考慮纜機雙平臺干擾的混凝土壩兩倉聯合澆筑機械配置優化研究

(三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

混凝土壩施工具有施工工序多，施工強度大的特點。施工進度、質量及效益的綜合最優是長期以來混凝土壩施工追求的根本目標。施工機械協同作業水平直接決定壩體施工進度及質量[1]。研究者從不同角度研究了此類問題。田康健[2]建立了面向時間參數約束的施工資源調度模型，為水利工程施工資源調配提供參考；S.Thomas[3]等提出應用PDA方法解決資源分配問題, 即使在不連續的施工中仍然可以達到資源浪費的最小化;常春光[4]應用規劃理論建立了資源配置線性規劃模型。另有不少學者對施工機械配置做了相關研究[5-8]。考慮施工工藝、壩體生長及澆筑能力各方面的要求，混凝土壩通常理解為幾十個澆筑壩段及數以千計的澆筑倉逐倉澆筑上升。單倉排隊澆筑雖然可用資源充足，但機械整體利用率不高，澆筑強度有限，導致整體進度落后于計劃進度。兩倉聯合澆筑一定程度上能改善進度落后問題，但對施工安全及施工機械配置提出了挑戰。因此，利用有限機械資源，優化施工機械配置，充分發揮兩倉聯合澆筑優勢對大壩施工意義重大。

纜機作為混凝土壩施工混凝土運輸入倉的唯一施工機械，其高效運行對澆筑施工意義重大，其配置問題是機械優化的首要難題。纜機平臺通常布置為單平臺或高低線雙平臺。纜機的布置、選型及臺數的確定取決于實際工程的施工進度及澆筑生產率等技術指標。纜機與纜機間作業干擾問題普遍存在。鐘登華[9]等綜合考慮各種復雜的施工約束條件，建立了高拱壩施工質量與進度實時控制數學模型；李喆[10]基于充裕度規則分析了小灣水電站壩體澆筑各要素之間的相互影響；馮誠誠[11]等針對單平臺纜機布置形式做了高拱壩雙倉聯合澆筑的空間沖突問題研究。雙平臺纜機布置由于存在高度差的影響，其整體干擾問題另有特點。因此，在研究兩倉聯合澆筑機械配置優化模擬問題中有必要考慮雙平臺纜機作業干擾對兩倉聯合澆筑的影響。

1 施工系統組成

混凝土壩澆筑施工是一個由混凝土生產、運輸及澆筑合理規劃的有序過程。因此，可以將澆筑施工全過程視作一個總系統，而混凝土生產、運輸、壩體澆筑即3個分系統。3個分系統不是完全獨立的，其有序銜接保障了壩體正常澆筑施工。其中，混凝土生產分系統決定生產強度；運輸分系統是聯結混凝土生產制備與倉面澆筑的紐帶，保障運輸強度；澆筑分系統決定倉面澆筑資源的合理利用及澆筑強度。

拌合樓生產制備混凝土的能力決定自卸汽車水平運輸、纜機垂直運輸及倉面澆筑能力，把控壩體施工進度及混凝土澆筑質量；自卸汽車、纜機運輸能力直接影響倉面澆筑進度；倉面澆筑進度及施工質量又受到倉面平倉機、振搗機作業能力制約。施工系統全過程見圖 1。

2 優化模型建立

機械優化配置前提是掌握機械系統參數，充分利用每一種施工機械在澆筑施工中的作業能力，把握各施工機械相輔相成協調作業的特性，通過合理配置取得機械種類及數量的組合最優，爭取最大化的整體工作效率。

圖1 混凝土壩施工系統示意

混凝土壩施工中，施工方案不是一成不變的，往往存在由于天氣及資源限制等原因導致進度落后，需要及時調整施工方案。施工方案的改變意味著現有機械配置方案的調整。壩體施工中各類施工機械的協同作業水平直接決定著大壩建設的施工強度、進度及質量。因此混凝土壩施工機械的優化配置模型的建立對于澆筑施工意義重大。

優化配置的模型建立可分為以下3個環節：明確各施工機械的種類、型號及規格參數，確定其作業能力；由現有機械設備確定所有可行的施工機械聯合方案；根據優化目標，確定優化配置方案。其中，對于目標的優化需考慮現有約束條件，并建立評價標準。在機械數量有限的情況下，滿足約束條件的機械配置方案構成施工方案集，根據設定的優化指標及目標函數選出最優配置方案。

總結出混凝土壩兩倉聯合澆筑施工機械優化配置模型構建的一般性原則：①合理利用纜機富裕澆筑能力，明確優化目標；②確保纜機能夠覆蓋到工程全壩段，避免澆筑“死角”；③施工機械性能好，配套機械可使主導機械的效率充分發揮；④在保證施工質量的前提下，同時滿足各階段施工強度的要求；⑤兩倉聯合澆筑時考慮纜機干擾及空間沖突。

2.1 優化目標

在考慮兩倉聯合澆筑情況下的施工機械配置優化是一個多目標、多層次的系統規劃問題。主要目標有：施工總工期、施工強度、機械設備利用率及施工成本。

a) 總工期P：針對不同機械配置方案會有不同的施工澆筑時間，工期最短是機械優化配置需考慮的首要目標，即min(P)。

b) 施工強度S：機械優化配置的最終目標是滿足施工強度，完成澆筑任務，即max(S)。

c) 設備利用率ρ：各分系統中機械設備的利用率保證了機械優化配置方案的可行性，即max(ρ1ρ2…ρn)。

d) 施工成本C：各施工機械運行成本總和

式中Cj——第j種垂直吊運機械運輸的單位成本；Qjp——在p時段第j種垂直吊運機械的實際運輸量；Ci——第i種水平運輸機械運輸的單位成本；Qijp——在p時段，與第j種垂直吊運機械配套的第i種水平運輸機械的實際運輸量。

成本與工期、效率是相互矛盾的，為解決進度滯后、強度低的核心問題，本文中對成本不做過多考慮。

2.2 邊界約束條件

a) 機械數量約束：高拱壩倉面施工可用纜機數ml受纜機總數M約束。

對于逐倉澆筑：ml≤M

對于雙倉聯合澆筑：ml1

式中S、h——澆筑倉面積及坯層厚度；Pl——纜機生產率，T0——坯層覆蓋時間。

b) 機械性能約束：施工強度受各施工機械作業能力制約，需合理配置機械型號及運行參數。

c) 機械排隊時間約束：由于澆筑施工中，各分系統之間的工作離散性的，使得自卸汽車在拌合樓受料和供料平臺卸料兩個環節均存在一個理論的排隊等待時間T1、T2。根據工程經驗，應保證每次等待時間在上述時間范圍內。該時間需綜合考慮拌和生產、運輸及澆筑的相互影響，保障混凝土質量。

T1i≤T1；T2i≤T2

d) 澆筑面貌約束：根據高拱壩壩體生長特性及施工技術要求，澆筑壩段需滿足與相鄰壩段最大或最小懸臂高差限制要求。

最大高差限制:Hi-Hi+1≤Hmax；Hi-Hi-1≤Hmax

最小高差限制:Hi-1-Hi≤Hmin；Hi+1-Hi≤Hmin

e) 控制性時間約束：澆筑施工需綜合考慮對混凝土溫控及澆筑質量的影響，因此需滿足間歇期等控制性時間約束。要求澆筑時間控制在各典型壩段澆筑塊控制性時間T(x)內。

Ti

f) 纜機控制范圍約束：為避免多臺纜機聯合澆筑產生的干擾，需確定纜機澆筑控制范圍。假設每臺纜機對上下游的可控范圍為Cs(i)、Cx(i)，纜機適用于待澆倉需滿足的總體條件為：

Cs(x)≤Cs(i)；Cx(x)≤Cx(i)

g) 雙倉聯合澆筑時壩段間隔約束：考慮施工安全及效率問題，雙倉聯合澆筑情況下待澆兩壩段的壩段間隔數不小于3。

h) 雙平臺纜機干擾約束：纜機干擾約束主要包括取料約束、維修約束、澆筑約束。

纜機間的干擾主要指纜機共同作業時纜機與纜機之間的距離，該距離不是兩者之間的直線距離D，而是指考慮安全運行及工作效率保障的有效距離Defficient。通常情況下，取直線距離加上2～3個澆筑條帶寬度L,即Defficient=D+(2～3)L。

在雙平臺纜機雙倉聯合澆筑中，假設所有纜機均處于工作狀態，且由于纜機高低線布置的平臺本身存在高度差h，而纜機吊灌在受料平臺上的高度差干擾也需考慮吊灌運行的安全與效率，限制雙平臺纜機吊灌高差hi>h。

2.3 評價標準

a) 月實際施工強度與計劃施工強度差值ΔS=∑S實際-∑S計劃，ΔS越大，則方案越優。

b) 纜機作為唯一的混凝土垂直運輸入倉機械，其工作效率直接決定澆筑強度。單臺纜機運行效率指某月第K臺纜機工作時間占當月日歷時間的比值：

c) 倉面機械生產強度與混凝土設計入倉強度的吻合程度σ。σ越小，則倉面機械生產力越接近入倉強度，不會造成澆筑滯后，對澆筑質量影響越小，方案越優。

σ(i)=P倉面-P入倉

d) 機械數量N。由于倉面面積及施工設備、人員的限制，同等條件下，滿足優化目標及約束條件下的機械配置數量越少，則所受干擾越小。

2.4 纜機

纜機工作循環時間Tl一般可理解為固定工作時間、可變工作時間及輔助工作時間之和。通常單循環時間Tl為6～10 min。

a) 纜機投入數量確定

式中ml——纜機數量；S——澆筑倉面積；h——坯層厚度，一般取0.5 m；Tl——纜機單循環時間；T0——混凝土坯層覆蓋時間。

c) 平倉機與纜機數量關系確定。小灣、溪洛渡等大量工程實踐表明，倉面澆筑質量的要求決定了平倉機、振搗機與纜機之間難以滿足基于澆筑強度的數量關系。倉面澆筑通常分區、分條帶進行，確保每臺纜機可控卸料區域內均勻配備一臺平倉機及振搗機能有效控制混凝土平倉及振搗，不會形成料堆，保證澆筑質量。因此平倉機、振搗機與纜機數量1∶1配備。建立施工機械優化配置模型見圖 2。

圖2 機械優化配置模型

3 工程實例

某高拱壩施工期年計劃澆筑強度為200萬m3，高峰月澆筑強度達20.2萬m3。截至本年度3月，計劃總澆筑強度44.1萬m3，實際總澆筑強度為39.2萬m3。前期均采用逐倉澆筑，澆筑強度較低導致整體澆筑進度落后于計劃進度。4月計劃施工強度為17.6萬m3。為加快施工進度，計劃4月改逐倉排隊澆筑為兩倉聯合澆筑。

a) 施工分系統配置參數。工程共有高、低線兩座混凝土生產系統，生產能力大于500 m3/h。共布置雙平臺(高線1、2、3、低線4、5、6、7號交錯布置)7臺平移式纜機，額定容量9 m3，與高、低線供料平臺配套使用。纜機小車水平運行速度為8.0 m/s，垂直運行速度為(2.5～3.5 m/s)。SD13S型平倉機小時作業強度為180 m3/h，攤鋪層厚度為0.5 m，一層混凝土攤鋪次數為2次。振搗機采用VBH13S-8EHL型8棒φ150自行液壓式振搗機，作業強度為165 m3/h；自卸汽車單次循環時間為13.4 min，小時運輸能力為40.3 m3/h。

b) 澆筑控制性時間。間歇期含廊道倉取14～16 d，典型倉取5～7 d，牛腿等復雜結構倉取12 d，底孔倉取16～20 d。坯層覆蓋時間不高于5 h。

c) 纜機控制范圍。7臺平移式纜機均能控制澆筑全壩段上下游范圍。

d) 干擾約束。雙倉聯合澆筑時兩倉間隔壩段數不小于3；同平臺兩臺纜機靠近時主索間最小距離D為10 m(高線)/12.5 m(低線)，不同平臺兩臺纜機運行主索間最小安全距離為6 m。運行時纜機間有效距離De因澆筑倉順河向長度L變化引起澆筑條帶長度變化，每倉按8條帶劃分區域。取De=D+(2～3)L/8；高、低平臺高差為66 m，不同平臺吊灌運行有效高度差H>66 m。

在對4月施工機械配置方案的分析比選中，最終得到以纜機為主導的兩種優化方案。優化方案一：為高平臺3臺纜機澆筑一倉，低平臺4臺纜機澆筑另一倉，平倉機、振搗機數量以1∶1配對纜機，自卸汽車數量以2∶1配對纜機。優化方案二：當高低平臺纜機混用時，高、低平臺纜機分別3臺澆筑兩壩段，低平臺第四臺纜機靈活澆筑兩壩段，平倉機、振搗機數量比纜機數量多1，自卸汽車數量以2∶1配對纜機。以聯合澆筑典型倉為例，見表 1。

表1 各典型倉機械配置結果

對比分析得知(表 2)，本年度3月共計澆筑歷時853 h，澆筑34倉，總計單倉排隊澆筑強度為15.4萬m3，平均澆筑強度185.43 m3/h，纜機平均澆筑強度為66.03 m3/h，平均單倉澆筑耗時25.08 h；4月共計澆筑歷時1 191 h，兩倉聯合澆筑天數13 d，占日歷天數43.3%。共澆筑39倉，總計澆筑強度19.1萬 m3，比3月增長3.7萬 m3，比原計劃4月澆筑強度提升1.5萬 m3。平均澆筑強度162.20 m3/h，纜機平均澆筑強度為70.37 m3/h，平均單倉澆筑耗時30.55 h。設計方量與實際入倉澆筑方量吻合程度較好，機械利用程度高。

表2 澆筑強度對比

各纜機3、4月運行情況見表 3。

表3 各纜機工作效率對比 %

對比發現，兩倉聯合澆筑雖較單倉澆筑耗時增長，但合理的機械配置提高了機械利用率，澆筑強度增加。在這一思想基礎上，可確定方案優化后的整體施工強度將顯著增加，工期將較之前得到顯著縮短。

4 結論

本文通過對高拱壩工程混凝土澆筑施工特點和施工系統分析，充分利用施工機械富裕的澆筑能力，確立了兩倉聯合澆筑的施工機械優化配置的優化指標及約束條件，建立施工機械優化配置模型，通過對施工任務的分析，建立機械配置優化方案，極大程度改進了機械工作效率，顯著增加了施工強度，縮短施工工期，對同類型工程施工進度優化有一定指導意義。