特高拱壩施工進度仿真系統應用及對比

王 飛，尹習雙，劉金飛，瞿振寰，譚堯升

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130；2.中國三峽建工（集團）有限公司，四川 成都 610041；3.中國長江三峽集團有限公司，北京 100038）

0 前 言

在壩體混凝土的澆筑過程中，拱壩區工作面的施工組織非常復雜，影響其施工的因素眾多，除混凝土生產和澆筑的生產效率外，還受到拱壩結構型式（閘室、孔洞、廊道）、氣候條件、壩體分縫分塊、相鄰高差、溫度控制措施、基礎處理、倉面處理、機電安裝等多種因素的影響［1］。比如白鶴灘工程拱壩混凝土施工中面臨雙標段、分縫分塊復雜、澆筑塊眾多、錯縫搭接、跳塊復雜，雙纜機平臺、施工設備多、干擾大、設備配套施工復雜等多環節多工藝的施工協調相互影響、相互制約等復雜問題，使得在較明確的工期目標下施工進度管控難度大［2］。仿真技術［3-9］為解決復雜工程的施工進度管控難題提供了有效的解決方案，并在小灣［10］、錦屏一級［11］、溪洛渡［1，3-4］、烏東德［12］、白鶴灘［2，13］等特高拱壩工程持續實踐中，最終形成耦合工程物聯網的特高拱壩施工進度仿真系統［13］。

1 特高拱壩施工進度仿真系統

1.1 特高拱壩施工進度仿真系統框架

系統由理論層、模型方法層、應用層構成。理論層是進度仿真的理論基礎，包括研究高差控制參數、接縫灌漿溫度、大風、拱壩施工規律等多要素對施工進度的影響及耦合交互的分析原理。模型方法層是大壩施工進度仿真的實現方法，包括參數建模與分析算法。應用層是根據進度仿真的二三維可視化分析成果，供生產一線管理人員靈活進行施工強度和進度分析與優化。

1.2 特高拱壩施工進度仿真系統功能

基于實時采集的大壩實際施工過程數據，分析現場施工效率和施工組織水平、特點、規律，考慮溫度、應力、工藝要求等多維約束條件下耦合作用，建立進度仿真分析模型，研發了能反映拱壩施工特點以及面向工程技術人員的特高拱壩施工仿真系統［13］，該系統具有“建模—分析—輸出”一體化功能，可提供滿足施工現場快速變化的參數化建模、二三維一體化分析、面向一線生產者成果輸出等功能，以滿足生產一線多變的需求（見圖1）。

圖1 特高拱壩施工進度仿真系統架構

1.2.1 參數化建模

（1）仿真面貌初始化

對當前仿真條件和參數進行初始化，獲取施工進度的初始面貌。初始化內容包括：壩塊實時澆筑面貌、接縫灌漿實時面貌、壩段分層方案、接縫灌漿分區級灌漿控制參數、機械設備資源、最大允許同時澆筑倉個數、倉面搭接比例及機械群運行參數、備倉參數、模板參數等（見圖2）。

圖2 仿真初始面貌示意

（2）澆筑參數化分層

采用澆筑分層參數化設置，可根據結構設計及大壩施工組織設計方案，進行仿真單元快速分層設置。高拱壩主體采用3m分層，局部因結構特點、溫控要求調整為1.5m＋1.5m分層；陡坡壩段采用智能通水等溫控技術手段結合嚴格的溫控措施，陡坡壩段首倉一般為7～8m，最高可達11m，孔口區域大梁不分開（見圖3）。

圖3 大壩分層分塊示意

（3）澆筑間歇期批量設置

仿真系統可實現澆筑間歇期的批量設置。澆筑間歇期控制表征了備倉水平，受結構復雜程度、倉面大小、備倉組織等方面的影響。因此大壩主體澆筑間歇控制在多長時間需要根據實際情況確定，按規范一般不應產生超過28d齡期老混凝土，合理安排施工計劃與資源，以保證壩體連續、均衡、快速上升。此外，某些特殊部位的間歇期控制，考慮溫控防裂及結構應力要求，宜有明確的要求，比如廊道封頂后上部第1倉間歇期宜控制在6～7d，完成對廊道頂部的覆蓋避免產生不良溫度應力，孔口封頂后上部第1倉應控制在12d左右，同時滿足溫控需求及結構強度要求，具體如圖4所示。

圖4 大壩混凝土澆筑間歇期

（4）倒縫參數化設置

對倒縫參數進行參數化設置，設置是否需要倒縫及倒縫時機。如白鶴灘特高拱壩共分為31壩段，奇數壩段為高壩段，偶數壩段為低壩段。通常后澆筑的奇數壩段需要倒縫；在遇到復雜結構部位因備倉時間較長，為不影響相鄰壩段的澆筑可根據實際情況進行二次倒縫。倒縫的必要性、位置及時機的選擇則需要結合結構特點以及對施工強度與進度的影響綜合分析判斷，以保證壩體澆筑進度及施工面貌均衡性的技術要求。

由于河床奇數壩段澆筑高程始終比偶數壩段高，故沒有倒縫；而岸坡壩則存在倒縫，如圖5所示。

圖5 岸坡壩段倒縫示意

1.2.2 仿真成果二維和三維一體化可視化分析

在仿真模擬過程中，可通過二維立視圖和三維圖形動態顯示當前施工面貌、當前面貌和澆筑計劃的對比、動態施工澆筑過程，同時在三維圖形直觀展示空間信息，便于生產管理人員進行綜合分析，具體如圖6～7所示。

圖6 仿真方案對比

通過圖形可視化分析，可將施工過程或模擬施工過程重現，并與澆筑進度計劃進行對比顯示，便于分析當前澆筑進度滯后還是提前，并直觀顯示任意時刻、任意壩塊的澆筑面貌、澆筑時間、澆筑狀態等。據表等，以方面生產一線管理人員靈活進行施工強度和進度分析與優化。

圖7 三維實際澆筑面貌

2 工程應用對比

1.2.3 面向生產一線成果輸出

充分考慮現場應用的便利性，基于澆筑單元組織各類施工信息；在進行仿真計算時，不必每次重新組織數據。同時，在模擬計算結束后，只需對數據庫中的數據獨立處理，就可方便得到各種需要的數據，為降低一線生產人員的使用難度，可輸出跳塊圖數

結合當代國內高拱壩建設實踐經驗，以及特高拱壩施工進度仿真知識積累，對錦屏、溪洛渡、烏東德、白鶴灘等拱壩在運用施工進度仿真手段后的工程施工特性指標進行橫向對比，如表1所示，可以發現隨著智能建造技術應用深入，拱壩工程施工在纜機澆筑強度、纜機利用率、澆筑間歇控制水平上逐漸提升，為同類高拱壩建設管理樹立了新的標桿。

2.1 同類工程特性對比

國內同類型的高拱壩特征參數如表1所示。

表1 同類工程特征參數統計

2.2 類似工程月高峰強度對比

表2統計對比了錦屏一級、溪洛渡、烏東德及白鶴灘等高拱壩工程纜機數量、高峰月強度及單臺纜機月澆筑最大工程量。其中烏東德水電站于2017年12月達成單臺纜機月澆筑最高6.9萬m3記錄，其次是白鶴灘水電站于2019年4月單臺纜機月澆筑最高6.4萬m3，考慮到纜機數量多干擾大、河谷寬深運距長等情況，白鶴灘纜機月澆筑強度達到了同類工程最高水平。2019年11月澆筑混凝土72倉，月澆筑強度27.3萬m3，年澆筑強度270萬m3創造了同類工程的世界紀錄。

表2 各類似工程月高峰強度與纜機月最大強度對比

2.3 類似工程相似部位澆筑間歇對比

2.3.1 整體澆筑間歇統計與對比

在澆筑間歇控制水平上，白鶴灘水電站（總倉數2251）各倉澆筑間歇10d以內占比約41%，15d以內占比約75%，20d以內占比92.1%；烏東德水電站（總倉數872）各倉澆筑間歇10d以內占比36.5%，15d以內占比84%，20d以內占比96.2%；溪洛渡水電站（總倉數2090）各倉澆筑間歇10d以內占比39%，15d以內占比70%，20d以內占比82.7%。考慮與溪洛渡水電站的相似性，白鶴灘水電站20d以上澆筑間歇控制水平顯著提高。具體對比數據見表3。

表3 高拱壩澆筑間歇統計對比

2.3.2 類似工程相似部位澆筑間歇統計對比

通過對白鶴灘、烏東德與溪洛渡等水電站底孔、深孔及表孔等相似工程部位澆筑間歇統計對比可知（見表4），白鶴灘水電站深孔最大澆筑間歇26.8d、最小10d、平均18.4d，相較溪洛渡水電站深孔部位平均22.7d、烏東德中孔部位平均22.1d的澆筑間歇，控制整體水平有明顯提高，同時相較溪洛渡深孔單孔119.2d、烏東德中孔單孔91.7d實現91.6d完成7號深孔施工的記錄。

表4 類似工程相似部位澆筑間歇對比

3 結 論

特高拱壩施工進度仿真系統集“建模—分析—輸出”于一體，具有參數化建模、二三維一體化分析、面向一線工作者的成果輸出等功能。通過對已建／在建拱壩工程進度實際管控指標的對比表明，利用特高拱壩施工進度仿真成果，纜機澆筑強度、間歇期控制等方面上都有了新的突破，工程建設施工進度管控水平的也得到提升，為特高拱壩高效快速施工及進度管理提供了強有力的技術支撐，同時對高海拔地區同類工程相似施工條件下施工進度管控的纜機澆筑、間歇期控制等具有一定的借鑒意義。