混凝土施工仿真及進度監控技術在深溪溝廠壩工程中的應用研究

劉金飛，尹習雙，邱向東，何有忠，殷奎生

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

深溪溝水電站位于大渡河中游漢源縣和甘洛縣接壤處，是大渡河流域梯級規劃中的第十八級電站，裝機容量660MW，4臺發電機組。樞紐由3孔泄洪閘、1孔排污閘、主廠房、右岸窯洞式安裝間和2條泄洪洞等建筑物組成。

深溪溝攔河壩采用廠壩結合的布置形式，結構復雜，施工干擾大，影響因素眾多，原計劃2010年11月30日發電，而建設方要求在保證工程質量和安全的前提下提前至2010年7月1日首臺機組發電。由于前期工程進度已嚴重滯后，工期相當緊張，迫切要求在廠壩施工中解決以下關鍵問題:如何針對復雜的結構和工序間的干擾，合理安排施工順序;如何快速評價當前的施工進度，分析進度偏差的原因并提出合理的解決措施;如何及時分析施工條件和施工參數的變化對后續施工進度的影響;如何從錯綜復雜的影響因素中找出制約混凝土快速施工的關鍵因素，有針對性地優化施工方案和優選施工參數，加快施工進度。

針對深溪溝廠壩混凝土施工的特點和深溪溝廠壩混凝土施工管理的要求，我院數字工程中心自主研發了“深溪溝水電站廠壩混凝土施工仿真及進度監控分析系統”，實現了快速建立施工仿真模型、全參數化精確構建復雜的三維廠壩、支持人工交互的網絡環境訪問仿真成果等多項功能。

2 深溪溝廠壩工程概況

該工程攔河壩壩頂高程662.50m，壩頂全長226.0m，最大壩高為101.0m，廠壩混凝土約122萬m3。攔河壩自左至右分為左岸擋水壩段、左岸泄洪閘(左塊)、左岸泄洪閘(右塊)、4號機組壩段、3號機組壩段、2號機組壩段、1號機組壩段、右岸接頭壩段8個壩段進行澆筑施工。

廠房壩段上游側布置2臺MD1100塔機，下游側布置2臺STDQ1800高架門機。泄洪閘和排污閘布置1臺M900塔機。混凝土水平運輸采用50臺15～20t自卸車和12臺6m3混凝土攪拌車。

3 深溪溝廠壩混凝土澆筑仿真模型

通過定義變量與約束條件間的邏輯關系，來定量描述施工過程中的眾多影響因素及其錯綜復雜的制約關系。變量按澆筑規律和約束條件，隨仿真時鐘的推進動態變化，從而模擬廠壩的動態施工過程。

3.1 主要變量設置

(1)各壩段的頂高程E(i，j)，當前澆筑塊高程EC(i，j);

(2)各壩塊的澆筑高程 E(i，j，k)、層厚 H(i，j，k)、方量 V(i，j，k)、層澆筑歷時 T(i，j，k)、間歇時間TI(I，j，k)、澆筑完成時間 TE(i，j，k);

(3)廠壩混凝土總澆筑方量∑V、當前累計澆筑方量VC、各柱體累計澆筑方量VC(i，j);

(4)各澆筑設備的時鐘值C(m)、設備完成的工程量VT(m)、檢修狀態R(t)、澆筑強度Q(t)，工作效率W(t);

(5)即將要進行澆筑的混凝土塊號BlockID和澆筑機械機號MachineID。

其中i、j、k分別為壩段號、柱體號和層號，t為當前時刻，m為澆筑設備號。

3.2 約束條件

指廠壩混凝土施工的一般規律和制約混凝土施工的各種因素等，包括錯縫導致的澆筑塊相互壓制、壩體層間間歇時間、混凝土初凝和終凝時間、相鄰壩塊高差、立模拆模要求、基礎處理、倉面清理、廠壩上升速度、澆筑設備控制范圍及強度限制、拌合樓供料強度限制等要求。

3.3 優先原則

理想的廠壩混凝土的施工過程，是一個不斷由低到高的均衡生產、均衡施工和均衡上升的過程。為保證施工的均衡性，在混凝土模擬施工中應遵循以下原則:

(1)澆筑設備時鐘最小優先原則。在選擇施工澆筑設備時，一般優先選用工作狀態時間最小的設備，為準備進行混凝土澆筑的設備。

(2)壩塊澆筑高程最低優先原則。除特殊原因外，總是優先選擇澆筑高程較低的壩塊。這樣可使壩體全線整體均勻上升，避免出現過大的高差。

(3)壩塊間歇時間最長優先原則。為防止老混凝土的發生，避免混凝土因溫度變化引起的裂縫，采用壩塊間歇時間最長優先原則。

(4)有度汛擋水要求的柱體優先澆筑原則。按照導流度汛方案，往往要求壩體在汛前達到一定的澆筑面貌，在其他條件相同的情況下，應優先澆筑有度汛擋水要求的柱體。

3.4 仿真流程(見圖1)

圖1 仿真系統流程

3.5 系統架構與軟件特點

3.5.1 系統架構

本系統的結構設計總體遵循通用性、模塊化、可視化、網絡化的原則，系統構成與各模塊之間的關系見圖2。

3.5.2 復雜廠壩結構的精確模型

為使系統仿真成果更符合工程管理人員的習慣，系統采用三維平臺動態展示壩體上升過程。廠壩結合布置的混凝土重力壩孔洞繁多，結構復雜，采用法國達索公司CATIA平臺構建的廠壩三維模型，可以精確表現復雜的空間曲面和孔洞結構，計算各控制點坐標以及廠壩混凝土方量。在CATIA平臺的知識工程環境下，全參數驅動的水工建筑物模板能快速適應同類工程的結構變化，達到快速、準確建模的特點。

3.5.3 三維動態分層

施工過程中，施工分層分塊會根據工程需要進行修訂，若每次調整都重新構建三維模型，難以適應快速調整的需要。基于CATIA提供二次開發接口，采用VBA技術對廠壩三維模型進行分層分塊，能迅速響應現場廠壩施工分層分塊的變化。

3.5.4 支持人工交互的網絡三維查詢系統

傳統的仿真系統往往采用單機運行環境，隨著網絡和現代信息技術的發展，這顯然已經無法滿足工程管理者對進度監控的需求。本系統網絡模塊基于Java applet插件、CATIA二次開發技術、網絡數據庫技術開發，可以通過網絡平臺發布仿真成果，形象地展示施工面貌、進度偏差和對工程后續施工的預測成果。工程管理人員可以根據權限進行遠程訪問，獲取壩體澆筑強度、施工歷時、間歇時間、上升速度、施工面貌、機械設備的使用情況、仿真成果和澆筑記錄，并支持數據表、柱狀圖、餅圖、橫道圖、壩段二維模型、三維模型等多種方式查看和導出。

3.5.5 多方案比較與管理

工程決策中往往需要對實際澆筑面貌和進度計劃、不同仿真方案、仿真方案與預期計劃方案之間的形象面貌進行比較，本系統可以對多個方案的數據進行管理，并通過采用不同顏色標示兩比較方案的滯后和超前情況，使用戶能方便直觀地分析實際進度的情況和不同方案的差異。系統運行界面見圖3。

圖2 系統整體架構示意

圖3 系統運行界面

4 深溪溝廠壩混凝土澆筑施工仿真與進度監控

本系統于2009年3月在深溪溝工程中投入使用，直至2010年1月混凝土主體工程基本完工。

在此期間，現場施工邊界條件如澆筑層厚、分縫方式、澆筑間歇時間等不斷發生變化，實際施工面貌也往往出現滯后或者超前計劃面貌的偏差，現場施工管理中需要及時分析這種變化對后續施工的影響，合理優化施工參數，確定關鍵路徑，調整資源配置，制定或調整施工預案。我們通過逐月跟蹤現場施工情況，更新施工邊界條件，進行多方案的比較分析，有針對性地提出改進措施和指導性建議，為現場決策提供參考。下面以2009年11月仿真計算方案為例進行介紹。

4.1 澆筑面貌和邊界條件的變化

截至2009年11月20日的現場實際澆筑面貌和進度計劃的對比見圖4。

圖4 2009年11月20日現場面貌與計劃比較

從11月20日現場施工面貌看，除4號機機窩段施工提前完成計劃外，其他壩段均存在不同程度滯后。

根據參建各方討論及專家咨詢意見，1號機機組壩段廠房封頂約1個月，與發電機層622.4～628.5m混凝土施工由順序施工改為并行施工，不占直線工期。

4.2 仿真計算成果及其分析

按照澆筑歷史面貌和工序的調整方案更新仿真模型，重新進行仿真分析，計算結果見表1、圖5。

結合實際澆筑面貌和仿真成果進行分析，總體上講，因前期澆筑強度不足，廠壩混凝土工程總工期比計劃滯后10d。若2009年11月以后施工進行順利，首臺機組發電節點工期基本能滿足第4次調整預案進度要求，但工期已相當緊張。

從表1來看，1號機壩段發電機層的施工為首臺機組發電的關鍵路徑。1號機組2010年1月中旬可提供機組安裝工作面，安裝及調試按5.5個月計算，2010年7月初1號機組可完成安裝、調試工作。

泄洪閘及排污閘壩段施工項目為次關鍵路徑，泄洪閘及排污閘壩段混凝土將于2010年1月23日澆筑至頂高程，弧形工作閘門、排污閘工作門及其啟閉機安裝時間約5個月，可于2010年6月下旬安裝完成，下閘擋水。

表1 關鍵項目施工進度

圖5 1號機組發電機層澆筑完成關鍵節點面貌(▽628.5m高程，2009－12－3)

左岸擋水壩段混凝土2010年2月中旬可澆筑至頂高程，右岸接頭壩段混凝土已于2009年7月底澆筑至頂高程。

當前右岸接頭壩段、1～2號機進水口壩段及尾水壩段已澆筑至頂，3號、4號機組壩段處于混凝土澆筑高峰期，隨著部分壩段土建工程完工，混凝土澆筑強度總體呈下降趨勢。1號、2號機壩段機窩段金屬結構安裝工作量較大，占用起重設備時間較長，且與土建施工交面頻繁。需根據當前時段的施工特點，研究1號機發電機層頂部混凝土澆筑施工方案，做好金屬結構吊裝與混凝土澆筑之間的調度與協調，減少安裝與土建施工之間的干擾。

4.3 應用小結

系統應用期間，通過緊密跟蹤現場施工情況、逐月進行仿真分析、編制進度仿真月報、開展現場咨詢服務，為工程管理人員快速準確掌握施工全過程、及時動態調整施工計劃提供了科學依據，為電站工程的進度監控及施工管理提供了技術支持。從比較分析看，仿真預測成果與實際施工進程比較吻合，極好地驗證了系統的準確性和先進性。

通過參建各方的共同努力，電站首臺機組于2010年6月27日順利投產，提前實現了2010年7月1日發電的總目標，較招標計劃提前約5個月，初估增加發電效益達1.5億元，經濟效益顯著。

5 結論與展望

廠壩混凝土施工仿真及進度分析監控系統，解決了廠壩施工復雜的分縫分塊、錯縫搭接施工及相應的進度計劃調整問題，具有能快速高效建立仿真分析模型、實時跟蹤施工條件變化反饋進度預測成果、高精度表現復雜廠壩模型、基于網絡訪問仿真成果和仿真過程三維動態查詢等特點。系統在深溪溝工程中的成功應用表明，其具有廣闊的推廣應用前景。

［1］王維平.離散事件系統建模與仿真［M］.北京:科學出版社，2006.

［2］尹習雙，等.基于虛擬現實的水電工程施工動態可視化仿真研究［J］.系統仿真學報，2005.

［3］林銳.軟件用戶界面設計指南［M］.電子工業出版社，2000.

［4］孫錫衡，等.水利水電工程施工計算機模擬和程序設計［M］.中國水利電力出版社，1997.

［5］熊光楞，等.連續系統仿真與離散事件系統仿真［M］.清華大學出版社，1991.

［6］丁世來，等.大壩混凝土澆筑塊排序方法的評估研究［J］.紅水河，2004，23(2):97 －100.