耦合多維約束的高拱壩施工進(jìn)度仿真研究

劉金飛，王 飛，譚堯升

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072；2.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，北京100038)

0 引 言

300 m級(jí)特高拱壩施工受壩體結(jié)構(gòu)、施工工藝、外部環(huán)境、施工資源等諸多維因素制約，如何科學(xué)分析、動(dòng)態(tài)控制施工進(jìn)度，是300 m級(jí)高拱壩施工管控中面臨的挑戰(zhàn)之一。施工仿真技術(shù)從二灘工程開(kāi)始引入國(guó)內(nèi)[1]，近年來(lái)隨著錦屏一級(jí)、溪洛渡等高混凝土壩的相繼建設(shè)，施工仿真技術(shù)在國(guó)內(nèi)水電工程建設(shè)過(guò)程中尤其是設(shè)計(jì)階段得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。高拱壩仿真技術(shù)一般已考慮高差約束、澆筑機(jī)械能力等常見(jiàn)的約束條件對(duì)進(jìn)度的影響[4]，然而，由于真實(shí)施工過(guò)程的復(fù)雜性、隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性和水電工程的個(gè)性化特點(diǎn)，對(duì)施工進(jìn)度的影響機(jī)制的相關(guān)研究不足，仿真數(shù)學(xué)模型往往難以全面考慮施工過(guò)程中質(zhì)量、安全、資源等多維因素對(duì)施工進(jìn)度的影響，難以有效指導(dǎo)施工，甚至?xí)`導(dǎo)施工決策。

本文在中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司數(shù)十年施工階段仿真應(yīng)用研究的基礎(chǔ)[5- 6]上，結(jié)合白鶴灘高拱壩的大風(fēng)影響顯著、多標(biāo)段、雙纜機(jī)平臺(tái)、不對(duì)稱(chēng)體形布置等特點(diǎn)，開(kāi)展多維約束條件耦合作用下的拱壩施工進(jìn)度研究，為白鶴灘和類(lèi)似拱壩工程的進(jìn)度分析和控制提供決策支撐。

1 高拱壩施工多維約束條件耦合作用機(jī)制

高拱壩施工進(jìn)度往往受到內(nèi)外部諸多維因素的影響，如全壩允許最大高差、相鄰壩段最大高差、最大允許懸臂高度、澆筑能力、壩體結(jié)構(gòu)和工程量、混凝土供應(yīng)能力、溫控技術(shù)要求、基礎(chǔ)固結(jié)灌漿方案等諸多維因素的影響，以往施工仿真技術(shù)中通常會(huì)考慮這些因素對(duì)進(jìn)度的影響。但白鶴灘拱壩工程具有顯著的個(gè)性特點(diǎn)，針對(duì)白鶴灘特點(diǎn)研究多維約束條件對(duì)施工進(jìn)度的作用機(jī)制(見(jiàn)圖1)，是白鶴灘大壩進(jìn)度仿真分析的前提。白鶴灘工程施工進(jìn)度要考慮多維約束條件的耦合作用，約束條件主要有澆筑倉(cāng)厚、倉(cāng)面模板、大風(fēng)天氣、纜機(jī)布置和數(shù)量、接縫灌漿溫控梯度、多標(biāo)段施工、基礎(chǔ)固結(jié)灌漿施工、施工安全與質(zhì)量等。

表1 各仿真方案參數(shù)

2 多維約束條件耦合的高拱壩施工進(jìn)度仿真分析

2.1 多維約束條件下施工進(jìn)度多方案對(duì)比分析

2.1.1工程概況

圖1 溫控應(yīng)力與進(jìn)度仿真的耦合控制

白鶴灘水電站攔河壩壩頂高程834 m，最大壩高289 m，壩體混凝土工程量807萬(wàn)m3。壩身泄洪消能建筑物由6個(gè)表孔、7個(gè)深孔組成，壩體內(nèi)布置有5層廊道，以及電梯井、聯(lián)系廊道、豎井、集水井等。白鶴灘壩址地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，干濕季分明。根據(jù)歷年氣象統(tǒng)計(jì)，7級(jí)以上極大風(fēng)速年平均數(shù)為2 495 h(折算為104天)，大風(fēng)現(xiàn)象明顯。

工程采用7臺(tái)30 t平移式雙層布置方式，高、低平臺(tái)承載索出索點(diǎn)高程分別為980.0、 920.0 m，跨度分別約為1 170、1 110 m。在左壩肩834 m高程和768 m高程分別布置有2層供料平臺(tái)。拱壩混凝土由高線(xiàn)混凝土系統(tǒng)和低線(xiàn)混凝土系統(tǒng)供應(yīng)，各配置2座HL360- 4F4500L型攪拌樓。

壩體接縫灌漿分區(qū)高度9～12 m，灌漿時(shí)應(yīng)形成擬灌區(qū)、同冷區(qū)、過(guò)渡區(qū)和蓋重區(qū)的溫度梯度，754 m高程以上采用單同冷區(qū)、以下采用雙同冷區(qū)。大壩共31個(gè)壩段，1～18號(hào)及左岸墊座為左岸標(biāo)，19～31號(hào)為右岸標(biāo)。大壩混凝土于2017年4月12日開(kāi)始澆筑。

2.1.2對(duì)比方案分析

為對(duì)比分析白鶴灘大壩工程中高差控制參數(shù)、最小備倉(cāng)時(shí)間、開(kāi)澆時(shí)間、澆筑層厚、同溫區(qū)高度、大風(fēng)天氣等因素對(duì)大壩澆筑工期的影響，擬定如表1所示的仿真方案。各方案仿真計(jì)算成果如表2、3所示。

表2 各方案主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表3 各方案主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比 m

表4 典型方案關(guān)鍵指標(biāo)與招標(biāo)要求對(duì)比

(1)拱壩施工是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，施工進(jìn)度受眾多維因素的共同影響。某項(xiàng)因素對(duì)大壩施工進(jìn)度的影響程度，與其他邊界條件組合情況緊密相關(guān)。同一因素在不同的仿真參數(shù)組合下，可能對(duì)大壩施工進(jìn)度的影響程度不一。

(2)從上述多方案對(duì)比來(lái)看，最小備倉(cāng)時(shí)間、高差控制參數(shù)、澆筑層厚等因素，均對(duì)大壩澆筑工期、各年度汛面貌具有顯著影響。

(3)將單、雙同冷區(qū)的分界線(xiàn)下調(diào)，有利于加快645～754 m高程范圍內(nèi)的接縫灌漿進(jìn)度，并減小該高程區(qū)間的懸臂高度，但對(duì)澆筑總工期影響不顯著。

(4)大風(fēng)影響。本次仿真僅分析了受大風(fēng)影響導(dǎo)致的有效施工天數(shù)對(duì)進(jìn)度的影響，從分析結(jié)果來(lái)看，大風(fēng)天氣對(duì)澆筑總工期影響較為明顯。

2.2 典型仿真方案分析

典型方案的約束條件參數(shù)為最大相鄰高差15 m、全壩最大高差30 m、一般壩段最大懸臂高度75 m、孔口部位最大懸臂高度60 m，各部位最小間歇期類(lèi)比類(lèi)似工程的一般水平，大風(fēng)影響按全年45 d考慮。

按照上述約束參數(shù)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表2所示。白鶴灘大壩預(yù)計(jì)2017年7月底完成大壩澆筑，高峰月強(qiáng)度25.8萬(wàn)m3，月平均澆筑15.42萬(wàn)m3，月不均衡系數(shù)1.67，單臺(tái)纜機(jī)高峰澆筑強(qiáng)度4.23萬(wàn)m3，高峰月澆筑塊數(shù)76塊。

仿真模擬的典型方案施工進(jìn)度關(guān)鍵指標(biāo)與招標(biāo)要求對(duì)比如表2所示。仿真模擬的澆筑完成日期為2021年7月29日，比招標(biāo)計(jì)劃2021年6月30日延遲1個(gè)月，但澆筑總工期仿真成果為53個(gè)月，比招標(biāo)要求縮短了2個(gè)月。

仿真模擬白鶴灘拱壩的澆注施工進(jìn)度，月澆筑塊數(shù)、月澆筑強(qiáng)度和單臺(tái)纜機(jī)的月澆筑強(qiáng)度如圖2～4所示。由圖可知，月高峰強(qiáng)度發(fā)生在2019年10月。該時(shí)段各倉(cāng)的纜機(jī)平均小時(shí)循環(huán)次數(shù)6～8次(各倉(cāng)澆筑過(guò)程中高峰小時(shí)可達(dá)9～12次)，符合本工程的纜機(jī)布置、供料平臺(tái)布置特點(diǎn)及類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，該時(shí)段最多同時(shí)澆筑3倉(cāng)，其中同時(shí)澆筑3倉(cāng)的情況有31倉(cāng)(搭接澆筑)，同時(shí)澆筑2倉(cāng)有17倉(cāng)，單倉(cāng)澆筑2倉(cāng)。該時(shí)段各倉(cāng)面實(shí)際間歇期均小于24 d，其中8～15 d的共39倉(cāng)，占月澆筑倉(cāng)數(shù)的76.5%；實(shí)際間歇期15～21 d的共7倉(cāng)，占月澆筑倉(cāng)數(shù)的13.7%；實(shí)際間歇期21～24 d的共5倉(cāng)，占月澆筑倉(cāng)數(shù)的9.8%。該時(shí)段除兩岸爬坡廊道倉(cāng)面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜以外，其他倉(cāng)面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具備快速連續(xù)上升的條件。

圖2 月澆筑塊數(shù)

圖3 月澆筑強(qiáng)度

圖4 單臺(tái)纜機(jī)月澆筑強(qiáng)度

因此，根據(jù)本工程的壩體體形、纜機(jī)布置及混凝土供應(yīng)能力等條件，在當(dāng)前擬定的施工邊界下，通過(guò)合理的施工組織，高峰月澆筑強(qiáng)度25.8萬(wàn)m3是可以實(shí)現(xiàn)的。

從仿真分析結(jié)果來(lái)看，白鶴灘工程大壩混凝土施工的關(guān)鍵路徑為河床壩段，尤其是15從仿真分析結(jié)果來(lái)看，白鶴灘工程大壩混凝土施工的關(guān)鍵路徑為河床壩段，尤其是15號(hào)～22號(hào)孔口壩段導(dǎo)流底孔、泄洪深孔孔口范圍(含牛腿、流道、鋼襯、大梁、封頂?shù)?的項(xiàng)目施工。不處于關(guān)鍵路徑、但若組織不當(dāng)可能成為關(guān)鍵路徑的部位有：兩岸陡坡壩段基礎(chǔ)塊、尤其是基礎(chǔ)爬坡廊道部位；電梯井壩段。以上部位需要重點(diǎn)關(guān)注。

3 結(jié)論與建議

與溪洛渡、錦屏一級(jí)等類(lèi)似300 m級(jí)高拱壩相比，白鶴灘工程具有規(guī)模大、工期長(zhǎng)、雙纜機(jī)平臺(tái)、雙供料平臺(tái)、多標(biāo)段、采用自升模板、面臨顯著大風(fēng)天氣影響、大壩體型和孔洞布置不對(duì)稱(chēng)等特點(diǎn)，施工進(jìn)度控制難度較大。本文在研究高拱壩多維因素耦合作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，結(jié)合白鶴灘高拱壩施工特性，通過(guò)對(duì)白鶴灘大壩多維約束條件多參數(shù)分析，提出白鶴灘大壩施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的因素和部位，為后續(xù)施工中結(jié)合施工仿真技術(shù)和智慧大壩[7]自動(dòng)感知技術(shù)，實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，密切跟蹤施工進(jìn)展，動(dòng)態(tài)調(diào)整仿真約束，不斷優(yōu)化、細(xì)化系統(tǒng)模型和算法，并結(jié)合混凝土溫控、應(yīng)力分析研究，充分利用仿真技術(shù)快速、量化、系統(tǒng)、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，為白鶴灘大壩工程高質(zhì)量連續(xù)施工提供指導(dǎo)和可靠決策依據(jù)。