拱壩混凝土施工過程動態(tài)模擬研究

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簡介： 混凝土拱壩在水利水電工程中應(yīng)用廣泛，其施工過程模擬研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了拱壩混凝土施工動態(tài)模擬的原理以及數(shù)學(xué)邏輯模型，并將其應(yīng)用在石門坎水電站拱壩預(yù)可行研究階段的方案論證中，得出混凝土施工進(jìn)度、設(shè)備利用率等參數(shù)指標(biāo)，為方案比選提供科學(xué)決策依據(jù)。
關(guān)鍵字：拱壩 混凝土施工 施工方案 模擬

1 前言

混凝土拱壩作為一種經(jīng)濟(jì)性和安全性都較優(yōu)越的壩型，在水利水電工程中得到了廣泛應(yīng)用，對拱壩混凝土施工這一成本高、無法重復(fù)的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)模擬研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對一個工程而言，一個合理的施工方案和機(jī)械配套方案往往需要多個方案的綜合比較、多個施工參數(shù)反復(fù)調(diào)整才能最終確定。若用傳統(tǒng)方法進(jìn)行壩體分倉，論證混凝土施工方案，不僅工作量大，而且精度不高，應(yīng)用計算機(jī)模擬技術(shù)則可以很好地解決這個問題。在滿足混凝土澆筑系統(tǒng)實(shí)際條件和施工準(zhǔn)則的情況下，針對施工過程進(jìn)行動態(tài)模擬研究，可以為施工組織提供科學(xué)的參考信息，指導(dǎo)施工設(shè)計和施工管理。

本文介紹了拱壩混凝土施工過程動態(tài)模擬的方法，并以石門坎水電站拱壩為工程背景進(jìn)行實(shí)例研究，從技術(shù)角度對施工方案進(jìn)行分析比較。

2 大壩混凝土澆筑模擬系統(tǒng)分析

大壩混凝土施工主要由混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)、混凝土運(yùn)輸系統(tǒng)和混凝土澆筑系統(tǒng)三個系統(tǒng)組成，這三個系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，相互影響，同時還受到施工系統(tǒng)的所處的具體環(huán)境的影響。根據(jù)研究的側(cè)重點(diǎn)，這里僅對混凝土澆筑系統(tǒng)進(jìn)行模擬。對混凝土生產(chǎn)和運(yùn)輸系統(tǒng)，可以在模擬過程中假設(shè)混凝土骨料生產(chǎn)的供應(yīng)能夠保證拌和樓的需要，以及水平運(yùn)輸系統(tǒng)能充分保證混凝土水平輸送要求。

大壩混凝土澆筑系統(tǒng)是一個離散事件系統(tǒng)，可以采用系統(tǒng)模擬的方法對施工系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。對模擬全過程而言，采用時間步長法來安排時間進(jìn)程。時間步長是影響模擬精度的一個重要因素。選取的時間步長愈小，模擬的系統(tǒng)狀態(tài)與真實(shí)狀態(tài)就愈吻合，模擬的精度愈高，但增加了狀態(tài)檢查判斷次數(shù)，從而增加了模擬運(yùn)行時間；反之，當(dāng)時間步長取得過大，雖然可以縮短運(yùn)行時間，但會降低模擬精度。因此，在混凝土澆筑過程模擬時，需根據(jù)不同層次模擬的需要設(shè)置時間步長^[1]。這就彌補(bǔ)了固定步長對模擬精度的影響，能更加精確地描述混凝土澆筑過程中各主要因素的相互聯(lián)系和制約關(guān)系^[2]。

3 模擬設(shè)計

混凝土澆筑模擬尋求的目標(biāo)就是在給定的澆筑方案和機(jī)械配置情況下，在滿足各種約束限制條件下，安排混凝土壩塊的澆筑順序，選擇合理的澆筑施工方案。為達(dá)到這個目標(biāo)，需要做好兩方面工作：混凝土澆筑模擬數(shù)學(xué)邏輯模型的建立和模擬參數(shù)的選取。

3.1 模擬數(shù)學(xué)邏輯模型

壩體澆筑模擬模型，是以狀態(tài)變量和決策變量與約束條件間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系來定量的描述。狀態(tài)變量包括各壩段混凝土澆筑高程、方量和時間；決策變量是根據(jù)混凝土澆筑既定規(guī)律要求隨時判斷將要進(jìn)行澆筑的混凝土塊號和澆筑機(jī)械編號。約束條件是指在大壩混凝土施工中應(yīng)遵守的約束條件主要包括混凝土壩施工過程中的一般規(guī)律、合同文件技術(shù)規(guī)范要求以及特定施工條件下的各種要求，如壩體允許懸臂高度、間歇時間、混凝土初凝終凝時間、相鄰壩塊高差、立模拆模。大壩混凝土施工模擬，就是通過選擇滿足約束條件的決策變量，并根據(jù)決策變量的變化，計算出一組新的大壩混凝土狀態(tài)變量；然后在新的狀態(tài)下，進(jìn)行新的決策變量的判斷。通過大壩混凝土狀態(tài)變量的不斷改變，大壩混凝土也就不斷從低到高講行模擬澆筑^[3]。

3.2 模擬參數(shù)

（1）有效工日。有效工日一般根據(jù)設(shè)計資料中提供的降雨資料，并參考以往的科研成果，從方便施工組織設(shè)計及混凝土施工現(xiàn)場管理的角度來確定。在石門坎工程的混凝土施工模擬中擬定有效工日見表1。

表1   有效工日表

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

全年

天數(shù)

31

28

31

30

31

30

31

31

30

31

30

31

365

有效工日

27

22

26

25

21

20

21

20

23

23

24

27

280

（2）壩體澆筑分層及間歇期。壩體澆筑分層及間歇期嚴(yán)格根據(jù)水工混凝土壩施工有關(guān)規(guī)范擬定，見表2。

表2   壩體澆筑分層及間歇期時間表

分區(qū)

澆筑層厚（m）

間歇期（d）

強(qiáng)約束區(qū)(<0.2L)

1.5

5～7

弱約束區(qū)(0.2L-0.4L)

2.0

5～7

上部塊

3.0

7～9

孔洞部分

3.0

15

（3）根據(jù)以往工程的施工經(jīng)驗(yàn)，混凝土初凝時間擬夏季為4h，冬季為3.5h；相臨壩段允許高差為8m；混凝土澆筑塊立模時間為20m²/h，允許拆模時間為3d。

壩體混凝土開工時間為2008年5月16日，其它模擬參數(shù)如壩體參數(shù)、機(jī)械技術(shù)參數(shù)等從略。

4 工程實(shí)例與模擬成果

石門坎水電站位于云南省思茅地區(qū)普洱縣（右岸）與墨江縣（左岸）交界處，紅河支流李仙江上游的把邊江上，為干流的第二級水電站，上距梯級龍頭水庫崖羊山電站約21km。電站正常蓄水位756.00m，死水位740.00m，汛期限制水位740.00m，總庫容1.95億m³，調(diào)節(jié)庫容0.8億m³，電站裝機(jī)容量130MW。大壩擬采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程758.00m，壩頂長度356.36m，壩頂寬度5.00m，最大壩高108.00m。壩體連同基礎(chǔ)混凝土塞總混凝土澆筑量為32.12萬m³。

在預(yù)可行性研究階段，為全面把握石門坎水電站拱壩在不同澆筑方案下的施工特征，為大壩混凝土施工方案的比選提供科學(xué)決策依據(jù)，保證混凝土的高效快速施工，采用計算機(jī)模擬對大壩混凝土施工過程進(jìn)行計算機(jī)模擬分析，預(yù)測不同混凝土施工方案的大壩施工進(jìn)程的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。

4.1 石門坎拱壩施工方案

在預(yù)可研設(shè)計階段，石門坎拱壩混凝土澆筑擬定有兩個基本方案：纜機(jī)方案和塔機(jī)方案。

（1）纜機(jī)方案。本方案以兩臺輻射式纜機(jī)為主要澆筑機(jī)械，輔助以履帶式起重機(jī)澆筑。輻射式纜機(jī)固定端平臺高程800.0m，寬9.0m；移動端平臺高程795.0m，寬14m。纜索滿載時最低高程為789.33 m，最大起升高度170m。取料平臺布置在纜機(jī)右塔平臺邊的上壩公路上。輻射式纜機(jī)主要負(fù)責(zé)2?！?/span>15＃壩段的混凝土澆筑以及金屬結(jié)構(gòu)的吊裝，其澆筑范圍外的1#壩段混凝土量極少，由履帶式起重機(jī)輔助澆筑。

（2）塔機(jī)方案。本方案以兩臺DBQ4000塔機(jī)為主要澆筑機(jī)械，輔助以履帶式起重機(jī)澆筑。A#塔機(jī)布置在4#壩段的下游側(cè)680.0m高程，負(fù)責(zé)2#～7#壩段的混凝土澆筑及金屬結(jié)構(gòu)的吊裝；B#塔機(jī)布置在10#壩段的下游側(cè)680.0m高程，負(fù)責(zé)8#～12#壩段的混凝土澆筑及金屬結(jié)構(gòu)的吊裝。塔機(jī)工作范圍以外的兩岸壩肩壩段（1#壩段和13#～15#壩段）的混凝土由履帶式起重機(jī)輔助澆筑。

4.2 模擬成果

按擬定的施工參數(shù)和邊界條件，對兩基本方案進(jìn)行模擬計算。模擬結(jié)果顯示，纜機(jī)方案中，大壩混凝土在2009年9月17日達(dá)到壩頂高程，總澆筑工期為17個月；塔機(jī)方案中，大壩混凝土在2009年9月28日澆筑全部完成，總澆筑工期約為17.5個月。兩澆筑方案主要設(shè)備澆筑強(qiáng)度、設(shè)備利用率等參數(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3   各主要設(shè)備澆筑強(qiáng)度及設(shè)備利用率統(tǒng)計表

主要參數(shù)指標(biāo)

纜機(jī)方案

塔機(jī)方案

最高月澆筑強(qiáng)度（×10⁴m³）

1.76

1.65

平均月澆筑強(qiáng)度（×10⁴m³）

0.94

0.98

平均利用率（%）

30.97

40.84

全壩最大澆筑強(qiáng)度（×10⁴m³/月）

3.41

3.43

全壩平均澆筑強(qiáng)度（×10⁴m³/月）

1.89

1.84

不均衡系數(shù)

1.80

1.86

總工期（月）

17

17.5

為更直觀形象地描述模擬成果，將成果數(shù)據(jù)圖形化，如混凝土逐月澆筑強(qiáng)度，見圖1。

圖1 大壩混凝土澆筑強(qiáng)度統(tǒng)計圖

4.3 方案比較分析

根據(jù)模擬成果，纜機(jī)方案和塔機(jī)方案在大壩上升關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)控制高程（擋水、度汛、發(fā)電）均滿足設(shè)計要求。在纜機(jī)方案中，2009年4月底大壩最低高程達(dá)到722m，較施工總進(jìn)度要求的2009年5月底達(dá)到719.5m擋水高程提前1個月。在纜機(jī)方案中，2009年5月初大壩最低高程達(dá)到722m，較施工總進(jìn)度要求提前近1個月。從施工進(jìn)度角度看，兩方案總工期基本相同。

輻射式纜機(jī)的工作范圍為一狹長的扇形，特別適合山區(qū)拱壩施工。在本工程中纜機(jī)能覆蓋除1#壩段外的所有壩段，其混凝土澆筑能力較塔機(jī)強(qiáng)。不足之處是供料線較難布置，還需要在河床兩岸設(shè)置塔架，工程投資相對較高。

塔機(jī)安裝及臨建工程量小，相對纜機(jī)而言更經(jīng)濟(jì)。模擬顯示，河床基礎(chǔ)混凝土塞部位對主體工程施工工期影響較大，加快混凝土塞的施工能明顯縮短主體工程施工工期。塔機(jī)方案配置兩臺履帶式起重機(jī)作為輔助澆筑手段，在基礎(chǔ)混凝土塞澆筑時，可以靈活機(jī)動地安排履帶式起重機(jī)輔助澆筑，提高初期混凝土澆筑強(qiáng)度，縮短直線工期。

綜上所述，通過對模擬計算得到的施工工期、進(jìn)度以及機(jī)械設(shè)備的利用率等參數(shù)的綜合分析論證，纜機(jī)方案和塔機(jī)方案在大壩施工進(jìn)度上總工期相差不大，大壩上升關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制高程（擋水、渡汛、發(fā)電等）均能滿足設(shè)計要求；混凝土澆筑強(qiáng)度和設(shè)備利用率等參數(shù)指標(biāo)合理，從大壩混凝土澆筑的技術(shù)角度進(jìn)行分析，兩澆筑方案各有利弊，且均可行。

5結(jié)語

計算機(jī)系統(tǒng)模擬技術(shù)的應(yīng)用為水電施工過程研究提供了新方法。本研究課題從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，對石門坎水電站拱壩整個施工過程進(jìn)行模擬計算和分析，合理安排施工進(jìn)度，對擬定的兩施工方案的各項(xiàng)主要參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了定量分析，為直觀反映石門坎水電站拱壩施工過程提供了有效的分析工具，在很大程度上減輕了施工組織設(shè)計工作的困難度，又提高了其科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)

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Study on Arch Dam Construction Dynamic Simulation of the Shimenkan

 Hydropower Station

Shen Mingliang¹，Xiong Bilu¹，Liu weixin²，Chen Lihua¹

（1. State Key Laboratory of Water Resource and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072; 2. Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd, Zhengzhou, 450003）

[Abstract] The concrete arch dam is widely applied in the hydraulic and hydropower engineering and it is of significance to carry out the study of the construction process simulation of the concrete arch dam. This paper introduced the principle and the mathematical logic model of the dynamic simulation of the arch dam concrete construction, and applied them in the construction Schemes demonstration of the Shimenkan hydropower station at the stage of pre- feasibility study, provided a scientific basis for the comparison and selection of the construction Schemes with the parameters such as the progress of concrete construction, the machine utilization.

[Key words] arch dam；concrete construction；construction Schemes；simulation

[作者簡介] 申明亮（1963-），男，漢族，山西洪洞縣人，武漢大學(xué)副教授，主要從事水電工程施工組織管理與系統(tǒng)模擬教學(xué)及科研。

投稿日期：2005-8-1 修回日期：2005-9-9

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