向家壩二期工程施工機械配套優選仿真研究

張孝遠，周建中，曹廣晶，王毅華，王軍周，黎育紅

（1.華中科技大學水電與數字化工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國長江三峽集團公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

高混凝土壩的施工過程是一項十分復雜的系統工程，許多因素都可能影響工程的施工進度、質量和成本。高混凝土壩混凝土工程量巨大，澆筑工期長，倉面多，澆筑機械數量和型號多，壩體結構復雜，技術難度和施工強度高以及可澆筑壩塊的確定涉及的因素很多等，這些相互聯系和制約的因素使得混凝土壩工程設計和施工組織設計成為一項任務繁重且具有一定靈活性的工作[1，2]。以往僅憑經驗或采用相似工程類比的辦法，進行一般性的計算分析來確定施工方法和規劃施工進度，僅能得到估計性的結果；而且一旦施工工藝選擇或機械配置不當，則可能會導致工期延誤或成本增加。對于向家壩這樣的高混凝土壩的施工，可借鑒的經驗和參考的資料相對較少，尤其是在施工設備配套方面，因其設備容量巨大，施工機械配套的選擇直接影響甚至決定工程的施工進度、質量與經濟指標，因此，如何充分借鑒國內外已建工程的資料與經驗，并運用先進的設計手段和方法，尋求最佳施工機械配套，以優化施工參數及施工組織設計整體方案，實現其快速、經濟的宗旨，是向家壩工程所面臨的最現實問題。本文針對向家壩二期工程大壩施工中纜機和塔帶機配合的幾種方案進行了計算機仿真計算，從施工工期、施工強度、機械設備利用率等方面并結合技術經濟分析，論證了工程中運用3臺纜機和3臺塔帶機結合方案的合理性。

1 向家壩工程概況

向家壩水電站是金沙江下游河段規劃的最末一個梯級電站，壩址位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界處，是我國 “西電東送”工程的骨干電源點。攔河大壩采用混凝土重力壩，壩頂高程383.00 m，基礎最低高程222.00 m，最大壩高161.0 m，壩頂長度920.27 m，壩段寬12.0～30.0 m。大壩從左至右依次為左岸非溢流壩段、導流底孔及缺口壩段、排沙孔壩段、升船機壩段、左岸廠房壩段、泄水壩段、以及右岸非溢流壩段。

向家壩二期工程包括右非壩段、泄洪壩段 （含消力池)、廠房壩段 (含壩后廠房)、升船機壩段、沖沙孔340.00 m高程以上部分、左非①-左非⑥280.00 m高程以上部分、導流底孔封堵、沖沙孔段改造及二期導流工程。二期混凝土工程量達940萬m3，高峰月澆筑強度 38.67萬m3，具有工程量大、工期緊、施工強度高等特點[3]。

混凝土壩施工系統可劃分為混凝土拌和、運輸、澆筑3個子系統。向家壩二期工程高混凝土壩澆筑流程見圖1。整個澆筑系統涉及兩種基本類型的仿真實體：離散型的高架門機、纜機等，以及連續型的塔帶機。

2 向家壩大壩混凝土施工過程仿真系統設計

研究大壩混凝土施工系統模擬時，各澆筑塊在時間點上的澆筑狀態和各澆筑機械在這個時間點上的狀態、服務對象、澆筑信息等，受隨機產生的“事件”驅動而變化，所反映的變量也隨時間呈非連續、跳躍性的變化。因此，可以將大壩混凝土澆筑系統作為離散事件系統進行模擬研究。

2.1 仿真原理及其設計

由于在高混凝土壩施工過程中，澆筑機械為主導機械[3]，因而，本文主要對澆筑過程進行模擬仿真。為簡化問題做以下基本假設：①假定混凝土生產和水平運輸系統能夠充分供應混凝土，即把問題的研究范圍限制在壩面施工作業的協調上；②大壩分塊澆筑順序在滿足控制時間、約束條件、設備情況的前提下，按先低后高的順序安排，對有特殊要求的部位按具體要求進行特殊處理。

圖1 向家壩二期工程混凝土壩澆筑流程 （三類機械）

仿真系統的設計和原理可描述為：在一個臺班時間內，把澆筑機械看作 “服務臺”，把待澆筑壩塊看作 “顧客”。按照排隊規則， “服務臺”每次只接納一位 “顧客”。排隊規則通常按照倉面高程進行。倉面高程愈低，排隊愈靠前，而不管某個 “顧客”是否剛剛接受完服務。同時為了滿足特殊施工要求，對某些 “顧客”在排隊過程中賦以一定的優先權，使其排隊靠前或靠后，而 “服務臺”又可規定其服務范圍和服務時間。另外，針對不同澆筑機械的特點，如塔帶機等連續型的澆筑機械，由于來料均勻且連續，在壩塊的澆筑過程中，機械配套運行的過程相對較簡單，采用主導實體時鐘掃描法，把可澆筑壩塊的狀態和澆筑信息的變化作為影響系統事件；對于纜機、門塔機、胎帶機等離散型機械，先采用主導實體時鐘掃描法判斷每臺機械所對應的可澆筑壩塊。對于機械在拌和樓前的等待裝料、重車運行、輕車運行、卸料以及澆筑過程等運行過程，采用事件驅動法來處理[10]。

仿真系統模型通過實體、事件、活動和延遲來描述，其中實體包括澆筑設備、澆筑倉面；事件包括優化分倉、進行澆筑、澆筑完畢；活動包括停歇間隔時間、澆筑設備的澆筑時間；延遲指澆筑塊澆筑等待時間[11]。

系統輸入包括如下內容：系統總體參數表 （相鄰倉面允許高差，開工日期）；工作時間表 （月份（索引），工作日數，每日時數）；工期轉換表 （模擬時間、轉換日期、月份 （索引）、實際日工作小時數）；澆筑設備表 （起始日期、終止日期、設備編號、設備名稱、設備狀態、生產率、維修日期、使用優先級、服務壩段）；澆筑參數 （起始日期、終止日期、允許層厚、初凝時間、層間停歇時間、相鄰壩塊間隔時間）；壩體參數 （壩段編號、壩段、壩塊、基礎高程、頂部高層、分層數、壩塊上層坐標值 （x1， y1， z1）、 壩塊下層坐標值 （x2， y2， z2））；特殊條件 （溫控、導流、面板防滲、灌漿、排水等）。

系統輸出包括未來事件表和月施工進度表 （日期 （年、月）、總方量、壩段、基礎高程、上月高程、本月高程、總高程差、本月澆筑高程、設備名稱、實際利用率、有效利用率、生產率等）。

2.2 仿真系統綜合模型

澆筑系統仿真綜合模型流程見圖2。主要有以下步驟：

（1）數據初始化。讀取開工日期、施工機械的性能參數、壩體參數、混凝土澆筑倉面的澆筑條件等。

（2）確定仿真相關變量。判斷是否以大壩開工日期為仿真起始時間，若不是，則依據當前大壩的相關參數繪制其澆筑現狀形象圖。

（3）以施工日歷來限制仿真。仿真以一天為步長，每天起始時判斷該天是否已到仿真終止時間，是則終止仿真，否則判斷該天是否可以施工，可以則繼續推進，不可以則順延至下一天。

（4）每天的具體仿真。本部分為仿真的重點部分。首先根據仿真時鐘及澆筑機械的安裝使用情況確定由哪些澆筑設備來完成今天的混凝土澆筑；然后將一天分成若干臺班 （或2或3個臺班）。在每個臺班內，對每一臺澆筑機械進行掃描，同時確定繼續澆筑對應可澆壩塊，再轉到各自的澆筑機械服務子程序；在一個臺班結束后記載本臺班內相關變量（混凝土量、高程、時間等變量），轉至下一臺班，直至一天仿真結束；繼續仿真，直至到達仿真終止時間[10]。

圖2 向家壩工程大壩澆筑仿真系統流程

3 向家壩大壩澆筑方案仿真研究

一般來講，高混凝土壩混凝土澆筑機械可歸納為門塔機、纜機、塔帶機三類，向家壩水電站高壩混凝土澆筑方案也重點比較了這三類機械。另外，考慮到向家壩水電站作為三峽工程的后續工程，設計中盡量考慮采用三峽工程中使用過的大型施工設備。經綜合分析，向家壩水電站大壩宜采用纜機、塔帶機為主導機械并輔以少量常規門塔機的組合澆筑方案[6]，結合文獻[6-8]本文重點比選了以下3個方案。

方案一為2臺擺塔式纜機+4臺塔帶機方案。大壩澆筑全部采用在三峽工程已使用過的澆筑機械，即選用2臺擺塔式纜機和4臺塔帶機，并輔以少量的門塔機來進行大壩的施工。其中混凝土澆筑主要采用塔帶機，擺塔式纜機主要負責金結吊裝以及輔助作業，并承擔部分混凝土澆筑任務。

方案二為2臺平移式纜機+2臺擺塔式纜機 （布置在中部）+3臺塔帶機方案。采用三峽總公司已有的2臺20 t擺塔式纜機和3臺塔帶機，另購2臺30 t平移式纜機，并輔以少量的門塔機進行大壩施工。3臺塔帶機和2臺平移式纜機主要用于混凝土澆筑，2臺擺塔式纜機布置在大壩中部，以金結吊裝及輔助作業為主，并承擔其覆蓋范圍內部分混凝土的澆筑任務。

方案三為3臺塔帶機+3臺平移式纜機方案 （纜機右岸為A型塔架）。采用三峽工程已使用過的3臺塔帶機和新購3臺平移式纜機，并配備適量門塔機澆筑大壩，纜機右岸塔架采用A型塔架。右岸平臺高程為435 m，塔架高65 m，3臺纜機雙軌道布置，1、3號纜機同軌，2號纜機布置在另一軌道，軌距10 m，纜機平臺寬16 m。考慮到右岸地形條件，同時為避開纜機平臺右側的380 m高程拌和系統，A型塔架的拉索平臺布置在右側約415.5 m高程的懸崖上，平臺高程405 m，拉索平臺寬5 m。

重點比較了三種方案的施工工期、機械利用率和施工強度，其中機械利用率包括平均利用率和最大利用率，施工強度包括平均施工強度、最大施工強度及不均勻系數。這幾個參數的計算公式如下：

機械利用率的計算一般以月為單位，平均利用率及最大利用率是指整個施工工期內機械各月利用率的均值及月利用率的峰值。月利用率通過式 （1）來計算

式中，Ei為第i月澆筑機械的利用率，為第 i月第j臺機械的實際工作時間，為第i月的日歷時間；k為參與澆筑工作的機械數量。平均利用率及最大利用率由式（2）計算

式中，N為總工期 （月數）。

施工強度是指施工過程中某一時間段內澆筑混凝土的方量，常常以月為計量單位。在系統方案評價中，常常采用均值、最大值及不均勻系數來描述。整體綜合平均施工強度及最大澆筑強度Hmax分別按式（3）和式（4）來計算

經仿真運算得到三種方案的施工工期、主要設備澆筑強度、設備利用率統計見表1。

在如上模擬成果的基礎上，經過多方案綜合技術經濟比較，方案三在設備利用率、澆筑強度、施工進度、大壩施工工期等方面均較為適中，綜合指標相對較優。故而論證了向家壩大壩二期工程采用3臺平移式纜機和3臺塔帶機方案是較優的。

4 結語

向家壩工程大壩混凝土施工工期緊，工程量大，施工技術復雜，施工質量要求高。大壩澆筑采用了多種施工機械組合施工的方案。不同的施工機械配套組合方案在保證施工進度和質量的可靠性、施工組織難度、施工成本等方面存在差異，如何確定最優方案，既保證施工進度和質量，又使技術經濟綜合指標最優，是水電工程設計施工部門所面臨的現實問題。本文針對這一問題運用計算機仿真對向家壩二期工程大壩澆筑進行了施工機械的配套研究，得到不同方案下各月的最高澆筑強度、平均澆筑強度、機械利用率和施工工期等主要參數，并在此基礎上進行多方案優選，論證了向家壩二期工程采用3臺平移式纜機與3臺塔帶機，并輔以適量門塔機和胎帶機的機械配套方案的合理性。

表1 主要設備澆筑強度、設備利用率統計

［1］ 董標，向弘，李仕奇.大型水利水電工程施工仿真技術研究與應用［J］.水力發電， 2006， 32（11）:88-91.

［2］ 鄭家祥.高碾壓混凝土拱壩仿真三維施工模擬［J］.水力發電，2003， 19（2）:1-7.

［3］ 梅雪東，高鵬.向家壩水電站二期混凝土工程施工組織設計介紹［J］.中國三峽建設 （科技版）， 2008， 14（1）:46-48.

［4］ 翁永紅，謝紅忠，夏仲平.混凝土壩施工實時動態仿真 ［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［5］ 巫世晶，賀小明，何小新，等.大壩碾壓混凝土澆筑及施工機械配套的仿真研究［J］.紅水河， 1999， 18（2）:.

［6］ 翁永紅，汪安華，范五一，等.向家壩水電站大壩混凝土澆筑方案研究［J］.中國三峽建設， 2004， 11（5）:35-37.

［7］ 陳立華.向家壩水電站大壩施工動態三維可視化仿真研究［D］.武漢：武漢大學，2004.

［8］ 申明亮，陳立華，陳偉，等.向家壩工程大壩混凝土施工過程動態仿真研究［J］.中國工程科學， 2004， 6（6）:68-73.