特高拱壩施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)應(yīng)用及對(duì)比

王 飛，尹習(xí)雙，劉金飛，瞿振寰，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 611130；2.中國(guó)三峽建工（集團(tuán)）有限公司，四川 成都 610041；3.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038）

0 前 言

在壩體混凝土的澆筑過(guò)程中，拱壩區(qū)工作面的施工組織非常復(fù)雜，影響其施工的因素眾多，除混凝土生產(chǎn)和澆筑的生產(chǎn)效率外，還受到拱壩結(jié)構(gòu)型式（閘室、孔洞、廊道）、氣候條件、壩體分縫分塊、相鄰高差、溫度控制措施、基礎(chǔ)處理、倉(cāng)面處理、機(jī)電安裝等多種因素的影響［1］。比如白鶴灘工程拱壩混凝土施工中面臨雙標(biāo)段、分縫分塊復(fù)雜、澆筑塊眾多、錯(cuò)縫搭接、跳塊復(fù)雜，雙纜機(jī)平臺(tái)、施工設(shè)備多、干擾大、設(shè)備配套施工復(fù)雜等多環(huán)節(jié)多工藝的施工協(xié)調(diào)相互影響、相互制約等復(fù)雜問(wèn)題，使得在較明確的工期目標(biāo)下施工進(jìn)度管控難度大［2］。仿真技術(shù)［3-9］為解決復(fù)雜工程的施工進(jìn)度管控難題提供了有效的解決方案，并在小灣［10］、錦屏一級(jí)［11］、溪洛渡［1，3-4］、烏東德［12］、白鶴灘［2，13］等特高拱壩工程持續(xù)實(shí)踐中，最終形成耦合工程物聯(lián)網(wǎng)的特高拱壩施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)［13］。

1 特高拱壩施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)

1.1 特高拱壩施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)框架

系統(tǒng)由理論層、模型方法層、應(yīng)用層構(gòu)成。理論層是進(jìn)度仿真的理論基礎(chǔ)，包括研究高差控制參數(shù)、接縫灌漿溫度、大風(fēng)、拱壩施工規(guī)律等多要素對(duì)施工進(jìn)度的影響及耦合交互的分析原理。模型方法層是大壩施工進(jìn)度仿真的實(shí)現(xiàn)方法，包括參數(shù)建模與分析算法。應(yīng)用層是根據(jù)進(jìn)度仿真的二三維可視化分析成果，供生產(chǎn)一線管理人員靈活進(jìn)行施工強(qiáng)度和進(jìn)度分析與優(yōu)化。

1.2 特高拱壩施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)功能

基于實(shí)時(shí)采集的大壩實(shí)際施工過(guò)程數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)場(chǎng)施工效率和施工組織水平、特點(diǎn)、規(guī)律，考慮溫度、應(yīng)力、工藝要求等多維約束條件下耦合作用，建立進(jìn)度仿真分析模型，研發(fā)了能反映拱壩施工特點(diǎn)以及面向工程技術(shù)人員的特高拱壩施工仿真系統(tǒng)［13］，該系統(tǒng)具有“建?！治觥敵觥币惑w化功能，可提供滿足施工現(xiàn)場(chǎng)快速變化的參數(shù)化建模、二三維一體化分析、面向一線生產(chǎn)者成果輸出等功能，以滿足生產(chǎn)一線多變的需求（見(jiàn)圖1）。

圖1 特高拱壩施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.1 參數(shù)化建模

（1）仿真面貌初始化

對(duì)當(dāng)前仿真條件和參數(shù)進(jìn)行初始化，獲取施工進(jìn)度的初始面貌。初始化內(nèi)容包括：壩塊實(shí)時(shí)澆筑面貌、接縫灌漿實(shí)時(shí)面貌、壩段分層方案、接縫灌漿分區(qū)級(jí)灌漿控制參數(shù)、機(jī)械設(shè)備資源、最大允許同時(shí)澆筑倉(cāng)個(gè)數(shù)、倉(cāng)面搭接比例及機(jī)械群運(yùn)行參數(shù)、備倉(cāng)參數(shù)、模板參數(shù)等（見(jiàn)圖2）。

圖2 仿真初始面貌示意

（2）澆筑參數(shù)化分層

采用澆筑分層參數(shù)化設(shè)置，可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及大壩施工組織設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行仿真單元快速分層設(shè)置。高拱壩主體采用3m分層，局部因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、溫控要求調(diào)整為1.5m＋1.5m分層；陡坡壩段采用智能通水等溫控技術(shù)手段結(jié)合嚴(yán)格的溫控措施，陡坡壩段首倉(cāng)一般為7～8m，最高可達(dá)11m，孔口區(qū)域大梁不分開(kāi)（見(jiàn)圖3）。

圖3 大壩分層分塊示意

（3）澆筑間歇期批量設(shè)置

仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)澆筑間歇期的批量設(shè)置。澆筑間歇期控制表征了備倉(cāng)水平，受結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、倉(cāng)面大小、備倉(cāng)組織等方面的影響。因此大壩主體澆筑間歇控制在多長(zhǎng)時(shí)間需要根據(jù)實(shí)際情況確定，按規(guī)范一般不應(yīng)產(chǎn)生超過(guò)28d齡期老混凝土，合理安排施工計(jì)劃與資源，以保證壩體連續(xù)、均衡、快速上升。此外，某些特殊部位的間歇期控制，考慮溫控防裂及結(jié)構(gòu)應(yīng)力要求，宜有明確的要求，比如廊道封頂后上部第1倉(cāng)間歇期宜控制在6～7d，完成對(duì)廊道頂部的覆蓋避免產(chǎn)生不良溫度應(yīng)力，孔口封頂后上部第1倉(cāng)應(yīng)控制在12d左右，同時(shí)滿足溫控需求及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，具體如圖4所示。

圖4 大壩混凝土澆筑間歇期

（4）倒縫參數(shù)化設(shè)置

對(duì)倒縫參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，設(shè)置是否需要倒縫及倒縫時(shí)機(jī)。如白鶴灘特高拱壩共分為31壩段，奇數(shù)壩段為高壩段，偶數(shù)壩段為低壩段。通常后澆筑的奇數(shù)壩段需要倒縫；在遇到復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位因備倉(cāng)時(shí)間較長(zhǎng)，為不影響相鄰壩段的澆筑可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行二次倒縫。倒縫的必要性、位置及時(shí)機(jī)的選擇則需要結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及對(duì)施工強(qiáng)度與進(jìn)度的影響綜合分析判斷，以保證壩體澆筑進(jìn)度及施工面貌均衡性的技術(shù)要求。

由于河床奇數(shù)壩段澆筑高程始終比偶數(shù)壩段高，故沒(méi)有倒縫；而岸坡壩則存在倒縫，如圖5所示。

圖5 岸坡壩段倒縫示意

1.2.2 仿真成果二維和三維一體化可視化分析

在仿真模擬過(guò)程中，可通過(guò)二維立視圖和三維圖形動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前施工面貌、當(dāng)前面貌和澆筑計(jì)劃的對(duì)比、動(dòng)態(tài)施工澆筑過(guò)程，同時(shí)在三維圖形直觀展示空間信息，便于生產(chǎn)管理人員進(jìn)行綜合分析，具體如圖6～7所示。

圖6 仿真方案對(duì)比

通過(guò)圖形可視化分析，可將施工過(guò)程或模擬施工過(guò)程重現(xiàn)，并與澆筑進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比顯示，便于分析當(dāng)前澆筑進(jìn)度滯后還是提前，并直觀顯示任意時(shí)刻、任意壩塊的澆筑面貌、澆筑時(shí)間、澆筑狀態(tài)等。據(jù)表等，以方面生產(chǎn)一線管理人員靈活進(jìn)行施工強(qiáng)度和進(jìn)度分析與優(yōu)化。

圖7 三維實(shí)際澆筑面貌

2 工程應(yīng)用對(duì)比

1.2.3 面向生產(chǎn)一線成果輸出

充分考慮現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的便利性，基于澆筑單元組織各類(lèi)施工信息；在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，不必每次重新組織數(shù)據(jù)。同時(shí)，在模擬計(jì)算結(jié)束后，只需對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)獨(dú)立處理，就可方便得到各種需要的數(shù)據(jù)，為降低一線生產(chǎn)人員的使用難度，可輸出跳塊圖數(shù)

結(jié)合當(dāng)代國(guó)內(nèi)高拱壩建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及特高拱壩施工進(jìn)度仿真知識(shí)積累，對(duì)錦屏、溪洛渡、烏東德、白鶴灘等拱壩在運(yùn)用施工進(jìn)度仿真手段后的工程施工特性指標(biāo)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，如?所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著智能建造技術(shù)應(yīng)用深入，拱壩工程施工在纜機(jī)澆筑強(qiáng)度、纜機(jī)利用率、澆筑間歇控制水平上逐漸提升，為同類(lèi)高拱壩建設(shè)管理樹(shù)立了新的標(biāo)桿。

2.1 同類(lèi)工程特性對(duì)比

國(guó)內(nèi)同類(lèi)型的高拱壩特征參數(shù)如表1所示。

表1 同類(lèi)工程特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 類(lèi)似工程月高峰強(qiáng)度對(duì)比

表2統(tǒng)計(jì)對(duì)比了錦屏一級(jí)、溪洛渡、烏東德及白鶴灘等高拱壩工程纜機(jī)數(shù)量、高峰月強(qiáng)度及單臺(tái)纜機(jī)月澆筑最大工程量。其中烏東德水電站于2017年12月達(dá)成單臺(tái)纜機(jī)月澆筑最高6.9萬(wàn)m3記錄，其次是白鶴灘水電站于2019年4月單臺(tái)纜機(jī)月澆筑最高6.4萬(wàn)m3，考慮到纜機(jī)數(shù)量多干擾大、河谷寬深運(yùn)距長(zhǎng)等情況，白鶴灘纜機(jī)月澆筑強(qiáng)度達(dá)到了同類(lèi)工程最高水平。2019年11月澆筑混凝土72倉(cāng)，月澆筑強(qiáng)度27.3萬(wàn)m3，年澆筑強(qiáng)度270萬(wàn)m3創(chuàng)造了同類(lèi)工程的世界紀(jì)錄。

表2 各類(lèi)似工程月高峰強(qiáng)度與纜機(jī)月最大強(qiáng)度對(duì)比

2.3 類(lèi)似工程相似部位澆筑間歇對(duì)比

2.3.1 整體澆筑間歇統(tǒng)計(jì)與對(duì)比

在澆筑間歇控制水平上，白鶴灘水電站（總倉(cāng)數(shù)2251）各倉(cāng)澆筑間歇10d以內(nèi)占比約41%，15d以內(nèi)占比約75%，20d以內(nèi)占比92.1%；烏東德水電站（總倉(cāng)數(shù)872）各倉(cāng)澆筑間歇10d以內(nèi)占比36.5%，15d以內(nèi)占比84%，20d以內(nèi)占比96.2%；溪洛渡水電站（總倉(cāng)數(shù)2090）各倉(cāng)澆筑間歇10d以內(nèi)占比39%，15d以內(nèi)占比70%，20d以內(nèi)占比82.7%?？紤]與溪洛渡水電站的相似性，白鶴灘水電站20d以上澆筑間歇控制水平顯著提高。具體對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 高拱壩澆筑間歇統(tǒng)計(jì)對(duì)比

2.3.2 類(lèi)似工程相似部位澆筑間歇統(tǒng)計(jì)對(duì)比

通過(guò)對(duì)白鶴灘、烏東德與溪洛渡等水電站底孔、深孔及表孔等相似工程部位澆筑間歇統(tǒng)計(jì)對(duì)比可知（見(jiàn)表4），白鶴灘水電站深孔最大澆筑間歇26.8d、最小10d、平均18.4d，相較溪洛渡水電站深孔部位平均22.7d、烏東德中孔部位平均22.1d的澆筑間歇，控制整體水平有明顯提高，同時(shí)相較溪洛渡深孔單孔119.2d、烏東德中孔單孔91.7d實(shí)現(xiàn)91.6d完成7號(hào)深孔施工的記錄。

表4 類(lèi)似工程相似部位澆筑間歇對(duì)比

3 結(jié) 論

特高拱壩施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)集“建?！治觥敵觥庇谝惑w，具有參數(shù)化建模、二三維一體化分析、面向一線工作者的成果輸出等功能。通過(guò)對(duì)已建／在建拱壩工程進(jìn)度實(shí)際管控指標(biāo)的對(duì)比表明，利用特高拱壩施工進(jìn)度仿真成果，纜機(jī)澆筑強(qiáng)度、間歇期控制等方面上都有了新的突破，工程建設(shè)施工進(jìn)度管控水平的也得到提升，為特高拱壩高效快速施工及進(jìn)度管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，同時(shí)對(duì)高海拔地區(qū)同類(lèi)工程相似施工條件下施工進(jìn)度管控的纜機(jī)澆筑、間歇期控制等具有一定的借鑒意義。