碾壓混凝土壩平層鋪筑倉面施工模擬

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(大連理工大學 工程學部，遼寧 大連 116023)

1 研究背景

將模擬應(yīng)用于混凝土壩施工中，能夠適應(yīng)大數(shù)據(jù)量的復(fù)雜仿真，易于通過參數(shù)變更和方案修改來進行動態(tài)過程研究，從而縮短了施工方案的制定時間，提高了施工方案和機械配套方案定量指標的精度，對工程方案的設(shè)計與優(yōu)化起到一定的指導(dǎo)作用[1]。這些優(yōu)點使得施工模擬越來越多地應(yīng)用于實際工程中，如二灘、沙牌、向家壩、龍灘、龍開口、金安橋、小灣等混凝土壩[2-8]，都采用了模擬的方法對施工方案和工期進行了研究。目前大部分的模擬是在假定混凝土的拌和與運輸是工期的主要控制因素，且倉面施工不控制施工進度的前提下建立的，主要由混凝土運輸機械和選擇策略組成的循環(huán)澆筑模擬系統(tǒng)；還有部分模擬是在假定作業(yè)空間對施工進度無影響的前提下將部分混凝土倉面施工工序納入混凝土澆筑模型中[9-10]?？梢钥闯?，目前考慮倉面施工的模擬不多，考慮作業(yè)空間對施工機械的影響以及在有限的作業(yè)空間內(nèi)的機械施工的研究有待增加?？疾炷雺夯炷翂蔚氖┕み^程，在壩體中下部倉面的面積較大時，拌和與運輸是控制施工進度的主要因素；當壩體施工至上部時，倉面面積小，機械工作面有限，倉面施工成為控制施工進度的主要因素。單獨考察一個倉面的施工時，在施工開始和結(jié)束時，有支模板、綁扎鋼筋、清洗工作面、工人換班、機械保養(yǎng)、入倉口處理等眾多因素影響，澆筑進度主要是由倉面施工控制；其他階段的澆筑進度則主要由拌和與運輸控制，因此將倉面施工過程納入模擬中更能反映真實的施工狀態(tài)。在仿真方法不斷發(fā)展的過程中，人們一直在設(shè)法找到能使問題空間和求解空間在結(jié)構(gòu)上盡可能保持一致的方法[11]，當使用面向?qū)ο蠓椒ń⒛Ｐ蜁r，更是盡可能使仿真模型中建立的對象及其聯(lián)系與客觀世界的保持一致，通過若干簡單對象及其屬性來準確描述現(xiàn)實過程。然而對于影響模擬結(jié)果的關(guān)鍵對象及過程的簡化將降低模型的可信度，所以忽略或過于簡化倉面施工工藝過程，忽略倉面作業(yè)空間對整體施工效率的影響的模型并不能適用于碾壓混凝土壩施工的各個階段?？紤]到平層施工在碾壓混凝土壩倉面施工中的普遍應(yīng)用，本文擬通過對平層倉面施工工藝的過程模擬，更加真實地反映碾壓混凝土壩的澆筑過程。

2 碾壓混凝土平層鋪筑倉面施工工藝

平層鋪筑法是指在碾壓混凝土倉面分層施工時，鋪筑層面為水平面，待下一層鋪筑完成之后，再進行上一層鋪筑的方法。在碾壓混凝土壩倉面施工中，施工條件允許的前提下，平層法一般是首選方案。

2.1 運輸入倉

碾壓混凝土的運輸方式主要有自卸汽車直接入倉、專用皮帶機入倉和負壓溜槽(滿管溜筒)運輸入倉等，其中自卸汽車直接入倉是最常用的方式。采用自卸汽車將混凝土運輸入倉時，為了防止倉面污染，入倉之前必須沖洗輪胎，倉面內(nèi)自卸汽車控制時速為10 km/h以下，并禁止轉(zhuǎn)急彎、急剎車的操作[12]。自卸汽車在倉面卸料時應(yīng)采用合理的卸料方式，卸料位置應(yīng)位于條帶的已攤鋪完成的攤鋪前沿上，這樣可以通過攤鋪作業(yè)處理運輸造成的骨料分離。也就是說，自卸汽車在倉面中的行進路線和卸料點是按計劃、有規(guī)律的，并非雜亂無章的。并且由于汽車應(yīng)盡量在攤鋪前沿上進行卸料，當其他機械占用這一空間時，自卸汽車的有效卸料面積就會減少，即汽車到達倉面時不一定能及時卸料，在等待卸料的時間并不固定，由實際施工情況決定。因此，自卸汽車在倉面的運輸效率受倉面空間和機械作業(yè)面的影響比較大，在模擬時應(yīng)予以考慮。

2.2 平倉振搗

混凝土壩倉面的澆筑是依照倉面施工計劃(也被稱為倉面要領(lǐng)圖)進行施工的。自卸汽車卸料完成之后，由平倉機沿條帶攤鋪混凝土，平倉機一般采用工作運行速度較高的濕地推土機，并根據(jù)倉面大小選擇合適的機型。攤鋪時的層厚一般為34 cm，注意防止骨料分離，并嚴格控制上下層澆筑的間隔時間。在攤鋪機械工作的區(qū)域內(nèi)，自卸汽車不能卸料，其他機械也應(yīng)當避讓；當攤鋪完成之后，自卸汽車才能在新形成的攤鋪前沿卸料。

當完成攤鋪的面積能滿足碾壓機械的工作面要求時，應(yīng)及時開始碾壓，縮短從拌和到碾壓完畢的時間。碾壓機械的工作應(yīng)盡量不影響混凝土的卸料和攤鋪，條帶從拌和到碾壓完成的時間宜控制在2 h以內(nèi)。由于碾壓機械在有足夠的工作面時才能進行施工，其工作的優(yōu)先程序低，且?guī)缀醪徽加闷渌麢C械的工作面，對卸位的設(shè)置沒有影響，所以在本模型中，假設(shè)碾壓機械對整體施工影響不大，倉面內(nèi)部模型主要是運輸、卸料與攤鋪事件構(gòu)成的機械空間位移模型，不建立碾壓機械工作模型。

2.3 變態(tài)混凝土和施工縫處理

碾壓混凝土壩的特點之一就是層面、縫面多。水平施工縫是上下澆筑層之間施工停頓形成的縫面；橫縫是指垂直壩軸線的分縫，可采用機械切縫或止水部位預(yù)先架立隔縫材料等方式形成。在碾壓混凝土倉面中，倉面四周常需要進行變態(tài)混凝土的施工，即在已經(jīng)鋪筑的碾壓混凝土上鋪撒入一定量的膠凝材料漿體，然后用振搗器振搗密實。變態(tài)混凝土可以代替?zhèn)}面的常態(tài)混凝土，其優(yōu)點是與碾壓混凝土的結(jié)合良好。這一過程可與混凝土的澆筑同時進行，但應(yīng)盡量不影響攤鋪、碾壓等施工工序。由于切縫時對是否已經(jīng)碾壓完畢沒有要求，本模型中未將該工序納入模擬內(nèi)容中。

3 模擬軟件及方法

目前的混凝土壩施工模擬主要是采用C++，Visual Basic等高級程序設(shè)計語言編程[13]，這樣建立的模型結(jié)構(gòu)化強，用于復(fù)雜系統(tǒng)建模時工作量大?，F(xiàn)在也有采用VC++等面向?qū)ο蟮恼Z言來建立的模型，操作性強，可用于可視化建模。然而倉面施工模擬要解決的主要問題是機械在空間上的占位、運動及相互干擾等問題，核心的內(nèi)容在于機械空間運動模型的建立，目前的施工模擬研究所采用的編程(建模)方法，工作量龐大，對于結(jié)果的可視化輸出處理效果不佳。仿真軟件對于空間上的運動仿真和實時輸出有很好的處理能力，適合用于解決倉面施工模擬的主要問題。通過對市面上應(yīng)用較多的軟件進行比較，選用了Anylogic仿真軟件，它支持離散系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)的建模，本文所建立的碾壓混凝土壩平層鋪筑倉面施工模型，就是在AnyLogic的仿真平臺下主要利用行人庫與自定義的Java類對象一起建立的離散事件模型。

行人庫(Pedestrian Library)是Anylogic軟件中一個用于仿真“真實”環(huán)境中的行人流的標準庫，允許用戶采用流程圖的方式來建立模型，也可以通過用Connecter連接對象來建立模型結(jié)構(gòu)。其創(chuàng)建的主動對象能在連續(xù)空間中運動，或執(zhí)行特定的操作，同時對周圍的障礙物和其他行人做出反應(yīng)，這一特點十分適用于筆者將要進行的倉面模擬。所以本文將這一特點引入至機械的運動中，加以限制和改進，形成了原始的機械運動模型。

4 模型建立

碾壓混凝土壩施工的主要內(nèi)容是拌和、運輸和倉面施工。通過對以往混凝土壩施工模擬的研究，本文在拌和與運輸?shù)幕A(chǔ)上增加了對倉面施工工藝的模擬，并對各種機械的工作模式進行了改進，添加了空間占位和道路避讓等特點。本文中的碾壓混凝土壩平層鋪筑倉面施工模型是基于條帶澆筑模型、機械工作模型和運輸入倉模型建立的，基本框架如圖1所示。

圖1 碾壓混凝土壩倉面施工模擬框架

4.1 條帶澆筑模型

碾壓混凝土壩平層施工的倉面按照其形狀可大致分別矩形倉面、回字形倉面、工字形倉面和不規(guī)則倉面。其中大部分倉面是矩形倉面，其次是回字形倉面。以江埡大壩為例，除部分小型溝槽回填倉面和廊道出口回填倉面外，矩形倉面占到了將近60%，矩形和回字形倉面占到了80%以上。所以在本模型中，選用簡單矩形倉面進行模擬，可以通過調(diào)整倉面面積，分析倉面大小對于機械施工效率的影響。在倉面施工中，施工方向和施工順序由條帶的布置方向和位置來決定，一般的條帶布置方向是平行于壩軸線布置。條帶寬度d的取值范圍由施工機械寬度、倉面大小、卸料寬度和高應(yīng)力區(qū)域大小等因素控制。

條帶澆筑模型相當于機械運動的舞臺，是倉面澆筑模型運行的基礎(chǔ)，其主要內(nèi)容有倉面信息處理、條帶布置、卸位布置和攤鋪方向等。卸料的卸位應(yīng)盡量布置在攤鋪前沿上，在剛開始澆筑時，應(yīng)從第一條帶靠近入倉口的位置開始卸料，第一條帶的攤鋪，應(yīng)優(yōu)先形成可以供推土機工作的工作面，即形成以條帶寬度為澆筑寬度、澆筑長度不斷增加的條帶澆筑模式。所以卸料位置沿條帶寬度方向布置，攤鋪方向沿條帶長度方向進行。當有已經(jīng)完成攤鋪的條帶之后，推土機可在已完成攤鋪的條帶上工作，有足夠的工作面，條帶澆筑模式應(yīng)以減少倉面內(nèi)部機械(以自卸汽車為主)等待時間為主，卸料位置可沿條帶的長度方向布置，增加卸位數(shù)量，攤鋪方向垂直于條帶的長度方向。

4.2 機械工作模型

機械運動模型框架是基于行人庫模型建立的，并通過JAVA語言編程進行屬性和結(jié)構(gòu)的擴充。倉面機械工作的主要特點是機械的工作面十分有限，工作面上沒有統(tǒng)一的道路，沒有固定的等待或排隊地點，這使得機械在倉面內(nèi)的運動靈活，工作時間和路徑隨機性大。同時，機械在倉面內(nèi)的運動還有一定的約束，并不是完全隨機的。傳統(tǒng)的機械運輸模型多是以時間分布作為其運輸模型的基礎(chǔ)，難以真實地反映當多種機械在同一工作面上工作時機械間的相互影響。而本模型中的機械運動模型能較為真實地反映出機械在有限的工作面上干擾、配合，這是其區(qū)別于其他模型的核心特點。

(1) 基本模型參數(shù)。模型參數(shù)主要包括機械種類、大小、運行速度、施工效率、工作模式、工作時長、工作狀態(tài)、優(yōu)先級等，大部分的參數(shù)可以直接利用軟件設(shè)置，還有一些需要通過建立Java類或由前置參數(shù)來決定來實現(xiàn)，圖2是Loader類(裝載機)的一些基本參數(shù)的設(shè)定，和Java編程定義的部分Truck類的基本參數(shù)，還有一些數(shù)據(jù)只能通過模擬本身獲取。

圖2 基本參數(shù)設(shè)置

(2) 工作面與空間避讓。在等待與排隊的過程中，每個機械占有與其自身大小有關(guān)的空間，且從等待點至目標點的距離不是固定值，這樣，與單純的概率分布相比，更能真實地反映等待的過程。機械在倉面工作時，不指定具體的道路，僅指定目標區(qū)域，由機械按一定規(guī)則選擇合適的最短路徑，并在運動過程中按其優(yōu)先級主動避讓附近的其他機械，避免機械碰撞的產(chǎn)生。在倉面施工時，機械也并不是任何時候或任何區(qū)域都能進行工作，同一機械在某一時間點只能完成一項工作，單個機械的工作面，不能被其他機械占用，當機械在確認工作狀態(tài)及目標工作面后，機械才能確實運行至需要工作的區(qū)域施工。

(3) 工作范圍與邊界調(diào)整。裝載機和推土機攤鋪砂漿和碾壓混凝土時，每次的工作范圍都在不斷變動，需要用以下公式計算：

4.3 運輸入倉模型

相比其他混凝土運輸方案，采用自卸式汽車運輸混凝土，機動靈活，準備工作簡單，適應(yīng)性強，這使其廣泛應(yīng)用于混凝土壩運輸方案中。所以本文采用常用的自卸式汽車運輸方案，即混凝土的運輸是由自卸汽車從拌和樓運輸至倉面的卸位處，卸料完成之后，空車返回至拌和樓裝料。模型框架中的一大特點是自卸汽車在運輸過程主動自行避讓其他機械，特別是在進入倉面卸料的階段，自卸汽車需要與倉面施工機械相互協(xié)調(diào)，確認行進路線。模型中建立的主動對象是獨立于其他對象的，當其他同一類型的對象進入設(shè)定的范圍內(nèi)時，該對象會主動調(diào)整路線，避免碰撞的產(chǎn)生。本模型是通過倉面澆筑模型與拌和系統(tǒng)的通信，實時確定拌和樓的拌料種類和方量，這使得拌和樓的拌和時間、清料換料時間會直接影響汽車在拌和樓前的排隊時長和服務(wù)時間。

5 工程應(yīng)用及分析

5.1 倉面基本信息

在本模型中，對3個面積分別為5 000，3 000，1 500 m2的倉面進行模擬，倉面形狀均為矩形，設(shè)1個入倉口，在最后一層進行封倉。1號倉面由2個壩段組成，沿壩軸線方向?qū)挾葹?5 m，垂直于壩軸線方向長度為114 m；2號倉面由1個壩段組成，沿壩軸線方向?qū)挾葹?6 m，垂直于壩軸線方向長度為114 m；3號倉面由一個壩段組成，沿壩軸線方向?qū)挾葹?6 m，垂直于壩軸線方向長度為40 m。1號和2號倉面的條帶寬度的取值范圍8～25 m，共7個條帶，其中第7條帶每層混凝土之間需鋪筑灰漿；3號倉面的條帶寬度均為8 m，共5個條帶，無高應(yīng)力區(qū)。在建立的模型中只需要改變初始的條帶寬度，模型即可自行布置條帶。運輸機械為10臺每次運輸方量為6 m3的自卸汽車，配有2臺銘牌拌和量為360 m3/h的拌和樓，入倉道路僅有1條，連接拌和樓與入倉口，當倉內(nèi)卸料區(qū)域不足時，汽車在入倉口外等待。倉內(nèi)配有1臺裝載機和2臺推土機，分別用于攤鋪灰漿和混凝土，1號、2號及3號倉面分別配4臺、3臺和2臺振動碾，用于混凝土的碾壓。倉面四周變態(tài)混凝土的寬度為0.2 m，人工鋪灰漿，并配3臺100 mm手持插入式振搗器。另外，1號倉面的壩段1與壩段2間需作切縫、灌砂處理，配1臺切縫機。圖3是1號倉面施工條帶和入倉口的布置圖。

圖3 1號倉面施工條帶布置圖

5.2 模擬結(jié)果

對不同倉面的碾壓混凝土壩平層鋪筑施工的模擬，其模擬結(jié)果如圖4和圖5所示。倉面主要機械的利用率如表1所示。

從模擬結(jié)果來看，3個倉面的施工進度的共同特點是開始與結(jié)束時澆筑強度低。這是由于倉面施工剛開始時，層間需要鋪灰漿，且澆筑是沿壩軸線方向進行，用于卸料的攤鋪前沿短，制約了混凝土的澆筑；施工接近尾聲時，卸位數(shù)量逐漸減少，且需要封倉，澆筑進度緩慢。對于1號和2號倉面，澆筑中期，碾壓混凝土澆筑強度呈現(xiàn)有規(guī)律的波動，澆筑高峰出現(xiàn)在第一條帶澆筑完成之后，原因是澆筑方向變?yōu)榇怪庇趬屋S線方向，攤鋪前沿顯著增長，且受第一條帶施工效率低的影響，倉面處等待卸料的汽車多，所以在倉面空間作業(yè)面允許時，澆筑強度大幅提升。澆筑的低谷發(fā)生于層間灰漿鋪筑時，碾壓混凝土的澆筑需待灰漿攤鋪完成后才能進行，此時澆筑強度較低。在澆筑中期，3號倉面碾壓混凝土澆筑強度波動大，峰值出現(xiàn)無規(guī)律，這是由于倉面面積小，控制施工進度的主要因素是倉面施工，隨機性大；但仍可看出最后一個條帶澆筑進度較慢，其原因是卸料區(qū)域有限。本文模擬產(chǎn)生的澆筑強度曲線呈現(xiàn)的以上特點與工程實際中的澆筑強度特性較為相符，是不考慮倉面作業(yè)和空間約束的模擬所不能反映出來的。

(a) 1號倉面

(b) 2號倉面

(c) 3號倉面

圖5 倉面施工強度對比圖

表1倉面機械利用率對比表

Table1Comparisonsofmachines’utilizationrateinplacementsurfaces

倉面拌和樓實際效率汽車利用率推土機利用率1號373.60.760.512號372.170.780.503號196.810.250.34

6 結(jié) 語

本文對混凝土壩運輸過程進行了模擬，涉及了大壩運輸和倉面施工的主要機械，主要模擬和分析了在不同倉面下，碾壓混凝土壩平層澆筑倉面施工的情況，當倉面面積小于一定程度時，施工進度由倉面內(nèi)部施工控制。通過對同一倉面的模擬結(jié)果的分析，在一個倉面內(nèi)施工進度也并不是一直由運輸系統(tǒng)控制，在開始、結(jié)束和高應(yīng)力區(qū)施工時，由倉面內(nèi)部眾多施工因素控制，例如在倉面施工開始和結(jié)束時，卸位數(shù)量受限、層間砂漿鋪筑及封倉等。本文是在假設(shè)碾壓機械對施工效率幾乎沒影響的前提下建立的倉面平層法施工模型，這是模型有待改進之處。

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