基于大壩施工仿真的混凝土系統(tǒng)布置方案優(yōu)化

王 翔，楊 學 紅，胡 宏 敏，李 曉 忠

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.四川省通江縣水利局，四川 巴中 636700)

0 引 言

白鶴灘水電站混凝土雙曲拱壩最大壩高289 m，壩頂高程834 m，混凝土澆筑總量約800萬m3，是世界上澆筑方量最大的混凝土拱壩。為了滿足大壩施工強度及施工進度的需要，白鶴灘高拱壩采用雙層纜機和雙層供料平臺的混凝土澆筑方案，共布置7臺30 t平移式纜機(高3低4)，是國內(nèi)采用纜機數(shù)量最多的高拱壩，也是國內(nèi)唯一采用雙供料平臺的高拱壩工程。為滿足大壩澆筑需要，擬共布置4座HL360-4F4500L型拌和樓(簡稱4×4.5 m3拌和樓)，分高、低兩線布置，分別為大壩高、低供料平臺供料。

由于白鶴灘大壩混凝土施工組織復雜，采用常規(guī)手段分析混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)布置對大壩施工進度的影響將會非常困難[1]，有必要采用先進的計算機仿真技術對不同系統(tǒng)布置方案下大壩混凝土施工過程進行模擬和比選。

國外計算機仿真技術應用在混凝土壩施工過程始于20世紀70年代。Jurencha等[2]研究了纜機澆筑條件下混凝土重力壩施工過程仿真算法，并在實際工程中進行了應用。國內(nèi)大壩混凝土施工仿真研究始于二灘水電站，作為當時國內(nèi)最高混凝土拱壩，朱光熙等[3-4]對高拱壩混凝土澆筑過程進行了仿真模擬，結果符合拱壩施工一般規(guī)律。隨后，翁永紅等[5]將仿真計算結果與進度軟件、三維圖形軟件進行數(shù)據(jù)共享，動態(tài)分析了三峽工程混凝土大壩的施工進度特征；李景茹等[6]將大壩施工仿真與GIS技術相結合，豐富了可視化仿真的內(nèi)涵，提高了混凝土大壩可視化仿真研究水平。近年來，世界上的高壩建設特別是混凝土高壩建設主要集中在中國，相應的高壩施工仿真研究在國內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。根據(jù)賦時Petri網(wǎng)絡理論特點，楊學紅等[7]對大壩澆筑施工系統(tǒng)進行了仿真建模，研究施工仿真參數(shù)在大壩施工過程的變化，模擬了大壩混凝土的澆筑進度。為了在混凝土高壩建設管理過程中更好地應用施工仿真技術，達到控制大壩施工進度的目的，吳康新等[8-11]開展了系統(tǒng)深入的研究，逐步建立了比較完整的大壩仿真建模理論和實時控制理論。劉超等[12]以澆筑罐為基本計算對象，基于排隊論和負載均衡技術構建了大壩施工仿真模型，較好地反映了纜機澆筑條件下高拱壩混凝土施工的特點。

在前人研究的基礎上，本文結合白鶴灘大壩混凝土施工特點，建立以纜機為基本決策對象，利用纜機事件驅動仿真時鐘推進建立高拱壩施工仿真基本模型。然后根據(jù)白鶴灘高拱壩混凝土雙層供料規(guī)則進一步建立了混凝土雙層供料仿真模型。借助建立的施工仿真模型，分析了混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)布置對大壩施工進度的影響，以為優(yōu)化混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)布置方案提供參考。

1 施工仿真模型

1.1 高拱壩施工仿真基本模型

高拱壩混凝土施工中，混凝土吊罐入倉澆筑過程中各個事件和壩段高程變化均發(fā)生在離散時間點上，因此高拱壩混凝土施工進度仿真為離散事件仿真[8-9]。在離散事件系統(tǒng)仿真中，仿真時鐘用于記錄系統(tǒng)內(nèi)各事件發(fā)生的時間，是系統(tǒng)行為和狀態(tài)描述的基礎變量。本文仿真時鐘的推進以事件推進法為主，固定步長推進法為輔。

高拱壩施工仿真過程實際上為澆筑纜機對澆筑倉的服務過程。對于澆筑倉位，纜機配置數(shù)量需滿足最長允許間歇時間內(nèi)完成單個鋪層澆筑的混凝土施工強度。由于白鶴灘高拱壩纜機上下雙層布置，同時為左、右岸兩個大壩施工標段提供供料服務，纜機之間運行干擾較大，加之壩體混凝土涉及4種設計指標，這將導致大壩纜機的施工調(diào)度異常復雜。實際施工中，為保證施工質量和運行安全，很難再考慮澆筑某個倉位的過程中臨時抽調(diào)纜機參與其他壩塊澆筑的情況。所以在本文仿真模型中，一旦確定纜機及其對應的澆筑倉位后，在該倉位澆筑過程中纜機和澆筑倉的配對服務關系保持不變，直至該倉位完成澆筑。根據(jù)上述分析，本文以纜機為基本決策對象建立高拱壩施工仿真基本模型，通過澆筑過程中依次發(fā)生的纜機事件逐步驅動仿真時鐘向前推進，進而完成大壩纜機澆筑全過程仿真。本文纜機事件包括纜機移位、備倉、維修，吊罐的裝料、運輸、卸料、返程、空閑、完成壩塊澆筑等。

為均衡發(fā)揮纜機的工作效率、保持壩體的整體均勻上升，一般都優(yōu)先選擇間歇時間最長的纜機和壩段高程最低的澆筑塊。本文高拱壩施工仿真流程為：首先進行澆筑纜機的選擇，然后在澆筑纜機的覆蓋范圍內(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)提前設置的系統(tǒng)參數(shù)強行使?jié)仓|機停歇；如果能夠選擇到滿足條件的待澆壩塊，則系統(tǒng)根據(jù)待澆壩塊的倉面面積及其空間位置，計算纜機的澆筑效率和完成壩塊澆筑所需的澆筑機械數(shù)量，并確定澆筑該壩塊的纜機編號。確定好澆筑纜機后，根據(jù)合作纜機所處的狀態(tài)確定壩塊開始澆筑的時間并計算澆筑歷時，當壩塊澆筑結束后，系統(tǒng)完成一個澆筑塊的澆筑活動，然后更新系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)信息，進入下一個壩塊的澆筑循環(huán)，直至整個大壩仿真系統(tǒng)計算結束。

1.2 高拱壩施工雙層供料仿真模型

為了研究混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)布置對大壩施工進度的影響，在施工仿真基本模型的基礎上進一步建立高拱壩施工雙層供料仿真模型(見圖1)。該模型中兩個生產(chǎn)系統(tǒng)供料時可相互支援，以滿足整個大壩施工強度需要。根據(jù)纜機運行效率高低，低供料平臺主要供應大壩中下部，高供料平臺主要供應大壩中上部。當部分倉位需要高低生產(chǎn)系統(tǒng)同時供料時，優(yōu)先選擇澆筑效率更高的供料平臺供料，不足部分由另一個平臺供料。

圖1 高拱壩施工雙層供料仿真模型Fig.1 Simulation model of double-layer feeding for construction of high arch dam

2 施工仿真邊界

2.1 施工仿真邊界分析

(1) 高、低線供料平臺寬度均為30 m，布置空間大，能夠靈活滿足后卸式或側卸式料罐車在平臺運輸卸料，且高、低線混凝土拌和系統(tǒng)與供料平臺同高程就近布置，混凝土運輸距離短，因而在大壩施工過程中可通過增加水平運輸料罐車數(shù)量就能充分滿足纜機取料需求。所以，在白鶴灘高拱壩施工仿真時，只需研究混凝土澆筑子系統(tǒng)和混凝土生產(chǎn)子系統(tǒng)對大壩施工進度的影響。

(2) 白鶴灘壩址大風天數(shù)多，需謹慎考慮大風對施工進度的影響。當風速達到8級及以上停工，具體為：每日大風持續(xù)時間少于16 h，則累計每月大風持續(xù)小時數(shù)并折合天數(shù)后扣除；每天大風持續(xù)時間16 h以上，按全天停工考慮?？紤]大風、雨天等不利天氣后，大壩全年有效施工天數(shù)按273 d考慮。

2.2 施工仿真主要參數(shù)

按當時施工計劃，白鶴灘大壩施工仿真開始時間按2016年12月1日考慮。根據(jù)大壩設計成果、纜機選型及類似工程經(jīng)驗，擬定白鶴灘高拱壩施工仿真主要參數(shù)見表1。

表1 施工仿真主要參數(shù)Tab.1 Main parameters for construction simulation

大壩共劃分澆筑壩塊2 446個，其中河床基礎強約束區(qū)層厚采用1.5 m，其他部位一般按3 m考慮?？锥粗苓吋芭Ｍ鹊忍厥獠课?，由于結構復雜，層間處理時間更長，其層間間歇時間見表2。

表2 特殊部位層間間歇時間Tab.2 Interval time between layers at special locations d

3 混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)布置方案比選

為優(yōu)化高、低線系統(tǒng)布置，擬對高、低供料線均配置2座4×4.5 m3拌和樓的布置方案(簡稱“2+2”方案)和分別配置3座和1座4×4.5 m3拌和樓的布置方案(簡稱“3+1”方案)進行大壩施工進度仿真分析。按施工總進度安排，地下電站進水口最晚可占壓至2020年8月底，然后需要拆除為大壩蓄水發(fā)電做準備。考慮低線系統(tǒng)搬遷與不搬遷的2種工況的影響，擬定混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)布置比較方案見表3。

總工期和關鍵節(jié)點工期施工進度仿真結果見表4～5。

總工期仿真結果表明：“2+2”方案的低線系統(tǒng)無論是否搬遷，“2+2”方案和“3+1”方案總工期均比計劃工期提前1～2個月，但“2+2”方案的總工期比“3+1”方案更短。關鍵節(jié)點工期的大壩施工仿真結果表明：“2+2”方案和“3+1”方案的仿真值均大于計劃值，即仿真進度快于計劃進度，滿足設計要求。但“2+2”方案的大壩澆筑進度和接縫灌漿進度均要快于“3+1”方案，而“2+2”方案中，低線系統(tǒng)不搬遷方案的大壩施工進度則要進一步快于低線系統(tǒng)搬遷方案。

表3 混凝土系統(tǒng)布置比選方案Tab.3 Layout schemes for concrete systems

表4 總工期仿真比較Tab.4 Simulation comparison of total construction period

表5 關鍵節(jié)點工期大壩施工進度仿真比較Tab.5 Simulation comparison of dam construction progress at key nodes during construction period

根據(jù)仿真計算對比分析可知：“2+2”方案比“3+1”方案在總工期、關鍵節(jié)點工期方面均有一定超前，保證率更大，因此推薦采用“2+2”方案作為基本布置方案。

4 低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)拆除時機分析

由于低線系統(tǒng)占壓左岸電站進水口，根據(jù)大壩蓄水時間及電站進水口施工進度安排，按原計劃低線系統(tǒng)最晚需在2020年8月底開始拆除。雖然壩段澆筑高程超過低線供料平臺高程后，纜機的澆筑效率會逐漸降低，但低線系統(tǒng)的拆除時機并不能簡單地根據(jù)壩段澆筑高程來判斷，而應通過大壩施工仿真分析尋找適宜的拆除時間。

根據(jù)混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)“2+2”方案仿真計算結果可知，2020年1月底大壩最低高程和平均高程分別為747 m和761 m，接近低線供料平臺高程；在低線系統(tǒng)計劃的最晚拆除時間2020年8月，壩體澆筑高程已超過低線供料平臺?，F(xiàn)擬對低線系統(tǒng)在2020年1月至2020年8月各月月底開始拆除的工況(不搬遷)，分別進行大壩施工仿真，分析低線系統(tǒng)的合適拆除時機。

低線系統(tǒng)各月拆除工況下大壩的完工時間在3月27日至4月16日之間，其中2月底拆除工況的完工時間最早。各月月底拆除工況下大壩月澆筑強度見表6和圖3。

表6 各月月底拆除工況下大壩混凝土逐月澆筑強度Tab.6 Concrete pouring strength of dam under different demolition times at each end of month 萬m3

圖3 各月月底拆除工況下大壩混凝土澆筑強度Fig.3 Concrete pouring strength of dam under different demolition times at each end of month

根據(jù)仿真計算結果，大壩2016年12月開始澆筑，低線系統(tǒng)2020年2月底拆除時(大壩平均澆筑高程765 m左右)工期最短，約為52個月。但2020年2月底拆除后，2020年6，7月的大壩混凝土澆筑強度分別達到17.27，18.06萬m3/月，對應的是出機口溫度為7 ℃的預冷混凝土。在其他各月拆除工況下，6～8月高溫季節(jié)的大壩混凝土澆筑強度也都達到16.7萬～18.5萬m3/月。而工程實踐中，2座4×4.5 m3拌和樓在高溫季節(jié)預冷混凝土的持續(xù)供應強度只能達到16萬m3/月。所以，盡管仿真計算中混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)的小時生產(chǎn)強度設計值滿足倉面覆蓋強度要求，但無法滿足大壩月澆筑強度需求。因此，根據(jù)仿真計算并結合工程實踐經(jīng)驗，為保證高溫季節(jié)預冷混凝土的高強度持續(xù)穩(wěn)定供應，建議低線系統(tǒng)盡量利用至2020年8月之后再拆除，以確保高溫季節(jié)混凝土施工進度與施工質量。

5 結 語

施工仿真分析結果表明，白鶴灘大壩高、低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)均布置2座4×4.5 m3拌和樓的“2+2”方案要優(yōu)于高、低線分別布置3座和1座4×4.5 m3拌和樓的“3+1”方案，前者在總工期、關鍵節(jié)點工期進度方面均有一定超前，保證率更大。對于“2+2”方案，低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)應盡量利用至2020年8月之后再拆除，以保證高溫季節(jié)的混凝土施工進度與施工質量。經(jīng)過分析論證，設計階段最終按“2+2”布置方案進行高、低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)施工詳圖設計。施工階段，工程實踐證明，白鶴灘高拱壩混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)布置方案設計合理，滿足工程建設需要。