、模板等验收合格→购买商品混凝土→混凝土罐车运输→混凝土泵送车泵送入仓→人工平仓→机械振捣→人工抹面→模板拆除→混凝土养护→验收

  5、钢筋制安

  钢筋在加工厂加工,采用钢筋切断机下料,Φ12及以上用钢筋弯曲机弯制成型,Φ10及以下钢筋采用人工弯制成型。洞身段石方开挖完成后,将已成型的钢筋运至工程现场进行绑扎,在钢筋安装时,按照先下层后上层、先外侧后内侧的顺序安装绑扎,绑扎和焊接的钢筋网。

  溢洪道以及大坝混凝土浇筑前,钢筋制作在加工厂进行,钢筋运至施工部位安装完成。

  整体主要工程量见表3.1-2所示。

  表3.1-2津桥湖水库工程主要工程量

  序号工程名称单位工程量备注大坝溢洪道泄洪隧洞1土方明挖m³14953711350021355.352石方明挖m³17852.25648002714.753石方洞挖m³10007.774上游坝壳区m³53152.9砂泥岩石渣5下游坝壳区m³247817.2砂岩/灰岩石渣6下游堆石区m³63852.4砂岩/灰岩块石7心墙填筑m³34354.858灰岩排水区m³14616.3灰岩9反滤层填筑m³15228.4砂卵石10土工膜铺设m23866.211帷幕灌浆m2803.812固结灌浆m45013混凝土浇筑m³1271.8211020.55985.5414混凝土喷护m³828982.415钢筋制安t3.55781368.2616锚杆支护根33978835217隧洞固结灌浆m1677.0218隧洞回填灌浆m21700.9719预制C20六角面板护坡m³909.9520浆砌块石框格梁护坡m³2615.321块石回填m³6527.75138167281.7522砂砾石垫层m³4400.3

  3.1.6临时工程布置

  依据津桥湖水库工程设计,本工程除大坝、溢洪道以及泄洪放空洞等主体工程,需进行场地施工临时工程的项目有:土石围堰、施工场地交通工程、综合加工厂等。

  土石围堰布置与大坝上游部位,枯水期采用围堰挡水、泄洪放空洞过流的形式,围堰堰顶高程369.4m,上下游坡比均为1:1.5,最大堰高7.9m,堰顶宽为6.0m,可供交通车辆通行,供大坝左岸土石开挖及混凝土运输等使用,堰顶采用块石铺面,厚40cm。围堰填筑料来源于隧洞施工的土石方开挖料。

  为方便施工车辆通行至隧洞进口、大坝坝址区、溢洪道引水渠道等施工区,工程从原有交通处,采用挖掘机沿河道右岸布置一条通达隧洞进口部位的临时交通道路宽,路面为泥结碎石道路;其余施工临时道路根据工程需要布置。

  津桥湖水库工程需要设置的临时工程有:材料仓库仓库、钢筋、木工以及木板加工厂。

  图3.1-1津桥湖水库工程心墙坝断面图

  3.2枢纽工程施工方案的设计

  津桥湖水库是一座实施巴中市城市总体规划,打造城市商业地产,改善城市景观和水环境等综合效益的环保型水利工程,主要工作内容为土石方开挖和坝体填筑、隧洞施工、溢洪道施工等,经工程施工前分析,其主要工程特点有:大坝土石方开挖难度高,特别是对淤泥的处理较为困难;坝体填筑料种类较多,量大,分布范围广,施工临时堆放料场布置分散,管理较为困难;工程施工工期紧,同一时间多项分部工程需同时施工,因此需合理安排各区施工工序,减少相互之间的干扰。

  根据业主方对于工程工期的要求,计划在第三年6月汛期来临前,大坝具备挡水蓄水能力,溢洪道、泄洪遂洞具备泄洪功能,因此工程工期紧。为了能够在工期内按质按量的完成工程建设,在综合考虑施工方施工技术能力,拥有的施工机械设备等方面,从工程建设成本分析出发,对工程施工方案进行分析,根据工程特点,设计多种施工方案,利用价值工程原理,对各方案进行功能评价,选择最佳施工方案。

  本文根据工程施工特点以及工期要求,对津桥湖水库工程设计了三个施工备选方案。工程施工方案如下:

  3.2.1工程施工备选方案一

  1、方案工序流程图

  工程施工方案一:总工期计划为21个月,工程施工准备期1个月,即第一年12月份;主体工程施工期18个月,即从第二年1月~第三年的6月,第一年10月初截流;工程完建期2个月,第三年7月~第三年8月。

  其工序流程图详细安排见附图2所示,根据流程图,津桥湖水库工程施工顺序如下:泄洪放空洞—溢洪道—大坝。

  2、施工方案特点分析

  (1)泄洪放空洞作为大坝工程施工的导流建筑物,汛期洞前修筑挡水围堰,原河道过流;枯水时期拆除隧洞前挡水围堰,并在河道坝址上游部位修筑围堰,过流采用泄洪放空隧洞。

  (2)方案一泄洪放空洞洞身段施工,总工期6个月,在此期间完成的工程有:隧洞石方洞挖、边坡支护以及洞身锚杆支护、钢筋制安、混凝土衬砌等工程项目,工期紧,而工程只有进出口两个工作面,为加快工程进度,采用两台钢模台车进行混凝土的衬砌施工;

  (3)大坝填筑石渣料428478.4m³(压实方),自然方为35.96万m³,坝体填筑石料部分采用工程基础石方开挖料,其利用量见表3.2-1所示。石渣利用量63072.20m³,坝体填筑石料在料场开采29.65万m³。。

  表3.2-1工程石方开挖料利用情况

  编号工程名称单位石方开挖量利用量(自然方)压实方1心墙坝m³17852.2513389.1919732.452溢洪道m³83393.245866.2667595.863隧洞m³12722.523816.765624.984合计m³113967.9763072.2092953.29

  (4)大坝填筑工程与隧洞、溢洪道土石方开挖施工不处于同一时段,开挖料开采后需堆存临时料场,根据工程所在地的情况,临时堆料场布置两个,大坝与隧洞进口之间的右岸河道、大坝下游的部位,其工程施工平面布置图见附图3。

  (5)方案一将溢洪道与大坝分期施工,避免了因场地狭小而带来的工程施工干扰。

  (6)大坝心墙部位帷幕灌浆工程是坝体填筑进度的控制性工程,为降低大坝填筑施工强度,帷幕灌浆工程施的同时进行下游坝壳料、堆石料以及灰岩排水区的填筑施工。

  3、工程施工工期计划

  对津桥湖水库工程各单项工程施工工序安排如下:

  (1)泄洪放空隧洞

  右岸泄洪放空洞作为工程枯水期大坝施工导流建筑物,其施工于大坝工程施工前完工,使其具备过流泄流能力,为大坝施工创造干地条件。泄洪放空隧洞工程施工工期安排为:总工期14个月,第二年1月完成隧洞进出口土石方明挖施工;2~4月完成洞挖施工;7月底前完成洞身混凝土衬砌,洞身工期紧张;10月底前完成塔式进水口混凝土施工;8月到第三年1月完成机电及金结安装;第三年3月初下闸蓄水。

  (2)溢洪道工程

  溢洪道布置于坝体右岸,根据工程设计,溢洪道可细化分为引水渠段、溢流堰、收缩段、箱涵段、转弯段、直线段、渐变段、斗槽段以及消力池段,工程施工时从溢洪道进口部位开始,采取流水工程作业,各部位土石方明挖完成后即进行边坡防护和混凝土浇筑工程。

  溢洪道施工:总工期10个月,第二年3~6月完成土石方明挖施工,工程土石方开挖总量126967.52m³,施工强度为42322.51m³/月;11月底前完成混凝土施工;7月~12月完成机电及金结安装。

  (3)挡水坝体工程

  挡水坝体施工:总工期10个月,第二年9月开始两岸岸坡开挖,9月底进行河道截流,10月底前完成河床开挖。第二年12月至第三年2月完成坝体填筑。3月底前完成坝顶路面及上游面板护坡施工。

  公路培厚体填筑施工:第三年1月至第三年5月完成公路培厚体填筑,6月底前完成路面及护坡施工,历时6个月。

  第二年7月至8月底完成所有尾工、环保项目及清场工作。

  3.2.2工程施工备选方案二

  1、方案工序流程图

  津桥湖水库工程总工期23个月安排,施工准备期1个月,即第一年12月份。主体工程施工期20个月,即从第二年1月~第三年的6月,第一年10月初截流;工程完建期2个月,第三年9月~第三年10月。

  其工序流程图安排见附图4所示,根据流程图,津桥湖水库工程施工顺序如下:泄洪放空洞—溢洪道—大坝。

  2、工程施工方案特点分析

  (1)在方案一的基础上,调整泄洪放空洞施工工期,用在河道左岸部位铺设抽水泵管线,代替方案一枯水期泄洪洞导流的施工导流的方式,导流流量为0.13m³/s,方案二平面布置见附图5;

  (2)泄洪放空洞洞身衬砌施工从方案一的3个月调整为4.5个月,降低了隧洞衬砌的施工难度;洞身石方开挖从3个月调整为5个月,为工程进出口的临时支护工程提供了充足时间;

  (3)将大坝填筑工期延长,从方案一的6个月调整为9个月,降低了大坝填筑施工的工程强度;

  (4)公路培厚体的填筑由于部分施工时间在汛期,施工质量受雨水影响大,需采取汛期施工的防雨水冲刷措施;

  (5)溢洪道布置于坝体右岸,各部位施工顺序为:引水渠段—溢流堰—收缩段—箱涵段—消力池段,工程施工时从溢洪道进口部位开始,采取流水工程作业,各部位土石方明挖完成后即进行边坡防护和混凝土浇筑工程。

  (6)其余施工特点与方案一相同。

  3、工程施工工期计划

  (1)泄洪放空隧道工程

  工程枯水期大坝施工采用铺设抽水泵管线作为导流方式,此方法让泄洪放空洞洞身施工时间延长。泄洪放空隧洞工程施工工期安排为:总工期15个月,第二年1月完成隧洞进出口土石方明挖施工;2~6月完成洞挖施工;11月底前完成洞身混凝土衬砌;第三年1月底前完成塔式进水口混凝土施工;12到第三年3月完成机电及金结安装;第三年4月初下闸蓄水。

  (2)溢洪道工程

  溢洪道施工:总工期10个月,第二年3~6月完成土石方明挖施工;11月底前完成混凝土施工;7月~12月完成机电及金结安装。

  (3)挡水坝体工程

  挡水坝体施工:总工期12个月,第二年9月开始两岸岸坡开挖,9月底进行河道截流,10月底前完成河床开挖。第二年12月至第三年3月完成坝体填筑。3月底前完成坝顶路面及上游面板护坡施工。

  公路培厚体填筑施工:第三年4月至第三年8月完成公路培厚体填筑,5月底前完成路面及护坡施工,历时5个月。

  第二年9月至10月底完成所有尾工、环保项目及清场工作。

  3.2.3工程施工备选方案三

  1、方案工序流程图

  津桥湖水库工程总工期21个月安排:施工准备期1个月,即第一年12月份;主体工程施工期18个月,即从第二年1月~第三年的6月,第一年10月初截流;工程完建期2个月,第三年7月~第三年8月。

  其工序流程图安排见附图6所示,根据流程图,津桥湖水库工程施工顺序如下:泄洪放空洞—大坝—溢洪道,溢洪道土石方施工滞后于大坝开工1个月。

  2、工程施工方案特点分析

  (1)方案三与方案一总体工期相同,导流方式与方案二相同,枯水期采用抽水泵排水措施;

  (2)调整了溢洪道施工工期,将3月施工调整为10月施工,利用溢洪道基础石方开挖料直接上坝填筑,减少了二次转运料67595.86m³;溢洪道工程施工顺序为:引水渠段—溢流堰—收缩段—消力池段—箱涵段,箱涵段石方开挖后将直接运输至大坝填筑区填筑。

  (3)溢洪道基础石方开挖料直接上坝填筑,工程临时施工堆存料场布置于大坝与隧洞进口部位之间,减少了下游料场的布置,为工程施工场地留足了下游空间,方案三工程平面布置见附图7;

  (4)由于大坝与溢洪道工程施工时间上相差1个月,10月两者土石方施工,施工机械由于场地的狭窄,造成相互间的干扰大,需要增加现场管理人员进行协调指挥;

  (5)其余特点与方案一、方案二相同。

  3、工程方案工期计划

  施工方案三枯水期施工导流采用预埋涵管的方式,调整溢洪道施工工期。

  (1)泄洪放空洞工程

  泄洪放空隧洞工程施工工期安排为:总工期15个月,第二年1月完成隧洞进出口土石方明挖施工;2~6月完成洞挖施工;11月底前完成洞身混凝土衬砌,洞身工期紧张;第三年1月底前完成塔式进水口混凝土施工;12到第三年3月完成机电及金结安装;第三年4月初下闸蓄水。

  (2)溢洪道工程

  溢洪道施工:总工期10个月,第二年10~第三年1月完成土石方明挖施工,5月底前完成混凝土施工;6月~7月完成机电及金结安装。

  (3)挡水坝体工程

  挡水坝体施工:总工期10个月,第二年9月开始两岸岸坡开挖,9月底进行河道截流,10月底前完成河床开挖。第二年12月至第三年2月完成坝体填筑。3月底前完成坝顶路面及上游面板护坡施工。

  公路培厚体填筑施工:第三年2月至第三年6月完成公路培厚体填筑,6月底前完成路面及护坡施工,历时5个月。

  第二年7月至8月底完成所有尾工、环保项目及清场工作。

  3.3工程施工方案评价与优选

  3.3.1方案评价指标的确定

  本文利用价值工程原理进行施工方案的评价优选方法,重点在于确定各施工方案的功能评价指标,笔者综合分析了各施工方案的特点,根据方案所要达到的目的,综合考虑后采用以下评价指标:

  (1)工期进度指标(F1)

  根据施工方案的特点,结合相应的进度计划,确定各方案的施工工期,工期功能指标常用施工总工期或主体工程施工工期,本工程隧洞的施工以及大坝填筑是关系工程能否按期完工的控制性工程,隧洞能否在枯水期来临前完工关系枯水期大坝施工选用的施工导流方式,大坝填筑工程主体坝壳料能否按时完工与水库在汛期来临,大坝具备挡水蓄水能力相关。因此本文选用津桥湖水库工程总工期作为评价指标。方案一总工期21个月,方案二总工期23个月,方案三总工期21个月。

  (2)施工技术指标(F2)

  隧洞工程洞身段施工工期紧,面临枯水期导流方式选择,为加强工程施工强度,需改变隧洞的施工技术措施,如方案一,洞身施工在只有进出口两个工作面的情况下,如何安排洞身石方开挖、洞身支护以及衬砌等尤为重要,因此工期紧,施工要求高。

  (3)施工场地布置指标(F3)

  施工场地布置指在津桥湖水库工程施工过程中,临时性建筑物的布置情况,含材料仓库、加工厂以及道路的布置情况、临时堆料场等,其中临时堆料场的布置地方、面积大小都与设计的方案有关,运距的长短关系到大坝填筑时石料的二次转运等情况。

  (4)石料的选择应用指标(F4)

  工程大坝填筑石料428478.4m³(压实方),自然方为35.96万m³,若工程石料的填筑从料场开采,这样无疑增加了工程成本,而石渣料开挖利用不仅减少了工程成本,还为工程渣场的堆放量减轻了压力,不管从哪方面看,石渣料的利用都对工程成本有不少的作用。

  在设计的三个方案当中,均利用工程施工石方开挖料,唯一不同的是开挖料运至临时料场堆放,大坝填筑时经二次转运上坝填筑,溢洪道工程施工,石方料的利用较大,将溢洪道施工时间调整为大坝同期施工将减少石料的二次运输费用。

  3.3.2功能系数计算

  1、功能指标重要性评分

  对各指标的重要性运用0-4评分标准进行的评分结果如下:

  表3.3-1功能指标相对重要性评分表(0-4评分)

  方案功能F1F2F3F4F1x424F24x12F312x3F4423x

  依据此评分结果,构造的判断矩阵见表3.3-2所示:

  表3.3-2判断矩阵的构造

  AF1F2F3F4F11424F21/4112F31/2113F41/41/21/31

  2、方案功能指数计算

  ①在对各方案进行评分见表3.3-2所示;

  表3.3-2方案功能得分汇总表

  方案功能方案功能得分方案一方案二方案三F110910F21099F3889F48910

  ②各方案的功能重要性系数(权重)计算;

  根据判断矩阵进行功能权重系数计算。其计算过程如下:

  a、判断矩阵每行相乘开n次方根得:

  b、特征向量的计算

  对c=(c1、c2、c3、c4)T进行归一化处理,所得特征向量为:

  P=(p1、p2、p3、p4)T=(0.4460、0.1941、0.2418、0.1181)T

  c、特征值计算

  判断矩阵的最大特征值为

  d、一致性检验

  因此,满足一致性检验。其计算结果见表3.3-3所示

  表3.3-3各方案的指标重要性系数(权重)计算

  方案功能F1F2F3F4权重piF114240.4460F21/41120.1941F31/21130.2418F41/41/21/310.1181

  ③计算各功能的功能系数F,计算公式为:功能系数Fi=第i个评价对象的功能得分值/全部功能得分值[30]。

  表3.3-4各方案功能的功能系数FI

  方案功能功能重要性系数(1)方案功能得分方案功能加权得分(2)(3)(4)(5)=(1)*(2)(6)=(1)*(3)(7)=(1)*(4)F10.446109104.4604.0144.460F20.19410991.9411.7471.747F30.2428891.9351.9352.176F40.11889100.9451.0631.181各方案加权得分合计9.2808.7589.564各方案加权得分总分27.602功能系数0.3360.3170.347

  3、成本指数计算

  表3.3-5工程成本指数计算

  方案单位方案一方案二方案三合计工程成本万元6489.436401.436204.3919095.25成本指数%0.3400.3350.3251

  3.3.3工程施工方案的优选确定

  本文采用第二章价值工程方案价值的计算方法,各方案的价值计算见表3.3-6所示。

  表3.3-6方案价值系数计算

  方案方案一方案二方案三功能指数(1)0.3360.3170.346成本指数(2)0.3400.3350.325价值系数(3)=(1)/(2)0.9890.9461.066

  根据计算的各方案的价值系数为:方案一为0.989,方案二为0.946,方案三为1.066。按照价值工程原理,“方案价值系数越大,此方案则越优”的原则,各方案价值系数大小排序为:方案三>方案二>方案一,故计算的方案三价值系数最大,确定方案三为最优方案。

  3.4价值工程优化对象选择

  方案三工程成本最低,为施工企业增加了经济效益,该方案侧重于降低隧洞施工的施工强度,减少石渣料的二次运输费用,因此该方案具有一定的合理性和可行性。说明使用价值工程原理进行施工方案分析优选的模型是可行的,结论可信的。

  对最优施工方案利用价值工程进行工艺优化时,笔者利用层次分析法对枢纽工程进行进行了费用方面的分析,进而确定工艺优化对象,其优化对象选择的程序图见图3.4-1所示

  主要工程

  枢纽工程

  坝体填筑工程

  坝体石料填筑工程

  图3.4-1价值工程优化对象选择流程图

  3.4.1单项工程优化对象选择

  对最优施工方案进行费用分析,得到了以下分析成果:

  表3.4-1枢纽工程建设费用分析表

  编号名称单位费用所占比例备注1心墙坝万元2646.142.65%2溢洪道万元2205.635.55%3泄洪放空洞万元1183.0319.07%4施工临时工程万元169.662.73%5合计万元6204.39100%枢纽工程最优施工方案工程成本中,心墙大坝填筑成本2646.1万元,占整个工程建筑造价的42.65%,溢洪道施工造价2205.6万元,占整个工程成本的35.55%;泄洪放空洞1183.03万元,占整个造价的19.07%;按照价值工程评价对象优先顺序,津桥湖水库工程单项工程优化对象顺序为:大坝—溢洪道—泄洪放空洞,因此心墙大坝为首要的优化对象。

  主要工程费用分析表中坝体填筑占总费用的32.29%,对主要工程

  3.4.2主要工程工艺优化对象选择

  (1)从大坝工程费用分析

  津桥湖水库工程,大坝主体填筑为堆石料以及强风化泥岩料(或粘土料),坝体填筑料除反滤料、块石料是购买现成品外,坝体石渣填筑料来源于大坝、溢洪道、隧洞石方开挖料以及在刘家嘴石料场开采。心墙大坝各项目费用分析见表3.4-2所示。

  表3.4-2大坝各项目费用分析表

  编号名称工程量费用(万元)所占比例备注1基础开挖19.25万m³289.5510.94%2坝体填筑45.02万m³2003.3975.71%3混凝土浇筑0.26万m³128.464.85%商品混凝土4灌浆工程0.33万m81.113.07%5护坡工程/67.522.55%6其他工程/76.072.87%7合计2646.1100%

  经心墙大坝工程成本分析,津桥湖坝体填筑费用总共2003.39万元,占整个大坝工程费用的75.71%,对各部分成本所占比例排序为:坝体填筑—基础开挖—混凝土浇筑—灌浆工程—支护工程,从价值工程的评价对象选择的优序来看,坝体填筑工程项目应优先作为大坝价值工程对象分析,从施工技术上优化改进,以降低工程建设成本。

  (2)从整体枢纽工程费用分析

  在对整个枢纽工程费用分析,其费用分析表见表3.4-3所示:

  表3.4-3主要工程建设费用分析表

  序号工程名称单位费用费用比例1土石方开挖万元646.9710.43%2坝体填筑万元2003.3932.29%3灌浆工程万元81.111.31%4石方洞挖万元88.421.43%5洞身衬砌万元263.084.24%6混凝土工程万元1218.3119.64%7钢筋工程万元788.0312.70%8支护工程万元215.383.47%9模板工程万元75.901.22%总计万元6204.39

  从表中,将各主要工程根据其费用的比重大小进行排序,得到的结果为:坝体填筑—混凝土工程—钢筋工程—土石方明挖工程—洞身衬砌工程—支护工程—石方洞挖工程—灌浆工程;在各主要工程当中,坝体填筑工程所占费用最高,按照价值优化对象选择的顺序,坝体填筑为首要优化对象。

  (3)对象选择

  在经过大坝费用分析与主要工程费用分析,两种比较得出的结论是坝体填筑工程是优化的首要对象,对其进行工艺方案的优化将有助于提高工程价值。

  3.4.3坝体填筑工艺优化对象选择

  坝体总共填筑量45.03万m³,其中反滤料和上游坝脚填筑料所用的粗砂、卵石以及块石料2.17万m³由当地砂石料场采购,坝壳料、下游堆石料、排水区以及心墙填筑的填筑料42.86万m³由石渣料场、和泥岩心墙料场开采以及枢纽工程石方开挖利用料。各填筑区用料以及费用比例见表3.4-4所示。

  表3.4-4坝体填筑方量分析表

  编号名称工程量

  (万m³)工程量比例平均单价费用费用比例备注(元/m³)(万元)1坝壳料30.166.84%31.99962.9248.06%开采、开挖料2堆石料7.8417.41%46.33363.2018.13%开采3排水区1.483.29%47.8270.583.52%开采4反滤料1.523.38%174.28264.9013.22%购买5心墙填筑料3.447.64%72.52249.1412.44%开采6上游坝脚快石料0.651.44%141.9392.654.62%购买7合计45.03100%2003.39100%

  从表3.4-3中可看出,坝体填筑料中上下游坝壳料填筑量30.1万m³,占整个填筑工程量的66.84%,占整个填筑总造价的48.06%;堆石料占整体填筑量的17.14%,占整个造价的18.13%。坝体心墙填筑料总共3.44万m³,占整个填筑量的7.64%,占填筑总造价的12.44%;坝体反滤料料总共1.52万m³,占整个填筑量的7.38%,占填筑总造价的13.22%;坝脚块石填筑料总共0.65万m³,占整个填筑量的1.44%,占填筑总造价的4.62%。

  各填筑项目均可按照价值工程进行优化分析,但按照优先序列,先做坝壳料开采施工优化,而作为大坝填筑料的堆石料开采工序与坝壳料相同,因此,利用价值工程对津桥湖水库施工方案进行改进的进一步工作将对坝壳料的开采工序进行优化。

  3.5小结

  (1)本章通过对津桥湖施工方案施工特点进行分析,考虑了隧洞施工强度、石渣料利用情况以及导流方式等因素,设计了三种施工方案,并以工期、施工技术、场地布置以及石料利用为评价指标;

  (2)运用价值工程优化模型,构造的判断矩阵,计算出了方案各个指标的功能权重,并得到了三种施工方案的价值系数分别为:0.989、0.946、1.066,得到了方案价值排序为:方案三>方案二>方案一,选择了价值系数最大的方案三为津桥湖水库工程的最优施工方案;

  (3)通过对大坝、溢洪道、泄洪放空洞的成本、工程量分析比较,选择了对大坝工程的坝体石渣料填筑工艺作为优化对象。

  4工程施工工艺的优化研究分析

  采用价值工程原理对津桥湖施工方案评价优选后,利用价值最大对已选施工方案进行施工技术方案优化研究,选取坝体填筑石料施工工艺为优化对象。

  4.1大坝填筑料分析

  对工程填筑进行分析,津桥湖水库工程填筑部分划分为大坝坝体填筑以及溢洪道常规填筑。坝体填筑内容有:坝体心墙强风化泥岩(或粘土)填筑、上下游坝壳料采用砂岩或灰岩石渣填筑,堆石料采用砂岩或灰岩块石填筑,反滤采用粗砂以及砂卵石填筑,灰岩排水区采用灰岩石渣料填筑;

  根据工程设计图纸所计算的工程量,大坝土石方填筑总量为450234.58m³,溢洪道常规填筑量48873.78m³。溢洪道常规填筑可利用工程土石方开挖料;大坝填筑工程量大,分为强风化泥岩心墙以及大坝上下游的坝壳石渣料。在大坝工程施工中将大坝填筑分为五个区域进行,Ⅰ区为坝体心墙强风化泥岩填筑,Ⅱ区为反滤过渡料填筑,Ⅲ区为灰岩排水区填筑,Ⅳ区为下游坝壳砂岩和灰岩石渣填筑,Ⅴ为上游坝壳泥岩和砂岩石渣填筑,各区域填筑工程量见表4.1-1所示,分区图见附图8。

  表4.1-1大坝填筑料各分区用量

  编号名称工程量(m³)工程量所占比例填筑料备注1坝壳料300970.166.85%石渣料场、利用量2堆石料78394.7817.41%石渣开采3排水区14758.73.28%石渣开采4反滤料15228.43.38%砂、砂卵石购买5心墙填筑料34354.857.63%强风化泥岩或粘土开采6上游坝脚快石料6527.751.45%块石购买7合计450234.58100%

  坝体石渣料填筑料源来源于料场开采,共需29.65万m³(自然方),石渣利用量63072.20m³(自然方)。

  4.2坝体填筑料料场概况

  大坝填筑石渣料总需要394123.58m³,心墙料需34354.85m³。根据工程地质勘查资料,坝址区、溢洪道的石方为砂岩、砂质泥岩等,可筛选后,可用于大坝填筑,另外所需填筑料来自于料场开采,工程基础开挖石方料利用量为63072.20m³(自然方),因此坝体填筑石渣料需从料场开采29.65万m³(自然方),以及心墙料36416.14m³。

  表4.2-1坝体各填筑区开挖料以及料场开采量

  编号工程名称单位填筑工程量填筑工程量开挖料利用量料场开采量备注压实方自然方自然方自然方1坝壳填筑料m³300970.1271204.1663072.2208131.96已考虑综合消耗2堆石料m³78394.7873855.72073855.723排水区m³14758.714508.39014508.394心墙填筑料m³34354.8536416.14036416.14合计m³428478.43395984.4163072.2332912.214.2.1填筑料料源选择

  根据地质勘测资料,工程所在地具有以下料场可以加以使用,其各自具备的储量见表4.2-2所示:

  1、石料场概况

  (1)蒋家坡石料场

  蒋家坡石料场在工程区上游枣林镇八字村5社,料场高程约380~385m,现有小规模开采,距坝址约7.0km,有巴中—南江公路通往工程区,开采运输十分方便。料场为块状至巨厚层状中细粒长石石英砂岩,钙质胶结,砂岩石材露头良好,无夹层,中—微风化,层位稳定,岩层产状330°∠20°,成材条件好。有用层平均厚10m,可开采储量约16万m3。

  对砂岩进行试验分析:天然密度2.53g/cm3,饱和密度2.57 g/cm3,吸水率0.45%,饱和吸水率0.56%;自然抗压强度43.3MPa,饱和抗压强度32.9MPa,软化系数0.76。

  (2)回风浅滩村大堰塘石料场

  回风浅滩村大堰塘石料场位于巴河右岸,回风浅滩村1社,原为条石料场,现仍有小规模开采,距坝址约14.0km,公路通往工程区,其中近料场处有500m碎石路,开采运输十分方便。料场为块状至巨厚层状中细粒长石石英砂岩,钙质胶结,砂岩石材露头良好,无夹层,中—微风化,层位稳定,岩层产状190°∠3°,成材条件好。料场长150m,有用层平均厚20m,开采宽度50~80m,可开采储量约18万m3。

  (3)刘家嘴石料场

  刘家嘴料场:位于大坝右岸西龛村七村,距大坝约2.0km,开采运输方便,岩层为中厚层泥质粉砂岩夹薄层砂质泥岩,岩石露头十分良好,出露厚度10~13m,岩层中强风化的厚度2.5~4m,弱风化厚度17~28m,其弱风化~新鲜岩体为有用层,有用层可采厚度14~25m,储量满足要求。

  对砂岩进行试验分析:天然密度2.57g/cm3,饱和密度2.61 g/cm3,吸水率0.45%,饱和吸水率0.56%;自然抗压强度79.6MPa,饱和抗压强度50.1MPa,软化系数0.63。

  2、坝体心墙料料场概况

  坝体心墙填筑料为强风化泥岩或粘土,根据工程地质调查,料场位于距离坝址26km的黄家沟,该处在道路改造扩宽工程中存在有大量的泥岩及粘土。

  经土工试验后,其最大干密度1.95g/cm3,最优含水率13.6%,修正后压实其最大干密度2.09 g/cm3,最优含水率11.5%,渗透系数9.28x10-7cm/s。

  表4.2-2天然建材石材储量调查状况表

  类别料场名称计量单位完成调查量及倍比产地数量倍比石材蒋家坡石料场1×104m3162.9枣林镇八字村5社石材大堰塘石料场1×104m318回风浅滩村1社泥质砂岩石渣刘家嘴石渣料场1×104m31005.3右岸西龛村七村粘土黄家沟1×104m357.6黄家沟泥岩块黄家沟1×104m320黄家沟

  在经过业主方同意后,本工程所需石渣料由刘家嘴料场开采,心墙料由黄家沟料场开采。

  3、工程料场选择

  依据工程地质勘察资料,刘家嘴料场石料试验表明,该料场石料在抗压强度、吸水率、干密度等特性方面满足工程填筑料的要求,且料场所处地区距大坝填筑区2.0km,运输近,选择此处作为坝体填筑料开采料场,开采方便、在很大程度上节省石料开采运输成本。

  作为施工区域唯一的强风化泥岩以及粘土料场,黄家沟选为工程心墙料的料源,运距26.0km。

  4.2.2料场地质情况

  坝体坝壳料、下游堆石料以及排水区的石渣料来自于刘家嘴料场,该料场位于大坝右岸西龛村七村,距大坝约2.0km,开采运输方便,岩层为中厚层泥质粉砂岩夹薄层砂质泥岩,露头十分良好,出露厚度10~13m,岩层强风化厚度2.5~4m,弱风化厚度17~28m,其弱风化~新鲜岩体为有用层,有用层可采厚度14~25m。

  通过料场钻孔调查,该刘家嘴石渣料场主要为砂岩以及部分灰岩石渣料,其料场储量超过100万m³,按照土石坝相应规范,料场储量应为使用量的1.5~3倍[46],而坝体计划石渣填筑料39.42万m³,因此料场储量基本满足工程要求。根据料场地质勘测所得的纵断面图,测量的不同高程对应不同的石渣开采储量,确定采用底线为420.0m高程,开采量87.62万m³,约为填筑量的2.2倍。另外料场地表覆盖层多为腐殖土,厚度约0.5~1.0m,开采时采用机械平配合人工进行表层剥离。

  4.3大坝填筑施工工艺

  4.3.1大坝分区填筑顺序

  津桥湖水库大坝为强风化泥岩(或粘土)心墙坝,心墙填筑按照先土后砂法施工,即先填筑强风化泥岩,再填筑反滤层料,然后进行坝壳料的填筑施工。,然在心墙部位有灌浆工程,导致在施工时间上心墙填筑时间稍后于坝壳料,因此,津桥湖水库工程大坝填筑施工顺序则是:在进行灌浆工程的施工中,进行下游排水区填筑,下游坝壳料、以及堆石料的填筑,帷幕灌浆河床部位灌浆完成后,可进行心墙的填筑,最后进行上游坝壳料的填筑。其主体施工顺序见图4.3-1。

  填筑顺序:Ⅲ→Ⅳ→Ⅵ→Ⅰ→Ⅱ→Ⅴ

  图4.3-1大坝填筑顺序

  4.3.2坝体石渣料开采填筑工艺

  一、心墙料开采填筑施工工艺

  心墙料的开采来自于距离坝址26km的黄家沟料场,料场区域含有粘土料以及强风化泥岩料,料场储量满足工程要求,填筑料可利用挖掘机直接开采,自卸汽车运输上坝填筑,填筑工艺为:

  表层剥离→挖装→汽车运输→填筑区卸料→平料→碾压→取样合格检查。

  二、石渣料开采施工填筑工艺

  石渣料开采施工填筑工艺

  石渣料场位于大坝右岸西龛村,距离施工区2km,且有道路交通相连,料场为砂岩,容重2.5kg/m³,采用深孔梯段爆破获得石渣料,因此坝体于料场开采石渣的开采填筑工艺如下:

  表土剥离→钻孔→爆破→挖掘机装载→自卸汽车运输→卸料→平料→碾压→取样合格。

  4.4应用价值工程对石料开采工艺的选择分析

  本文研究分析价值工程的理论,并将其应用与津桥湖水库工程中,结合实际工程严格按照价值工程活动程序进行,从评价对象选择、选定对象到对施工工艺、所用材料方面进行优化,以期降低工程成本,获取经济效益。

  在前一章进行方案选择评价过程中,对方案三大坝填筑工程中坝体石渣料的填筑进行了分析,认为通过改进坝体石渣填筑工艺有提高工程价值,降低工程成本的可能,因此,对坝体石渣料填筑工艺进行价值工程评价。

  4.4.1价值工程评价对象的选择

  前面对津桥湖水库工程施工的造价、以及工程各部分的填筑工程量进行了分析,从中笔者选择了对大坝石渣料的开采填筑施工工艺进行价值工程优化分析。根据工程投标文件的单价构成,坝体石渣填筑单价见表4.4-1所示,填筑工程单价组成工序包括:开采→挖装→运输→卸料、推平→碾压。

  表4.4-1坝壳石渣料填筑料单价分析表单位:100m³压实方

  序号12345678910工序名称开采挖装运输推平碾压间接费利润价差税金合计单位元/m³元/m³元/m³元/m³元/m³元/m³元/m³元/m³元/m³元/m³单价11.604.059.151.472.792.031.5510.311.4944.44费用比例39.91%13.95%31.48%5.06%9.60%备注费用比例基价为29.06元/m³,1m³压实方需0.90m³自然方

  根据表4.4-1,石渣料的开采单价11.60元/m³(1m³压实方石渣),占整个石渣填筑工艺综合单价44.44元/m³的39.91%,因此其为主要控制因素,按照价值工程评价对象选择的优先顺序,应先对石渣料开采施工工艺进行价值工程分析。

  针对石渣料的开采工艺进行价值工程活动,其开采单价见表4.4-2所示。

  表4.4-2石渣料开采单价分析表单位:100m³

  编号名称单位数量单价(元)合价(元)一人工费元129.51工长工时1.26.227.46中级工工时8.85.0344.26初级工工时28.72.7177.78二材料费元661.91炸药kg46.455232.25导电线m68.972103.46导火线m31.26131.26电雷管个7.312.5518.64合金钻头个0.18509.00火雷管个14.882.5537.94潜孔钻钻头100型个0.2230066.00冲击器DH6套0.02220044.00其他材料费%22542.55119.36三机械费元495.31风钻手持式台时2.2531.6871.28潜孔钻100型台时2.76137.32379.00其他机械费%10450.2845.03四合计元1286.72单价元12.87

  在表4.4-2中,石渣料开采单价12.87元/m³,材料费6.62元/m³,占工序直接费12.87元的51.44%,为主要控制因素,而在材料费用中炸药的费用2.32元/m³,占整个材料费的35.09%,占整个直接费的18.05%,为材料费用中的重要控制因子,因此只要控制开采过程中,爆破所用的乳化炸药在开采过程中消耗量不超或有所降低或利用同功能的低价格材料代替,则工艺的功能成本就可以有所降低,从而工程填筑单价的变化将为施工企业实现经济效益。

  因此在坝体施工中,应用价值工程进行控制因子的优先顺序分析,对象选择的顺序为:

  心墙坝→坝体填筑→坝壳料填筑→石渣料开采→材料费→炸药

  4.4.2施工工艺资料收集

  一、常用的爆破方法

  石渣料开采常用爆破方式有:浅孔爆破、深孔梯段爆破、洞室爆破等。各种爆破方式均有其特点。

  (1)浅孔爆破

  浅孔爆破按照孔径小于75mm,孔深小于5m为浅孔爆破,此爆破方式有利于控制开挖面的形状和规格,并且使用的钻孔机械简单,操作方便,但劳动生产率无法适应于大规模爆破开挖的需要,常将其应用于地下工程开挖、露天工程的中小型料场开采、水工建筑物基础分层开挖以及城市建筑物的控制爆破等

  (2)深孔梯段爆破

  深孔梯段爆破按照孔径大于75mm,孔深超过5m为深孔梯段爆破。由于其钻孔较深,所使用的施工机械较为复杂,钻孔控制难度较大,但其劳动生产率高适合大规模爆破的需要,因此深孔梯段爆破适用于料场和基坑的大规模和高强度施工开挖。

  (3)洞室爆破

  洞室爆破又称为大爆破,施工中沿料场开采方向先开挖一平洞或竖井,用于装填炸药,炸药装填后,将平洞或竖井赌赛。

  洞室爆破具有凿岩机械设备简单、节省劳动力,爆破效率高,一次爆破方量大,有利于加快施工进度,并且导洞药室的开挖受气候条件影响下,开挖条件差,并且爆破后块度不均,大块率高。因此洞室爆破适用于挖方量大而集中,并需在短期内发挥效益的工程;山势陡峻,不利于钻孔爆破安全施工的场合,甚至于当地质、地形条件满足要求时,洞室爆破可用于定向爆破筑坝、面板堆石坝次堆料区料场开挖以及定向爆破截流等。

  二、爆破材料

  工程所在地用于大坝填筑石渣料开采爆破的常用炸药有乳化炸药、硝铵炸药、铵油炸药等。起爆器材有火雷管、雷管等,引线有导火线、导爆管、导爆索等。

  按照当地材料市场价格,乳化炸药到场价14.5元/kg,导火线1元/m,导电线1.5元/m,导爆索2.5元/m,火雷管2.55元/个,电雷管2.5元/个。

  三、常用施工机械

  石料爆破开挖常用施工机械包括钻孔机械、石渣装载机械、运输机械、石渣平料机械以及碾压机械等

  (1)钻孔机械

  津桥湖水库工程施工方拥有的钻孔设备为:YT-28手持风钻、YDX40A手持电钻、YQ-100潜孔钻,以及液压履带式凿岩机。

  (2)装载机械

  柳工225反铲液压挖掘机,2m³的正铲装载机。

  (3)运输机械

  常用运输机械有东风牌5t自卸汽车、8t自卸汽车、15t自卸汽车、15t红岩车等。

  (4)平料机械

  石渣平料机械有T120推土机、T140推土机、以及TY220推土机。

  (5)碾压机械

  碾压机械有牵引式TYZ18T平碾、JAT16自行式平碾,26t羊角碾。

  4.4.3评价对象功能分析

  津桥湖水库工程经分析将对大坝所用的石渣料开采方式进行施工方案优化分析。工程大坝填筑分为强风化泥岩心墙坝、上下游坝壳料、下游堆石料、灰岩排水区等。

  4.4.3.1坝体石渣料的基本功能

  水库大坝为挡水建筑物,心墙为强风化泥岩或粘土防渗料,心墙上下游设两层反滤料,其后为上下游坝壳料,下游坝壳料后为堆石料,整个坝体坝壳料的基本功能是承担和控制大坝稳定,具备挡水功能。因此,大坝坝壳料必须具有一定的强度,相应的软化系数、渗透性、密实性以及耐久性等,按照相应要求,其大坝各部分填筑区的填筑料设计要求见表4.4-3所示。

  施工方按照填筑料设计要求,经填筑料碾压试验后,保证铺料厚度与碾压遍数符合设计规定,最终取料检验,各项指标满足设计要求即可。

  表4.4-3坝体填筑料设计要求

  序号分区名称填筑材料渗透

  系数设计

  干容重有效应力

  抗剪强度指标备注(m/s)(KN/m³)c(Kpa)φ(°)1上游坝壳料砂泥岩石渣2x10-222.03530.02心墙填筑料强风化泥岩石渣1x10-718.05028.0或粘土料3防渗土工膜PE土工膜1x10-114反滤层砂卵石5x10-421.0030.05下游坝壳区砂岩/灰岩石渣5x10-422.01032.06下游堆石区砂岩/灰岩块石2x10-123.0040.07灰岩排水区灰岩2x10-124.0042.0

  津桥湖水库心墙坝填筑,上游坝壳料、下游堆石料、排水区以及下游坝壳料除利用工程开挖料外,均自料场开采。其中从料场开采石渣料29.65万m³(自然方),坝壳料料场开采填筑单价44.44元/m³,堆石料开采填筑单价46.33元/m³,灰岩排水区填筑单价47.82元/m³,因此坝壳石渣填筑成本总计1396.70万元,其中开采费用354.96万元。其中坝壳料、堆石料、灰岩排水区的石渣料可采用同种方式,其开采单价为12.87元/m³。

  4.4.3.2坝体石料功能评价值的确定

  水利工程含有众多分部分项工程,工序复杂,工程质量、各种材料的使用、施工工艺都比较严格,评价各自功能在整体功能中所占的比率非常困难,而且人为影响因素大,因此,本文采用功能成本法,从消耗成本的角度来确定功能评价值。

  功能成本法中有方案估算法和实际统计值评价法,两种方法类似,均是通过同类工程的实际资料,来确定功能评价值。水利工程本身较为复杂,各自均有自己的特点,但也有其共同性,因此经过多个工程完工后的总结就能找到其普遍性的一面,通过对已建设工程的实际成本的分析,对于坝壳料功能评价值的确定具有重要的指导意义。

  津桥湖水库工程的施工方通过对同类工程建设的资料进行统计分析,最终确定坝壳料功能评价值。其统计资料见表4.4-2所示。

  表4.4-2已建同类水利工程成本分析表

  水库名称潞西市孟板河弥勒县雨补华平县务平楚雄市西静河工程总费用(万元)4485.13926.83227.32708.5坝体填筑量(万m³)132.8127.4114.296.8主要填筑料名称坝壳堆石料坝壳风化料坝壳风化料坝壳堆石料方量(万m³)87.473.881.362.9占总量比例(%)65.857.971.265合同单价(元/m³)27.630.726.822.9合同费用(万元)2412.22265.72178.81140.4实际单价(元/m³)24.5126.7623.9319.65实际成本(万元)2142.51974.91945.7983.7成本降低额(万元)269.7290.8233.1156.7单方降低额(元/m³)3.093.942.873.25成本降低率(%)11.212.810.713.74

  4.4.3.3石料价值计算

  经过统计分析,以上四个同类工程中,最终的成本降低率在10.7~13.74%,为了能更好的分析石渣料的价值,以12%作为价值工程优化工艺的现实成本降低值,其88%为实现应有功能所消耗的最低成本,即坝体石渣料的功能评价值F:

  F=1396.70x(1-0.12)=1229.10万元

  坝体石渣料的价值V=F/C=1229.10/1396.70=0.88<1

  价值系数小于1说明实现功能的现实成本高于实现功能的最低成本,研究评价对象的目前成本偏高,其原因可能来自于实现功能的施工工艺和条件没有达到最佳因而造成成本的增加,故要降低成本需要从施工工艺和实现条件方面着手,进而降低实现功能的目前成本。

  坝体石渣料降低成本期望值∆C:

  ∆C=C-C目标=1396.70-1229.10=167.60万元。

  故,希望通过改变施工工艺以及条件达到降低成本期望值为167.60万元。

  4.4.4爆破工艺方案评价

  坝体石渣料开采爆破方式:浅孔爆破、深孔梯段爆破、洞室爆破,其各自的特点和使用范围在前文已叙述,津桥湖水库工程坝体石料开采采用的爆破方式将对三种方式进行选择,下面将对三种方式在技术可行性和经济可行性方面进行简要概述。

  4.4.4.1浅孔爆破工艺

  津桥湖水库工程坝体填筑石渣料来源于2.0km外的刘家嘴料场,该料场先期已有小规模开采,因此有道路直达料场区。刘家嘴料场表面覆盖0.5m左右的种植土,对已开采区域调查,料场表层岩石破碎,下部岩层完整,存在少量裂隙。在进行先期阶梯掌子面开采过程中采用浅孔爆破,发现造孔时由于表层岩石(大概5m左右)破碎,存在大量的裂隙,爆破过程中出现飞石较远且不易控制,形成一定的安全隐患。因此前期开采形成阶梯掌子面时,采用浅孔爆破,其炸药单耗0.509kg/m³,开采单价15.02元/m³,石料填筑总成本1483.32万元。浅孔爆破开采量少,坝体填筑高峰期不满足上坝强度要求,故进行坝体石渣料大规模开采时不采用浅孔爆破。

  4.4.4.2洞室爆破工艺

  津桥湖水库枢纽工程大坝填筑工程石渣料29.65万m³从料场开采,料场位于距离工程所在2.0km的刘家嘴石料厂,且周边有少量居民,离城区较近,若采用洞室爆破虽然可以获得大量的石料,但爆破震动大,容易造成周边建筑群的出现安全隐患,且对周边环境影响大,因此鉴于周边安全以及工程开采料不大的因素,笔者因而决定不采用洞室爆破,从而进行深孔梯段爆破试验,以确定工程石料的开采方式。

  4.4.4.3深孔梯段爆破工艺

  上面所述,浅孔爆破的开采量不能满足大坝填筑的施工强度要求,而洞室爆破虽能满足施工强度的要求,但易形成安全隐患,因此根据料场的地质和地形条件,选择深孔梯段爆破,并进行爆破试验。

  在进行开采坝体坝壳料碾压实验所用料时,采用深孔梯段爆破方式进行了三次爆破试验,结合料场的地质条件和地形,每次爆破试验所采用的台阶高度分别为8m,10m以及12m。

  深孔梯段爆破其主要设计参数有:W,最小抵抗线;Wd,底盘抵抗线;B,台阶眉线到第一排的距离;a,钻孔间距;b钻孔排距;L1,装药段长度;L2,堵塞段长度;d,钻孔直径;h,孔深;H,台阶高度;△h,超钻深度;q,炸药单位体积耗药量。

  各试验的详细情况如下:

  深孔梯段爆破试验(一)

  (1)台阶高度H=8m,钻孔直径d=90mm,采用100型潜孔钻钻垂直孔,2#岩石乳化炸药;

  (2)底盘抵抗线Wd。底盘抵抗线指炮孔中心线至台阶坡脚的水平距离,计算公式为:

  Wd=HDηd/150(4.4-1)

  式中:D为岩石硬度系数,一般取0.46~0.56,硬岩取小值;η为台阶高度影响系数,由表4.4-3确定。

  表4.4-3高度影响系数η的确定

  H(m)101215172022252730η1.00.850.740.670.600.560.520.470.42

  料场岩石为硬岩,岩石硬度系数D取0.46,η取1.0,因此底盘抵抗线Wd为:Wd=8 x0.46 x1.0 x90∕150=2.21m

  (3)超钻深度△h。计算公式为:

  △h=(0.15~0.35)Wd(4.4-2)

  式中:系数在台阶高度大、岩石坚硬时取大值,故计算时取0.35。

  超钻深度:△h=0.35 x2.21=0.77m。

  (4)孔长L。计算公式为:

  L=(H+△h)∕sinα(4.4-3)

  式中:α为钻孔倾斜角,一般与台阶坡面角相同,对于垂直孔,α=90。。

  因此孔长L=8+0.77=8.77m。

  (5)孔距a,排距b

  a=(1.0~2.0)Wd(4.4-4)

  b=(0.8~1.0)Wd(4.4-5)

  孔距系数取1.5,故a=1.5 x2.21=3.32m,孔距取3.0m;

  排距系数取0.9,故b=0.9 x2.21=1.99m,排距取2.0m

  (6)装药长度L1,堵塞长度L2

  堵塞长度L2按孔长的0.4倍计算,故L2=0.4 x8.77=3.51m,取3.5m。

  装药长度L1=8.77—3.5=5.27m。

  (7)深孔梯段爆破采用3排,每排8个炮孔,共24个炮孔,其平面布置如图4.4-1;

  图4.4-1深孔梯段爆破布置图

  (8)装药量计算Q

  取单孔装药量取0.5kg/m³,前排炮孔单孔装药量为:

  Q前=qa WdH=0.5 x3.0 x2.21 x8=26.52kg;

  后排炮孔装药量为:

  Q后=qabH=0.5 x3.0 x2 x8=24kg;

  爆破总装药量Q=8 x26.52+24x 16=596.16kg

  (9)设计爆破方量V设计

  设计爆破方量:V设计=(3 x7+2)x(2.21+4+1+2+5)x(8+1)∕2=1367.24m³

  (10)爆堆

  采用梯段爆破后,形成的自由面有少量悬挂块石,形成的新台阶面较为平整,凸出块石少,经人工清理后即可形成平整面;超径石块石粒径大于80cm的块石有16个,最大粒径为2x1.5x1.5=4.5m³。

  (11)超径石解小用药量

  超径石采用人工手持风钻钻孔,解小爆破药用量45kg;

  (12)试验炸药总用量Q=596.16+45=641.16kg;

  (13)试验开采方量V=1367.24+87.54=1454.78m³;

  (14)炸药单耗值q=641.16/1454.78=0.441kg/m³。

  深孔梯段爆破试验(二)

  (1)台阶高度H=10m,钻孔直径d=90mm,采用100型潜孔钻钻垂直孔,2#岩石乳化炸药;

  (2)底盘抵抗线Wd。

  料场岩石为硬岩,岩石硬度系数D取0.46,η取1.0,因此底盘抵抗线Wd为:Wd=HDηd/150=10 x0.46 x1.0 x90∕150=2.76m

  (3)超钻深度△h。

  系数取0.35;超钻深度:△h=(0.15~0.35)Wd=0.35 x2.76=0.97m

  (4)孔长L=10+0.96=10.97m。

  (5)孔距a,排距b

  孔距系数取1.27,故a=1.27 x2.76=3.51m,取3.5m;

  排距系数取0.9,故b=0.9 x2.76=2.48m,取2.5m

  (6)装药长度L1,堵塞长度L2

  堵塞长度L2按孔长的0.4倍计算,故L2=0.4 x10.97=4.39m,取4.5m。

  装药长度L1=10.97—4.5=6.47m。

  (7)深孔梯段爆破采用3排,每排8个炮孔,共24个炮孔,其平面布置如图4.4-2;

  图4.4-2深孔梯段爆破布置图

  (8)装药量计算Q

  取单孔装药量取0.5kg/m³,前排炮孔单孔装药量为:

  Q前=qa WdH=0.5 x3.5 x2.76 x10=48.3kg;

  后排炮孔装药量为:

  Q后=qabH=0.5 x3.5 x2.5x10=43.75kg;

  爆破总装药量Q=8 x48.3+43.75x 16=1086.4kg

  (9)设计爆破方量V设计

  设计爆破方量:V设计=(3.5 x7+2)x(2.76+5+1+7)x(10+1)∕2=2297.02m³

  (10)爆堆

  采用梯段爆破后,形成的自由面有少量凸块,形成的新台阶面较为平整,凸出块石少,经人工清理后即可形成平整面;超径石块石粒径大于80cm的块石有20个,最大粒径为2.2x1.7x1.6=5.98m³。

  (11)超径石解小用药量

  超径石采用人工手持风钻钻孔,解小爆破药用量68kg;

  (12)试验炸药总用量Q=1086.4+68=1154.4kg;

  (13)试验开采方量V=2297.02+158.94=2455.96m³;

  (14)炸药单耗值q=1154.4/2455.96=0.470kg/m³。

  深孔梯段爆破试验(三)

  (1)台阶高度H=12m,钻孔直径d=90mm,采用100型潜孔钻钻垂直孔,2#岩石乳化炸药;

  (2)底盘抵抗线Wd。

  料场岩石为硬岩,岩石硬度系数D取0.46,η取1.0,因此底盘抵抗线Wd为:Wd=HDηd/150=12 x0.46 x1.0 x90∕150=3.31m

  (3)超钻深度△h。

  系数取0.35;超钻深度:△h=(0.15~0.35)Wd=0.35 x3.31=1.16m

  (4)孔长L=12+1.16=13.16m。

  (5)孔距a,排距b

  孔距系数取1.0,故a=1.0 x3.31=3.31m,取3.0m;

  排距系数取0.8,故b=0.8 x3.31=2.65m,取2.5m

  (6)装药长度L1,堵塞长度L2

  堵塞长度L2按孔长的0.4倍计算,故L2=0.4 x13.16=5.26m,取5.0m。

  装药长度L1=13.16—5.0=8.16m。

  (7)深孔梯段爆破采用3排,每排8个炮孔,共24个炮孔,其平面布置如图4.4-3;

  图4.4-3深孔梯段爆破布置图(试验三)

  (8)装药量计算Q

  取单孔装药量取0.5kg/m³,前排炮孔单孔装药量为:

  Q前=qa WdH=0.5 x3.0 x3.31 x12=59.58kg;

  后排炮孔装药量为:

  Q后=qabH=0.5 x3.0 x2.5x12=45kg;

  爆破总装药量Q=8 x59.58+45x 16=1196.64kg

  (9)设计爆破方量V设计

  设计爆破方量:V设计=(3.0 x7+2)x(3.31+5+1+3+6)x(12+1)∕2=2737.35m³

  (10)爆破

  采用梯段爆破后,形成的自由面有少量凸块,形成的新台阶面较为平整,凸出块石少,经人工清理后即可形成平整面;超径石块石粒径大于80cm的块石有15个,最大粒径为1.8x1.6x1.3=3.74m³。

  (11)超径石解小用药量

  超径石采用人工手持风钻钻孔,解小爆破药用量35kg;

  (12)试验炸药总用量Q=1196.64+36=1231.64kg;

  (13)试验开采方量V=2737.35+168.55=2905.9m³;

  (14)炸药单耗值q=1231.64/2905.9=0.424kg/m³。

  表4.4-3深孔梯段爆破试验参数

  试验参数试验一试验二试验三炸药单耗kg/m³0.50.50.5台阶高度H(m)81012底盘抵抗线Wd(m)2.212.763.31炸药型号2#岩石乳化炸药2#岩石乳化炸药2#岩石乳化炸药超钻深度△h(m)0.770.971.16孔距a(m)3.03.53.0排距b(m)2.02.502.50炮孔布置(排x孔)3x83x83x8设计装药量(kg)596.161086.401196.64设计爆破方量(m³)1367.242297.022737.35解小爆破药量(kg)456835爆破试验炸药用量(kg)641.161154.401231.64实测爆破方量(m³)1454.782455.962905.9实际炸药单耗量(kg/m³)0.4410.4700.424开采单价(元/m³)12.7212.9012.62填筑工程单价(元/m³)44.0744.5243.80

  4.4.4.4爆破工艺价值分析

  1、浅孔爆破价值分析

  投标文件石料开采炸药的单耗量0.465kg/m³,开采单价12.87元/m³。在进行浅孔爆破试验时,所采用的施工机械、人工以及材料与投标价中相同,爆破试验的炸药单耗为0.509kg/m³,比投标中增加了0.044kg/m³,开采单价从原来的12.87元/m³变为15.03元/m³,因此整个开采费用成本414.54万元,开采费用增加了59.57万元,石渣料填筑费用为1483.32万元,故石料价值V:

  V=F/C=1229.10/1483.32=0.829<1

  成本降低期望值∆C:

  ∆C=1396.70-1483.32=-86.62万元<0

  因此,坝体石渣料价值0.829比功能分析0.88低且都小于1,成本降低期望值∆C<0,说明开采石渣料的现实成本高于目标成本,目前成本偏高,只能通过改进开采工艺,降低目前成本,以提高工程价值。

  2、深孔梯段爆破价值分析

  (1)深孔梯段爆破试验一

  投标文件石料开采炸药的单耗量0.465kg/m³,开采单价12.87元/m³。在进行深孔梯段爆破试验时,所采用的施工机械、人工以及材料与投标价中相同,深孔梯段爆破试验一的炸药单耗为0.441kg/m³,比投标中减少了0.024kg/m³,开采单价从原来的12.87元/m³变为12.72元/m³,因此整个开采费用成本350.83万元,降低了4.14万元,石渣料填筑费用为1385.35万元,故石料价值V:

  V=F/C=1229.10/1385.35=0.887<1

  成本降低期望值∆C:

  ∆C=1396.70-1385.35=11.35万元>0

  因此,坝体石渣料价值0.887比功能分析0.88高且都小于1,成本降低期望值∆C>0,但小于167.60万元,说明工程价值还有提高的可能性,且开采石渣料的现实成本高于目标成本,目前成本偏高,可通过改进开采工艺或材料,降低目前成本,提高工程价值。

  (2)深孔梯段爆破试验二

  深孔梯段爆破试验二的炸药单耗为0.470kg/m³,比投标中多了了0.005kg/m³,但改变了石料开采工艺使得开采单价从原来的12.87元/m³变为12.90元/m³,因此整个开采费用成本355.79万元,增加了0.83万元,石渣料填筑费用为1399.12万元,故石料价值V:

  V=F/C=1229.10/1399.12=0.878<1

  成本降低期望值∆C:

  ∆C=1396.70-1399.12=-2.42万元<0

  因此,坝体石渣料价值0.878比功能分析0.88低且都小于1,成本降低期望值∆C<0,,说明试验二不能提高工程价值,反而增加了工程成本的可能性,且开采石渣料的现实成本高于目标成本,目前成本偏高,可通过改进开采工艺或材料,降低目前成本,提高工程价值。

  (3)深孔梯段爆破试验三

  深孔梯段爆破试验三的炸药单耗为0.424kg/m³,比投标中的少了0.041kg/m³,但改变了石料开采工艺使得开采单价从原来的12.87元/m³变为12.62元/m³,因此整个开采费用成本348.07万元,降低了6.90万元,石渣料填筑费用为1377.02万元,故石料价值V:

  V=F/C=1229.10/1377.02=0.893<1

  成本降低期望值∆C:

  ∆C=1396.70-1377.02=19.68万元>0

  因此,坝体石渣料价值0.893比功能分析0.88高且都小于1,成本降低期望值∆C>0,但小于167.60万元,说明工程价值还有提高的可能性,且开采石渣料的现实成本高于目标成本,目前成本偏高,可通过改进开采工艺或材料,降低目前成本,提高工程价值。

  三种试验爆破结果中,试验一台阶8m,价值系数0.887;试验二台阶10m,价值系数0.878;试验三台阶12m,价值系数0.893;结果表明采用深孔梯段爆破能够提高工程价值,但价值系数未达到1,说明改进工程开采工艺还有提高价值的可能性。

  4.5开采工艺改进方案

  4.5.1工艺改进方案

  在经过浅孔爆破试验与深孔梯段爆破试验比较后,针对坝体石渣料开采工艺,笔者认为继续对深孔梯段爆破工艺进行改进,将进一步提高工程价值,因此对深孔台阶爆破工艺进行改进,在试验方案三的基础上对使用的炸药和炮孔平面布置结构上以及装药结构进行改进,即采用价格较低的铵油炸药代替价格高的乳化炸药,并在炮孔平面布置上排距×孔距调整为2.5×2.5,台阶12m,降低岩石开采的超径石量。对改进后新工艺的进行爆破试验,以此测算出采用新工艺从而所需的功能现实成本C。

  4.5.2爆破施工技术控制

  (1)平面布置

  根据坝体石渣料级配要求,在形成掌子面的过程中,为使爆破的岩石充分破碎,减少爆破产生的大块石率,采用底盘抵抗线4排38孔布药形式,使炸药能够充分均匀分布岩层内部,改善石料级配。此次试验台阶高度12m,炮孔为梅花型布置,见图4.5-1。

  图4.5-1爆破平面布置图

  (2)爆破参数

  坝体石渣料的开采采用梯段爆破,为达到石渣级配要求,爆破后石料块度均匀,减少大块率,在经过三次深孔梯段爆破后,选取台阶H=12m,排距2.5m,孔距2.5m,4排不要孔的平面布置形式,爆破为松动爆破,炸药单耗K=0.5kg/m³。

  (3)药室装药量计算

  取单孔装药量取0.5kg/m³,前排炮孔单孔装药量为:

  Q前=qa WdH=0.5 x2.5 x3.31 x12=49.65kg;

  后排炮孔装药量为:

  Q后=qabH=0.5 x2.5 x2.5 x12=37.5kg;

  爆破总装药量Q=8 x49.65+37.5x 30=1522.2kg。

  (4)设计爆破方量

  V设计=(2.5 x7+2)x(3.31+7.5 x 2+1+3+1)x(12+1)∕2=2954.54m³

  (5)起爆网络

  刘家嘴料场爆破试验采用多排微差爆破网路进行,其网络示意图见图4.5-2。

  图5.1-2电爆网络连接示意图

  (6)铵油炸药的配置

  铵油炸药其主要成分是硝酸铵和柴油,并加入木粉配合而成,其中硝酸铵、柴油、木粉的比例为92:4:4。在原料采用的硝酸铵自化肥厂生产的多孔粒状硝酸铵,柴油采用轻柴油,在当地购买,木粉为干锯木屑,从当地木厂购买使用,在配置炸药过程中采用人工拌合,制作流程如图4.5-3所示。

  图4.5-3铵油炸药制作流程图

  (7)炮孔堵塞

  炮孔堵塞的作用是运用填筑料的堵塞作用阻塞并防止炸药爆炸所产生的能量损失,防止爆破产生的飞石远距离抛出,保证爆破的效果。堵塞时采用粗砂进行装填,台阶面的堵塞采用粘土封闭孔口,保证整个炮孔的封闭性,堵塞长度大于5.0m。

  (8)装药起爆

  炮孔装药采用不耦合装药结构,采用竹片绑扎铵油药卷,人工连接起爆网络,毫秒雷管起爆。装药前一天拌制炸药,将安设有电雷管药卷和导电线连接,为便于搬运和确保起爆效果,事先用竹片绑扎好后

  (9)爆堆以及超径石解炮

  爆破后形成的爆堆,大块超径石得到了控制,经统计共有大块石粒径超过80cm的有25块,最大块石粒径1.5x1.2 x1.8=3.24m³。产生的飞石少,距离得到了控制。爆破后形成的超径石,采用铵油炸药与铵梯炸药结合进行解炮处理,整个解炮用量55kg。

  (10)爆破方量

  爆破后,形成的石渣体形不易测量,采用上坝测量方法,测得方量4295.68m³。

  (13)炸药单耗

  经计算,爆破炸药单耗为q=(1522.2+55)/4295.68=0.367kg/m³。

  (14)开采成本11.60元/m³,采用此方案进行的坝体石料填筑单价为38.89元/m³。

  4.5.3功能价值评价

  (1)铵油炸药单价分析

  铵油炸药由硝酸铵、柴油、木粉按照质量92:4:4拌制而成。其每千克铵油炸药各消耗量以及单价见表4.5-2所示。

  表5.1-2铵油炸药单价组成分析表

  材料名称质量比数量(kg)单价(元/kg)合计硝酸铵0.920.922.82.58柴油0.040.048.240.33木粉0.040.040.50.02加工费20%0.59铵油炸药单价(元/kg)3.51

  经计算铵油炸药单价为3.51元/kg,炸药单耗为0.367kg/m³,因此开采石料的炸药成本为C’=3.51x0.367=1.29元/m³,而采用乳化炸药的成本0.465 x14.5=6.74元/m³,因此相较与乳化炸药,采用铵油炸药替代将减少的炸药成本为6.74-1.29=5.49元/m³,则整个开采成本为319.94万元,开采成本降低了35.03万元。

  (2)坝体石渣料总成本

  经过炸药替换,采用洞室爆破开采石渣料,坝壳料填筑单价38.89元/m³,堆石料40.52元/m³,灰岩排水区41.77元/m³

  坝体石渣料总成本C=206.71+602.27+317.66+61.65+14.21+24.28=1226.77万元。

  (3)石渣料价值。

  石渣料价值V=1229.1/1226.77=1.002>1.0

  成本降低期望值∆C=1396.7-1226.77=169.93>167.60万元。

  因此,石渣料的价值为1.002较之前三次爆破的0.89高且小于1,说明开采石渣料的现实成本与最低费用相近,在满足石渣料功能的要求下,石渣开采的价值最大。成本降低期望值169.93大于167.60万元,说明采用铵油炸药代替乳化炸药,以及改变装药结构的改进方案是合理的,技术上是可行的。

  4.6工艺优化后的详细评价

  4.6.1技术评价

  (1)深孔爆破

  深孔梯段爆破经实践证明:具有投资省、功效高、工期短、开采方量大以及使用机械简易等特点。我国自上世纪70年代以来,水利水电行业已广泛采用深孔梯段爆破技术,至今深孔梯段爆破技术已相当成熟,在设计的基础上已有成熟的计算方式。

  (2)铵油炸药

  铵油炸药是一种敏感度低,含氧较多的正氧平衡炸药,具有掺油均匀,吸油率高、不易结块和爆炸反应完全的优点,并且其拌制、运输中只要不具有较大的撞击,一般是安全的,因此配置的过程只要按照炸药的安全管理规定进行,就可确保其安全。

  炸药的拌制采用人工用铁铲就可进行。铵油炸药按照硝酸铵、柴油、木粉的质量比重92:4:4进行配合拌制。硝酸铵来自于当地化肥厂生产的多孔粒状硝酸铵与当地购买的柴油、木粉进行配置而成。配置方法为:选择一块混凝土场地,将硝酸铵中结块部分捣碎,再将柴油和木粉均匀与硝酸铵拌合,人工用铁铲来回翻动,直至混合均匀,务必使三者拌和后具有一定的密度,以保证炸药的爆炸性质。拌和后的炸药不能存放太久,以1~2天为佳,以免结块。

  经过试验证明,铵油炸药是能够用于本工程的石料开采的,其爆破结果表明,铵油炸药的爆力和猛度都能达到要求,并且降低了超径石成块现象。

  (3)爆破后边坡的稳定

  采用铵油炸药作为爆破的炸药,爆破后,形成的边坡因炸药威力降低,使其边坡不存在悬挂块石,减缓了爆破对边坡的影响,保证了边坡的稳定。

  4.6.2经济评价

  (1)铵油炸药的价格

  铵油炸药经由现场配置而成,其单价经试验为3.51元/kg,而采用的乳化炸药其单价为14.5元/kg,虽然同等质量铵油炸药的爆破效果弱于乳化炸药,但并不削弱其带来的经济效益。

  (2)开采效益

  铵油炸药单价为3.51元/kg,炸药单耗为0.367kg/m³,因此开采石料的炸药成本为C’=3.51x0.367=1.29元/m³,而采用乳化炸药的成本0.465 x14.5=6.74元/m³,因此相较与乳化炸药,采用铵油炸药替代将减少的炸药成本为6.74-1.29=5.49元/m³,则整个开采成本为319.94万元,开采成本降低了35.03万元。

  (3)填筑效益

  采用铵油炸药进行津桥湖水库工程石料的开采,坝壳料填筑单价38.89元/m³,堆石料40.52元/m³,灰岩排水区41.77元/m³,石料填筑总成本1226.77万元,降低了填筑成本169.93万元。

  4.6.3价值评价

  坝体石渣料的开采工艺进行价值工程评价,在相同的人力、机械、材料等物资,在经过浅孔爆破以及深孔梯段爆破等的试验下,使其价值不断提高,价值系数不断增大,各自价值分析成果见表4.6-1。

  表4.6-1石渣价值分析表

  工艺名称功能分析值浅孔爆破深孔梯段爆破深孔梯段铵油爆破功能成本F(万元)1229.101229.101229.101229.10现实成本C(万元)1396.701483.321377.021226.77价值系数V0.880.830.891.002成本降低期望值∆C167.60-86.6219.68169.93备注功能分析值按实际统计值法确定

  从表中可看出,随着价值工程活动的不断深入,石渣料开采的价值系数不断提高,由原先的0.88提高到1.002,成本降低期望值最终达到169.93万元,因此在价值系数提高的同时,石渣料开采的经济效益也在不断增加。

  在对津桥湖水库工程利用价值工程理论进行施工工艺优化后,施工方案三的工程总成本从6204.39万元降低至6034.55万元,降低了169.93万元,成本节约率2.75%,使得工程价值得到了提高。

  4.7小结

  (1)对大坝石料填筑施工工艺进行了工序单价分析,确定了以石料开采工序为工艺优化对象;

  (2)分析同类水利工程,利用功能成本法确定了石料开采价值系数0.88成本降低期望值167.60万元为工艺改进的目标值;

  (3)经过浅孔爆破、深孔爆破试验,测算了浅孔爆破价值系数0.83,深孔爆破价值系数0.893,填筑单价有所降低,研究发现利用深孔梯段爆破有利于提高石料价值;

  (4)对深孔梯段爆破进行工艺改进,以拌制的铵油炸药代替乳化炸药,改变了深孔爆破的装药结构,研究表明此方法是可行的,采用改进后的爆破工艺价值系数提升至1.002,成本期望降低值达到目标要求,并将此方法用于坝体石料开采,以提高工程价值。

  5结论与展望

  5.1研究的主要结论

  本文对津桥湖水库工程施工方案采用价值工程理论进行研究分析,得到了以下结论:

  (1)通过对工程优化评价方法研究比较,认为采用价值工程理论方法构建中小型水利工程施工方案优化模型较为简单、合理。以此建立的施工方案优化模型将专家调查法、层次分析法以及价值工程理论等结合运用,使得工程难以定量评价的功能定量化、并以价值衡量施工方案的优劣,得出合理可信的最优施工方案;

  (2)经过对津桥湖水库工程施工特点分析,设计三种施工方案,以施工方案的工期、施工技术、场面布置以及石料的利用为指标对三种施工方案利用建立的方案优化模型进行价值计算,选取了价值最大的施工方案为最优施工方案;

  (3)对最优施工方案进行成本、工程量的比较分析,确定了可以进行进一步优化提高工程价值的分部分项工程,并对其优化顺序进行排序;

  (4)坝体石料填筑工程作为第一优化对象,分析了工程填筑工序,认为改进石料的开采工艺对提高工程;并以功能成本法确定了优化所要达到的目标;

  (5)在对石料开采采用浅孔爆破以及深孔梯段爆破试验后,经开采成本、石料填筑单价以及价值比较,认为采用深孔梯段爆破能够提高石料的价值,并将价值从0.88提高到了0.89,填筑工程价值得到了提高,但没达到设定的目标,进一步优化深孔梯段爆破工艺将对提高石渣料的价值有重要意义;

  (6)铵油炸药代替乳化炸药,并改变爆破装药结构的改进方案,得到的价值系数1.002,成本期望降低值为169.93万元,达到了设定的目标要求,坝体填筑工艺价值得到了提高。

  5.2展望

  本文采用价值工程理论建立的方案优化模型,对于同类工程利用价值工程优化方案有一定的参考意义,但由于作者工程经验的局限和时间较为仓促,本文的成果显得比较粗糙和简单,还有着一定的改进程度。水利工程是一项复杂系统的工程,对水利工程进行施工方案优化,涉及众多的考虑的因素,并且相互之间均有联系。本文在对津桥湖水库工程施工方案优化的研究过程中,在深度和广度上还不够深入,笔者认为应当拓展研究的方面有:

  (1)本文选用的价值工程建立的优化模型,认为总体框架是没有大问题的,而且简单直接,便于为施工方案的设计者提供参考,但在模型的构建过程中,还存在许多不足和有待完善的地方,需要进一步深化和研究;

  (2)本文以津桥湖水库工程为项目背景,在设计工程施工方案时,仅考虑了工期、枯水期施工导流方式、以及石方料的利用方面对整个工程施工方案的影响,而没有对施工强度这一因素进行深入分析;另外对方案指标进行专家评分,个人主观因素对确定最优施工方案有重要影响,如何解决主观因素的影响还值得深入探讨;

  (3)本文对津桥湖水库工程进行施工方案优化时,仅对施工工艺进行了优化,而没有对场面布置优化、施工线路优化以及资源优化,这也导致了优化结果的不全面。

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