高拱壩施工仿真模型中優先澆筑規則選擇與評價

張 為 法,王 仁 超,林 萬 旭,王 世 龍

(1.中國電建西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065; 2.天津大學 水利工程智能建設與運維國家重點實驗室,天津 300072)

0 引 言

特殊的受力傳遞結構使得拱壩具有經濟合理、安全可靠的優點[1],適用于高山峽谷中大型水電開發項目。近20 a間,中國在西南、西北地區先后建成了小灣、錦屏一級、溪洛渡、白鶴灘、烏東德、拉西瓦等一系列特高拱壩,在該壩型施工方面積累了大量的經驗,如在小灣工程施工過程中提出了同冷區、過渡區分區冷卻概念[2],在白鶴灘、烏東德水電站實踐了低熱水泥筑壩技術[3]。

但在中國先期建設的高拱壩施工過程中,均不同程度地出現過裂縫,且大多數裂縫出現在施工期[4]。合理的澆筑順序不僅有利于高拱壩溫控防裂[5],也有利于提高機械利用率及施工經濟性,合理規劃澆筑施工方案和施工過程,對于保證特高混凝土拱壩安全和提升經濟效益具有重要作用。

高拱壩施工受到多種因素的影響制約,包括環境因素、壩體結構與孔洞分布、施工機械、混凝土拌和系統等[6],如何綜合考慮這些因素,形成既滿足壩體溫控防裂[7]、度汛等進度目標要求,又兼顧施工經濟的壩體澆筑施工順序,是混凝土壩澆筑施工規劃和施工控制的核心問題之一。從系統優化角度來看,最佳澆筑順序獲得問題屬于組合優化-NP難題。對于這類問題,系統仿真是最為適宜和常用的方法之一[8]。

混凝土壩澆筑施工采用系統仿真的方法最早出現在1973年國際大壩會議上,Jurecha等[9]以奧地利施立格壩纜機澆筑施工為對象,利用確定性數字仿真方法對纜機澆筑大壩混凝土方案進行優選。國內則出現在20世紀80年代,朱光熙[6]針對二灘大壩纜機澆筑進行研究,并開發了相應的仿真系統;2005年,尹習雙等[10]提出了基于虛擬現實技術的仿真方法;2020年,鄒元品等[11]將Web增強現實技術用于高拱壩施工仿真。

不同混凝土高拱壩結構特點存在差異,最優施工方案涉及經濟、進度、安全等多個目標,需要特定問題特定分析[12],仿真結果的合理性與仿真者的經驗以及對于工程特點的認識相關,存在較大主觀性,有必要針對混凝土高拱壩施工仿真提出相應的優先澆筑規則類型以及優先規則選擇的評價指標。

目前,對于混凝土優先澆筑規則多是通過多次仿真試驗,確定不同階段的優先澆筑規則。為了保證能夠搜尋到較好的澆筑規則,石英等[13]提出了分階段模擬方法,鐘登華等[14]提出了基于粒子群優化的排序方法,吳斌平等[15]針對高拱壩提出了邊緣壩段優先的排序方法。這些方法多是啟發式的,但啟發式方法的缺點是不能保證所得結果是最優的,對于所得結果的評價缺乏規則的標準。

本文結合筆者多年從事高拱壩施工仿真的經驗,分析了高拱壩仿真模型及優先澆筑規則類型,結合忠玉高拱壩工程施工特點,探討了高拱壩施工優先澆筑規則選擇運用和評價方面的若干問題,以期為后續工程應用、程序開發等提供參考。

1 高拱壩澆筑施工仿真模型構成分析

高拱壩施工過程是在一定約束條件下不同筑塊澆筑上升順序問題,高拱壩澆筑過程施工仿真系統模型大多衍生自“理發館”模型,如圖1所示。

圖1 衍生自“理發館”模型的混凝土壩澆筑仿真概念模型

1.1 壩體與筑塊

壩體往往可用若干澆筑塊表示,若Pi表示第i個澆筑塊,則一個大壩D可以用若干筑塊Pi來表示,對于具有n個筑塊的壩體,可以表示為集合:

D={P1,P2,…Pi…,Pn}i=1,2,……n

(1)

在壩體澆筑施工仿真模型中,筑塊隨著仿真時鐘推進發生狀態改變,對于筑塊Pi的狀態SPi往往可以用屬性集來描述:

SPi={a1,a2,…al…,am}l=1,2,……m

(2)

式中:a為筑塊的屬性,如筑塊的高程、當前正在進行的工作、當前工作持續時間、累計澆筑量、累計老混凝土量等。

混凝土壩澆筑仿真過程是根據一定的澆筑服務準則,安排纜機等澆筑機械對筑塊進行澆筑,使得筑塊狀態發生改變。系統仿真通常將這一過程稱為狀態轉移,目前混凝土壩仿真模型多是采用基于離散時間的仿真機制,狀態轉移發生在特定時間點上,對于筑塊Pi,t時刻狀態為SPi,t,則t+1時刻狀態可以表示為

SPi,t+1=T(SPi,t)

(3)

式中:T()為狀態轉移函數。

1.2 澆筑規則

在混凝土壩澆筑施工仿真模型中,存在3類主要的規則,分別對應概念模型圖中的約束條件規則、優先澆筑規則、可用澆筑機械匹配規則,形成3個中間結果,即可澆筑的筑塊集合、可澆筑的筑塊隊列、選擇澆筑的筑塊集合。

(1) 約束條件規則RC。澆筑約束條件規則往往來源于規范、規程、標準等,具有客觀性。約束條件規則作用于一個筑塊形成的結果是筑塊可澆與不可澆,可用如下公式表達:

(4)

(2) 優先澆筑規則RO。優先澆筑規則主要解決的是筑塊的優先澆筑問題,通常由決策仿真人員基于對當前澆筑狀態或前一階段狀態評價以及度汛等進度預期要求主觀設定。優先澆筑規則RO通常包括:可用規則作用時間范圍、特定項目的全局優先規則、若干個對象范圍及其優先策略。如果可澆筑的筑塊集合用{APi}表示,優先隊列用OPQ表示:

OPQ=RO({APi})

(5)

由于不同的RO可能導致不同的澆筑進度形象和不同施工經濟性指標等,因此在施工仿真過程中,仿真分析者的主要工作通常是在施工不同階段選擇合適的優先澆筑規則。為不同階段選擇或嘗試不同優先規則就是分階段模擬思想,可以表示為

RO={ROt}t=1,2,3,…,T

(6)

(3) 可用澆筑機械匹配規則RAM。在混凝土壩澆筑仿真過程中,筑塊能否被澆筑取決于當前可用澆筑機械的澆筑能力和空間上是否受到正在澆筑筑塊的制約,基于可用澆筑機械匹配規則RAM,在形成優先澆筑隊列OPQ中選擇靠前的筑塊進行匹配,匹配成功則該筑塊進入澆筑狀態。若當前可澆筑的筑塊為集合UM,當前匹配成功的澆筑集合為OP:

OP=RAM{OPQ,UM}

(7)

2 優先澆筑規則選擇、運用與評價

2.1 優先澆筑規則類型

拱壩澆筑施工仿真模型存在若干優先澆筑規則,以下為主要、常用的優先澆筑規則。

(1) 均衡上升-最低塊優先澆筑規則。拱壩需進行橫縫接縫灌漿,同時特定結構需控制最大懸臂高度,以避免擬灌區以上壩體自身重力等作用引起的應力集中。因此,均衡上升是最有利于接縫灌漿的澆筑排序方式。對應均衡上升,優先規則表現為最低塊優先的原則,即在出現若干可澆筑的筑塊時,按照各個筑塊高程,采取由低到高的順序安排筑塊澆筑。

(2) 特殊部位優先規則?；炷凉皦未嬖谔厥獠课?如壩身會布置泄洪底孔、深孔以及表孔等泄水通道,需要安裝鋼襯的泄水深孔等,使得孔洞等部位混凝土間歇時間延長。通常在澆筑到該高程區間后,采取優先或跳倉措施先澆筑該部分筑塊,以降低對鄰塊的影響。

(3) 老混凝土優先澆筑規則。在澆筑過程中,要求盡量避免產生超長間歇,當間歇期超過特定天數(通常為28 d),則出現老混凝土。目前仿真模型多采用接近老混凝土的筑塊優先澆筑,設置老混凝土預警時間,若筑塊的間歇時間超過老混凝土預警時間,則接近老混凝土時間的筑塊優先安排澆筑。

(4) 岸坡壩段優先澆筑規則。在靠近兩岸筑塊下部通常是基礎約束區,易產生裂縫,需要較為嚴格的溫控措施,同時當岸坡較陡時,需要和相鄰壩塊保持一定的澆筑面貌。

(5) 奇數或偶數壩段優先規則。為了節省模板和澆筑方便,采用奇偶壩段跳倉的澆筑規則,即奇偶壩段之間保持一定的高差。針對一定范圍的壩段,奇數壩段或偶數壩段優先澆筑,則形成奇數或偶數壩段優先澆筑規則。

(6) 其他優先規則。為了滿足導流度汛形象、控制懸臂高度、在特定灌區完成高低塊轉換等,需要針對特定部位、時間、形象面貌等采取相應的優先澆筑規則。

2.2 優先澆筑規則運用技巧

混凝土壩澆筑仿真是一個試算過程,對于何時、何部位、何種澆筑面貌宜采用的優先澆筑規則問題,結合筆者多年工程仿真經驗,總結形成優先澆筑規則選擇的基本原則:

(1) 對于未布置有金屬結構或遠離金屬結構安裝影響的區域,通常應采用最低塊優先澆筑的原則,以保證壩體均衡上升;

(2) 對于整個壩體澆筑宜采用接近老混凝土筑塊優先的選擇,以減少老混凝土產生量,提高施工經濟性;

(3) 對于岸坡壩段,通常岸坡優先等級宜僅次于接近老混凝土優先澆筑規則;

(4) 對于布置有較長安裝時間的金屬結構或布置有深孔、表孔壩段及其鄰近的2～3個壩段,應在距離其所在高程之下1～2個灌區開始采用特殊部位優先原則,且應根據金屬結構所在壩段選擇奇偶壩段優先上升規則;

(5) 對于有度汛要求的情況,應在度汛高程之下2～3個灌區,采用最低塊優先澆筑的原則。

2.3 優先澆筑規則運用效果的評價指標

評價澆筑過程合理性的指標是混凝土澆筑施工仿真的重要研究內容之一。結合作者經驗,高拱壩澆筑施工仿真優先澆筑規則選擇評價應包含以下指標:

(1) 澆筑進度以及度汛等關鍵控制性節點進度。工期和進度形象是評價澆筑施工仿真優先規則選擇的最基本指標。對于關鍵節點工期合理性,通常需要模擬若干階段并結合澆筑月強度信息以及澆筑機械利用等信息進行評價。針對高拱壩,工期進度通常有壩體澆筑進度和接縫灌漿進度兩個方面。

(2) 澆筑進度形象面貌。澆筑面貌的合理性評價通常依賴仿真分析者的經驗及對工程特點的認識所形成的預期,需要通過一定量的工程積累,增加對不同澆筑規則可能導致不同形象的認識。例如,接近老混凝土筑塊優先規則往往會使越先開始澆筑的筑塊越高,在跳倉控制奇數壩段較高情況下,偶數壩段優先澆筑規則會導致相鄰筑塊高差接近最小高差等。

(3) 混凝土月澆筑強度分布。月澆筑強度分布合理性評價具有較為明確的準則,即高峰強度發生的部位是否合理以及月強度的波動性是否過大。月澆筑強度除了受優先澆筑規則影響之外,還受壩體筑塊分布、澆筑機械能力與合澆、懸臂高度控制、岸坡壩段等因素影響。優先規則選擇不當會導致高峰月強度發生部位不合理或在部分時段相鄰月份出現較大不正常波動。

(4) 老混凝土產生量。老混凝土的產生原因包括:金屬結構等施工時間過長、澆筑順序不合理導致部分壩段過快上升、澆筑機械配置不合理等。金屬結構施工時間長導致的老混凝土是不可避免的,澆筑機械配置方案不合理導致的老混凝土量,是評價機械配置方案的重要方面,而澆筑順序不合理導致的老混凝土則與澆筑優先規則相關。在用老混凝土衡量優先規則選擇與運用的合理性時,需要明確老混凝土產生的原因,進而評價和修改優先澆筑規則。

3 實例分析

3.1 忠玉高拱壩結構布置與混凝土澆筑施工特點

3.1.1結構布置

忠玉水電站大壩三維示意圖及上游展示圖如圖2所示。大壩為混凝土雙曲拱壩,壩頂高程3 225.0 m,建基面高程2 955.0 m,最大壩高270.0 m。壩身布置有3個泄洪表孔、1個泄洪深孔、1個泄洪底孔。自右向左分為21個壩段,12號壩段為泄洪底孔壩段,16號壩段為泄洪深孔壩段,13～15號壩段為表孔壩段,17號壩段為導流底孔壩段。由圖2可知,忠玉水電站大壩具有以下結構特點:

(1) 孔洞呈不對稱布置,泄洪底孔的12號壩段右側的1～11號壩段為擋水壩段,而泄洪深孔16號壩段以及導流底孔17號壩段的左邊僅有18～21號4個擋水壩段。

(2) 兩岸壩肩槽岸坡陡峭,忠玉高拱壩兩岸壩肩槽岸坡非常陡峭,19號、20號壩段之間基礎高差達47 m,20號、21號壩段之間基礎高差達91 m。

(3) 由于混凝土材料的關系,大壩壩段相對寬厚,忠玉高拱壩混凝土總方量338萬m3,與同樣壩高和高寬比的烏東德大壩相比,混凝土方量多出114萬m3左右。

3.1.2混凝土澆筑初始施工規劃

(1) 導流方案。忠玉水電站采用全段圍堰擋水、導流洞過流的施工導流方案。施工初期由圍堰擋水導流隧洞過流;中期由導流壩體臨時斷面擋水,導流隧洞泄流;后期由壩體擋水,臨時導流底孔泄流;臨時導流底孔下閘后,壩體擋水,永久底孔泄流。

(2) 壩體澆筑施工方案。忠玉水電站拱壩采用30 t平移式纜機入倉,預可研階段擬采用3臺纜機方案,由于壩址地形特殊,19～21號壩段為岸坡窯洞式開挖,纜機無法直接入倉澆筑,需要纜機轉料到布置在18號壩段的轉料倉,然后依靠皮帶機等入倉澆筑。

(3) 控制性進度。壩體擬于第5年3月開始澆筑;第7年度汛,壩體澆筑至高程3 100 m,接縫灌漿至高程3 063 m;第8年10月底導流洞封堵,接縫灌漿至高程3 095 m;第9年5月度汛,接縫灌漿至3 160 m。

3.1.3混凝土澆筑施工特點分析

結合忠玉壩體布置特點以及施工方案,混凝土澆筑存在以下特點:

(1) 孔洞非對稱布置對壩體均衡上升有較大影響?？锥磯味问┕な怯绊憹仓て陉P鍵因素之一,忠玉高拱壩17號導流底孔壩段左側僅有18～21號4個擋水壩段,且均為高陡邊坡壩段,故孔洞壩段施工對工期的影響會進一步放大。

(2) 忠玉水電站高拱壩左岸18～21號以及右岸1～2號壩段岸坡陡峭,壩段基礎高差大。對于高陡邊坡,混凝土澆筑時,為了保證施工過程中壩體岸坡穩定,需要采取特殊的澆筑面貌控制。

(3) 忠玉水電站大壩19～21號壩段地處岸坡窯洞,需要纜機在18號壩段設置轉料斗轉料,為了保證窯洞壩段澆筑,需要18號壩段高于19～21號壩段。

3.2 澆筑優先規則初步選擇

基于澆筑優先規則運用技巧,結合忠玉高拱壩特點,忠玉水電站大壩澆筑施工仿真優先澆筑規則初步擬定5個仿真階段:第一個階段為基礎高程2 955 m 至導流底孔1～2個灌區以下階段;第二個階段為17號壩段導流底孔施工階段;第三個階段為12號壩段泄洪底孔施工階段;第四個階段為16號壩段泄洪深孔施工階段;第五個階段為13～15號泄洪表孔施工階段。各個階段有關老混凝土、岸坡采用的優先澆筑規則是:接近老混凝土的筑塊優先澆筑,岸坡壩段優先等級采用僅次于老混凝土的優先規則。5個階段筑塊區間優先澆筑規則初步選擇如表1所列。

表1 筑塊區間優先澆筑規則初步選擇規則

3.3 澆筑優先規則運用結果評價

基于3.2節中初步選擇的優先澆筑規則,針對3臺、4臺纜機布置方案進行仿真計算分析,并針對選擇的澆筑規則運用結果進行評價。

3.3.13臺纜機布置方案運用結果評價

(1) 強度與工期評價。忠玉高拱壩采用3臺纜機布置方案施工時月澆筑強度如表2及圖3所示,壩體澆筑工期為53.8個月。通過圖3可以看出,月澆筑強度分布未出現較大的波動。

表2 3臺纜機布置方案下壩體月澆筑強度

圖3 3臺纜機布置方案下月澆筑強度直方圖

(2) 控制性進度評價。忠玉高拱壩采用3臺纜機布置方案時控制性進度滿足情況如表3所列。第7年汛前,壩體澆筑最低高高程未超過圍堰頂高程3 075 m,接縫灌漿高程未達到3 063 m,但滿足導流進度要求;其他控制性節點均滿足控制性進度要求。

表3 3臺纜機布置方案下控制性進度滿足情況

(3) 老混凝土產生量評價。3臺纜機澆筑方案產生的老混凝土量累計為133 997 m3,其中鋼襯安裝(35 d)期間產生老混凝土量12 895 m3,即其他原因導致的老混凝土量超過12萬m3,產生的原因和3臺纜機布置情況下澆筑機械利用、澆筑順序等有較大關系,具體產生原因需要通過方案比較來確定。

(4) 澆筑面貌評價。3臺纜機布置方案下壩體澆筑半年面貌如圖4所示。從圖4可以看出:大壩上升整體上體現了初步擬定的優先澆筑規則。在大壩下部左岸高于右岸;第6年12月達到底孔鋼襯安裝高程,第7年上半年6月,12號壩段快速上升至2 099 m泄洪底孔鋼襯安裝高程,呈現出中間高兩側低的澆筑面貌;直至第8年6月,16號壩段由于鋼襯安裝,致使15～16號壩段出現一定程度降低,到第8年年底整個壩段較為均衡的上升,面貌上仍呈現中間高兩側低;至第9年6月出現兩側到頂而中間表孔壩段及其涉及的16～17號壩段低于兩側壩段的面貌。

圖4 3臺纜機布置方案下壩體半年澆筑面貌

3.3.24臺纜機布置方案運用結果評價

(1) 強度與工期評價。忠玉高拱壩4臺纜機布置方案施工仿真月澆筑強度如表4及圖5所示,壩體澆筑工期41.3個月。從圖5可以看出:基于初步選擇的優先澆筑規則,壩體月澆筑強度有部分月份出現了較大波動,需要對優先澆筑規則等進行必要的改變,在3.3.3節優化方案中詳細介紹。

表4 4臺纜機布置方案下壩體月澆筑強度

圖5 4臺纜機布置方案下月澆筑強度直方圖

(2) 控制性進度評價。忠玉高拱壩4臺纜機布置方案控制性滿足情況如表5所列。各要素均滿足控制性進度要求,且有較大提前。

表5 4臺纜機布置方案下控制性進度滿足情況

(3) 老混凝土產生量評價。4臺纜機布置方案下老混凝土總量36 074 m3,除金屬結構安裝階段(超過35 d)產生老混凝土量12 895 m3外,由于懸臂高度、孔洞相鄰壩段影響引起老混凝土僅23 000 m3,和3臺纜機布置方案的12萬m3相比,減少81%。由于3臺及4臺纜機布置方案采用一致的優先澆筑規則,表明3臺纜機情況下老混凝土的產生主要是澆筑機械因素引起的。

(4) 澆筑面貌評價。4臺纜機布置方案下壩體澆筑半年面貌如圖6所示。對比3臺纜機布置方案可以看出:4臺纜機布置方案下,第一年大壩下部部位左岸優先,從第二年6月開始,大壩右岸上升基本追平優先壩段,原因是4臺纜機整體利用效率提升,輪澆一遍所需時間縮短,在接近老混凝土優先規則作用下,壩體呈現整體均衡上升,而3臺纜機由于壩面面積較大,在中部僅能同時開一倉的情況下,不可避免非優先的壩段出現老混凝土,進而導致這部分壩段上升慢,同時減少了老混凝土量的產生。

圖6 4臺纜機布置方案壩體半年澆筑面貌

3.3.34臺纜機布置方案優化后運用結果評價

由于4臺纜機方案月澆筑強度部分月份出現較大波動,需對該方案進行優化。優化方法包括:對5個仿真階段在初步優先規則基礎上增加按照懸臂高度選擇澆筑優先順序,對部分時段加長部分壩段的間歇期。

(1) 強度與工期評價。4臺纜機布置優化方案施工仿真月澆筑強度如表6及圖7所示。優化方案工期43.6個月。比較圖5和圖7可以看出:優化方案澆筑強度波動情況有了較大改善,整體表現平穩,避免了較大波動。

表6 4臺纜機布置優化方案下壩體月澆筑強度

(2) 控制性進度評價。4臺纜機布置優化方案控制性滿足情況如表7所列,控制性進度滿足節點控制要求。

(3) 老混凝土產生量評價。老混凝土產生量18 696 m3,相比原4臺攬機方案的36 074 m3減少了48%。通過增加懸臂高度選擇優先順序,有選擇地增長間歇期,大幅度減少了老混凝土的產生,達到了優化目標。

4 結 語

高拱壩混凝土澆筑施工受自身結構、環境、澆筑機械等多種因素影響,是一個復雜的組合優化問題。實踐證明,施工仿真是高拱壩混凝土澆筑施工分析的有效手段。在施工仿真模型中優先澆筑規則的選擇對于澆筑結果的合理性、可靠性有很大影響?；诠P者多年施工仿真經驗,對高拱壩澆筑優先選擇規則類型、運用技巧、評價準則和指標等問題進行了探討,提出了高混凝土拱壩常用的6類優先澆筑規則以及4個方面的評價指標,并結合忠玉水電站高拱壩施工進行了論證分析,以期為高拱壩施工仿真分析應用、程序開發等提供借鑒。