高拱壩施工仿真模型中優(yōu)先澆筑規(guī)則選擇與評(píng)價(jià)

張 為 法,王 仁 超,林 萬(wàn) 旭,王 世 龍

(1.中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065; 2.天津大學(xué) 水利工程智能建設(shè)與運(yùn)維國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

0 引 言

特殊的受力傳遞結(jié)構(gòu)使得拱壩具有經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)[1],適用于高山峽谷中大型水電開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。近20 a間,中國(guó)在西南、西北地區(qū)先后建成了小灣、錦屏一級(jí)、溪洛渡、白鶴灘、烏東德、拉西瓦等一系列特高拱壩,在該壩型施工方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn),如在小灣工程施工過(guò)程中提出了同冷區(qū)、過(guò)渡區(qū)分區(qū)冷卻概念[2],在白鶴灘、烏東德水電站實(shí)踐了低熱水泥筑壩技術(shù)[3]。

但在中國(guó)先期建設(shè)的高拱壩施工過(guò)程中,均不同程度地出現(xiàn)過(guò)裂縫,且大多數(shù)裂縫出現(xiàn)在施工期[4]。合理的澆筑順序不僅有利于高拱壩溫控防裂[5],也有利于提高機(jī)械利用率及施工經(jīng)濟(jì)性,合理規(guī)劃澆筑施工方案和施工過(guò)程,對(duì)于保證特高混凝土拱壩安全和提升經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。

高拱壩施工受到多種因素的影響制約,包括環(huán)境因素、壩體結(jié)構(gòu)與孔洞分布、施工機(jī)械、混凝土拌和系統(tǒng)等[6],如何綜合考慮這些因素,形成既滿(mǎn)足壩體溫控防裂[7]、度汛等進(jìn)度目標(biāo)要求,又兼顧施工經(jīng)濟(jì)的壩體澆筑施工順序,是混凝土壩澆筑施工規(guī)劃和施工控制的核心問(wèn)題之一。從系統(tǒng)優(yōu)化角度來(lái)看,最佳澆筑順序獲得問(wèn)題屬于組合優(yōu)化-NP難題。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題,系統(tǒng)仿真是最為適宜和常用的方法之一[8]。

混凝土壩澆筑施工采用系統(tǒng)仿真的方法最早出現(xiàn)在1973年國(guó)際大壩會(huì)議上,Jurecha等[9]以?shī)W地利施立格壩纜機(jī)澆筑施工為對(duì)象,利用確定性數(shù)字仿真方法對(duì)纜機(jī)澆筑大壩混凝土方案進(jìn)行優(yōu)選。國(guó)內(nèi)則出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代,朱光熙[6]針對(duì)二灘大壩纜機(jī)澆筑進(jìn)行研究,并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的仿真系統(tǒng);2005年,尹習(xí)雙等[10]提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真方法;2020年,鄒元品等[11]將Web增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于高拱壩施工仿真。

不同混凝土高拱壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在差異,最優(yōu)施工方案涉及經(jīng)濟(jì)、進(jìn)度、安全等多個(gè)目標(biāo),需要特定問(wèn)題特定分析[12],仿真結(jié)果的合理性與仿真者的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)于工程特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)相關(guān),存在較大主觀性,有必要針對(duì)混凝土高拱壩施工仿真提出相應(yīng)的優(yōu)先澆筑規(guī)則類(lèi)型以及優(yōu)先規(guī)則選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

目前,對(duì)于混凝土優(yōu)先澆筑規(guī)則多是通過(guò)多次仿真試驗(yàn),確定不同階段的優(yōu)先澆筑規(guī)則。為了保證能夠搜尋到較好的澆筑規(guī)則,石英等[13]提出了分階段模擬方法,鐘登華等[14]提出了基于粒子群優(yōu)化的排序方法,吳斌平等[15]針對(duì)高拱壩提出了邊緣壩段優(yōu)先的排序方法。這些方法多是啟發(fā)式的,但啟發(fā)式方法的缺點(diǎn)是不能保證所得結(jié)果是最優(yōu)的,對(duì)于所得結(jié)果的評(píng)價(jià)缺乏規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)。

本文結(jié)合筆者多年從事高拱壩施工仿真的經(jīng)驗(yàn),分析了高拱壩仿真模型及優(yōu)先澆筑規(guī)則類(lèi)型,結(jié)合忠玉高拱壩工程施工特點(diǎn),探討了高拱壩施工優(yōu)先澆筑規(guī)則選擇運(yùn)用和評(píng)價(jià)方面的若干問(wèn)題,以期為后續(xù)工程應(yīng)用、程序開(kāi)發(fā)等提供參考。

1 高拱壩澆筑施工仿真模型構(gòu)成分析

高拱壩施工過(guò)程是在一定約束條件下不同筑塊澆筑上升順序問(wèn)題,高拱壩澆筑過(guò)程施工仿真系統(tǒng)模型大多衍生自“理發(fā)館”模型,如圖1所示。

圖1 衍生自“理發(fā)館”模型的混凝土壩澆筑仿真概念模型

1.1 壩體與筑塊

壩體往往可用若干澆筑塊表示,若Pi表示第i個(gè)澆筑塊,則一個(gè)大壩D可以用若干筑塊Pi來(lái)表示,對(duì)于具有n個(gè)筑塊的壩體,可以表示為集合:

D={P1,P2,…Pi…,Pn}i=1,2,……n

(1)

在壩體澆筑施工仿真模型中,筑塊隨著仿真時(shí)鐘推進(jìn)發(fā)生狀態(tài)改變,對(duì)于筑塊Pi的狀態(tài)SPi往往可以用屬性集來(lái)描述:

SPi={a1,a2,…al…,am}l=1,2,……m

(2)

式中:a為筑塊的屬性,如筑塊的高程、當(dāng)前正在進(jìn)行的工作、當(dāng)前工作持續(xù)時(shí)間、累計(jì)澆筑量、累計(jì)老混凝土量等。

混凝土壩澆筑仿真過(guò)程是根據(jù)一定的澆筑服務(wù)準(zhǔn)則,安排纜機(jī)等澆筑機(jī)械對(duì)筑塊進(jìn)行澆筑,使得筑塊狀態(tài)發(fā)生改變。系統(tǒng)仿真通常將這一過(guò)程稱(chēng)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移,目前混凝土壩仿真模型多是采用基于離散時(shí)間的仿真機(jī)制,狀態(tài)轉(zhuǎn)移發(fā)生在特定時(shí)間點(diǎn)上,對(duì)于筑塊Pi,t時(shí)刻狀態(tài)為SPi,t,則t+1時(shí)刻狀態(tài)可以表示為

SPi,t+1=T(SPi,t)

(3)

式中:T()為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。

1.2 澆筑規(guī)則

在混凝土壩澆筑施工仿真模型中,存在3類(lèi)主要的規(guī)則,分別對(duì)應(yīng)概念模型圖中的約束條件規(guī)則、優(yōu)先澆筑規(guī)則、可用澆筑機(jī)械匹配規(guī)則,形成3個(gè)中間結(jié)果,即可澆筑的筑塊集合、可澆筑的筑塊隊(duì)列、選擇澆筑的筑塊集合。

(1) 約束條件規(guī)則RC。澆筑約束條件規(guī)則往往來(lái)源于規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)等,具有客觀性。約束條件規(guī)則作用于一個(gè)筑塊形成的結(jié)果是筑塊可澆與不可澆,可用如下公式表達(dá):

(4)

(2) 優(yōu)先澆筑規(guī)則RO。優(yōu)先澆筑規(guī)則主要解決的是筑塊的優(yōu)先澆筑問(wèn)題,通常由決策仿真人員基于對(duì)當(dāng)前澆筑狀態(tài)或前一階段狀態(tài)評(píng)價(jià)以及度汛等進(jìn)度預(yù)期要求主觀設(shè)定。優(yōu)先澆筑規(guī)則RO通常包括:可用規(guī)則作用時(shí)間范圍、特定項(xiàng)目的全局優(yōu)先規(guī)則、若干個(gè)對(duì)象范圍及其優(yōu)先策略。如果可澆筑的筑塊集合用{APi}表示,優(yōu)先隊(duì)列用OPQ表示:

OPQ=RO({APi})

(5)

由于不同的RO可能導(dǎo)致不同的澆筑進(jìn)度形象和不同施工經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等,因此在施工仿真過(guò)程中,仿真分析者的主要工作通常是在施工不同階段選擇合適的優(yōu)先澆筑規(guī)則。為不同階段選擇或嘗試不同優(yōu)先規(guī)則就是分階段模擬思想,可以表示為

RO={ROt}t=1,2,3,…,T

(6)

(3) 可用澆筑機(jī)械匹配規(guī)則RAM。在混凝土壩澆筑仿真過(guò)程中,筑塊能否被澆筑取決于當(dāng)前可用澆筑機(jī)械的澆筑能力和空間上是否受到正在澆筑筑塊的制約,基于可用澆筑機(jī)械匹配規(guī)則RAM,在形成優(yōu)先澆筑隊(duì)列OPQ中選擇靠前的筑塊進(jìn)行匹配,匹配成功則該筑塊進(jìn)入澆筑狀態(tài)。若當(dāng)前可澆筑的筑塊為集合UM,當(dāng)前匹配成功的澆筑集合為OP:

OP=RAM{OPQ,UM}

(7)

2 優(yōu)先澆筑規(guī)則選擇、運(yùn)用與評(píng)價(jià)

2.1 優(yōu)先澆筑規(guī)則類(lèi)型

拱壩澆筑施工仿真模型存在若干優(yōu)先澆筑規(guī)則,以下為主要、常用的優(yōu)先澆筑規(guī)則。

(1) 均衡上升-最低塊優(yōu)先澆筑規(guī)則。拱壩需進(jìn)行橫縫接縫灌漿,同時(shí)特定結(jié)構(gòu)需控制最大懸臂高度,以避免擬灌區(qū)以上壩體自身重力等作用引起的應(yīng)力集中。因此,均衡上升是最有利于接縫灌漿的澆筑排序方式。對(duì)應(yīng)均衡上升,優(yōu)先規(guī)則表現(xiàn)為最低塊優(yōu)先的原則,即在出現(xiàn)若干可澆筑的筑塊時(shí),按照各個(gè)筑塊高程,采取由低到高的順序安排筑塊澆筑。

(2) 特殊部位優(yōu)先規(guī)則?；炷凉皦未嬖谔厥獠课?如壩身會(huì)布置泄洪底孔、深孔以及表孔等泄水通道,需要安裝鋼襯的泄水深孔等,使得孔洞等部位混凝土間歇時(shí)間延長(zhǎng)。通常在澆筑到該高程區(qū)間后,采取優(yōu)先或跳倉(cāng)措施先澆筑該部分筑塊,以降低對(duì)鄰塊的影響。

(3) 老混凝土優(yōu)先澆筑規(guī)則。在澆筑過(guò)程中,要求盡量避免產(chǎn)生超長(zhǎng)間歇,當(dāng)間歇期超過(guò)特定天數(shù)(通常為28 d),則出現(xiàn)老混凝土。目前仿真模型多采用接近老混凝土的筑塊優(yōu)先澆筑,設(shè)置老混凝土預(yù)警時(shí)間,若筑塊的間歇時(shí)間超過(guò)老混凝土預(yù)警時(shí)間,則接近老混凝土?xí)r間的筑塊優(yōu)先安排澆筑。

(4) 岸坡壩段優(yōu)先澆筑規(guī)則。在靠近兩岸筑塊下部通常是基礎(chǔ)約束區(qū),易產(chǎn)生裂縫,需要較為嚴(yán)格的溫控措施,同時(shí)當(dāng)岸坡較陡時(shí),需要和相鄰壩塊保持一定的澆筑面貌。

(5) 奇數(shù)或偶數(shù)壩段優(yōu)先規(guī)則。為了節(jié)省模板和澆筑方便,采用奇偶?jí)味翁鴤}(cāng)的澆筑規(guī)則,即奇偶?jí)味沃g保持一定的高差。針對(duì)一定范圍的壩段,奇數(shù)壩段或偶數(shù)壩段優(yōu)先澆筑,則形成奇數(shù)或偶數(shù)壩段優(yōu)先澆筑規(guī)則。

(6) 其他優(yōu)先規(guī)則。為了滿(mǎn)足導(dǎo)流度汛形象、控制懸臂高度、在特定灌區(qū)完成高低塊轉(zhuǎn)換等,需要針對(duì)特定部位、時(shí)間、形象面貌等采取相應(yīng)的優(yōu)先澆筑規(guī)則。

2.2 優(yōu)先澆筑規(guī)則運(yùn)用技巧

混凝土壩澆筑仿真是一個(gè)試算過(guò)程,對(duì)于何時(shí)、何部位、何種澆筑面貌宜采用的優(yōu)先澆筑規(guī)則問(wèn)題,結(jié)合筆者多年工程仿真經(jīng)驗(yàn),總結(jié)形成優(yōu)先澆筑規(guī)則選擇的基本原則:

(1) 對(duì)于未布置有金屬結(jié)構(gòu)或遠(yuǎn)離金屬結(jié)構(gòu)安裝影響的區(qū)域,通常應(yīng)采用最低塊優(yōu)先澆筑的原則,以保證壩體均衡上升;

(2) 對(duì)于整個(gè)壩體澆筑宜采用接近老混凝土筑塊優(yōu)先的選擇,以減少老混凝土產(chǎn)生量,提高施工經(jīng)濟(jì)性;

(3) 對(duì)于岸坡壩段,通常岸坡優(yōu)先等級(jí)宜僅次于接近老混凝土優(yōu)先澆筑規(guī)則;

(4) 對(duì)于布置有較長(zhǎng)安裝時(shí)間的金屬結(jié)構(gòu)或布置有深孔、表孔壩段及其鄰近的2～3個(gè)壩段,應(yīng)在距離其所在高程之下1～2個(gè)灌區(qū)開(kāi)始采用特殊部位優(yōu)先原則,且應(yīng)根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)所在壩段選擇奇偶?jí)味蝺?yōu)先上升規(guī)則;

(5) 對(duì)于有度汛要求的情況,應(yīng)在度汛高程之下2～3個(gè)灌區(qū),采用最低塊優(yōu)先澆筑的原則。

2.3 優(yōu)先澆筑規(guī)則運(yùn)用效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)澆筑過(guò)程合理性的指標(biāo)是混凝土澆筑施工仿真的重要研究?jī)?nèi)容之一。結(jié)合作者經(jīng)驗(yàn),高拱壩澆筑施工仿真優(yōu)先澆筑規(guī)則選擇評(píng)價(jià)應(yīng)包含以下指標(biāo):

(1) 澆筑進(jìn)度以及度汛等關(guān)鍵控制性節(jié)點(diǎn)進(jìn)度。工期和進(jìn)度形象是評(píng)價(jià)澆筑施工仿真優(yōu)先規(guī)則選擇的最基本指標(biāo)。對(duì)于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工期合理性,通常需要模擬若干階段并結(jié)合澆筑月強(qiáng)度信息以及澆筑機(jī)械利用等信息進(jìn)行評(píng)價(jià)。針對(duì)高拱壩,工期進(jìn)度通常有壩體澆筑進(jìn)度和接縫灌漿進(jìn)度兩個(gè)方面。

(2) 澆筑進(jìn)度形象面貌。澆筑面貌的合理性評(píng)價(jià)通常依賴(lài)仿真分析者的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)工程特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)所形成的預(yù)期,需要通過(guò)一定量的工程積累,增加對(duì)不同澆筑規(guī)則可能導(dǎo)致不同形象的認(rèn)識(shí)。例如,接近老混凝土筑塊優(yōu)先規(guī)則往往會(huì)使越先開(kāi)始澆筑的筑塊越高,在跳倉(cāng)控制奇數(shù)壩段較高情況下,偶數(shù)壩段優(yōu)先澆筑規(guī)則會(huì)導(dǎo)致相鄰筑塊高差接近最小高差等。

(3) 混凝土月澆筑強(qiáng)度分布。月澆筑強(qiáng)度分布合理性評(píng)價(jià)具有較為明確的準(zhǔn)則,即高峰強(qiáng)度發(fā)生的部位是否合理以及月強(qiáng)度的波動(dòng)性是否過(guò)大。月澆筑強(qiáng)度除了受優(yōu)先澆筑規(guī)則影響之外,還受壩體筑塊分布、澆筑機(jī)械能力與合澆、懸臂高度控制、岸坡壩段等因素影響。優(yōu)先規(guī)則選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致高峰月強(qiáng)度發(fā)生部位不合理或在部分時(shí)段相鄰月份出現(xiàn)較大不正常波動(dòng)。

(4) 老混凝土產(chǎn)生量。老混凝土的產(chǎn)生原因包括:金屬結(jié)構(gòu)等施工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、澆筑順序不合理導(dǎo)致部分壩段過(guò)快上升、澆筑機(jī)械配置不合理等。金屬結(jié)構(gòu)施工時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致的老混凝土是不可避免的,澆筑機(jī)械配置方案不合理導(dǎo)致的老混凝土量,是評(píng)價(jià)機(jī)械配置方案的重要方面,而澆筑順序不合理導(dǎo)致的老混凝土則與澆筑優(yōu)先規(guī)則相關(guān)。在用老混凝土衡量?jī)?yōu)先規(guī)則選擇與運(yùn)用的合理性時(shí),需要明確老混凝土產(chǎn)生的原因,進(jìn)而評(píng)價(jià)和修改優(yōu)先澆筑規(guī)則。

3 實(shí)例分析

3.1 忠玉高拱壩結(jié)構(gòu)布置與混凝土澆筑施工特點(diǎn)

3.1.1結(jié)構(gòu)布置

忠玉水電站大壩三維示意圖及上游展示圖如圖2所示。大壩為混凝土雙曲拱壩,壩頂高程3 225.0 m,建基面高程2 955.0 m,最大壩高270.0 m。壩身布置有3個(gè)泄洪表孔、1個(gè)泄洪深孔、1個(gè)泄洪底孔。自右向左分為21個(gè)壩段,12號(hào)壩段為泄洪底孔壩段,16號(hào)壩段為泄洪深孔壩段,13～15號(hào)壩段為表孔壩段,17號(hào)壩段為導(dǎo)流底孔壩段。由圖2可知,忠玉水電站大壩具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

(1) 孔洞呈不對(duì)稱(chēng)布置,泄洪底孔的12號(hào)壩段右側(cè)的1～11號(hào)壩段為擋水壩段,而泄洪深孔16號(hào)壩段以及導(dǎo)流底孔17號(hào)壩段的左邊僅有18～21號(hào)4個(gè)擋水壩段。

(2) 兩岸壩肩槽岸坡陡峭,忠玉高拱壩兩岸壩肩槽岸坡非常陡峭,19號(hào)、20號(hào)壩段之間基礎(chǔ)高差達(dá)47 m,20號(hào)、21號(hào)壩段之間基礎(chǔ)高差達(dá)91 m。

(3) 由于混凝土材料的關(guān)系,大壩壩段相對(duì)寬厚,忠玉高拱壩混凝土總方量338萬(wàn)m3,與同樣壩高和高寬比的烏東德大壩相比,混凝土方量多出114萬(wàn)m3左右。

3.1.2混凝土澆筑初始施工規(guī)劃

(1) 導(dǎo)流方案。忠玉水電站采用全段圍堰擋水、導(dǎo)流洞過(guò)流的施工導(dǎo)流方案。施工初期由圍堰擋水導(dǎo)流隧洞過(guò)流;中期由導(dǎo)流壩體臨時(shí)斷面擋水,導(dǎo)流隧洞泄流;后期由壩體擋水,臨時(shí)導(dǎo)流底孔泄流;臨時(shí)導(dǎo)流底孔下閘后,壩體擋水,永久底孔泄流。

(2) 壩體澆筑施工方案。忠玉水電站拱壩采用30 t平移式纜機(jī)入倉(cāng),預(yù)可研階段擬采用3臺(tái)纜機(jī)方案,由于壩址地形特殊,19～21號(hào)壩段為岸坡窯洞式開(kāi)挖,纜機(jī)無(wú)法直接入倉(cāng)澆筑,需要纜機(jī)轉(zhuǎn)料到布置在18號(hào)壩段的轉(zhuǎn)料倉(cāng),然后依靠皮帶機(jī)等入倉(cāng)澆筑。

(3) 控制性進(jìn)度。壩體擬于第5年3月開(kāi)始澆筑;第7年度汛,壩體澆筑至高程3 100 m,接縫灌漿至高程3 063 m;第8年10月底導(dǎo)流洞封堵,接縫灌漿至高程3 095 m;第9年5月度汛,接縫灌漿至3 160 m。

3.1.3混凝土澆筑施工特點(diǎn)分析

結(jié)合忠玉壩體布置特點(diǎn)以及施工方案,混凝土澆筑存在以下特點(diǎn):

(1) 孔洞非對(duì)稱(chēng)布置對(duì)壩體均衡上升有較大影響?？锥磯味问┕な怯绊憹仓て陉P(guān)鍵因素之一,忠玉高拱壩17號(hào)導(dǎo)流底孔壩段左側(cè)僅有18～21號(hào)4個(gè)擋水壩段,且均為高陡邊坡壩段,故孔洞壩段施工對(duì)工期的影響會(huì)進(jìn)一步放大。

(2) 忠玉水電站高拱壩左岸18～21號(hào)以及右岸1～2號(hào)壩段岸坡陡峭,壩段基礎(chǔ)高差大。對(duì)于高陡邊坡,混凝土澆筑時(shí),為了保證施工過(guò)程中壩體岸坡穩(wěn)定,需要采取特殊的澆筑面貌控制。

(3) 忠玉水電站大壩19～21號(hào)壩段地處岸坡窯洞,需要纜機(jī)在18號(hào)壩段設(shè)置轉(zhuǎn)料斗轉(zhuǎn)料,為了保證窯洞壩段澆筑,需要18號(hào)壩段高于19～21號(hào)壩段。

3.2 澆筑優(yōu)先規(guī)則初步選擇

基于澆筑優(yōu)先規(guī)則運(yùn)用技巧,結(jié)合忠玉高拱壩特點(diǎn),忠玉水電站大壩澆筑施工仿真優(yōu)先澆筑規(guī)則初步擬定5個(gè)仿真階段:第一個(gè)階段為基礎(chǔ)高程2 955 m 至導(dǎo)流底孔1～2個(gè)灌區(qū)以下階段;第二個(gè)階段為17號(hào)壩段導(dǎo)流底孔施工階段;第三個(gè)階段為12號(hào)壩段泄洪底孔施工階段;第四個(gè)階段為16號(hào)壩段泄洪深孔施工階段;第五個(gè)階段為13～15號(hào)泄洪表孔施工階段。各個(gè)階段有關(guān)老混凝土、岸坡采用的優(yōu)先澆筑規(guī)則是:接近老混凝土的筑塊優(yōu)先澆筑,岸坡壩段優(yōu)先等級(jí)采用僅次于老混凝土的優(yōu)先規(guī)則。5個(gè)階段筑塊區(qū)間優(yōu)先澆筑規(guī)則初步選擇如表1所列。

表1 筑塊區(qū)間優(yōu)先澆筑規(guī)則初步選擇規(guī)則

3.3 澆筑優(yōu)先規(guī)則運(yùn)用結(jié)果評(píng)價(jià)

基于3.2節(jié)中初步選擇的優(yōu)先澆筑規(guī)則,針對(duì)3臺(tái)、4臺(tái)纜機(jī)布置方案進(jìn)行仿真計(jì)算分析,并針對(duì)選擇的澆筑規(guī)則運(yùn)用結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3.13臺(tái)纜機(jī)布置方案運(yùn)用結(jié)果評(píng)價(jià)

(1) 強(qiáng)度與工期評(píng)價(jià)。忠玉高拱壩采用3臺(tái)纜機(jī)布置方案施工時(shí)月澆筑強(qiáng)度如表2及圖3所示,壩體澆筑工期為53.8個(gè)月。通過(guò)圖3可以看出,月澆筑強(qiáng)度分布未出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

表2 3臺(tái)纜機(jī)布置方案下壩體月澆筑強(qiáng)度

圖3 3臺(tái)纜機(jī)布置方案下月澆筑強(qiáng)度直方圖

(2) 控制性進(jìn)度評(píng)價(jià)。忠玉高拱壩采用3臺(tái)纜機(jī)布置方案時(shí)控制性進(jìn)度滿(mǎn)足情況如表3所列。第7年汛前,壩體澆筑最低高高程未超過(guò)圍堰頂高程3 075 m,接縫灌漿高程未達(dá)到3 063 m,但滿(mǎn)足導(dǎo)流進(jìn)度要求;其他控制性節(jié)點(diǎn)均滿(mǎn)足控制性進(jìn)度要求。

表3 3臺(tái)纜機(jī)布置方案下控制性進(jìn)度滿(mǎn)足情況

(3) 老混凝土產(chǎn)生量評(píng)價(jià)。3臺(tái)纜機(jī)澆筑方案產(chǎn)生的老混凝土量累計(jì)為133 997 m3,其中鋼襯安裝(35 d)期間產(chǎn)生老混凝土量12 895 m3,即其他原因?qū)е碌睦匣炷亮砍^(guò)12萬(wàn)m3,產(chǎn)生的原因和3臺(tái)纜機(jī)布置情況下澆筑機(jī)械利用、澆筑順序等有較大關(guān)系,具體產(chǎn)生原因需要通過(guò)方案比較來(lái)確定。

(4) 澆筑面貌評(píng)價(jià)。3臺(tái)纜機(jī)布置方案下壩體澆筑半年面貌如圖4所示。從圖4可以看出:大壩上升整體上體現(xiàn)了初步擬定的優(yōu)先澆筑規(guī)則。在大壩下部左岸高于右岸;第6年12月達(dá)到底孔鋼襯安裝高程,第7年上半年6月,12號(hào)壩段快速上升至2 099 m泄洪底孔鋼襯安裝高程,呈現(xiàn)出中間高兩側(cè)低的澆筑面貌;直至第8年6月,16號(hào)壩段由于鋼襯安裝,致使15～16號(hào)壩段出現(xiàn)一定程度降低,到第8年年底整個(gè)壩段較為均衡的上升,面貌上仍呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低;至第9年6月出現(xiàn)兩側(cè)到頂而中間表孔壩段及其涉及的16～17號(hào)壩段低于兩側(cè)壩段的面貌。

圖4 3臺(tái)纜機(jī)布置方案下壩體半年澆筑面貌

3.3.24臺(tái)纜機(jī)布置方案運(yùn)用結(jié)果評(píng)價(jià)

(1) 強(qiáng)度與工期評(píng)價(jià)。忠玉高拱壩4臺(tái)纜機(jī)布置方案施工仿真月澆筑強(qiáng)度如表4及圖5所示,壩體澆筑工期41.3個(gè)月。從圖5可以看出:基于初步選擇的優(yōu)先澆筑規(guī)則,壩體月澆筑強(qiáng)度有部分月份出現(xiàn)了較大波動(dòng),需要對(duì)優(yōu)先澆筑規(guī)則等進(jìn)行必要的改變,在3.3.3節(jié)優(yōu)化方案中詳細(xì)介紹。

表4 4臺(tái)纜機(jī)布置方案下壩體月澆筑強(qiáng)度

圖5 4臺(tái)纜機(jī)布置方案下月澆筑強(qiáng)度直方圖

(2) 控制性進(jìn)度評(píng)價(jià)。忠玉高拱壩4臺(tái)纜機(jī)布置方案控制性滿(mǎn)足情況如表5所列。各要素均滿(mǎn)足控制性進(jìn)度要求,且有較大提前。

表5 4臺(tái)纜機(jī)布置方案下控制性進(jìn)度滿(mǎn)足情況

(3) 老混凝土產(chǎn)生量評(píng)價(jià)。4臺(tái)纜機(jī)布置方案下老混凝土總量36 074 m3,除金屬結(jié)構(gòu)安裝階段(超過(guò)35 d)產(chǎn)生老混凝土量12 895 m3外,由于懸臂高度、孔洞相鄰壩段影響引起老混凝土僅23 000 m3,和3臺(tái)纜機(jī)布置方案的12萬(wàn)m3相比,減少81%。由于3臺(tái)及4臺(tái)纜機(jī)布置方案采用一致的優(yōu)先澆筑規(guī)則,表明3臺(tái)纜機(jī)情況下老混凝土的產(chǎn)生主要是澆筑機(jī)械因素引起的。

(4) 澆筑面貌評(píng)價(jià)。4臺(tái)纜機(jī)布置方案下壩體澆筑半年面貌如圖6所示。對(duì)比3臺(tái)纜機(jī)布置方案可以看出:4臺(tái)纜機(jī)布置方案下,第一年大壩下部部位左岸優(yōu)先,從第二年6月開(kāi)始,大壩右岸上升基本追平優(yōu)先壩段,原因是4臺(tái)纜機(jī)整體利用效率提升,輪澆一遍所需時(shí)間縮短,在接近老混凝土優(yōu)先規(guī)則作用下,壩體呈現(xiàn)整體均衡上升,而3臺(tái)纜機(jī)由于壩面面積較大,在中部?jī)H能同時(shí)開(kāi)一倉(cāng)的情況下,不可避免非優(yōu)先的壩段出現(xiàn)老混凝土,進(jìn)而導(dǎo)致這部分壩段上升慢,同時(shí)減少了老混凝土量的產(chǎn)生。

圖6 4臺(tái)纜機(jī)布置方案壩體半年澆筑面貌

3.3.34臺(tái)纜機(jī)布置方案優(yōu)化后運(yùn)用結(jié)果評(píng)價(jià)

由于4臺(tái)纜機(jī)方案月澆筑強(qiáng)度部分月份出現(xiàn)較大波動(dòng),需對(duì)該方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方法包括:對(duì)5個(gè)仿真階段在初步優(yōu)先規(guī)則基礎(chǔ)上增加按照懸臂高度選擇澆筑優(yōu)先順序,對(duì)部分時(shí)段加長(zhǎng)部分壩段的間歇期。

(1) 強(qiáng)度與工期評(píng)價(jià)。4臺(tái)纜機(jī)布置優(yōu)化方案施工仿真月澆筑強(qiáng)度如表6及圖7所示。優(yōu)化方案工期43.6個(gè)月。比較圖5和圖7可以看出:優(yōu)化方案澆筑強(qiáng)度波動(dòng)情況有了較大改善,整體表現(xiàn)平穩(wěn),避免了較大波動(dòng)。

表6 4臺(tái)纜機(jī)布置優(yōu)化方案下壩體月澆筑強(qiáng)度

(2) 控制性進(jìn)度評(píng)價(jià)。4臺(tái)纜機(jī)布置優(yōu)化方案控制性滿(mǎn)足情況如表7所列,控制性進(jìn)度滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)控制要求。

(3) 老混凝土產(chǎn)生量評(píng)價(jià)。老混凝土產(chǎn)生量18 696 m3,相比原4臺(tái)攬機(jī)方案的36 074 m3減少了48%。通過(guò)增加懸臂高度選擇優(yōu)先順序,有選擇地增長(zhǎng)間歇期,大幅度減少了老混凝土的產(chǎn)生,達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

高拱壩混凝土澆筑施工受自身結(jié)構(gòu)、環(huán)境、澆筑機(jī)械等多種因素影響,是一個(gè)復(fù)雜的組合優(yōu)化問(wèn)題。實(shí)踐證明,施工仿真是高拱壩混凝土澆筑施工分析的有效手段。在施工仿真模型中優(yōu)先澆筑規(guī)則的選擇對(duì)于澆筑結(jié)果的合理性、可靠性有很大影響。基于筆者多年施工仿真經(jīng)驗(yàn),對(duì)高拱壩澆筑優(yōu)先選擇規(guī)則類(lèi)型、運(yùn)用技巧、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和指標(biāo)等問(wèn)題進(jìn)行了探討,提出了高混凝土拱壩常用的6類(lèi)優(yōu)先澆筑規(guī)則以及4個(gè)方面的評(píng)價(jià)指標(biāo),并結(jié)合忠玉水電站高拱壩施工進(jìn)行了論證分析,以期為高拱壩施工仿真分析應(yīng)用、程序開(kāi)發(fā)等提供借鑒。