嚴(yán)寒地區(qū)高拱壩混凝土施工進(jìn)度保障措施仿真

王翔　楊學(xué)紅　張克　范五一

摘要：嚴(yán)寒地區(qū)大壩混凝土施工約束多、進(jìn)度分析復(fù)雜。為了給進(jìn)度保障措施的制定提供依據(jù)，以西北地區(qū)某高拱壩為例，采用施工進(jìn)度仿真方法對保障措施的有效性開展了研究。首先利用纜機(jī)事件驅(qū)動仿真時鐘的方法建立高拱壩混凝土施工仿真模型，然后在仿真約束邊界及參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，對大壩施工進(jìn)度可能影響較大的因素開展敏感性仿真分析。仿真結(jié)果分析表明：縮短最小層間間歇、適當(dāng)增加每年可施工天數(shù)、增加最大允許懸臂高度和相鄰壩段最大高差是有效且可行的進(jìn)度保障措施。其中，增加每年可施工天數(shù)代價最小，效果最好，應(yīng)優(yōu)先考慮。相關(guān)經(jīng)驗可供嚴(yán)寒地區(qū)混凝土大壩施工借鑒。

關(guān)鍵詞：高拱壩; 施工進(jìn)度; 施工仿真; 嚴(yán)寒地區(qū); 層間間歇; 最大允許懸臂高度

中圖法分類號： TV512

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.024

0引 言

在嚴(yán)寒地區(qū)建設(shè)高拱壩除了面臨高山峽谷地區(qū)復(fù)雜的地形地質(zhì)條件外，還將面臨更惡劣的氣象環(huán)境。某高拱壩所在地區(qū)冬季寒冷，有5個月的平均氣溫處于零度以下，混凝土施工無法正常開展，每年有效施工天數(shù)大大縮短，導(dǎo)致工程建設(shè)周期顯著延長。同時壩址所在地晝夜及年度氣溫變化幅度大，氣候干燥，這些都對高拱壩工程的施工進(jìn)度及質(zhì)量控制提出了更高的要求。因此，如何制定有效的嚴(yán)寒地區(qū)高拱壩施工進(jìn)度保障措施，是實現(xiàn)工程施工進(jìn)度目標(biāo)亟待解決的問題。

嚴(yán)寒地區(qū)高拱壩工程建設(shè)周期長、施工約束多、施工組織復(fù)雜，常規(guī)的工程進(jìn)度分析方法（如橫道圖法、網(wǎng)絡(luò)圖法）無法對影響大壩施工進(jìn)度的各種因素進(jìn)行深入分析[1]。對于復(fù)雜的系統(tǒng)，常采用計算機(jī)仿真技術(shù)模擬多個比選方案，預(yù)測不同方案的實施結(jié)果，從而確定一個較優(yōu)方案[2]。對于大壩施工系統(tǒng)而言，工程實施中采取的大部分施工進(jìn)度保障措施都可轉(zhuǎn)換為大壩施工仿真模型的邊界約束條件或仿真參數(shù)，每一組仿真參數(shù)對應(yīng)一種仿真方案。針對主要采用纜機(jī)進(jìn)行混凝土施工的該高拱壩工程，本文擬采用施工仿真方法對各方案進(jìn)行仿真對比研究，從而為制定有效的施工進(jìn)度保障措施提供參考依據(jù)。

國外計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于混凝土壩施工過程始于1970年代。在1973年第十一屆國際大壩會議上，一些國外學(xué)者發(fā)表了混凝土壩施工仿真研究成果，例如Jurencha和Widmann[3]針對混凝土重力壩的纜機(jī)澆筑過程，研究仿真算法并進(jìn)行了應(yīng)用。中國混凝土壩施工仿真理論與應(yīng)用研究始于20世紀(jì)80年代。天津大學(xué)朱光熙等[4-5]對二灘拱壩混凝土澆筑過程進(jìn)行了仿真模擬，成果滿足拱壩一般施工規(guī)律。翁永紅和謝紅忠[6]以三峽工程混凝土大壩施工為應(yīng)用對象，建立了同時考慮門塔機(jī)、塔帶機(jī)和纜機(jī)等3類主要澆筑機(jī)械的大壩施工仿真模型，并將仿真結(jié)果與工程進(jìn)度管理軟件P3進(jìn)行連接，促進(jìn)了仿真成果在工程實踐中的應(yīng)用。鐘登華等[7]在混凝土壩施工仿真中發(fā)展了基于GIS的三維動態(tài)可視化仿真方法，開辟了一個新的仿真研究方向。近十幾年來，由于國外在建和擬建的高混凝土壩較少，混凝土大壩特別是高拱壩的施工仿真研究主要集中在國內(nèi)。楊學(xué)紅等[8]應(yīng)用賦時Petri網(wǎng)絡(luò)基本理論對大壩施工系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模，描述資源等施工參數(shù)隨施工進(jìn)度的變化，分析了大壩混凝土的施工過程。為了將施工仿真技術(shù)更好地應(yīng)用于高混凝土壩施工建設(shè)管理，確保工程進(jìn)度按計劃順利實施，吳康新、鐘登華、任炳昱等[9-12]針對高拱壩仿真建模理論和實時控制理論展開了系統(tǒng)深入的研究，構(gòu)建了一套高拱壩施工進(jìn)度仿真理論體系。劉超等[13]基于排隊論和負(fù)載均衡技術(shù)建立了以纜機(jī)為基本決策單位、澆筑罐為基本計算單位的纜機(jī)施工仿真模型，比較真實地反映了全纜機(jī)高拱壩施工系統(tǒng)的特點。劉金飛等[14]基于智慧大壩系統(tǒng)感知信息，采用多維耦合仿真技術(shù)對影響白鶴灘大壩施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，為大壩連續(xù)施工提供了指導(dǎo)。

本文在吸收國內(nèi)高拱壩施工仿真研究成果的基礎(chǔ)上，以纜機(jī)為基本決策對象，建立利用纜機(jī)事件驅(qū)動仿真時鐘推進(jìn)的高拱壩施工仿真模型;通過施工仿真約束邊界及參數(shù)分析，明確基本方案主要仿真參數(shù);然后擬定對比仿真方案，開展多要素敏感性仿真分析;最后，根據(jù)仿真分析結(jié)果得到加快大壩施工進(jìn)度的4項措施并對其可行性進(jìn)行了分析。

1施工仿真模型

1.1高拱壩混凝土施工系統(tǒng)分解

高拱壩施工系統(tǒng)可分為混凝土生產(chǎn)子系統(tǒng)、混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)和混凝土澆筑子系統(tǒng)3個子系統(tǒng)[9-10]，如圖1所示。

混凝土生產(chǎn)子系統(tǒng)是大壩施工的基礎(chǔ)，其生產(chǎn)能力必須滿足大壩澆筑強(qiáng)度要求，為大壩施工進(jìn)度提供保障?；炷吝\(yùn)輸子系統(tǒng)由水平運(yùn)輸系統(tǒng)和垂直運(yùn)輸系統(tǒng)組成。高拱壩混凝土施工通常采用專用上壩通道和專用運(yùn)輸車進(jìn)行供料，然后用纜機(jī)將混凝土吊裝至大壩倉面。高拱壩混凝土澆筑子系統(tǒng)中，壩體采用分縫分層澆筑，并遵循規(guī)范和設(shè)計規(guī)定的壩段上升規(guī)則，澆筑機(jī)械從滿足施工約束條件的壩塊中選擇一個可澆壩塊進(jìn)行澆筑，同時還輔助進(jìn)行一些備倉及金屬部件的吊裝工作。

1.2高拱壩混凝土施工仿真模型

高拱壩混凝土施工中，倉位的澆筑事件和各壩段高程變化都是在離散時間點上發(fā)生，因此高拱壩混凝土施工仿真為離散事件系統(tǒng)仿真[9-10]。在離散事件系統(tǒng)仿真中，仿真時鐘負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)內(nèi)各事件發(fā)生的時間，是系統(tǒng)行為和狀態(tài)描述的基礎(chǔ)。本文仿真時鐘聯(lián)合使用了事件推進(jìn)法和固定時間推進(jìn)法[9-10]。

高拱壩施工仿真行為可看作澆筑纜機(jī)對澆筑倉的服務(wù)行為，通過這個行為完成倉位的混凝土澆筑。對于單個澆筑倉位，纜機(jī)配置數(shù)量需滿足其澆筑能力不小于初凝允許間歇時間內(nèi)完成單個鋪層澆筑強(qiáng)度的要求。為保證施工質(zhì)量和運(yùn)行安全，實際施工中，一般不考慮多臺纜機(jī)聯(lián)合澆筑某個倉位過程中臨時抽調(diào)1臺纜機(jī)同時服務(wù)其它壩塊澆筑的情況。所以在高拱壩施工仿真建模中可認(rèn)為一旦纜機(jī)和澆筑倉位配對關(guān)系確定，纜機(jī)與倉位就綁定構(gòu)成了固定的服務(wù)關(guān)系，直至該倉位完成澆筑。根據(jù)上述分析，本文以纜機(jī)為基本決策對象建立高拱壩混凝土施工仿真基本模型，通過澆筑過程中依次發(fā)生的纜機(jī)事件逐步驅(qū)動仿真時鐘向前推進(jìn)，進(jìn)而完成大壩纜機(jī)澆筑全過程仿真。本文纜機(jī)事件（活動）包括纜機(jī)移位、備倉、維修，吊罐裝料、起吊運(yùn)輸、倉面卸料、空罐返回、纜機(jī)空閑、壩塊澆筑完成等。

為均衡發(fā)揮纜機(jī)的工作效率，保持壩體的整體均勻上升，在選擇澆筑機(jī)械和澆筑塊時，一般選擇間歇時間最長的纜機(jī)，然后綜合考量各項因素后選擇實施澆筑塊。本文高拱壩混凝土施工仿真流程為：首先選擇空閑纜機(jī)并判斷該空閑纜機(jī)仿真時鐘是否屬于有效工作時間，不是則推進(jìn)至有效工作時間;然后在空閑纜機(jī)的覆蓋范圍內(nèi)選擇滿足特定約束條件的可澆筑壩塊。如果沒有可以澆筑的壩塊，系統(tǒng)將根據(jù)提前設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)向前推進(jìn)纜機(jī)仿真時鐘。如果能夠選擇到滿足條件的待澆壩塊，則根據(jù)待澆壩塊的倉面面積及其與卸料平臺之間的距離，計算單臺纜機(jī)的澆筑強(qiáng)度及完成壩塊澆筑所需纜機(jī)的數(shù)量，然后按臨近搭配原則確定澆筑該壩塊的纜機(jī)編號。當(dāng)滿足澆筑條件的壩塊不止一塊時，則綜合考量各項因素的權(quán)重后給可澆壩塊進(jìn)行澆筑排序，排在第一位的壩塊優(yōu)先確定開始澆筑的時間并計算澆筑歷時。當(dāng)壩塊澆筑結(jié)束后，系統(tǒng)完成一個壩塊的澆筑活動，然后更新系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)信息，進(jìn)入下一個壩塊的澆筑循環(huán)，直至整個大壩仿真系統(tǒng)計算結(jié)束。高拱壩混凝土施工仿真流程見圖2。

2施工仿真約束邊界與參數(shù)

2.1工程概況

某高拱壩壩頂高程990 m，最大壩高240 m，混凝土澆筑量414.8萬m3。大壩共分為35個壩段，中間16～19號壩段為泄洪壩段，15號和20號為導(dǎo)流壩段。泄洪壩段的泄水孔分3層布置：3個表孔、2個中孔及4個底孔供水管。泄洪壩段兩側(cè)的導(dǎo)流壩段各設(shè)置1個導(dǎo)流底孔，其中15號壩段增設(shè)1個生態(tài)基流孔。

大壩混凝土主要采用5臺30 t平移式無塔架纜機(jī)澆筑。根據(jù)纜機(jī)布置方案，左岸1號、2號壩段和右岸34號、35號壩段不在纜機(jī)控制范圍內(nèi)，需采取其他澆筑設(shè)備輔助澆筑。

根據(jù)施工總進(jìn)度計劃，在大壩澆筑第二年汛末（8月底），大壩最低高程≤815 m，枯水期圍堰擋水;第3年汛前（4月底），大壩最低高程≥826 m，大壩開始擋水;第4年汛末，大壩最低高程≥885 m，接縫灌漿高程≥849 m;第5年汛末，大壩最低高程≥930 m，接縫灌漿高程≥900 m;第6年汛末，大壩最低高程≥975 m，接縫灌漿高程≥948 m。

2.2施工約束邊界分析

纜機(jī)澆筑邊界分析：受纜機(jī)控制范圍限制，只有3～33號壩段納入纜機(jī)澆筑。在該澆筑仿真模型中，由于左岸1號、2號和右岸34號、35號壩段不受纜機(jī)資源調(diào)配限制，可以隨時安排澆筑，所以認(rèn)為這些壩段不對纜機(jī)3～33號壩段施工產(chǎn)生相鄰壩段高差約束。

澆筑時間邊界分析：根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，10月中下旬至次年4月上中旬的平均氣溫低于混凝土正常施工要求，大壩澆筑和接縫灌漿暫停施工。因此，每年可供混凝土澆筑施工的月份為4～10月，時長6～6.5個月左右。

混凝土供應(yīng)能力邊界分析：混凝土系統(tǒng)的最大生產(chǎn)能力為520 m3/h，換算到每月最大供應(yīng)量約為17.5萬m3。因此，某個壩塊是否可以開倉澆筑必須滿足兩個條件：① 大壩同時澆筑倉面的澆筑總強(qiáng)度不能超過混凝土系統(tǒng)每小時最大生產(chǎn)量520 m3;② 當(dāng)月大壩混凝土澆筑量最大在17.5萬m3左右。

單倉纜機(jī)澆筑臺數(shù)上限分析：壩段最大順流向長65 m，纜機(jī)最小安全間距11 m，則河床下部壩塊理論上最多可允許5臺纜機(jī)同倉澆筑。根據(jù)倉面面積和纜機(jī)運(yùn)行效率，并結(jié)合類似工程運(yùn)行經(jīng)驗，該工程單倉最多允許4臺纜機(jī)同時澆筑。在該仿真模型中，多余的纜機(jī)可用于其它倉面的澆筑或備倉作業(yè)。

2.3施工主要仿真參數(shù)分析

（1） 仿真開始時間。根據(jù)施工總進(jìn)度計劃，大壩開始澆筑時間為第一年5月10日。

（2） 有效工作時間。保守考慮，每年施工時段為4月15日至10月15日，共184 d?？鄢妆?、大風(fēng)、大雨等惡劣天氣影響天數(shù)，全年有效施工天數(shù)為169 d。實際施工時，在做好保溫措施的條件下，每年4月和10月可適當(dāng)延長有效施工天數(shù)。

（3） 倉面坯層覆蓋時間。夏季6～8月氣溫較高，倉面坯層最多間歇3 h，其它月份間歇4 h。

（4） 澆筑層厚。采用3 m層厚為主，表孔等局部變截面部位澆筑層厚調(diào)整為1.5 m。

（5） 高差約束參數(shù)。相鄰壩段最大高差一般控制在12 m內(nèi)，相鄰壩段最小高差為3 m;全壩整體最大高差不超過30 m;懸臂高度控制標(biāo)準(zhǔn)為大壩下部（高程795 m以下）70 m，大壩中上部（高程795 m以上）65 m。

（6） 接縫灌漿區(qū)灌漿時上部壓重高度。高程822 m以下采用2個同冷區(qū)，總壓重高度33 m，高程822 m以上采用1個同冷區(qū)，總壓重高度24 m。

（7） 纜機(jī)運(yùn)行效率。第一年5月和每年冬歇期后復(fù)工的4月，纜機(jī)效率均為正常值的80%。

3多要素敏感性仿真對比分析

根據(jù)施工總進(jìn)度，第二年汛后，大壩需加快施工進(jìn)度以滿足關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)度要求。針對大壩施工進(jìn)度可能影響較大的層間最小間歇、相鄰壩段最大高差、最大允許懸臂高度、每年有效施工時長、澆筑層厚等關(guān)鍵要素，擬定表1所列的多種仿真方案。各仿真方案的大壩施工進(jìn)度計算結(jié)果見表2～3。

高拱壩混凝土施工作為一個復(fù)雜的施工系統(tǒng)，其施工進(jìn)度（混凝土跳倉澆筑過程）受眾多因素影響。對于高拱壩混凝土施工仿真模型來說，其仿真進(jìn)度則受多項仿真參數(shù)組合的影響。不同仿真參數(shù)組合對應(yīng)的仿真進(jìn)度也不同。為了研究某項因素對施工進(jìn)度的影響，表1中各對比方案都是在基本方案的基礎(chǔ)上改變一項仿真參數(shù)得到的。

多方案仿真對比分析結(jié)果表明：減少壩塊最小層間間歇對大壩澆筑總工期影響最大，可縮短1.4個月;放寬相鄰壩段高差、增加最大允許懸臂高度、延長每年可施工天數(shù)等仿真參數(shù)對總工期影響基本相當(dāng)，可縮短總工期0.5個月;而增加澆筑層厚方案對總工期影響較小，僅縮短總工期0.3個月。從關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)度仿真結(jié)果對比來看，各方案都能滿足關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)度要求。但相比基本方案，對比方案5（4.5m層厚方案）和對比方案2（相鄰壩段最大高差15m）有1～2個關(guān)鍵節(jié)點的大壩最低高程和接縫灌漿高程均變得更低。這表明增加層厚和相鄰壩段高差雖然可以一定程度上加快上升進(jìn)度、縮短總工期，但大壩整體上升的均衡性較差，其中增加層厚方案更為明顯。

由于4.5 m層厚方案的大壩整體上升均衡性較差，縮短總工期也不明顯，而且考慮其對混凝土模板、施工工藝、施工質(zhì)量和安全保證措施等方面有較高要求，因此在制定施工進(jìn)度保障措施時，不建議考慮增加層厚方案，推薦考慮縮短最小層間間歇、延長每年可施工天數(shù)、增加最大允許懸臂高度和相鄰壩段最大高差等4項措施。

4施工進(jìn)度保障措施分析

在推薦考慮的4項措施中，延長每年可施工天數(shù)（對比方案4）是代價最小、效果最好的進(jìn)度保障措施。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，當(dāng)日平均氣溫不連續(xù)5 d低于5 ℃或最低氣溫不連續(xù)5 d低于-3 ℃，均不需采取額外措施，大壩即可提前復(fù)工或延后停工。即使氣溫低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，也可根據(jù)實際情況判斷是否能采取有效的低溫施工措施，從而確定是否提前或延后施工。仿真結(jié)果表明，當(dāng)每年可施工天數(shù)最多延長10 d（合計延長40 d）時，不僅澆筑總工期縮短0.5個月，而且大壩澆筑到頂時間相比基本方案提前了50 d;相比基本方案，關(guān)鍵節(jié)點的大壩澆筑高程和接縫灌漿高程也有明顯提升。

縮短層間最小間歇時間、適當(dāng)增加相鄰壩段最大高差和最大允許懸臂高度是高拱壩工程施工實踐中經(jīng)常采用且有效可行的施工進(jìn)度保障措施?；痉桨钢?，層間最小間歇為當(dāng)前施工平均先進(jìn)水平，如果現(xiàn)場施工組織得當(dāng)或采用成熟先進(jìn)的施工工藝，縮短最小間歇1 d是可能的。例如在高拱壩工程實踐中，3 m層厚實體壩塊可以在5 d內(nèi)完成備倉，只要高差、纜機(jī)配備、混凝土供應(yīng)等各項約束條件滿足，那么倉面間歇5 d即具備了開倉條件。基本方案中，相鄰壩段最大高差規(guī)定≤12 m，但近十幾年國內(nèi)不少高拱壩工程施工中，在做好壩段側(cè)面保溫措施后，許多相鄰壩段的最大高差均突破了12 m，達(dá)到15 m甚至18 m。因此，對比方案2將相鄰壩段最大高差增加至15 m的施工進(jìn)度保障措施是合理可行的。適當(dāng)放寬最大懸臂高度控制以加快大壩澆筑進(jìn)度，在國內(nèi)已建高拱壩也是經(jīng)常采用的進(jìn)度保障措施。在工程開工前，設(shè)計單位提出的最大允許懸臂高度一般考慮了最不利工況，且安全系數(shù)有一定富裕。在工程開工后，現(xiàn)場施工邊界條件進(jìn)一步明確，根據(jù)最新邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)核計算后，大多數(shù)情況下允許適當(dāng)放寬最大允許懸臂高度。對比方案3中，高程795 m以上的最大允許懸臂高度增加5 m至70 m，適當(dāng)放寬的尺度較小，對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響不大，而且國內(nèi)已建200 m以上高拱壩工程實踐中也多有采用70 m最大懸臂高度的先例。因此，適當(dāng)放寬最大允許懸臂高度也是該項目開工后可供考慮的進(jìn)度保障措施之一。

5結(jié) 語

施工對比仿真分析表明，縮短最小層間間歇、適當(dāng)延長每年可施工天數(shù)、增加最大允許懸臂高度和相鄰壩段最大高差是4項較為有效且可行的進(jìn)度保障措施。其中，延長每年可施工天數(shù)代價最小、效果最好，應(yīng)優(yōu)先考慮。由于對高拱壩施工進(jìn)度產(chǎn)生綜合影響的眾多因素在大壩開工前及施工過程中會發(fā)生變化，過早根據(jù)施工仿真結(jié)果制定的施工進(jìn)度保障措施會存在一定程度的失真，所以實施階段的大壩施工進(jìn)度保障措施應(yīng)結(jié)合工程現(xiàn)場施工邊界條件進(jìn)行制定并適時調(diào)整。

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（編輯：胡旭東）