龔 毅

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 工程概述

烏東德水電站是金沙江下游河段四個(gè)水電梯級(jí)——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中的最上游梯級(jí)，壩址所處河段的右岸隸屬云南省昆明市祿勸縣，是“西電東送”的骨干電源點(diǎn)。

烏東德水電站為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐主要建筑物為1級(jí)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為5 000年一遇。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程988 m，最大壩高265 m；泄洪建筑物主要由5個(gè)表孔、6個(gè)中孔及3條泄洪洞組成；壩體下游設(shè)水墊塘和二道壩。

大壩共設(shè)置有14個(gè)橫縫，將壩體分為15個(gè)壩段，從左岸到右岸依次為1號(hào)到15號(hào)壩段。大壩不設(shè)縱縫，橫縫型式為分段鉛垂縫，高程988～930 m、高程905～870 m、高程845～723 m之間為鉛垂縫，鉛垂縫之間為過(guò)渡縫，在岸坡壩頂，橫縫底設(shè)轉(zhuǎn)折縫。橫縫設(shè)置鍵槽并進(jìn)行接縫灌漿。

2 系統(tǒng)仿真的基本原理

系統(tǒng)仿真(又稱為系統(tǒng)模擬)是在不干擾真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，為研究系統(tǒng)的性能而構(gòu)造并在計(jì)算機(jī)上按照特定的規(guī)則運(yùn)行、表示真實(shí)系統(tǒng)的模型的一項(xiàng)技術(shù)。系統(tǒng)模擬的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在它不影響和破壞真實(shí)系統(tǒng)，同時(shí)能夠反映真實(shí)系統(tǒng)的某些行為，與物理實(shí)驗(yàn)相比，它具有易改變、成本低的特點(diǎn)；另一方面，當(dāng)真實(shí)系統(tǒng)的某些因素具有不可實(shí)驗(yàn)性時(shí)，模擬系統(tǒng)照樣可以建立；與解釋模型相比，模擬模型可以考慮眾多因素，尤其是當(dāng)這些因素的作用機(jī)理非常復(fù)雜時(shí)，模擬模型的優(yōu)越性就更加突出。因此，系統(tǒng)模擬是解決某些復(fù)雜系統(tǒng)的、最為有效的手段之一。

3 仿真策略與計(jì)算方案設(shè)計(jì)

鑒于烏東德水電站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和壩體施工特點(diǎn)，本研究結(jié)合投標(biāo)方案以及國(guó)內(nèi)高拱壩施工經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展仿真研究，采取的仿真策略是：

結(jié)合投標(biāo)方案，通過(guò)仿真邊界條件、參數(shù)變化研究投標(biāo)方案的可行性以及保障程度；

結(jié)合國(guó)內(nèi)外高拱壩施工經(jīng)驗(yàn)以及仿真計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，對(duì)烏東德水電站拱壩澆筑上升調(diào)倉(cāng)規(guī)則、層覆蓋時(shí)間控制(涉及纜機(jī)運(yùn)用)等進(jìn)行多方案比較，以揭示烏東德水電站大壩可能采用的不同的澆筑方式以及相應(yīng)的壩體澆筑進(jìn)程、澆筑強(qiáng)度、纜機(jī)運(yùn)用等變化情況。

基于以上仿真策略，本研究對(duì)烏東德水電站大壩澆筑進(jìn)行了以下幾方面的重點(diǎn)研究。

(1)壩體上升方式研究。

高拱壩壩體澆筑上升方式對(duì)于岸坡壩段穩(wěn)定控制、混凝土溫控、接縫灌漿懸臂高度控制都有一定程度的影響。通常，高拱壩壩體澆筑上升的過(guò)程是：從河床底部最低塊開(kāi)始澆筑，然后逐步擴(kuò)展；岸坡壩段由于受固結(jié)灌漿或岸坡穩(wěn)定要求控制，通常低于相鄰更靠近河床部分壩段的高程，當(dāng)其上升到一定程度后再按照“高低高”的方式跳倉(cāng)澆筑，這種澆筑方法通常被稱為“頂澆法”。

鑒于烏東德水電站大壩結(jié)構(gòu)和樞紐布置、壩體混凝土澆筑施工特點(diǎn)和招標(biāo)要求，壩體澆筑上升方式可以有不同的方式：一是泄洪中孔以下一致保持壩體“頂澆”形成的澆筑面貌，到泄洪中孔后，鋼襯安裝會(huì)對(duì)混凝土澆筑上升方式形成一定的影響，這時(shí)可以繼續(xù)延續(xù)這時(shí)的面貌，直到壩頂；另一種方式是當(dāng)岸坡壩段澆筑到一定高程后，通過(guò)“倒高差”實(shí)現(xiàn)壩體跳倉(cāng)控制，這種方式下可以根據(jù)高程控制“倒高差”的部位，圖1和圖2為兩種不同的“倒高差”控制方式。

(2)718 m基礎(chǔ)高程施工方案適應(yīng)性研究。

根據(jù)招標(biāo)文件，烏東德水電站大壩基礎(chǔ)高程可能從723 m高程降低到718 m高程。方案的適應(yīng)性對(duì)于保證未來(lái)大壩施工具有重要影響。方案比較情況見(jiàn)表1。

(3)混凝土胚層的覆蓋時(shí)間。

胚層覆蓋的時(shí)間間接影響纜機(jī)的運(yùn)用，進(jìn)而影響到壩體澆筑進(jìn)程以及溫度控制。對(duì)于同樣的胚層面積情況，層覆蓋時(shí)間要求短，需要配備的纜機(jī)數(shù)量多，相反，覆蓋時(shí)間長(zhǎng)，需要配備的纜機(jī)數(shù)量就少。

圖1 陡坡高高程“倒高差”岸坡控制方式示意圖

圖2 陡坡低高程“倒高差”岸坡控制方式示意圖

表1 模擬計(jì)算方案設(shè)計(jì)表

4 高拱壩澆筑模擬系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與運(yùn)行環(huán)境

(1)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

本系統(tǒng)是基于Microsoft Visual Studio軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的Visual C#高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)基于離散時(shí)間仿真原理，采用了面向?qū)ο蟆?shù)據(jù)庫(kù)、CAD二次開(kāi)發(fā)等技術(shù)。

系統(tǒng)為Windows風(fēng)格，具有良好的通用性、交互性和可移植性。由于模擬參數(shù)和模擬結(jié)果的全數(shù)據(jù)庫(kù)組織，因此，可以與水利水電工程建設(shè)管理信息系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接和數(shù)據(jù)交互。

(2)運(yùn)行環(huán)境。

本系統(tǒng)需要在Windows7、8系統(tǒng)下運(yùn)行，要求的計(jì)算機(jī)內(nèi)存為4 GB，屏幕最低分辨率為1 024×768；CPU運(yùn)行速率最好為2.4 GHz以上；系統(tǒng)需要Auto Cad2010、Office2010版本支持。

(3)運(yùn)行步驟。

①新建工程。

執(zhí)行ConcreteDamSimAPP.EXE，選擇新建菜單，系統(tǒng)將新建一個(gè)工程并創(chuàng)建相應(yīng)的文件夾。

②打開(kāi)工程。

執(zhí)行ConcreteDamSimAPP.EXE，選擇打開(kāi)文件菜單，打開(kāi)要模擬的方案；也可以通過(guò)文件管理器進(jìn)入要打開(kāi)的工程文件夾，選擇工程名.Dwg文件打開(kāi)，然后再運(yùn)行ConcreteDamSimAPP.EXE。

③保存工程。

在進(jìn)行運(yùn)行模擬計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)保存一個(gè)階段的模擬結(jié)果；參數(shù)調(diào)整時(shí)，在點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單后，系統(tǒng)自動(dòng)保存改變的數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)功能與系統(tǒng)界面

(1)系統(tǒng)功能。

本軟件主要針對(duì)常態(tài)混凝土壩澆筑過(guò)程模擬而設(shè)計(jì)，其主要功能包括：

常態(tài)混凝土壩澆筑過(guò)程模擬；

壩體工程量計(jì)算與查詢；

模擬模型參數(shù)的輸入與修改；

壩體分階段模擬；

基于隨機(jī)環(huán)境因素的模擬；

模擬澆筑過(guò)程中的壩體上升過(guò)程、月澆筑強(qiáng)度、機(jī)械利用率和澆筑強(qiáng)度、接縫灌漿進(jìn)程、老混凝土量及發(fā)生部位等澆筑過(guò)程信息的查詢和統(tǒng)計(jì)分析。

(2)系統(tǒng)界面。

系統(tǒng)運(yùn)行主界面如圖3所示。系統(tǒng)主界面包括的菜單項(xiàng)為：項(xiàng)目管理、參數(shù)編輯、仿真與計(jì)算、仿真結(jié)果查詢和幫助。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行主界面圖

(3)模擬參數(shù)編輯界面。

①壩塊編輯界面如圖4所示。壩塊編輯界面與CAD相結(jié)合，設(shè)定壩塊基本參數(shù)、賦予CAD實(shí)體以名稱、設(shè)定相鄰關(guān)系等。

圖4 壩塊編輯界面圖

5 模擬計(jì)算方案的綜合對(duì)比分析

從壩體最后一塊到頂時(shí)間上看：對(duì)于5個(gè)方案，最早的是比較方案2，即723 m基礎(chǔ)高程，縮短混凝土層覆蓋時(shí)間方案。該方案除層覆蓋時(shí)間外，其他邊界條件與基本方案完全相同，壩體最后一塊混凝土到頂?shù)臅r(shí)間為2019年2月13日；最遲為比較方案3，即基礎(chǔ)開(kāi)挖至718 m高程方案，壩體最后一塊混凝土到頂?shù)臅r(shí)間為2019年4月29日，通過(guò)采取一定的措施后，與方案3相應(yīng)的方案4壩體到頂時(shí)間提前到2019年3月14日。基本方案的壩體到頂時(shí)間為2019年3月22日(圖5)。

圖5 基本方案中壩體每半年澆筑面貌圖

從控制性進(jìn)度滿足情況看：壩體澆筑混凝土高度方面，5個(gè)方案中2018年5月底壩體最低塊高程均超過(guò)要求的915 m高程，2018年10月底均超過(guò)要求的950 m高程；接縫灌漿方面，基本方案、比較方案2、比較方案4在2019年2月底接縫灌漿均達(dá)到要求的945 m高程。比較方案1、3略滯后于要求。

從月澆筑高峰強(qiáng)度看： 5個(gè)方案壩體澆筑強(qiáng)度均接近或略超過(guò)10×104m3?；痉桨浮⒈容^方案3月混凝土澆筑高峰均出現(xiàn)在2016年12月，比較方案1的月混凝土澆筑高峰強(qiáng)度出現(xiàn)在2017年1月。比較方案2的月高峰強(qiáng)度出現(xiàn)在2016年10月，比較方案4的月高峰強(qiáng)度出現(xiàn)在2018年1月(圖6)。

圖6 基本方案月澆筑強(qiáng)度直方圖

從纜機(jī)月高峰澆筑強(qiáng)度和澆筑混凝土利用效率方面看：5個(gè)計(jì)算方案中3臺(tái)纜機(jī)平均高峰澆筑強(qiáng)度在3.3～3.7×104m3之間，最高的是比較方案2，即縮短層覆蓋時(shí)間方案。該方案在有效時(shí)間內(nèi)澆筑混凝土的時(shí)間利用率也最高，為71%，其他均為60%左右。

6 仿真結(jié)論

《烏東德水電站大壩澆筑進(jìn)度仿真》系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、控制靈活、操作方便，可以與“烏東德水電站數(shù)字大壩”系統(tǒng)進(jìn)行互訪問(wèn)，便于在工程實(shí)施期進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整和實(shí)時(shí)控制。通過(guò)對(duì)烏東德水電站拱壩樞紐布置、施工特點(diǎn)分析，緊密結(jié)合施工組織設(shè)計(jì)方案，建立了烏東德水電站大壩仿真模擬模型，并進(jìn)行了5個(gè)方案的仿真計(jì)算分析，計(jì)算分析的主要結(jié)論如下：

烏東德水電站大壩位于典型的窄“U”型河谷，河谷陡峭；同時(shí)，泄洪中孔壩段多，在15個(gè)壩段中布置了6個(gè)泄洪中孔；方案采取的河床壩段領(lǐng)先澆筑、到中孔附近岸坡壩段再逐步跳倉(cāng)的壩體上升方案是適宜的。采用低高程調(diào)倉(cāng)雖然可以均衡壩體澆筑強(qiáng)度，但一定程度上會(huì)影響領(lǐng)先塊的上升，對(duì)于提早進(jìn)行中孔鋼襯安裝有不利影響，其原因與烏東德大壩結(jié)構(gòu)布置、河谷地形特征有關(guān)。

按照大壩施工組織設(shè)計(jì)方案，壩體從開(kāi)澆到所有壩段澆筑至壩頂歷時(shí)38個(gè)月左右；壩體高峰月澆筑強(qiáng)度接近10×104m3，與P3進(jìn)度計(jì)劃分析的強(qiáng)度略有不同，出現(xiàn)在2016年12月或2017年1月，壩體澆筑部位為830 m高程附近，可澆壩段數(shù)為9～10個(gè)，整個(gè)壩面面積在10 000 m2左右。壩體澆筑強(qiáng)度出現(xiàn)的兩個(gè)明顯的高峰時(shí)段為2016年9月～2017年3月和2017年10月～2018年3月。

烏東德水電站大壩上升受泄洪中孔影響比較大，從2017年3月開(kāi)始，泄洪中孔牛腿部位混凝土澆筑到2018年2月壩體澆筑過(guò)中孔閘門大梁，歷時(shí)近一年，該段施工是烏東德大壩施工的關(guān)鍵階段。

3臺(tái)纜機(jī)的壩體混凝土入倉(cāng)澆筑設(shè)備方案可以滿足壩體混凝土澆筑強(qiáng)度和層覆蓋時(shí)間要求。從纜機(jī)月澆筑混凝土強(qiáng)度看，中間一臺(tái)纜機(jī)負(fù)擔(dān)的混凝土澆筑強(qiáng)度大，達(dá)到4.5×104m3，其他兩臺(tái)纜機(jī)高峰時(shí)段月澆筑混凝土強(qiáng)度為3×104m3左右。高峰時(shí)段3臺(tái)纜機(jī)平均利用效率(混凝土澆筑時(shí)間/月有效工作時(shí)間)為60%左右，說(shuō)明纜機(jī)尚有一定時(shí)間輔助吊裝。

當(dāng)河床基礎(chǔ)開(kāi)挖至718 m高程時(shí)，施工組織設(shè)計(jì)方案采取了一些常規(guī)措施后也可以滿足工期和控制性進(jìn)度要求。另外，本工程壩體自下而上單個(gè)壩段澆筑倉(cāng)面面積隨高程變化不大，中孔906 m高程附近部位壩面面積基本上是壩體最大面積高程部位，整個(gè)大壩壩面面積達(dá)到13 000 m2左右，可澆壩段多，纜機(jī)吊深小，有利于充分發(fā)揮纜機(jī)澆筑混凝土的效率，而且二道壩在這個(gè)期間基本到頂，方案在這段安排的混凝土強(qiáng)度不高，有一定的提高壩體澆筑速度和加快進(jìn)度的余地。

作者簡(jiǎn)介:

龔 翼(1980-)，男，重慶市人，工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.