1.1砂石料场优选的意义
砂石料场的规划选择是混凝土坝施工组织设计中的重要环节，工程造价在很大程度上取决于骨料成本，而骨料成本又取决于料场选择及相应的加工方案的优劣。
1.2砂石料场优选的现状
料场选择要受到产地位置、自然条件、骨料级配、储量、质量以及开采、运输条件和加工设备等诸多因素限制，同时又须满足工程的骨料数量、质量、级配及生产强度等要求，并要求成品骨料成本较低。
施工中不同工期对骨料需求量、级配、质量的要求也各不相同，骨料产地实际开采情况与前期勘测情况也会存在差异，需要一个较为准确的计算方法在施工中修改与调整料源。基于以上2点，需要一个适合水电站工程砂石料场优选设计的方法。
1.3研究方法
确定开采量、运输量、弃料量以及骨料开采加工破碎的主要工艺流程后，运用系统分析方法对料场进行优化选择，可以在比较广的范围内寻求较优的方案，得到多种经济指标，对各种制约因素给出定量的分析意见，为方案比较和决策提供丰富信息。
2料场优选系统的建立与原始数据的采用
2.1料场优选系统的建立
根据水电工程实际施工条件，通常情况下料场优选系统包括3种类型的料场。
（1）天然砂砾石料场
一般工程所在地附近大多有天然砂石料场可以利用。按其产地位置分为陆上料场、河滩料场、河心水下料场3类。天然砂砾石料场在进行优选时主要目的是选定具体料场并确定其开采量，一般在料场优选系统中作为工程的主要备选料场。
（2）开挖石碴料的利用
水电工程坝基或地下工程开挖时，常有大量石碴要弃置。其中往往有相当一部分是质量符合要求的新鲜块石，可用作人工骨料的原料。利用弃碴加工成人工骨料，一般成本较低，还可避免占用大片弃碴场地，因此在料场选择时，弃碴应作为一个重要的料源加以研究。
（3）人工砂石料
湿抗压强度在40MPa以上的致密块状岩石一般均可作为人工骨料的原料。在大中型工程中，如果主要骨料用料点附近无规模相当的天然砂石料场时，应考虑人工骨料方案，人工骨料方案在料场优选中一般是作为独立分系统考虑的。料场优选系统建立时，将人工骨料方案与天然骨料为主的方案作为平行独立的2组方案分别予以考虑，最后再加以比较，这样可以简化优选模型，同时也适合设计工作的一般程序，可得到几组方案的经济指标，为决策提供论据。
（4）优选系统的拟定
按照上述3种料源初步拟定的骨料方案通常在工程实际中有如下几种：
1）全部骨料用天然骨料；2）全部骨料用天然骨料与石碴混合使用；3）全部用人工骨料；4）大坝用人工骨料，地下工程用石碴人工骨料。
2.2原始数据的采用
料场优选模型中所采用的主要原始数据一般应包含下列几组：①混凝土工程量及混凝土()对粗细骨料的需求量；②料场的基建费及占地赔偿费；③加工厂的基建费及占地赔偿费；④不同骨料的水泥差价；⑤各天然料场表土清理费及排水费用摊销；⑥骨料筛洗加工费及碎石单价的拟定；⑦破碎设备及排矿粒度特性曲线；⑧运输方式及运输单价；⑨骨料加工各工序的损耗系数；⑩成品骨料的弃料费。
第①项根据工程的实际情况确定，第②，③项计算出总价进入优选系统对比，第④，⑤，⑥，⑧，⑩项分摊入成品骨料单价，第⑦，⑨项是拟定工艺流程、计算骨料单价的基本数据。
3骨料加工系统的设计数据计算
3.1系统处理能力
进行料场优化选择首先需要计算砂石加工系统的规模，系统处理能力按下式计算。
Qh=Qmy×A×/MN
式中：Qh为砂石加工系统小时处理能力，t/h；Qmy为混凝土高峰月平均浇筑强度，m3/月；M为月工作天数，d/月；N为日工作小时数，h/d；A为每立方米混凝土的骨料用量，t/m3；γ为砂率；η1为粗骨料的加工成品率；η2为细骨料的加工成品率。
3.2主要破碎设备选择、排矿特性曲线
人工骨料一般的加工工艺中都选用粗碎、中碎、细碎和制砂四大工序，各级破碎机都有最佳开口。
级配的调整依靠中碎、细碎等工序中的闭路循环。
破碎设备可参照国内常用设备，如颚式、旋回、圆锥破碎机等，各类型破碎机排矿特性曲线按粒度特性方程进行计算。
Y=AzK式中：Y为筛下物的累计含量，以小数计；z为相对粒径，z=d/e；d为筛孔尺寸，mm；e为破碎机的排料口开度，mm；A，K为粒度特性值，见1.
1破碎产品典型粒度特性方程中参数A和K值岩石可碎性旋回破碎机颚式破碎机标准圆锥破碎机短头圆锥破碎机
4料场优选数学模型
按照上述天然料、石碴、人工料3种料源，一般可组合出4种骨料方案，对应的方案计算情况可用统一的混合整数数学模型表示。
4.1目标函数
料场优选的总目标是使开采、运输、加工的总费用最低，其数学表达式如下：
minF=∑5i=1siui+∑3h=1thυh+∑3h=1th′υh′+∑5i=1pixi+∑3h=1∑2l=1∑6k=3q1Yhlk+∑3h=1∑5j=1rhjZhj+∑3h=1rh′Zh′式中：si为i号料场的基建费用，模型中拟定5个料场；ui为表示i料场选与不选的整变量，ui=1表示选用；ui=0表示不选用；i为料场的编号，规划计算中包括石碴料场；th为第h号加工厂的基建费；h为加工厂的编号，模型中拟定3个加工厂，h=1，2，3；υh为第h号加工厂建造与否的整变量，υh=0表示不建，υh=1表示建厂；th′为在h号加工厂增设破碎工艺的基建费；υh′为h号加工厂设有破碎工艺与否的整变量，υh′=1表示设，υh′=0不设；目标函数前三大项表示与整变量有关，从第4大项至第7大项与连续变量有关。
pi为第i号料场采、运、筛、洗的单价；xi为第i号料场开采、筛洗加工量；ql为第l级破碎机的运行单价，l代表破碎机的级别，l=1代表粗碎，l=2代表中碎，l=3代表细碎，ql为石料通过l级碎石机一次发生的费用；Yhlk为第h号加工厂，第l级破碎机破碎k种粒径骨料的数量，k=3代表中石，k=4代表大石，k=5代表特大石，k=6代表超径石；rhj为从h号加工厂运j种骨料到混凝土系统的运输单价，模型建立时考虑各级骨料的运输单价采用相同的数值，故只有rh表示。
Zhj为从h号加工厂运出的j种骨料数量，j代表骨料的粒径，j=1代表砂，j=2代表小石，j=3代表中石，j=4代表大石，j=5代表特大石；rh′为从h加工厂运出弃料的单价；Zh′为从h加工厂运出的弃料量。
4.2约束方程
（1）料场的开采量应小于该料场可能获得的开采量（即储量）数学表达式为：
xi≤Giui式中：Gi为i号料场可能获得的开采量；ui为i料场是否开采的整变量。
当xi不为零时，ui就不能为零，此时ui=1，目标函数中就要产生i料场的基建费；当xi=0时，从目标函数的最小化要求出发ui=0，此时无i料场的基建费。
通过这一组约束把ui整变量与i料场的xi开采连续变量及储量Gi相互连系起来。
（2）各加工厂的骨料生产量大于该加工厂的骨料运出量骨料生产量包括开采得到的与加工厂生产得到的骨料，同时扣除加工损耗，表达式为：
∑i∈haijxi+∑6k=j+1bkjYlk-（1-bj）Ylj≥Zhj式中：aij为i料场含j种骨料的百分比，如考虑损耗则选用的aij值应小于料场的勘测值；∑i∈haijxi为属于h加工厂范围内的所有料场开采得到的j种骨料的总和；bkj为破碎k级石料获得j级骨料的百分比（在计算中未考虑筛分效率的影响），bkj值可由破碎机的排矿口开度及排矿特性曲线中求得；bjj为破碎j种骨料仍可获得j种骨料数量，1-bjj为破碎j种骨料后，j种骨料减少的百分比；Ylj为l级碎石机破碎j级骨料的数量；Zhj为h加工厂运出j种骨料的数量。
（3）各碎石加工厂破碎超径石的数量小于该加工厂所能得到的最大值Yhl6≤∑i∈hai6xi式中：ai6为i料场含超径石的百分比；Yh16为h加工厂粗碎机破超径石的数量。
（4）各加工厂运出骨料之和应大于工程对该级骨料的需要量∑3h=1Zhj≥Dj式中：Dj为工程对j种骨料的总需要量；Zhj为h加工厂运出的j种骨料量，在本处需计算3座加工厂运出j种骨料之总和。
（5）第h加工厂筛洗量应小于属于该加工厂范围内各料场贮量之和∑i∈hxi≤Chυh式中：Ch为h加工厂范围内各料场的总贮量，与约束（i）相似，当采量也就是筛洗量xi不为零时，υh就不能是零，这时υh=1，在目标函数中就会出现加工厂的基建费；当∑i∈hxi=0时，表示该加工厂无筛洗量，故也就不需要设置加工厂，υh=0，目标函数中无加工厂基建费。
（6）第h加工厂的破碎量的界限∑KYhlk≥Ch′υh′式中：Ch′为h加工厂范围内各料场的砾石总量乘以1.2～1.5求得，因为一般破碎工艺常设计成闭路，破碎机实际通过的砾石量有可能大于砾石总量；Yhlk为h加工厂各级破碎量之总和，当Yhlk=0时，υh′亦应为零，当Yhlk≠0时，υh′=1则在目标中出现破碎工艺的基建费。
（7）第h加工厂废弃料数量应等于获得量与运出量之差∑5j=1∑iaijxih+∑5j=1∑6k=j+1bkjYlk-∑6j=3（1-bjj）Ylj-∑5j=1Zhj=Zh′式中：∑5j=1∑iaijxih为在天然料场中开采到的各级骨料之总和；∑5j=1∑6k=j+1bkjYlk为在加工厂中破碎各级骨料后得到的从小石到特大石的总和；∑6j=3（1-bjj）Ylj为破碎各级骨料的总耗用量；∑5j=1Zhj为h加工厂的总运出量；Zh′为h加工厂的弃料量。
（8）规划总费用的限界这一约束是由分枝限界法本身提出来的附加约束。有了它可以缩小寻优的范围，加快寻优的速度。
其表达式如下：
∑isiui+∑hthυh+∑hth′υh′+∑h∑l∑kqlYhlk+∑h∑jrhjZhj+∑hrh′Zh′≥F′
式中：F′为目标的限界，其它各项与目标函数的各项相同，在计算开始时估计一个可能的目标值F1′作为起始限界，随着迭代寻优计算，用得到的比F1′为优的解值替代已陈旧的限界，从而缩小寻优范围，凡是超过目标限界FI′的均认为不可行。
FI′即为第I次所得到的最优解，直到寻优完毕，如果再没有比FI′更好的解存在，FI′即为最优解。
上述模型中各方程式均为线性的，变量中有整变量也有连续变量，故模型为一混合整数规划模型。
4.3增广矩阵
A的编制为了使整个模型表达清楚，通常把目标函数及约束方程中诸变量的系数及常数项排列成一个增广矩阵，简称A矩阵。
A矩阵以变量的顺序为列序，以约束方程的顺序为行序，整变量排在列序的前面，目标限界约束排在所有行的最后，设有n个变量，则n+1列填计算符，n+2列填约束方程的常数项。设有m个约束方程，m+1行为目标函数行，A矩阵的总容量为（m+1）（N+2）个。
4.4数学模型解算方法
数学模型建立后，需要选用一个合适的解算方法。分枝限界法是利用计算机解整数规划及混合整数规划的常用方法。其基本步骤包括松弛、分枝、隐去。所谓松弛即先不考虑整变量的整数约束，使原问题转化为一个线性规划问题求解。当松弛以后问题的解不满足整数约束时，则在已取得的最优解附近取整，产生分枝，进行寻优的搜索。理论上应将所有整变量可能取值的分枝搜索遍才可得到问题的最优解，但在实际问题中由于整变量的个数很多，取值的范围又广，分枝数目往往很大，就是利用计算机也难以逐个枚举。故必须建立隐去（剪枝）的法则，当某一分枝的松弛问题无解时，则可隐去该分枝以下的所有分枝，是第1个隐支法则。某分枝不可行时，隐去其外侧的所有分枝是第2个隐去法则。采用隐去法可大大缩减分枝的数目，缩小寻优搜索的范围，加快寻优计算的速度。
5总结
用系统分析方法对砂石料场进行优选研究，可得到较好的结果，并提高了规划设计工作的质量与速度，可在比较广的范围内寻求较优的方案，得到多种经济指标。
