混凝土壩施工過程仿真研究

郭佳樂,杜志達

(大連理工大學建設工程學部,遼寧 大連 116024)

水電作為一種優(yōu)質(zhì)清潔能源,因其對環(huán)境污染小、成本低、效率高、可再生,得到了廣泛的開發(fā)。水電工程一般具有規(guī)模大、投資多、施工期長、技術及施工條件復雜、施工中不確定因素多等特點,在進行施工組織設計時,傳統(tǒng)的手算方法不僅耗時、費力,而且缺乏定量計算分析[1]。運用計算機仿真技術,可以迅速、全面地考慮大壩施工進程中的各方面因素,制定詳細的施工計劃和最優(yōu)施工機械組合方案,最終達到縮短工期、提高效率的目的。

國內(nèi)對于施工過程的仿真進行了深入研究,朱光熙運用系統(tǒng)分析方法對二灘水電站雙曲拱壩的施工過程進行仿真[2];鐘登華運用系統(tǒng)集成的方法,實現(xiàn)施工過程的三維可視化仿真[3];王仁超根據(jù)小灣工程的實際情況,采用固定時間步長法,開發(fā)了小灣大壩混凝土澆筑三維動態(tài)仿真軟件[4];趙春菊、周宜紅針對龍開口水電站大壩的施工特點,建立了由數(shù)據(jù)前處理、壩體施工過程仿真模擬、成果分析三部分組成的仿真總模型,對仿真輸出結(jié)果進行了分析[5]。目前,國內(nèi)對于仿真技術的研究主要致力于解決三方面的問題:①如何能夠提高仿真模型的計算精度,更貼近實際工程;②如何能夠迅速建立仿真模型,節(jié)約建立模型的時間;③如何建立比較通用的模型,不僅僅適用于單個工程[6]。在對實際工程進行仿真時,往往要根據(jù)工程具體要求,補充一部分代碼。本文通過定義機械的混凝土流轉(zhuǎn)指向,根據(jù)不同的施工方法,編制相應的機械指向信息表,實現(xiàn)混凝土壩施工過程的仿真,提高仿真程序的通用性。通過對工程實例進行仿真,得到對于實際施工組織設計具有重要的參考價值的各項參數(shù)。

1 仿真方法

在混凝土壩施工仿真過程中,將自卸汽車、皮帶機、溜槽、纜機、門塔機等稱為機械,將道路、入倉口、卸位等稱為對象。施工仿真的核心是對于混凝土運輸過程的仿真,即混凝土從拌合樓出發(fā),通過各種機械的運輸,經(jīng)過道路、入倉口等對象,最終到達卸位的流轉(zhuǎn)過程。為了描述這一流轉(zhuǎn)過程,定義機械的混凝土流轉(zhuǎn)指向。所謂機械的混凝土流轉(zhuǎn)指向,即混凝土在流轉(zhuǎn)過程中,當前流轉(zhuǎn)步驟所使用的機械需要轉(zhuǎn)入的下一步機械或?qū)ο?簡稱機械指向。

圖1為自卸汽車直接入倉方法施工流程圖,根據(jù)該流程圖編輯機械指向信息表,如表1所示,表中假定各種機械、對象數(shù)量均為2。采用指向的定義,程序經(jīng)過處理,就能夠自動形成運輸過程。所以,只要根據(jù)具體施工方法編輯好機械指向信息表,即可實現(xiàn)整個仿真過程,無需編寫新代碼,可以適應工程施工方案的多樣性。

圖1 自卸汽車直接入倉方法施工流程圖

表1 自卸汽車直接入倉方法機械指向信息表

2 仿真程序

2.1 仿真程序簡要框圖

仿真程序框圖如圖2所示。

2.2 仿真信息輸入

(1)大壩基本信息。包括劃分以后的每個澆筑塊的頂高程、頂長、頂寬、底高程、底長、底寬、常態(tài)混凝土或者是碾壓混凝土、常態(tài)混凝土體積、碾壓混凝土體積等;

(2)大壩澆筑順序及開始時間信息。

(3)不同施工方法的指向信息。應用指向概念,根據(jù)不同的施工方法編輯相應的指向信息,形成指向信息表;

(4)機械參數(shù)信息。各種機械的參數(shù)設置,包括拌合樓的容量,汽車的重車速度,門塔機的起重量,皮帶的帶寬、帶速,溜槽的運輸能力,道路的起點、終點高程以及入倉口的封倉時間等各種參數(shù),各種時間參數(shù)均分固定型和隨機型兩種來選取。

2.3 仿真程序?qū)崿F(xiàn)的功能

(1)程序可自動根據(jù)不同時刻的拌合樓的實際生產(chǎn)能力進行混凝土施工倉面劃分。

(2)考慮混凝土施工冬季停工時間、每月的有效工作日以及每天的有效工作小時對于工期的影響;

(3)考慮不同月份時常態(tài)混凝土和碾壓混凝土初凝時間、終凝時間、依次澆筑的倉塊之間的間隔時間以及封倉間隔時間的變化對工期的影響;

(4)考慮壩段之間的限制高差以及防汛缺口與其他壩段之間的限制高差對工期的影響;

(5)考慮岸坡的灌漿分區(qū)對工期的影響;

(6)考慮金屬結(jié)構(gòu)安裝對工期的影響;

(7)在研究混凝土運輸子系統(tǒng)時,考慮了倉面內(nèi)部的混凝土運輸過程。

2.4 輸出結(jié)果

(1)大壩混凝土澆筑施工工期;

(2)大壩混凝土澆筑詳細施工進度計劃;

(3)大壩整個施工工期內(nèi)混凝土季、月平均澆筑強度及最大澆筑強度;

(4)每個倉面內(nèi)各種機械及對象的數(shù)量、使用時間、空閑時間、利用率等;

圖2 仿真程序簡要框圖

(5)通過輸入多種澆筑方案進行仿真結(jié)果評比,得到合理的機械、對象參數(shù)配置。包括拌合樓的配置及自卸汽車的臺數(shù)等。

3 工程實例仿真

3.1 工程實例簡介

某大壩最大壩高91.42 m,壩頂高程269.50 m,最低地面高程190 m左右,壩頂總長1068 m,共劃分為58個壩段。壩型選為碾壓混凝土重力壩,大壩基礎墊層混凝土為常態(tài)混凝土。不同部位、不同階段的施工方法示意圖如圖3所示。

根據(jù)該工程各部位的施工方法,應用指向概念,編輯每種施工方案對應的機械指向信息表。將仿真軟件需要的該工程的各項基本信息輸入程序,即得到仿真結(jié)果。

3.2 仿真結(jié)果

經(jīng)過仿真軟件計算,該工程工期為48個月,累計澆筑方量為210.22×104m3。混凝土施工高峰出現(xiàn)第2年10月到第3年10月,最高月澆筑強度達到13×104m3(2015年10月),此時累計澆筑方量為167.21×104m3,主要施工機械為自卸汽車,在整個工期內(nèi)自卸汽車效率達到71.8%。在左岸、右岸各配置一個混凝土拌合系統(tǒng),銘牌生產(chǎn)能力分別為180 m3/h、360 m3/h,經(jīng)過仿真得到拌合樓效率為83.5%,說明拌合樓配置合理。

圖4為混凝土月澆筑強度直方圖,圖5為混凝土月澆筑強度累計曲線。

圖3 不同部位施工方法示意圖

4 結(jié) 語

(1)提出一個新的概念——機械的混凝土流轉(zhuǎn)指向。應用指向的概念,編制指向信息表,將施工方法中所使用的機械通過運輸混凝土而串聯(lián)起來,形成混凝土施工流程。運用該方法進行仿真具有一定的優(yōu)越性,無需因施工方法變化而改動程序,可以提高仿真軟件的通用性。

(2)在仿真過程中通過建立混凝土拌和子系統(tǒng)、混凝土運輸子系統(tǒng)、混凝土壩面澆筑子系統(tǒng)的仿真模型,統(tǒng)計得到工程施工過程中機械及對象利用率、施工進度、混凝土澆筑強度等技術指標。仿真結(jié)果符合施工規(guī)律。

圖4 混凝土月澆筑強度直方圖

圖5 混凝土月澆筑強度累積曲線

(3)運用Visual Basic開發(fā)了混凝土壩施工過程仿真軟件,軟件可以適應大壩施工方法的改變。通過工程實例計算,證明本文開發(fā)仿真軟件可以模擬混凝土壩施工的全過程,為工程技術人員提供更為準確的施工參數(shù)信息,可以較好的輔助實際施工組織設計。

[1]鐘登華,練繼亮,張綜亮,等.混凝土壩澆筑過程的仿真計算可視化研究[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,2003,23(6):134-138.

[2]朱光熙.二灘水電站雙曲拱壩混凝土澆注的計算機模擬[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,1985,5(3):26-32.

[3]鐘登華,練繼亮,朱慧蓉.混凝土壩澆筑過程三維動態(tài)可視化仿真[J].天津大學學報,2004,37(1):46-49.

[4]王仁超,石英,李名川.小灣大壩混凝土澆筑施工仿真研究[J].四川大學學報,2004,36(4):11-14.

[5]趙春菊,周宜紅.龍開口碾壓混凝土重力壩施工過程仿真研究[C]//第五屆碾壓混凝土國際研討會論文集,2007,7:13-16.

[6]王仁超,盧威,王啟文.基于物理過程的建模方法及其在水利工程施工中的應用研究[J].水利水電技術,2002,33(7):13-16.