混凝土施工仿真及進(jìn)度監(jiān)控技術(shù)在深溪溝廠壩工程中的應(yīng)用研究

劉金飛，尹習(xí)雙，邱向東，何有忠，殷奎生

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前 言

深溪溝水電站位于大渡河中游漢源縣和甘洛縣接壤處，是大渡河流域梯級(jí)規(guī)劃中的第十八級(jí)電站，裝機(jī)容量660MW，4臺(tái)發(fā)電機(jī)組。樞紐由3孔泄洪閘、1孔排污閘、主廠房、右岸窯洞式安裝間和2條泄洪洞等建筑物組成。

深溪溝攔河壩采用廠壩結(jié)合的布置形式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工干擾大，影響因素眾多，原計(jì)劃2010年11月30日發(fā)電，而建設(shè)方要求在保證工程質(zhì)量和安全的前提下提前至2010年7月1日首臺(tái)機(jī)組發(fā)電。由于前期工程進(jìn)度已嚴(yán)重滯后，工期相當(dāng)緊張，迫切要求在廠壩施工中解決以下關(guān)鍵問(wèn)題:如何針對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和工序間的干擾，合理安排施工順序;如何快速評(píng)價(jià)當(dāng)前的施工進(jìn)度，分析進(jìn)度偏差的原因并提出合理的解決措施;如何及時(shí)分析施工條件和施工參數(shù)的變化對(duì)后續(xù)施工進(jìn)度的影響;如何從錯(cuò)綜復(fù)雜的影響因素中找出制約混凝土快速施工的關(guān)鍵因素，有針對(duì)性地優(yōu)化施工方案和優(yōu)選施工參數(shù)，加快施工進(jìn)度。

針對(duì)深溪溝廠壩混凝土施工的特點(diǎn)和深溪溝廠壩混凝土施工管理的要求，我院數(shù)字工程中心自主研發(fā)了“深溪溝水電站廠壩混凝土施工仿真及進(jìn)度監(jiān)控分析系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了快速建立施工仿真模型、全參數(shù)化精確構(gòu)建復(fù)雜的三維廠壩、支持人工交互的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境訪問(wèn)仿真成果等多項(xiàng)功能。

2 深溪溝廠壩工程概況

該工程攔河壩壩頂高程662.50m，壩頂全長(zhǎng)226.0m，最大壩高為101.0m，廠壩混凝土約122萬(wàn)m3。攔河壩自左至右分為左岸擋水壩段、左岸泄洪閘(左塊)、左岸泄洪閘(右塊)、4號(hào)機(jī)組壩段、3號(hào)機(jī)組壩段、2號(hào)機(jī)組壩段、1號(hào)機(jī)組壩段、右岸接頭壩段8個(gè)壩段進(jìn)行澆筑施工。

廠房壩段上游側(cè)布置2臺(tái)MD1100塔機(jī)，下游側(cè)布置2臺(tái)STDQ1800高架門機(jī)。泄洪閘和排污閘布置1臺(tái)M900塔機(jī)。混凝土水平運(yùn)輸采用50臺(tái)15～20t自卸車和12臺(tái)6m3混凝土攪拌車。

3 深溪溝廠壩混凝土澆筑仿真模型

通過(guò)定義變量與約束條件間的邏輯關(guān)系，來(lái)定量描述施工過(guò)程中的眾多影響因素及其錯(cuò)綜復(fù)雜的制約關(guān)系。變量按澆筑規(guī)律和約束條件，隨仿真時(shí)鐘的推進(jìn)動(dòng)態(tài)變化，從而模擬廠壩的動(dòng)態(tài)施工過(guò)程。

3.1 主要變量設(shè)置

(1)各壩段的頂高程E(i，j)，當(dāng)前澆筑塊高程EC(i，j);

(2)各壩塊的澆筑高程 E(i，j，k)、層厚 H(i，j，k)、方量 V(i，j，k)、層澆筑歷時(shí) T(i，j，k)、間歇時(shí)間TI(I，j，k)、澆筑完成時(shí)間 TE(i，j，k);

(3)廠壩混凝土總澆筑方量∑V、當(dāng)前累計(jì)澆筑方量VC、各柱體累計(jì)澆筑方量VC(i，j);

(4)各澆筑設(shè)備的時(shí)鐘值C(m)、設(shè)備完成的工程量VT(m)、檢修狀態(tài)R(t)、澆筑強(qiáng)度Q(t)，工作效率W(t);

(5)即將要進(jìn)行澆筑的混凝土塊號(hào)BlockID和澆筑機(jī)械機(jī)號(hào)MachineID。

其中i、j、k分別為壩段號(hào)、柱體號(hào)和層號(hào)，t為當(dāng)前時(shí)刻，m為澆筑設(shè)備號(hào)。

3.2 約束條件

指廠壩混凝土施工的一般規(guī)律和制約混凝土施工的各種因素等，包括錯(cuò)縫導(dǎo)致的澆筑塊相互壓制、壩體層間間歇時(shí)間、混凝土初凝和終凝時(shí)間、相鄰壩塊高差、立模拆模要求、基礎(chǔ)處理、倉(cāng)面清理、廠壩上升速度、澆筑設(shè)備控制范圍及強(qiáng)度限制、拌合樓供料強(qiáng)度限制等要求。

3.3 優(yōu)先原則

理想的廠壩混凝土的施工過(guò)程，是一個(gè)不斷由低到高的均衡生產(chǎn)、均衡施工和均衡上升的過(guò)程。為保證施工的均衡性，在混凝土模擬施工中應(yīng)遵循以下原則:

(1)澆筑設(shè)備時(shí)鐘最小優(yōu)先原則。在選擇施工澆筑設(shè)備時(shí)，一般優(yōu)先選用工作狀態(tài)時(shí)間最小的設(shè)備，為準(zhǔn)備進(jìn)行混凝土澆筑的設(shè)備。

(2)壩塊澆筑高程最低優(yōu)先原則。除特殊原因外，總是優(yōu)先選擇澆筑高程較低的壩塊。這樣可使壩體全線整體均勻上升，避免出現(xiàn)過(guò)大的高差。

(3)壩塊間歇時(shí)間最長(zhǎng)優(yōu)先原則。為防止老混凝土的發(fā)生，避免混凝土因溫度變化引起的裂縫，采用壩塊間歇時(shí)間最長(zhǎng)優(yōu)先原則。

(4)有度汛擋水要求的柱體優(yōu)先澆筑原則。按照導(dǎo)流度汛方案，往往要求壩體在汛前達(dá)到一定的澆筑面貌，在其他條件相同的情況下，應(yīng)優(yōu)先澆筑有度汛擋水要求的柱體。

3.4 仿真流程(見圖1)

圖1 仿真系統(tǒng)流程

3.5 系統(tǒng)架構(gòu)與軟件特點(diǎn)

3.5.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體遵循通用性、模塊化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化的原則，系統(tǒng)構(gòu)成與各模塊之間的關(guān)系見圖2。

3.5.2 復(fù)雜廠壩結(jié)構(gòu)的精確模型

為使系統(tǒng)仿真成果更符合工程管理人員的習(xí)慣，系統(tǒng)采用三維平臺(tái)動(dòng)態(tài)展示壩體上升過(guò)程。廠壩結(jié)合布置的混凝土重力壩孔洞繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用法國(guó)達(dá)索公司CATIA平臺(tái)構(gòu)建的廠壩三維模型，可以精確表現(xiàn)復(fù)雜的空間曲面和孔洞結(jié)構(gòu)，計(jì)算各控制點(diǎn)坐標(biāo)以及廠壩混凝土方量。在CATIA平臺(tái)的知識(shí)工程環(huán)境下，全參數(shù)驅(qū)動(dòng)的水工建筑物模板能快速適應(yīng)同類工程的結(jié)構(gòu)變化，達(dá)到快速、準(zhǔn)確建模的特點(diǎn)。

3.5.3 三維動(dòng)態(tài)分層

施工過(guò)程中，施工分層分塊會(huì)根據(jù)工程需要進(jìn)行修訂，若每次調(diào)整都重新構(gòu)建三維模型，難以適應(yīng)快速調(diào)整的需要。基于CATIA提供二次開發(fā)接口，采用VBA技術(shù)對(duì)廠壩三維模型進(jìn)行分層分塊，能迅速響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)廠壩施工分層分塊的變化。

3.5.4 支持人工交互的網(wǎng)絡(luò)三維查詢系統(tǒng)

傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)往往采用單機(jī)運(yùn)行環(huán)境，隨著網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，這顯然已經(jīng)無(wú)法滿足工程管理者對(duì)進(jìn)度監(jiān)控的需求。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊基于Java applet插件、CATIA二次開發(fā)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)開發(fā)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)布仿真成果，形象地展示施工面貌、進(jìn)度偏差和對(duì)工程后續(xù)施工的預(yù)測(cè)成果。工程管理人員可以根據(jù)權(quán)限進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)，獲取壩體澆筑強(qiáng)度、施工歷時(shí)、間歇時(shí)間、上升速度、施工面貌、機(jī)械設(shè)備的使用情況、仿真成果和澆筑記錄，并支持?jǐn)?shù)據(jù)表、柱狀圖、餅圖、橫道圖、壩段二維模型、三維模型等多種方式查看和導(dǎo)出。

3.5.5 多方案比較與管理

工程決策中往往需要對(duì)實(shí)際澆筑面貌和進(jìn)度計(jì)劃、不同仿真方案、仿真方案與預(yù)期計(jì)劃方案之間的形象面貌進(jìn)行比較，本系統(tǒng)可以對(duì)多個(gè)方案的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并通過(guò)采用不同顏色標(biāo)示兩比較方案的滯后和超前情況，使用戶能方便直觀地分析實(shí)際進(jìn)度的情況和不同方案的差異。系統(tǒng)運(yùn)行界面見圖3。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行界面

4 深溪溝廠壩混凝土澆筑施工仿真與進(jìn)度監(jiān)控

本系統(tǒng)于2009年3月在深溪溝工程中投入使用，直至2010年1月混凝土主體工程基本完工。

在此期間，現(xiàn)場(chǎng)施工邊界條件如澆筑層厚、分縫方式、澆筑間歇時(shí)間等不斷發(fā)生變化，實(shí)際施工面貌也往往出現(xiàn)滯后或者超前計(jì)劃面貌的偏差，現(xiàn)場(chǎng)施工管理中需要及時(shí)分析這種變化對(duì)后續(xù)施工的影響，合理優(yōu)化施工參數(shù)，確定關(guān)鍵路徑，調(diào)整資源配置，制定或調(diào)整施工預(yù)案。我們通過(guò)逐月跟蹤現(xiàn)場(chǎng)施工情況，更新施工邊界條件，進(jìn)行多方案的比較分析，有針對(duì)性地提出改進(jìn)措施和指導(dǎo)性建議，為現(xiàn)場(chǎng)決策提供參考。下面以2009年11月仿真計(jì)算方案為例進(jìn)行介紹。

4.1 澆筑面貌和邊界條件的變化

截至2009年11月20日的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際澆筑面貌和進(jìn)度計(jì)劃的對(duì)比見圖4。

圖4 2009年11月20日現(xiàn)場(chǎng)面貌與計(jì)劃比較

從11月20日現(xiàn)場(chǎng)施工面貌看，除4號(hào)機(jī)機(jī)窩段施工提前完成計(jì)劃外，其他壩段均存在不同程度滯后。

根據(jù)參建各方討論及專家咨詢意見，1號(hào)機(jī)機(jī)組壩段廠房封頂約1個(gè)月，與發(fā)電機(jī)層622.4～628.5m混凝土施工由順序施工改為并行施工，不占直線工期。

4.2 仿真計(jì)算成果及其分析

按照澆筑歷史面貌和工序的調(diào)整方案更新仿真模型，重新進(jìn)行仿真分析，計(jì)算結(jié)果見表1、圖5。

結(jié)合實(shí)際澆筑面貌和仿真成果進(jìn)行分析，總體上講，因前期澆筑強(qiáng)度不足，廠壩混凝土工程總工期比計(jì)劃滯后10d。若2009年11月以后施工進(jìn)行順利，首臺(tái)機(jī)組發(fā)電節(jié)點(diǎn)工期基本能滿足第4次調(diào)整預(yù)案進(jìn)度要求，但工期已相當(dāng)緊張。

從表1來(lái)看，1號(hào)機(jī)壩段發(fā)電機(jī)層的施工為首臺(tái)機(jī)組發(fā)電的關(guān)鍵路徑。1號(hào)機(jī)組2010年1月中旬可提供機(jī)組安裝工作面，安裝及調(diào)試按5.5個(gè)月計(jì)算，2010年7月初1號(hào)機(jī)組可完成安裝、調(diào)試工作。

泄洪閘及排污閘壩段施工項(xiàng)目為次關(guān)鍵路徑，泄洪閘及排污閘壩段混凝土將于2010年1月23日澆筑至頂高程，弧形工作閘門、排污閘工作門及其啟閉機(jī)安裝時(shí)間約5個(gè)月，可于2010年6月下旬安裝完成，下閘擋水。

表1 關(guān)鍵項(xiàng)目施工進(jìn)度

圖5 1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)層澆筑完成關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)面貌(▽628.5m高程，2009－12－3)

左岸擋水壩段混凝土2010年2月中旬可澆筑至頂高程，右岸接頭壩段混凝土已于2009年7月底澆筑至頂高程。

當(dāng)前右岸接頭壩段、1～2號(hào)機(jī)進(jìn)水口壩段及尾水壩段已澆筑至頂，3號(hào)、4號(hào)機(jī)組壩段處于混凝土澆筑高峰期，隨著部分壩段土建工程完工，混凝土澆筑強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。1號(hào)、2號(hào)機(jī)壩段機(jī)窩段金屬結(jié)構(gòu)安裝工作量較大，占用起重設(shè)備時(shí)間較長(zhǎng)，且與土建施工交面頻繁。需根據(jù)當(dāng)前時(shí)段的施工特點(diǎn)，研究1號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)層頂部混凝土澆筑施工方案，做好金屬結(jié)構(gòu)吊裝與混凝土澆筑之間的調(diào)度與協(xié)調(diào)，減少安裝與土建施工之間的干擾。

4.3 應(yīng)用小結(jié)

系統(tǒng)應(yīng)用期間，通過(guò)緊密跟蹤現(xiàn)場(chǎng)施工情況、逐月進(jìn)行仿真分析、編制進(jìn)度仿真月報(bào)、開展現(xiàn)場(chǎng)咨詢服務(wù)，為工程管理人員快速準(zhǔn)確掌握施工全過(guò)程、及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整施工計(jì)劃提供了科學(xué)依據(jù)，為電站工程的進(jìn)度監(jiān)控及施工管理提供了技術(shù)支持。從比較分析看，仿真預(yù)測(cè)成果與實(shí)際施工進(jìn)程比較吻合，極好地驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和先進(jìn)性。

通過(guò)參建各方的共同努力，電站首臺(tái)機(jī)組于2010年6月27日順利投產(chǎn)，提前實(shí)現(xiàn)了2010年7月1日發(fā)電的總目標(biāo)，較招標(biāo)計(jì)劃提前約5個(gè)月，初估增加發(fā)電效益達(dá)1.5億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論與展望

廠壩混凝土施工仿真及進(jìn)度分析監(jiān)控系統(tǒng)，解決了廠壩施工復(fù)雜的分縫分塊、錯(cuò)縫搭接施工及相應(yīng)的進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整問(wèn)題，具有能快速高效建立仿真分析模型、實(shí)時(shí)跟蹤施工條件變化反饋進(jìn)度預(yù)測(cè)成果、高精度表現(xiàn)復(fù)雜廠壩模型、基于網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)仿真成果和仿真過(guò)程三維動(dòng)態(tài)查詢等特點(diǎn)。系統(tǒng)在深溪溝工程中的成功應(yīng)用表明，其具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

［1］王維平.離散事件系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［2］尹習(xí)雙，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的水電工程施工動(dòng)態(tài)可視化仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005.

［3］林銳.軟件用戶界面設(shè)計(jì)指南［M］.電子工業(yè)出版社，2000.

［4］孫錫衡，等.水利水電工程施工計(jì)算機(jī)模擬和程序設(shè)計(jì)［M］.中國(guó)水利電力出版社，1997.

［5］熊光楞，等.連續(xù)系統(tǒng)仿真與離散事件系統(tǒng)仿真［M］.清華大學(xué)出版社，1991.

［6］丁世來(lái)，等.大壩混凝土澆筑塊排序方法的評(píng)估研究［J］.紅水河，2004，23(2):97 －100.