王翔　楊學(xué)紅　張克　范五一

摘要：嚴(yán)寒地區(qū)大壩混凝土施工約束多、進(jìn)度分析復(fù)雜。為了給進(jìn)度保障措施的制定提供依據(jù)，以西北地區(qū)某高拱壩為例，采用施工進(jìn)度仿真方法對保障措施的有效性開展了研究。首先利用纜機(jī)事件驅(qū)動(dòng)仿真時(shí)鐘的方法建立高拱壩混凝土施工仿真模型，然后在仿真約束邊界及參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，對大壩施工進(jìn)度可能影響較大的因素開展敏感性仿真分析。仿真結(jié)果分析表明：縮短最小層間間歇、適當(dāng)增加每年可施工天數(shù)、增加最大允許懸臂高度和相鄰壩段最大高差是有效且可行的進(jìn)度保障措施。其中，增加每年可施工天數(shù)代價(jià)最小，效果最好，應(yīng)優(yōu)先考慮。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供嚴(yán)寒地區(qū)混凝土大壩施工借鑒。

關(guān)鍵詞：高拱壩; 施工進(jìn)度; 施工仿真; 嚴(yán)寒地區(qū); 層間間歇; 最大允許懸臂高度

中圖法分類號(hào)： TV512

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.024

0引 言

在嚴(yán)寒地區(qū)建設(shè)高拱壩除了面臨高山峽谷地區(qū)復(fù)雜的地形地質(zhì)條件外，還將面臨更惡劣的氣象環(huán)境。某高拱壩所在地區(qū)冬季寒冷，有5個(gè)月的平均氣溫處于零度以下，混凝土施工無法正常開展，每年有效施工天數(shù)大大縮短，導(dǎo)致工程建設(shè)周期顯著延長。同時(shí)壩址所在地晝夜及年度氣溫變化幅度大，氣候干燥，這些都對高拱壩工程的施工進(jìn)度及質(zhì)量控制提出了更高的要求。因此，如何制定有效的嚴(yán)寒地區(qū)高拱壩施工進(jìn)度保障措施，是實(shí)現(xiàn)工程施工進(jìn)度目標(biāo)亟待解決的問題。

嚴(yán)寒地區(qū)高拱壩工程建設(shè)周期長、施工約束多、施工組織復(fù)雜，常規(guī)的工程進(jìn)度分析方法（如橫道圖法、網(wǎng)絡(luò)圖法）無法對影響大壩施工進(jìn)度的各種因素進(jìn)行深入分析[1]。對于復(fù)雜的系統(tǒng)，常采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬多個(gè)比選方案，預(yù)測不同方案的實(shí)施結(jié)果，從而確定一個(gè)較優(yōu)方案[2]。對于大壩施工系統(tǒng)而言，工程實(shí)施中采取的大部分施工進(jìn)度保障措施都可轉(zhuǎn)換為大壩施工仿真模型的邊界約束條件或仿真參數(shù)，每一組仿真參數(shù)對應(yīng)一種仿真方案。針對主要采用纜機(jī)進(jìn)行混凝土施工的該高拱壩工程，本文擬采用施工仿真方法對各方案進(jìn)行仿真對比研究，從而為制定有效的施工進(jìn)度保障措施提供參考依據(jù)。

國外計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于混凝土壩施工過程始于1970年代。在1973年第十一屆國際大壩會(huì)議上，一些國外學(xué)者發(fā)表了混凝土壩施工仿真研究成果，例如Jurencha和Widmann[3]針對混凝土重力壩的纜機(jī)澆筑過程，研究仿真算法并進(jìn)行了應(yīng)用。中國混凝土壩施工仿真理論與應(yīng)用研究始于20世紀(jì)80年代。天津大學(xué)朱光熙等[4-5]對二灘拱壩混凝土澆筑過程進(jìn)行了仿真模擬，成果滿足拱壩一般施工規(guī)律。翁永紅和謝紅忠[6]以三峽工程混凝土大壩施工為應(yīng)用對象，建立了同時(shí)考慮門塔機(jī)、塔帶機(jī)和纜機(jī)等3類主要澆筑機(jī)械的大壩施工仿真模型，并將仿真結(jié)果與工程進(jìn)度管理軟件P3進(jìn)行連接，促進(jìn)了仿真成果在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。鐘登華等[7]在混凝土壩施工仿真中發(fā)展了基于GIS的三維動(dòng)態(tài)可視化仿真方法，開辟了一個(gè)新的仿真研究方向。近十幾年來，由于國外在建和擬建的高混凝土壩較少，混凝土大壩特別是高拱壩的施工仿真研究主要集中在國內(nèi)。楊學(xué)紅等[8]應(yīng)用賦時(shí)Petri網(wǎng)絡(luò)基本理論對大壩施工系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模，描述資源等施工參數(shù)隨施工進(jìn)度的變化，分析了大壩混凝土的施工過程。為了將施工仿真技術(shù)更好地應(yīng)用于高混凝土壩施工建設(shè)管理，確保工程進(jìn)度按計(jì)劃順利實(shí)施，吳康新、鐘登華、任炳昱等[9-12]針對高拱壩仿真建模理論和實(shí)時(shí)控制理論展開了系統(tǒng)深入的研究，構(gòu)建了一套高拱壩施工進(jìn)度仿真理論體系。劉超等[13]基于排隊(duì)論和負(fù)載均衡技術(shù)建立了以纜機(jī)為基本決策單位、澆筑罐為基本計(jì)算單位的纜機(jī)施工仿真模型，比較真實(shí)地反映了全纜機(jī)高拱壩施工系統(tǒng)的特點(diǎn)。劉金飛等[14]基于智慧大壩系統(tǒng)感知信息，采用多維耦合仿真技術(shù)對影響白鶴灘大壩施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，為大壩連續(xù)施工提供了指導(dǎo)。

本文在吸收國內(nèi)高拱壩施工仿真研究成果的基礎(chǔ)上，以纜機(jī)為基本決策對象，建立利用纜機(jī)事件驅(qū)動(dòng)仿真時(shí)鐘推進(jìn)的高拱壩施工仿真模型;通過施工仿真約束邊界及參數(shù)分析，明確基本方案主要仿真參數(shù);然后擬定對比仿真方案，開展多要素敏感性仿真分析;最后，根據(jù)仿真分析結(jié)果得到加快大壩施工進(jìn)度的4項(xiàng)措施并對其可行性進(jìn)行了分析。

1施工仿真模型

1.1高拱壩混凝土施工系統(tǒng)分解

高拱壩施工系統(tǒng)可分為混凝土生產(chǎn)子系統(tǒng)、混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)和混凝土澆筑子系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)[9-10]，如圖1所示。

混凝土生產(chǎn)子系統(tǒng)是大壩施工的基礎(chǔ)，其生產(chǎn)能力必須滿足大壩澆筑強(qiáng)度要求，為大壩施工進(jìn)度提供保障?；炷吝\(yùn)輸子系統(tǒng)由水平運(yùn)輸系統(tǒng)和垂直運(yùn)輸系統(tǒng)組成。高拱壩混凝土施工通常采用專用上壩通道和專用運(yùn)輸車進(jìn)行供料，然后用纜機(jī)將混凝土吊裝至大壩倉面。高拱壩混凝土澆筑子系統(tǒng)中，壩體采用分縫分層澆筑，并遵循規(guī)范和設(shè)計(jì)規(guī)定的壩段上升規(guī)則，澆筑機(jī)械從滿足施工約束條件的壩塊中選擇一個(gè)可澆壩塊進(jìn)行澆筑，同時(shí)還輔助進(jìn)行一些備倉及金屬部件的吊裝工作。

1.2高拱壩混凝土施工仿真模型

高拱壩混凝土施工中，倉位的澆筑事件和各壩段高程變化都是在離散時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生，因此高拱壩混凝土施工仿真為離散事件系統(tǒng)仿真[9-10]。在離散事件系統(tǒng)仿真中，仿真時(shí)鐘負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)內(nèi)各事件發(fā)生的時(shí)間，是系統(tǒng)行為和狀態(tài)描述的基礎(chǔ)。本文仿真時(shí)鐘聯(lián)合使用了事件推進(jìn)法和固定時(shí)間推進(jìn)法[9-10]。

高拱壩施工仿真行為可看作澆筑纜機(jī)對澆筑倉的服務(wù)行為，通過這個(gè)行為完成倉位的混凝土澆筑。對于單個(gè)澆筑倉位，纜機(jī)配置數(shù)量需滿足其澆筑能力不小于初凝允許間歇時(shí)間內(nèi)完成單個(gè)鋪層澆筑強(qiáng)度的要求。為保證施工質(zhì)量和運(yùn)行安全，實(shí)際施工中，一般不考慮多臺(tái)纜機(jī)聯(lián)合澆筑某個(gè)倉位過程中臨時(shí)抽調(diào)1臺(tái)纜機(jī)同時(shí)服務(wù)其它壩塊澆筑的情況。所以在高拱壩施工仿真建模中可認(rèn)為一旦纜機(jī)和澆筑倉位配對關(guān)系確定，纜機(jī)與倉位就綁定構(gòu)成了固定的服務(wù)關(guān)系，直至該倉位完成澆筑。根據(jù)上述分析，本文以纜機(jī)為基本決策對象建立高拱壩混凝土施工仿真基本模型，通過澆筑過程中依次發(fā)生的纜機(jī)事件逐步驅(qū)動(dòng)仿真時(shí)鐘向前推進(jìn)，進(jìn)而完成大壩纜機(jī)澆筑全過程仿真。本文纜機(jī)事件（活動(dòng)）包括纜機(jī)移位、備倉、維修，吊罐裝料、起吊運(yùn)輸、倉面卸料、空罐返回、纜機(jī)空閑、壩塊澆筑完成等。

為均衡發(fā)揮纜機(jī)的工作效率，保持壩體的整體均勻上升，在選擇澆筑機(jī)械和澆筑塊時(shí)，一般選擇間歇時(shí)間最長的纜機(jī)，然后綜合考量各項(xiàng)因素后選擇實(shí)施澆筑塊。本文高拱壩混凝土施工仿真流程為：首先選擇空閑纜機(jī)并判斷該空閑纜機(jī)仿真時(shí)鐘是否屬于有效工作時(shí)間，不是則推進(jìn)至有效工作時(shí)間;然后在空閑纜機(jī)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(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)向前推進(jìn)纜機(jī)仿真時(shí)鐘。如果能夠選擇到滿足條件的待澆壩塊，則根據(jù)待澆壩塊的倉面面積及其與卸料平臺(tái)之間的距離，計(jì)算單臺(tái)纜機(jī)的澆筑強(qiáng)度及完成壩塊澆筑所需纜機(jī)的數(shù)量，然后按臨近搭配原則確定澆筑該壩塊的纜機(jī)編號(hào)。當(dāng)滿足澆筑條件的壩塊不止一塊時(shí)，則綜合考量各項(xiàng)因素的權(quán)重后給可澆壩塊進(jìn)行澆筑排序，排在第一位的壩塊優(yōu)先確定開始澆筑的時(shí)間并計(jì)算澆筑歷時(shí)。當(dāng)壩塊澆筑結(jié)束后，系統(tǒng)完成一個(gè)壩塊的澆筑活動(dòng)，然后更新系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)入下一個(gè)壩塊的澆筑循環(huán)，直至整個(gè)大壩仿真系統(tǒng)計(jì)算結(jié)束。高拱壩混凝土施工仿真流程見圖2。

2施工仿真約束邊界與參數(shù)

2.1工程概況

某高拱壩壩頂高程990 m，最大壩高240 m，混凝土澆筑量414.8萬m3。大壩共分為35個(gè)壩段，中間16～19號(hào)壩段為泄洪壩段，15號(hào)和20號(hào)為導(dǎo)流壩段。泄洪壩段的泄水孔分3層布置：3個(gè)表孔、2個(gè)中孔及4個(gè)底孔供水管。泄洪壩段兩側(cè)的導(dǎo)流壩段各設(shè)置1個(gè)導(dǎo)流底孔，其中15號(hào)壩段增設(shè)1個(gè)生態(tài)基流孔。

大壩混凝土主要采用5臺(tái)30 t平移式無塔架纜機(jī)澆筑。根據(jù)纜機(jī)布置方案，左岸1號(hào)、2號(hào)壩段和右岸34號(hào)、35號(hào)壩段不在纜機(jī)控制范圍內(nèi)，需采取其他澆筑設(shè)備輔助澆筑。

根據(jù)施工總進(jìn)度計(jì)劃，在大壩澆筑第二年汛末（8月底），大壩最低高程≤815 m，枯水期圍堰擋水;第3年汛前（4月底），大壩最低高程≥826 m，大壩開始擋水;第4年汛末，大壩最低高程≥885 m，接縫灌漿高程≥849 m;第5年汛末，大壩最低高程≥930 m，接縫灌漿高程≥900 m;第6年汛末，大壩最低高程≥975 m，接縫灌漿高程≥948 m。

2.2施工約束邊界分析

纜機(jī)澆筑邊界分析：受纜機(jī)控制范圍限制，只有3～33號(hào)壩段納入纜機(jī)澆筑。在該澆筑仿真模型中，由于左岸1號(hào)、2號(hào)和右岸34號(hào)、35號(hào)壩段不受纜機(jī)資源調(diào)配限制，可以隨時(shí)安排澆筑，所以認(rèn)為這些壩段不對纜機(jī)3～33號(hào)壩段施工產(chǎn)生相鄰壩段高差約束。

澆筑時(shí)間邊界分析：根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，10月中下旬至次年4月上中旬的平均氣溫低于混凝土正常施工要求，大壩澆筑和接縫灌漿暫停施工。因此，每年可供混凝土澆筑施工的月份為4～10月，時(shí)長6～6.5個(gè)月左右。

混凝土供應(yīng)能力邊界分析：混凝土系統(tǒng)的最大生產(chǎn)能力為520 m3/h，換算到每月最大供應(yīng)量約為17.5萬m3。因此，某個(gè)壩塊是否可以開倉澆筑必須滿足兩個(gè)條件：① 大壩同時(shí)澆筑倉面的澆筑總強(qiáng)度不能超過混凝土系統(tǒng)每小時(shí)最大生產(chǎn)量520 m3;② 當(dāng)月大壩混凝土澆筑量最大在17.5萬m3左右。

單倉纜機(jī)澆筑臺(tái)數(shù)上限分析：壩段最大順流向長65 m，纜機(jī)最小安全間距11 m，則河床下部壩塊理論上最多可允許5臺(tái)纜機(jī)同倉澆筑。根據(jù)倉面面積和纜機(jī)運(yùn)行效率，并結(jié)合類似工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該工程單倉最多允許4臺(tái)纜機(jī)同時(shí)澆筑。在該仿真模型中，多余的纜機(jī)可用于其它倉面的澆筑或備倉作業(yè)。

2.3施工主要仿真參數(shù)分析

（1） 仿真開始時(shí)間。根據(jù)施工總進(jìn)度計(jì)劃，大壩開始澆筑時(shí)間為第一年5月10日。

（2） 有效工作時(shí)間。保守考慮，每年施工時(shí)段為4月15日至10月15日，共184 d。扣除雷暴、大風(fēng)、大雨等惡劣天氣影響天數(shù)，全年有效施工天數(shù)為169 d。實(shí)際施工時(shí)，在做好保溫措施的條件下，每年4月和10月可適當(dāng)延長有效施工天數(shù)。

（3） 倉面坯層覆蓋時(shí)間。夏季6～8月氣溫較高，倉面坯層最多間歇3 h，其它月份間歇4 h。

（4） 澆筑層厚。采用3 m層厚為主，表孔等局部變截面部位澆筑層厚調(diào)整為1.5 m。

（5） 高差約束參數(shù)。相鄰壩段最大高差一般控制在12 m內(nèi)，相鄰壩段最小高差為3 m;全壩整體最大高差不超過30 m;懸臂高度控制標(biāo)準(zhǔn)為大壩下部（高程795 m以下）70 m，大壩中上部（高程795 m以上）65 m。

（6） 接縫灌漿區(qū)灌漿時(shí)上部壓重高度。高程822 m以下采用2個(gè)同冷區(qū)，總壓重高度33 m，高程822 m以上采用1個(gè)同冷區(qū)，總壓重高度24 m。

（7） 纜機(jī)運(yùn)行效率。第一年5月和每年冬歇期后復(fù)工的4月，纜機(jī)效率均為正常值的80%。

3多要素敏感性仿真對比分析

根據(jù)施工總進(jìn)度，第二年汛后，大壩需加快施工進(jìn)度以滿足關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)度要求。針對大壩施工進(jìn)度可能影響較大的層間最小間歇、相鄰壩段最大高差、最大允許懸臂高度、每年有效施工時(shí)長、澆筑層厚等關(guān)鍵要素，擬定表1所列的多種仿真方案。各仿真方案的大壩施工進(jìn)度計(jì)算結(jié)果見表2～3。

高拱壩混凝土施工作為一個(gè)復(fù)雜的施工系統(tǒng)，其施工進(jìn)度（混凝土跳倉澆筑過程）受眾多因素影響。對于高拱壩混凝土施工仿真模型來說，其仿真進(jìn)度則受多項(xiàng)仿真參數(shù)組合的影響。不同仿真參數(shù)組合對應(yīng)的仿真進(jìn)度也不同。為了研究某項(xiàng)因素對施工進(jìn)度的影響，表1中各對比方案都是在基本方案的基礎(chǔ)上改變一項(xiàng)仿真參數(shù)得到的。

多方案仿真對比分析結(jié)果表明：減少壩塊最小層間間歇對大壩澆筑總工期影響最大，可縮短1.4個(gè)月;放寬相鄰壩段高差、增加最大允許懸臂高度、延長每年可施工天數(shù)等仿真參數(shù)對總工期影響基本相當(dāng)，可縮短總工期0.5個(gè)月;而增加澆筑層厚方案對總工期影響較小，僅縮短總工期0.3個(gè)月。從關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)度仿真結(jié)果對比來看，各方案都能滿足關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)度要求。但相比基本方案，對比方案5（4.5m層厚方案）和對比方案2（相鄰壩段最大高差15m）有1～2個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的大壩最低高程和接縫灌漿高程均變得更低。這表明增加層厚和相鄰壩段高差雖然可以一定程度上加快上升進(jìn)度、縮短總工期，但大壩整體上升的均衡性較差，其中增加層厚方案更為明顯。

由于4.5 m層厚方案的大壩整體上升均衡性較差，縮短總工期也不明顯，而且考慮其對混凝土模板、施工工藝、施工質(zhì)量和安全保證措施等方面有較高要求，因此在制定施工進(jìn)度保障措施時(shí)，不建議考慮增加層厚方案，推薦考慮縮短最小層間間歇、延長每年可施工天數(shù)、增加最大允許懸臂高度和相鄰壩段最大高差等4項(xiàng)措施。

4施工進(jìn)度保障措施分析

在推薦考慮的4項(xiàng)措施中，延長每年可施工天數(shù)（對比方案4）是代價(jià)最小、效果最好的進(jìn)度保障措施。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，當(dāng)日平均氣溫不連續(xù)5 d低于5 ℃或最低氣溫不連續(xù)5 d低于-3 ℃，均不需采取額外措施，大壩即可提前復(fù)工或延后停工。即使氣溫低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，也可根據(jù)實(shí)際情況判斷是否能采取有效的低溫施工措施，從而確定是否提前或延后施工。仿真結(jié)果表明，當(dāng)每年可施工天數(shù)最多延長10 d（合計(jì)延長40 d）時(shí)，不僅澆筑總工期縮短0.5個(gè)月，而且大壩澆筑到頂時(shí)間相比基本方案提前了50 d;相比基本方案，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的大壩澆筑高程和接縫灌漿高程也有明顯提升。

縮短層間最小間歇時(shí)間、適當(dāng)增加相鄰壩段最大高差和最大允許懸臂高度是高拱壩工程施工實(shí)踐中經(jīng)常采用且有效可行的施工進(jìn)度保障措施。基本方案中，層間最小間歇為當(dāng)前施工平均先進(jìn)水平，如果現(xiàn)場施工組織得當(dāng)或采用成熟先進(jìn)的施工工藝，縮短最小間歇1 d是可能的。例如在高拱壩工程實(shí)踐中，3 m層厚實(shí)體壩塊可以在5 d內(nèi)完成備倉，只要高差、纜機(jī)配備、混凝土供應(yīng)等各項(xiàng)約束條件滿足，那么倉面間歇5 d即具備了開倉條件?；痉桨钢?，相鄰壩段最大高差規(guī)定≤12 m，但近十幾年國內(nèi)不少高拱壩工程施工中，在做好壩段側(cè)面保溫措施后，許多相鄰壩段的最大高差均突破了12 m，達(dá)到15 m甚至18 m。因此，對比方案2將相鄰壩段最大高差增加至15 m的施工進(jìn)度保障措施是合理可行的。適當(dāng)放寬最大懸臂高度控制以加快大壩澆筑進(jìn)度，在國內(nèi)已建高拱壩也是經(jīng)常采用的進(jìn)度保障措施。在工程開工前，設(shè)計(jì)單位提出的最大允許懸臂高度一般考慮了最不利工況，且安全系數(shù)有一定富裕。在工程開工后，現(xiàn)場施工邊界條件進(jìn)一步明確，根據(jù)最新邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)核計(jì)算后，大多數(shù)情況下允許適當(dāng)放寬最大允許懸臂高度。對比方案3中，高程795 m以上的最大允許懸臂高度增加5 m至70 m，適當(dāng)放寬的尺度較小，對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響不大，而且國內(nèi)已建200 m以上高拱壩工程實(shí)踐中也多有采用70 m最大懸臂高度的先例。因此，適當(dāng)放寬最大允許懸臂高度也是該項(xiàng)目開工后可供考慮的進(jìn)度保障措施之一。

5結(jié) 語

施工對比仿真分析表明，縮短最小層間間歇、適當(dāng)延長每年可施工天數(shù)、增加最大允許懸臂高度和相鄰壩段最大高差是4項(xiàng)較為有效且可行的進(jìn)度保障措施。其中，延長每年可施工天數(shù)代價(jià)最小、效果最好，應(yīng)優(yōu)先考慮。由于對高拱壩施工進(jìn)度產(chǎn)生綜合影響的眾多因素在大壩開工前及施工過程中會(huì)發(fā)生變化，過早根據(jù)施工仿真結(jié)果制定的施工進(jìn)度保障措施會(huì)存在一定程度的失真，所以實(shí)施階段的大壩施工進(jìn)度保障措施應(yīng)結(jié)合工程現(xiàn)場施工邊界條件進(jìn)行制定并適時(shí)調(diào)整。

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（編輯：胡旭東）