向家壩二期工程施工機(jī)械配套優(yōu)選仿真研究

張孝遠(yuǎn)，周建中，曹廣晶，王毅華，王軍周，黎育紅

（1.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國長江三峽集團(tuán)公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

高混凝土壩的施工過程是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，許多因素都可能影響工程的施工進(jìn)度、質(zhì)量和成本。高混凝土壩混凝土工程量巨大，澆筑工期長，倉面多，澆筑機(jī)械數(shù)量和型號多，壩體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度和施工強(qiáng)度高以及可澆筑壩塊的確定涉及的因素很多等，這些相互聯(lián)系和制約的因素使得混凝土壩工程設(shè)計和施工組織設(shè)計成為一項任務(wù)繁重且具有一定靈活性的工作[1，2]。以往僅憑經(jīng)驗或采用相似工程類比的辦法，進(jìn)行一般性的計算分析來確定施工方法和規(guī)劃施工進(jìn)度，僅能得到估計性的結(jié)果；而且一旦施工工藝選擇或機(jī)械配置不當(dāng)，則可能會導(dǎo)致工期延誤或成本增加。對于向家壩這樣的高混凝土壩的施工，可借鑒的經(jīng)驗和參考的資料相對較少，尤其是在施工設(shè)備配套方面，因其設(shè)備容量巨大，施工機(jī)械配套的選擇直接影響甚至決定工程的施工進(jìn)度、質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此，如何充分借鑒國內(nèi)外已建工程的資料與經(jīng)驗，并運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計手段和方法，尋求最佳施工機(jī)械配套，以優(yōu)化施工參數(shù)及施工組織設(shè)計整體方案，實現(xiàn)其快速、經(jīng)濟(jì)的宗旨，是向家壩工程所面臨的最現(xiàn)實問題。本文針對向家壩二期工程大壩施工中纜機(jī)和塔帶機(jī)配合的幾種方案進(jìn)行了計算機(jī)仿真計算，從施工工期、施工強(qiáng)度、機(jī)械設(shè)備利用率等方面并結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，論證了工程中運(yùn)用3臺纜機(jī)和3臺塔帶機(jī)結(jié)合方案的合理性。

1 向家壩工程概況

向家壩水電站是金沙江下游河段規(guī)劃的最末一個梯級電站，壩址位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界處，是我國 “西電東送”工程的骨干電源點。攔河大壩采用混凝土重力壩，壩頂高程383.00 m，基礎(chǔ)最低高程222.00 m，最大壩高161.0 m，壩頂長度920.27 m，壩段寬12.0～30.0 m。大壩從左至右依次為左岸非溢流壩段、導(dǎo)流底孔及缺口壩段、排沙孔壩段、升船機(jī)壩段、左岸廠房壩段、泄水壩段、以及右岸非溢流壩段。

向家壩二期工程包括右非壩段、泄洪壩段 （含消力池)、廠房壩段 (含壩后廠房)、升船機(jī)壩段、沖沙孔340.00 m高程以上部分、左非①-左非⑥280.00 m高程以上部分、導(dǎo)流底孔封堵、沖沙孔段改造及二期導(dǎo)流工程。二期混凝土工程量達(dá)940萬m3，高峰月澆筑強(qiáng)度 38.67萬m3，具有工程量大、工期緊、施工強(qiáng)度高等特點[3]。

混凝土壩施工系統(tǒng)可劃分為混凝土拌和、運(yùn)輸、澆筑3個子系統(tǒng)。向家壩二期工程高混凝土壩澆筑流程見圖1。整個澆筑系統(tǒng)涉及兩種基本類型的仿真實體：離散型的高架門機(jī)、纜機(jī)等，以及連續(xù)型的塔帶機(jī)。

2 向家壩大壩混凝土施工過程仿真系統(tǒng)設(shè)計

研究大壩混凝土施工系統(tǒng)模擬時，各澆筑塊在時間點上的澆筑狀態(tài)和各澆筑機(jī)械在這個時間點上的狀態(tài)、服務(wù)對象、澆筑信息等，受隨機(jī)產(chǎn)生的“事件”驅(qū)動而變化，所反映的變量也隨時間呈非連續(xù)、跳躍性的變化。因此，可以將大壩混凝土澆筑系統(tǒng)作為離散事件系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究。

2.1 仿真原理及其設(shè)計

由于在高混凝土壩施工過程中，澆筑機(jī)械為主導(dǎo)機(jī)械[3]，因而，本文主要對澆筑過程進(jìn)行模擬仿真。為簡化問題做以下基本假設(shè)：①假定混凝土生產(chǎn)和水平運(yùn)輸系統(tǒng)能夠充分供應(yīng)混凝土，即把問題的研究范圍限制在壩面施工作業(yè)的協(xié)調(diào)上；②大壩分塊澆筑順序在滿足控制時間、約束條件、設(shè)備情況的前提下，按先低后高的順序安排，對有特殊要求的部位按具體要求進(jìn)行特殊處理。

圖1 向家壩二期工程混凝土壩澆筑流程 （三類機(jī)械）

仿真系統(tǒng)的設(shè)計和原理可描述為：在一個臺班時間內(nèi)，把澆筑機(jī)械看作 “服務(wù)臺”，把待澆筑壩塊看作 “顧客”。按照排隊規(guī)則， “服務(wù)臺”每次只接納一位 “顧客”。排隊規(guī)則通常按照倉面高程進(jìn)行。倉面高程愈低，排隊愈靠前，而不管某個 “顧客”是否剛剛接受完服務(wù)。同時為了滿足特殊施工要求，對某些 “顧客”在排隊過程中賦以一定的優(yōu)先權(quán)，使其排隊靠前或靠后，而 “服務(wù)臺”又可規(guī)定其服務(wù)范圍和服務(wù)時間。另外，針對不同澆筑機(jī)械的特點，如塔帶機(jī)等連續(xù)型的澆筑機(jī)械，由于來料均勻且連續(xù)，在壩塊的澆筑過程中，機(jī)械配套運(yùn)行的過程相對較簡單，采用主導(dǎo)實體時鐘掃描法，把可澆筑壩塊的狀態(tài)和澆筑信息的變化作為影響系統(tǒng)事件；對于纜機(jī)、門塔機(jī)、胎帶機(jī)等離散型機(jī)械，先采用主導(dǎo)實體時鐘掃描法判斷每臺機(jī)械所對應(yīng)的可澆筑壩塊。對于機(jī)械在拌和樓前的等待裝料、重車運(yùn)行、輕車運(yùn)行、卸料以及澆筑過程等運(yùn)行過程，采用事件驅(qū)動法來處理[10]。

仿真系統(tǒng)模型通過實體、事件、活動和延遲來描述，其中實體包括澆筑設(shè)備、澆筑倉面；事件包括優(yōu)化分倉、進(jìn)行澆筑、澆筑完畢；活動包括停歇間隔時間、澆筑設(shè)備的澆筑時間；延遲指澆筑塊澆筑等待時間[11]。

系統(tǒng)輸入包括如下內(nèi)容：系統(tǒng)總體參數(shù)表 （相鄰倉面允許高差，開工日期）；工作時間表 （月份（索引），工作日數(shù)，每日時數(shù)）；工期轉(zhuǎn)換表 （模擬時間、轉(zhuǎn)換日期、月份 （索引）、實際日工作小時數(shù)）；澆筑設(shè)備表 （起始日期、終止日期、設(shè)備編號、設(shè)備名稱、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)率、維修日期、使用優(yōu)先級、服務(wù)壩段）；澆筑參數(shù) （起始日期、終止日期、允許層厚、初凝時間、層間停歇時間、相鄰壩塊間隔時間）；壩體參數(shù) （壩段編號、壩段、壩塊、基礎(chǔ)高程、頂部高層、分層數(shù)、壩塊上層坐標(biāo)值 （x1， y1， z1）、 壩塊下層坐標(biāo)值 （x2， y2， z2））；特殊條件 （溫控、導(dǎo)流、面板防滲、灌漿、排水等）。

系統(tǒng)輸出包括未來事件表和月施工進(jìn)度表 （日期 （年、月）、總方量、壩段、基礎(chǔ)高程、上月高程、本月高程、總高程差、本月澆筑高程、設(shè)備名稱、實際利用率、有效利用率、生產(chǎn)率等）。

2.2 仿真系統(tǒng)綜合模型

澆筑系統(tǒng)仿真綜合模型流程見圖2。主要有以下步驟：

（1）數(shù)據(jù)初始化。讀取開工日期、施工機(jī)械的性能參數(shù)、壩體參數(shù)、混凝土澆筑倉面的澆筑條件等。

（2）確定仿真相關(guān)變量。判斷是否以大壩開工日期為仿真起始時間，若不是，則依據(jù)當(dāng)前大壩的相關(guān)參數(shù)繪制其澆筑現(xiàn)狀形象圖。

（3）以施工日歷來限制仿真。仿真以一天為步長，每天起始時判斷該天是否已到仿真終止時間，是則終止仿真，否則判斷該天是否可以施工，可以則繼續(xù)推進(jìn)，不可以則順延至下一天。

（4）每天的具體仿真。本部分為仿真的重點部分。首先根據(jù)仿真時鐘及澆筑機(jī)械的安裝使用情況確定由哪些澆筑設(shè)備來完成今天的混凝土澆筑；然后將一天分成若干臺班 （或2或3個臺班）。在每個臺班內(nèi)，對每一臺澆筑機(jī)械進(jìn)行掃描，同時確定繼續(xù)澆筑對應(yīng)可澆壩塊，再轉(zhuǎn)到各自的澆筑機(jī)械服務(wù)子程序；在一個臺班結(jié)束后記載本臺班內(nèi)相關(guān)變量（混凝土量、高程、時間等變量），轉(zhuǎn)至下一臺班，直至一天仿真結(jié)束；繼續(xù)仿真，直至到達(dá)仿真終止時間[10]。

圖2 向家壩工程大壩澆筑仿真系統(tǒng)流程

3 向家壩大壩澆筑方案仿真研究

一般來講，高混凝土壩混凝土澆筑機(jī)械可歸納為門塔機(jī)、纜機(jī)、塔帶機(jī)三類，向家壩水電站高壩混凝土澆筑方案也重點比較了這三類機(jī)械。另外，考慮到向家壩水電站作為三峽工程的后續(xù)工程，設(shè)計中盡量考慮采用三峽工程中使用過的大型施工設(shè)備。經(jīng)綜合分析，向家壩水電站大壩宜采用纜機(jī)、塔帶機(jī)為主導(dǎo)機(jī)械并輔以少量常規(guī)門塔機(jī)的組合澆筑方案[6]，結(jié)合文獻(xiàn)[6-8]本文重點比選了以下3個方案。

方案一為2臺擺塔式纜機(jī)+4臺塔帶機(jī)方案。大壩澆筑全部采用在三峽工程已使用過的澆筑機(jī)械，即選用2臺擺塔式纜機(jī)和4臺塔帶機(jī)，并輔以少量的門塔機(jī)來進(jìn)行大壩的施工。其中混凝土澆筑主要采用塔帶機(jī)，擺塔式纜機(jī)主要負(fù)責(zé)金結(jié)吊裝以及輔助作業(yè)，并承擔(dān)部分混凝土澆筑任務(wù)。

方案二為2臺平移式纜機(jī)+2臺擺塔式纜機(jī) （布置在中部）+3臺塔帶機(jī)方案。采用三峽總公司已有的2臺20 t擺塔式纜機(jī)和3臺塔帶機(jī)，另購2臺30 t平移式纜機(jī)，并輔以少量的門塔機(jī)進(jìn)行大壩施工。3臺塔帶機(jī)和2臺平移式纜機(jī)主要用于混凝土澆筑，2臺擺塔式纜機(jī)布置在大壩中部，以金結(jié)吊裝及輔助作業(yè)為主，并承擔(dān)其覆蓋范圍內(nèi)部分混凝土的澆筑任務(wù)。

方案三為3臺塔帶機(jī)+3臺平移式纜機(jī)方案 （纜機(jī)右岸為A型塔架）。采用三峽工程已使用過的3臺塔帶機(jī)和新購3臺平移式纜機(jī)，并配備適量門塔機(jī)澆筑大壩，纜機(jī)右岸塔架采用A型塔架。右岸平臺高程為435 m，塔架高65 m，3臺纜機(jī)雙軌道布置，1、3號纜機(jī)同軌，2號纜機(jī)布置在另一軌道，軌距10 m，纜機(jī)平臺寬16 m?？紤]到右岸地形條件，同時為避開纜機(jī)平臺右側(cè)的380 m高程拌和系統(tǒng)，A型塔架的拉索平臺布置在右側(cè)約415.5 m高程的懸崖上，平臺高程405 m，拉索平臺寬5 m。

重點比較了三種方案的施工工期、機(jī)械利用率和施工強(qiáng)度，其中機(jī)械利用率包括平均利用率和最大利用率，施工強(qiáng)度包括平均施工強(qiáng)度、最大施工強(qiáng)度及不均勻系數(shù)。這幾個參數(shù)的計算公式如下：

機(jī)械利用率的計算一般以月為單位，平均利用率及最大利用率是指整個施工工期內(nèi)機(jī)械各月利用率的均值及月利用率的峰值。月利用率通過式 （1）來計算

式中，Ei為第i月澆筑機(jī)械的利用率，為第 i月第j臺機(jī)械的實際工作時間，為第i月的日歷時間；k為參與澆筑工作的機(jī)械數(shù)量。平均利用率及最大利用率由式（2）計算

式中，N為總工期 （月數(shù)）。

施工強(qiáng)度是指施工過程中某一時間段內(nèi)澆筑混凝土的方量，常常以月為計量單位。在系統(tǒng)方案評價中，常常采用均值、最大值及不均勻系數(shù)來描述。整體綜合平均施工強(qiáng)度及最大澆筑強(qiáng)度Hmax分別按式（3）和式（4）來計算

經(jīng)仿真運(yùn)算得到三種方案的施工工期、主要設(shè)備澆筑強(qiáng)度、設(shè)備利用率統(tǒng)計見表1。

在如上模擬成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多方案綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，方案三在設(shè)備利用率、澆筑強(qiáng)度、施工進(jìn)度、大壩施工工期等方面均較為適中，綜合指標(biāo)相對較優(yōu)。故而論證了向家壩大壩二期工程采用3臺平移式纜機(jī)和3臺塔帶機(jī)方案是較優(yōu)的。

4 結(jié)語

向家壩工程大壩混凝土施工工期緊，工程量大，施工技術(shù)復(fù)雜，施工質(zhì)量要求高。大壩澆筑采用了多種施工機(jī)械組合施工的方案。不同的施工機(jī)械配套組合方案在保證施工進(jìn)度和質(zhì)量的可靠性、施工組織難度、施工成本等方面存在差異，如何確定最優(yōu)方案，既保證施工進(jìn)度和質(zhì)量，又使技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)最優(yōu)，是水電工程設(shè)計施工部門所面臨的現(xiàn)實問題。本文針對這一問題運(yùn)用計算機(jī)仿真對向家壩二期工程大壩澆筑進(jìn)行了施工機(jī)械的配套研究，得到不同方案下各月的最高澆筑強(qiáng)度、平均澆筑強(qiáng)度、機(jī)械利用率和施工工期等主要參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多方案優(yōu)選，論證了向家壩二期工程采用3臺平移式纜機(jī)與3臺塔帶機(jī)，并輔以適量門塔機(jī)和胎帶機(jī)的機(jī)械配套方案的合理性。

表1 主要設(shè)備澆筑強(qiáng)度、設(shè)備利用率統(tǒng)計

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