大壩碾壓混凝土施工技術(shù)優(yōu)化研究

白建旺

(內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼供水有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400)

面對(duì)水電能源不斷增大的需求，需要建設(shè)一大批高庫(kù)大壩來(lái)支持水電能源的調(diào)節(jié)，在建設(shè)過(guò)程中，碾壓混凝土施工技術(shù)是關(guān)鍵一步，碾壓混凝土的施工質(zhì)量與工程建設(shè)的安全性緊密相關(guān)，由于大壩通常位于地形陡峻的狹窄河段，大壩混凝土澆筑空間十分有限，當(dāng)澆筑作業(yè)與其他施工作業(yè)交叉進(jìn)行時(shí)，施工作業(yè)面狹窄導(dǎo)致施工過(guò)程需要考慮空間站位要求，才能保證施工安全[1-3]。這就需要從澆筑空間沖突頻率的角度優(yōu)化大壩碾壓混凝土施工技術(shù)。

由于澆筑系統(tǒng)復(fù)雜多變，要實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，不能僅靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，在建筑倉(cāng)狹窄的空間內(nèi)，出現(xiàn)的時(shí)空沖突必將影響施工安全和效率[4]。因此，研究大量先進(jìn)技術(shù)和科學(xué)方法，進(jìn)一步優(yōu)化碾壓混凝土施工技術(shù)。在查閱大量研究文獻(xiàn)和資料后，發(fā)現(xiàn)目前比較成熟的施工技術(shù)優(yōu)化方法有很多，如文獻(xiàn)[5]中提到的優(yōu)化方法，從時(shí)間和空間角度優(yōu)化碾壓混凝土施工技術(shù)，一定程度上提高了施工效率，但是也增強(qiáng)了填筑強(qiáng)度，導(dǎo)致供料不能滿足施工工期要求，實(shí)踐性比較差。文獻(xiàn)[6]中提到的優(yōu)化方法從溫度控制角度優(yōu)化碾壓混凝土施工技術(shù)，在碾壓混凝土施工過(guò)程中始終保持一定的地表溫度，減小溫度變化對(duì)施工質(zhì)量的影響，從而保證施工水平，但是當(dāng)澆筑空間沖突頻率出現(xiàn)不穩(wěn)定的變化時(shí)，很難保證碾壓混凝土的抗壓強(qiáng)度滿足實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，提出基于澆筑空間沖突頻率優(yōu)化大壩碾壓混凝土施工技術(shù)，解決上述問(wèn)題。

1 大壩碾壓混凝土施工技術(shù)優(yōu)化方法

1.1 計(jì)算澆筑空間沖突頻率

在大壩建設(shè)過(guò)程中，碾壓混凝土施工使用的機(jī)械設(shè)備會(huì)與澆筑施工過(guò)程產(chǎn)生交叉作業(yè)，如果不能及時(shí)處理，可能會(huì)發(fā)生一些安全事故[7]。在計(jì)算澆筑空間沖突頻率前，計(jì)算工作空間的邊界坐標(biāo)。

根據(jù)澆筑倉(cāng)面物理尺寸、碾壓寬度和條帶接寬度等參數(shù)，計(jì)算倉(cāng)面需要碾壓的條帶數(shù)量[8-10]。針對(duì)碾壓機(jī)械在各個(gè)條帶運(yùn)作的特征，定義碾壓錯(cuò)距偏移角度為ω、碾壓速度為vc，依據(jù)這2個(gè)參數(shù)，擬合運(yùn)動(dòng)參數(shù)的分布函數(shù)，構(gòu)建碾壓機(jī)械在倉(cāng)面的空間轉(zhuǎn)移方程：

(1)

根據(jù)碾壓機(jī)械的形態(tài)和尺寸，沿物理邊緣擴(kuò)展形成工作空間Qw[11]。采用投影轉(zhuǎn)換的方式，在碾壓機(jī)械空間與碾壓機(jī)械位置坐標(biāo)之間建立關(guān)聯(lián)性，計(jì)算得到工作空間邊界坐標(biāo)：

(2)

式中，a—碾壓機(jī)械的長(zhǎng)度；b—碾壓機(jī)械的寬度。

澆筑工作與碾壓工序并行施工，澆筑過(guò)程中使用的機(jī)械設(shè)備工作范圍可能會(huì)對(duì)碾壓機(jī)械工作空間產(chǎn)生影響，在某個(gè)工作時(shí)間形成空間重疊，產(chǎn)生空間沖突[12]。如圖1所示。

圖1 大壩澆筑交叉作業(yè)空間沖突

根據(jù)工作空間的相對(duì)位置，將纜機(jī)吊灌在倉(cāng)面的空間位置轉(zhuǎn)化為纜機(jī)運(yùn)輸(si，ui)和碾壓工序(sj，uj)時(shí)間重疊，如圖2所示。

圖2 重疊時(shí)間

通過(guò)活動(dòng)掃描法仿真纜機(jī)吊灌的時(shí)間頻率，計(jì)算2個(gè)時(shí)間區(qū)間的重疊時(shí)間長(zhǎng)度：

(3)

由于碾壓機(jī)械的重復(fù)執(zhí)行，把每次執(zhí)行所產(chǎn)生的重疊時(shí)間累加起來(lái)，計(jì)算碾壓混凝土施工的重疊總時(shí)間：

(4)

式中，n和m—碾壓混凝土施工過(guò)程中各工序執(zhí)行的次數(shù)。以?xún)烧咧g發(fā)生空間沖突的可能性作為澆筑空間沖突頻率，計(jì)算碾壓混凝土施工過(guò)程中碾壓機(jī)械出現(xiàn)在澆筑作業(yè)影響范圍的可能性[13]。計(jì)算公式為：

(5)

在已知澆筑空間沖突頻率情況下，優(yōu)化施工技術(shù)。

1.2 優(yōu)化施工機(jī)械調(diào)度方案

從上述內(nèi)容可知，澆筑空間沖突的產(chǎn)生與各個(gè)施工機(jī)械設(shè)備工作調(diào)度相關(guān)，因此從施工機(jī)械調(diào)度的角度優(yōu)化碾壓混凝土施工技術(shù)?？紤]到影響施工質(zhì)量的各種因素，設(shè)定3個(gè)定量指標(biāo)，分別是工期、施工強(qiáng)度、機(jī)械利用率，根據(jù)施工機(jī)械調(diào)度方案的特點(diǎn)，設(shè)置一套綜合指標(biāo)體系，如圖3所示。

圖3 施工機(jī)械調(diào)度方案指標(biāo)體系

針對(duì)上述設(shè)定的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，各指標(biāo)的計(jì)算公式為：

(6)

式中，Y—碾壓混凝土施工總工期；Yi—總工期內(nèi)所有各澆筑塊的澆筑時(shí)間；Ysi—澆筑塊的間歇期；n—澆筑塊數(shù)量[14]。

(7)

(8)

式中，F(xiàn)max—施工機(jī)械最大利用率[15]。

在上述計(jì)算中，總工期是所有澆筑時(shí)間之和，施工強(qiáng)度是指某時(shí)間段內(nèi)混凝土的澆筑量，機(jī)械利用率表示整個(gè)施工工期內(nèi)施工設(shè)備每月的利用率。依據(jù)上述3種不同的施工優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)。

(9)

求解公式(9)即可得到大壩碾壓混凝土施工技術(shù)最佳優(yōu)化結(jié)果，完成對(duì)大壩碾壓混凝土施工技術(shù)的優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 仿真設(shè)置

在大壩碾壓混凝土施工技術(shù)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究中，以某水電站的真實(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)，模擬出大壩體型。大壩具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 大壩設(shè)計(jì)體型參數(shù) 單位：m

在對(duì)大壩碾壓混凝土澆筑進(jìn)度仿真時(shí)，時(shí)間控制參數(shù)是重要的影響因素之一，包括混凝土開(kāi)澆時(shí)間、澆筑塊間歇期、月有效工作日、日有效工作時(shí)長(zhǎng)、混凝土初凝時(shí)間等。在模擬過(guò)程中，根據(jù)澆筑部位的不同設(shè)置不同的間歇期，最小不超過(guò)6 d，最大不超過(guò)40d；日有效工作時(shí)長(zhǎng)為20h，月有效工作日根據(jù)每個(gè)月的天數(shù)確定；初凝時(shí)間取值范圍為2～3h。高程控制參數(shù)的設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 高程控制參數(shù)設(shè)置 單位：m

在完成參數(shù)設(shè)計(jì)后，擬定實(shí)驗(yàn)方案。以對(duì)比實(shí)驗(yàn)為主，選擇目前使用頻率比較高的2種施工優(yōu)化技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，將其與提出的施工技術(shù)優(yōu)化方法作對(duì)比。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案分為2部分，一部分是碾壓混凝土材料需求的分析，分析不同施工技術(shù)優(yōu)化方法所需成本；一部分是碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。以上2組實(shí)驗(yàn)均在澆筑空間沖突頻率的條件下進(jìn)行。

2.2 碾壓混凝土材料成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中以水泥為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)模擬的大壩體型，在第三方軟件中使用不同的施工技術(shù)優(yōu)化方法優(yōu)化碾壓混凝土施工技術(shù)，分析不同優(yōu)化方法對(duì)水泥材料的需求強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4中顯示的是不同的施工技術(shù)優(yōu)化方法對(duì)碾壓混凝土施工材料需求強(qiáng)度。從整體上看，在7、8、9月大壩施工中沒(méi)有水泥材料的需求，單獨(dú)觀察每個(gè)施工技術(shù)優(yōu)化方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，施工技術(shù)優(yōu)化方法1在初期階段對(duì)水泥材料的需求處于一般水平，從4月開(kāi)始，水泥需求超過(guò)5000t，在后續(xù)一段施工周期內(nèi)居高不下；施工技術(shù)優(yōu)化方法2實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，排除7、8、9月，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)施工周期內(nèi)，水泥材料的需求量均在5000t以下，需求量比較大；提出的施工技術(shù)優(yōu)化方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，綜合每個(gè)月的數(shù)據(jù)可知，水泥需求量基本在5000t以下，能夠在達(dá)到低成本的同時(shí)，保證施工質(zhì)量。綜上所述，提出的大壩碾壓混凝土施工技術(shù)優(yōu)化方法對(duì)施工成本需求更少，更經(jīng)濟(jì)。

圖4 不同施工優(yōu)化技術(shù)碾壓混凝土材料成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，選取各個(gè)施工技術(shù)優(yōu)化方法下的碾壓混凝土試樣，在高溫高濕度的環(huán)境下，測(cè)試其碾壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置不同的配合比和齡期。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)

目前對(duì)大壩碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度的要求為35～45MPa。觀察表中數(shù)據(jù)可知，在高溫高濕度環(huán)境下，提出的施工技術(shù)優(yōu)化方法在90d時(shí)達(dá)到了39.21MPa，滿足大壩碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度，而其余2種優(yōu)化方法的碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度沒(méi)有滿足標(biāo)準(zhǔn)需求。將上述結(jié)果與材料成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，分析可知，提出的基于澆筑空間沖突頻率的大壩碾壓混凝土施工技術(shù)優(yōu)化方法施工成本低、施工質(zhì)量高，其整體實(shí)踐性更好。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，澆筑空間沖突頻率控制水平直接影響了大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量和施工進(jìn)度，為了提高大壩碾壓混凝土施工水平，要從計(jì)算澆筑空間沖突頻率 、優(yōu)化施工機(jī)械調(diào)度方案2個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，對(duì)大壩碾壓混凝土施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，還要采用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)這一優(yōu)化方案的可靠性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證，只有確保所提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理，才能將其應(yīng)用于大壩碾壓混凝土施工中，才能保證施工作業(yè)操作的規(guī)范性和合理性。但是受到研究水平的限制，忽略了優(yōu)化過(guò)程中的一些問(wèn)題，如施工設(shè)備本身的效率對(duì)碾壓混凝土施工的影響，在后續(xù)研究中，將從這一方面展開(kāi)研究。