嚴寒地區高拱壩混凝土施工進度保障措施仿真

王翔　楊學紅　張克　范五一

摘要：嚴寒地區大壩混凝土施工約束多、進度分析復雜。為了給進度保障措施的制定提供依據，以西北地區某高拱壩為例，采用施工進度仿真方法對保障措施的有效性開展了研究。首先利用纜機事件驅動仿真時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分析的基礎上，對大壩施工進度可能影響較大的因素開展敏感性仿真分析。仿真結果分析表明：縮短最小層間間歇、適當增加每年可施工天數、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度保障措施。其中，增加每年可施工天數代價最小，效果最好，應優先考慮。相關經驗可供嚴寒地區混凝土大壩施工借鑒。

關鍵詞：高拱壩; 施工進度; 施工仿真; 嚴寒地區; 層間間歇; 最大允許懸臂高度

中圖法分類號： TV512

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.024

0引 言

在嚴寒地區建設高拱壩除了面臨高山峽谷地區復雜的地形地質條件外，還將面臨更惡劣的氣象環境。某高拱壩所在地區冬季寒冷，有5個月的平均氣溫處于零度以下，混凝土施工無法正常開展，每年有效施工天數大大縮短，導致工程建設周期顯著延長。同時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度及質量控制提出了更高的要求。因此，如何制定有效的嚴寒地區高拱壩施工進度保障措施，是實現工程施工進度目標亟待解決的問題。

嚴寒地區高拱壩工程建設周期長、施工約束多、施工組織復雜，常規的工程進度分析方法（如橫道圖法、網絡圖法）無法對影響大壩施工進度的各種因素進行深入分析[1]。對于復雜的系統，常采用計算機仿真技術模擬多個比選方案，預測不同方案的實施結果，從而確定一個較優方案[2]。對于大壩施工系統而言，工程實施中采取的大部分施工進度保障措施都可轉換為大壩施工仿真模型的邊界約束條件或仿真參數，每一組仿真參數對應一種仿真方案。針對主要采用纜機進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行仿真對比研究，從而為制定有效的施工進度保障措施提供參考依據。

國外計算機仿真技術應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議上，一些國外學者發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澆筑過程，研究仿真算法并進行了應用。中國混凝土壩施工仿真理論與應用研究始于20世紀80年代。天津大學朱光熙等[4-5]對二灘拱壩混凝土澆筑過程進行了仿真模擬，成果滿足拱壩一般施工規律。翁永紅和謝紅忠[6]以三峽工程混凝土大壩施工為應用對象，建立了同時考慮門塔機、塔帶機和纜機等3類主要澆筑機械的大壩施工仿真模型，并將仿真結果與工程進度管理軟件P3進行連接，促進了仿真成果在工程實踐中的應用。鐘登華等[7]在混凝土壩施工仿真中發展了基于GIS的三維動態可視化仿真方法，開辟了一個新的仿真研究方向。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。楊學紅等[8]應用賦時Petri網絡基本理論對大壩施工系統進行了仿真建模，描述資源等施工參數隨施工進度的變化，分析了大壩混凝土的施工過程。為了將施工仿真技術更好地應用于高混凝土壩施工建設管理，確保工程進度按計劃順利實施，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時控制理論展開了系統深入的研究，構建了一套高拱壩施工進度仿真理論體系。劉超等[13]基于排隊論和負載均衡技術建立了以纜機為基本決策單位、澆筑罐為基本計算單位的纜機施工仿真模型，比較真實地反映了全纜機高拱壩施工系統的特點。劉金飛等[14]基于智慧大壩系統感知信息，采用多維耦合仿真技術對影響白鶴灘大壩施工進度的關鍵因素進行分析，為大壩連續施工提供了指導。

本文在吸收國內高拱壩施工仿真研究成果的基礎上，以纜機為基本決策對象，建立利用纜機事件驅動仿真時鐘推進的高拱壩施工仿真模型;通過施工仿真約束邊界及參數分析，明確基本方案主要仿真參數;然后擬定對比仿真方案，開展多要素敏感性仿真分析;最后，根據仿真分析結果得到加快大壩施工進度的4項措施并對其可行性進行了分析。

1施工仿真模型

1.1高拱壩混凝土施工系統分解

高拱壩施工系統可分為混凝土生產子系統、混凝土運輸子系統和混凝土澆筑子系統3個子系統[9-10]，如圖1所示。

混凝土生產子系統是大壩施工的基礎，其生產能力必須滿足大壩澆筑強度要求，為大壩施工進度提供保障?；炷吝\輸子系統由水平運輸系統和垂直運輸系統組成。高拱壩混凝土施工通常采用專用上壩通道和專用運輸車進行供料，然后用纜機將混凝土吊裝至大壩倉面。高拱壩混凝土澆筑子系統中，壩體采用分縫分層澆筑，并遵循規范和設計規定的壩段上升規則，澆筑機械從滿足施工約束條件的壩塊中選擇一個可澆壩塊進行澆筑，同時還輔助進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間點上發生，因此高拱壩混凝土施工仿真為離散事件系統仿真[9-10]。在離散事件系統仿真中，仿真時鐘負責記錄系統內各事件發生的時間，是系統行為和狀態描述的基礎。本文仿真時鐘聯合使用了事件推進法和固定時間推進法[9-10]。

高拱壩施工仿真行為可看作澆筑纜機對澆筑倉的服務行為，通過這個行為完成倉位的混凝土澆筑。對于單個澆筑倉位，纜機配置數量需滿足其澆筑能力不小于初凝允許間歇時間內完成單個鋪層澆筑強度的要求。為保證施工質量和運行安全，實際施工中，一般不考慮多臺纜機聯合澆筑某個倉位過程中臨時抽調1臺纜機同時服務其它壩塊澆筑的情況。所以在高拱壩施工仿真建模中可認為一旦纜機和澆筑倉位配對關系確定，纜機與倉位就綁定構成了固定的服務關系，直至該倉位完成澆筑。根據上述分析，本文以纜機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生的纜機事件逐步驅動仿真時鐘向前推進，進而完成大壩纜機澆筑全過程仿真。本文纜機事件（活動）包括纜機移位、備倉、維修，吊罐裝料、起吊運輸、倉面卸料、空罐返回、纜機空閑、壩塊澆筑完成等。

為均衡發揮纜機的工作效率，保持壩體的整體均勻上升，在選擇澆筑機械和澆筑塊時，一般選擇間歇時間最長的纜機，然后綜合考量各項因素后選擇實施澆筑塊。本文高拱壩混凝土施工仿真流程為：首先選擇空閑纜機并判斷該空閑纜機仿真時鐘是否屬于有效工作時間，不是則推進至有效工作時間;然后在空閑纜機的覆蓋范圍內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，系統將根據提前設置的系統參數向前推進纜機仿真時鐘。如果能夠選擇到滿足條件的待澆壩塊，則根據待澆壩塊的倉面面積及其與卸料平臺之間的距離，計算單臺纜機的澆筑強度及完成壩塊澆筑所需纜機的數量，然后按臨近搭配原則確定澆筑該壩塊的纜機編號。當滿足澆筑條件的壩塊不止一塊時，則綜合考量各項因素的權重后給可澆壩塊進行澆筑排序，排在第一位的壩塊優先確定開始澆筑的時間并計算澆筑歷時。當壩塊澆筑結束后，系統完成一個壩塊的澆筑活動，然后更新系統各項數據信息，進入下一個壩塊的澆筑循環，直至整個大壩仿真系統計算結束。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

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個壩段，中間16～19號壩段為泄洪壩段，15號和20號為導流壩段。泄洪壩段的泄水孔分3層布置：3個表孔、2個中孔及4個底孔供水管。泄洪壩段兩側的導流壩段各設置1個導流底孔，其中15號壩段增設1個生態基流孔。

大壩混凝土主要采用5臺30 t平移式無塔架纜機澆筑。根據纜機布置方案，左岸1號、2號壩段和右岸34號、35號壩段不在纜機控制范圍內，需采取其他澆筑設備輔助澆筑。

根據施工總進度計劃，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

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

澆筑時間邊界分析：根據當地氣象條件，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，時長6～6.5個月左右。

混凝土供應能力邊界分析：混凝土系統的最大生產能力為520 m3/h，換算到每月最大供應量約為17.5萬m3。因此，某個壩塊是否可以開倉澆筑必須滿足兩個條件：① 大壩同時澆筑倉面的澆筑總強度不能超過混凝土系統每小時最大生產量520 m3;② 當月大壩混凝土澆筑量最大在17.5萬m3左右。

單倉纜機澆筑臺數上限分析：壩段最大順流向長65 m，纜機最小安全間距11 m，則河床下部壩塊理論上最多可允許5臺纜機同倉澆筑。根據倉面面積和纜機運行效率，并結合類似工程運行經驗，該工程單倉最多允許4臺纜機同時澆筑。在該仿真模型中，多余的纜機可用于其它倉面的澆筑或備倉作業。

2.3施工主要仿真參數分析

（1） 仿真開始時間。根據施工總進度計劃，大壩開始澆筑時間為第一年5月10日。

（2） 有效工作時間。保守考慮，每年施工時段為4月15日至10月15日，共184 d?？鄢妆?、大風、大雨等惡劣天氣影響天數，全年有效施工天數為169 d。實際施工時，在做好保溫措施的條件下，每年4月和10月可適當延長有效施工天數。

（3） 倉面坯層覆蓋時間。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整為1.5 m。

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

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

（7） 纜機運行效率。第一年5月和每年冬歇期后復工的4月，纜機效率均為正常值的80%。

3多要素敏感性仿真對比分析

根據施工總進度，第二年汛后，大壩需加快施工進度以滿足關鍵節點進度要求。針對大壩施工進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、每年有效施工時長、澆筑層厚等關鍵要素，擬定表1所列的多種仿真方案。各仿真方案的大壩施工進度計算結果見表2～3。

高拱壩混凝土施工作為一個復雜的施工系統，其施工進度（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，其仿真進度則受多項仿真參數組合的影響。不同仿真參數組合對應的仿真進度也不同。為了研究某項因素對施工進度的影響，表1中各對比方案都是在基本方案的基礎上改變一項仿真參數得到的。

多方案仿真對比分析結果表明：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等仿真參數對總工期影響基本相當，可縮短總工期0.5個月;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個月。從關鍵節點進度仿真結果對比來看，各方案都能滿足關鍵節點進度要求。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個關鍵節點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、施工質量和安全保證措施等方面有較高要求，因此在制定施工進度保障措施時，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、增加最大允許懸臂高度和相鄰壩段最大高差等4項措施。

4施工進度保障措施分析

在推薦考慮的4項措施中，延長每年可施工天數（對比方案4）是代價最小、效果最好的進度保障措施。根據相關規范，當日平均氣溫不連續5 d低于5 ℃或最低氣溫不連續5 d低于-3 ℃，均不需采取額外措施，大壩即可提前復工或延后停工。即使氣溫低于規范標準，也可根據實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。仿真結果表明，當每年可施工天數最多延長10 d（合計延長40 d）時，不僅澆筑總工期縮短0.5個月，而且大壩澆筑到頂時間相比基本方案提前了50 d;相比基本方案，關鍵節點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間、適當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踐中經常采用且有效可行的施工進度保障措施?；痉桨钢?，層間最小間歇為當前施工平均先進水平，如果現場施工組織得當或采用成熟先進的施工工藝，縮短最小間歇1 d是可能的。例如在高拱壩工程實踐中，3 m層厚實體壩塊可以在5 d內完成備倉，只要高差、纜機配備、混凝土供應等各項約束條件滿足，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定≤12 m，但近十幾年國內不少高拱壩工程施工中，在做好壩段側面保溫措施后，許多相鄰壩段的最大高差均突破了12 m，達到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的施工進度保障措施是合理可行的。適當放寬最大懸臂高度控制以加快大壩澆筑進度，在國內已建高拱壩也是經常采用的進度保障措施。在工程開工前，設計單位提出的最大允許懸臂高度一般考慮了最不利工況，且安全系數有一定富裕。在工程開工后，現場施工邊界條件進一步明確，根據最新邊界條件進行結構應力復核計算后，大多數情況下允許適當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，適當放寬的尺度較小，對結構應力的影響不大，而且國內已建200 m以上高拱壩工程實踐中也多有采用70 m最大懸臂高度的先例。因此，適當放寬最大允許懸臂高度也是該項目開工后可供考慮的進度保障措施之一。

5結 語

施工對比仿真分析表明，縮短最小層間間歇、適當延長每年可施工天數、增加最大允許懸臂高度和相鄰壩段最大高差是4項較為有效且可行的進度保障措施。其中，延長每年可施工天數代價最小、效果最好，應優先考慮。由于對高拱壩施工進度產生綜合影響的眾多因素在大壩開工前及施工過程中會發生變化，過早根據施工仿真結果制定的施工進度保障措施會存在一定程度的失真，所以實施階段的大壩施工進度保障措施應結合工程現場施工邊界條件進行制定并適時調整。

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（編輯：胡旭東）