白鶴灘水電站泄洪洞混凝土施工全流程三維動態仿真模擬

王孝海，趙賀來，趙靜雅，王 博

(1.中國三峽建工(集團)有限公司，四川 成都 610095；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；3.華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046)

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，上游距烏東德壩址約182 km，下游距溪洛渡水電站約195 km，水庫正常蓄水位825.0 m，總庫容206. 27億m3[1]。無壓泄洪洞群規模目前位列世界第一，最大泄洪量高達1.2萬m3/s，水頭高度達到120 m。白鶴灘水電站共布置3條泄洪洞[2]，三洞總長6.7 km，由進水口、洞身段、挑流鼻坎段及通風補氣系統組成，具有高水頭、高流速、高強度等級、大流量、大斷面、大坡度等特點。洞身是泄洪洞混凝土澆筑施工的主要部位，洞身為無壓隧洞、城門洞形，由上平段和龍落尾段組成。

白鶴灘水電站泄洪洞工程提出了“體形精準、平整光滑、耐磨防裂”鑄世界精品工程的建設理念，具體質量標準為上平段混凝土表面不平整度不得大于4 mm/2 m靠尺，龍落尾混凝土表面不平整度不大于3 mm/2 m靠尺[3]，不允許出現外觀錯臺、跌坎或升坎。為了實現工程理念目標，首次全斷面澆筑低熱水泥、低坍落度混凝土，研發了一系列施工裝備和施工方法，實現了零缺陷的鏡面混凝土施工標準。

2 工程及項目實施重難點

(1)白鶴灘泄洪洞屬于高流速的抗沖耐磨流道混凝土，溫控防裂要求高，因此對混凝土的質量要求很高，施工難度大[4-5]。

(2)進水塔結構體形復雜，異型曲線段多，閘室內預留孔洞通道較多，模板設計、安裝及澆筑難度大，質量控制要求高。塔體混凝土的澆筑將與洞室保護層開挖、洞身襯砌混凝土同步施工，施工通道干擾較大。上平段洞身襯砌施工順序較為復雜、工期較為緊張，冷卻水管布置難度大，且底板及側墻下部12 m高范圍混凝土上料不能通過泵送直接入倉，需專門設計混凝土上料系統。龍落尾有流速高、流量大、坡度陡、斷面大等特點，質量控制要求高[6]。

(3)由于本項目應用完全貼近工程，且模擬精細度要求較高，因此在實施過程中，應重點關注模擬方案及模擬技術兩方面。模擬方案是項目實施的指導性文件，模擬方案包含實施方案的梳理、工程經驗的總結等多個方面，模擬方案不全面或者不能涵蓋重點的話，最終模擬成果必然不會達到預期目標。在模擬技術方面，根據設計圖紙創建的設計模型向施工工序級模型剖分、混凝土澆筑及襯砌動態仿真、混凝土臺車按照物理及三維空間實際屬性進行運動模擬、多層次的施工通道模擬等方面均存在一定的技術挑戰性，且工作量巨大，極易產生誤差。

3 施工方案

3.1 進水口

針對進水口大跨度異形胸墻及邊墻混凝土施工，采用高承載力、易搭拆的十字盤腳手架、定型鋼模板，通過斜臺階分層一次性澆筑成型等措施，保證結構體形、外觀質量光潔平整，體形偏差控制在2 cm以內。

進水塔底板與上平段底板施工工藝一致，采用滾軸平整收面、人工配合抹面的方法組織施工。

3.2 洞身段

洞身是泄洪洞混凝土澆筑施工的主要部位，洞身襯砌混凝土均采用先邊墻、再頂拱、最后底板的施工順序。

3.2.1 邊墻

高邊墻混凝土施工工藝流程包括：縫面處理、埋件施工、鋼筋安裝、立模、混凝土澆筑、溫控及養護等6部分。

縫面處理包括豎向搭接面處理、豎向施工縫面處理、底部水平施工縫處理等。主要埋件施工包括冷卻水管、溫度計、銅止水和橡膠止水布置等。鋼筋安裝通過測量定位、鋼筋梳子等手段實現橫平豎直、間距均一。下游側堵頭模板采用強度高、平整光滑的鋼模板，堵頭模板與臺車面板側面搭接前粘貼止漿條用于止漿，確保拆模后施工縫面平整光滑、無缺陷。混凝土澆筑時采用定人、定區振搗的方式，澆筑過程中安排專人對縫面漏漿情況進行檢查并處理。混凝土采用智能通水系統進行溫度控制，最高溫度不大于39 ℃，溫降速率不大于1 ℃/d。在混凝土強度達到設計強度75%后進行拆模，拆模后立即進行保濕養護，采用自動化間歇流水養護裝置，在保證養護效果的前提下節約用水。

3.2.2 頂拱

頂拱混凝土施工工藝流程與邊墻和底板類似，其工程特殊性主要體現在施工設備上。頂拱混凝土澆筑方法與高邊墻類似，采用頂拱模板臺車進行澆筑。臺車采用門架形式、厚度為10 mm，門架設計考慮6 m通行空間。頂部設多個入料窗口，并使用HBT80泵、泵送入倉。

3.2.3 底板

3.2.3.1 上平段底板

上平段底板混凝土施工工藝流程包括：預埋件施工、縫面處理、鋼筋安裝、模板安裝、混凝土澆筑、混凝土收面以及混凝土養護7部分。

底板主要預埋件主要有錨筋、止水、冷卻水管及溫度計4種。底板墊層縫面采用風壓鑿毛機鑿毛，局部位置采用電鉆補毛，達到微露小石、泛露粗砂標準。橫向施工縫縫面分區分工藝處理。鋼筋安裝先裝底層筋，再利用錨筋作為架立筋安裝面層筋，人工轉移至倉內先安裝橫向鋼筋，再安裝縱向鋼筋。堵頭模板由組合鋼模板和定型高強斜邊模板組成。隱軌系統按間距6 m布置，由獨立支撐系統、可拆卸的雙向旋轉微調頂托及充填砂漿的實心鋼管組成。混凝土采用自卸車運輸、扒渣機轉料至布料機入倉，?100 mm振搗棒振搗。混凝土入倉后兩側“陰角”部位人工收面，采用雙線控制體形和不平整度，中間部位采取碾、填、搓、抹、收的“五步法”收面工藝。混凝土采用智能溫控系統控制通水溫度、流量、流速，控制最高溫度不大于36 ℃，日降溫不超過1 ℃。養護采用滿倉土工布覆蓋，人工灑水保濕養護，養護齡期不少于90 d。

3.2.3.2 龍落尾底板

龍落尾底板混凝土施工工藝流程包括：縫面處理、埋件施工、鋼筋安裝、隱軌安裝、混凝土澆筑、混凝土收面、溫控及養護7部分。

縫面處理時已澆倉混凝土搭接面應清理干凈，模板安裝前先粘貼一層透明膠便于后期清理，再粘貼一層雙面膠用于止漿。鋼筋綁扎橫平豎直、間距均一、冷卻水管居中布置。隱軌安裝前先安裝定位支架，然后安裝引軌并固定，最后安裝定位錐。混凝土利用平板車運輸，通過扒渣機、長距離下行輸料系統和水平滑框分料系統實現混凝土入倉，下料后用振搗棒進行振搗。采用“六步法”——模板拆除、定位錐拆除及回填、浮漿清除、人工搓毛、人工收光、抹面機收光，進行混凝土收面。溫控采用智能溫控系統進行通水冷卻，最高溫度不大于39 ℃，溫降速率<1 ℃/d。養護采用塑料薄膜覆蓋、霧狀噴水保濕、覆蓋土工布等。

3.3 挑流鼻坎

挑流鼻坎邊墻施工采用定制曲面大模板、底板與龍落尾施工工藝一致，特色在于混凝土澆筑后定位錐的處理工藝，這也是挑流鼻坎模擬的重點。施工方案總結如下：

(1)邊墻主要采用4.5 m×4.5 m定制曲面大模板，底部與回填混凝土銜接部位無法安裝定制大模板的不規則區采用DOM木模板。定制大模板模板邊角全部銑邊處理，采用定位錐固定。邊墻混凝土施工主要采用扒渣機和集料斗送料、布料機加溜桶的入倉方式，與洞身邊墻襯砌混凝土施工工藝相同，均采用分層澆筑及復振工藝。

(2)混凝土澆筑完成后進行定位錐孔回填。對孔口存在缺損的定位錐孔進行擴孔處理，處理深度不小于5 cm，使孔口光滑、無缺陷。定位錐孔內的拉筋低于孔口5 cm，不滿足的采用特制鉆頭鉆磨處理，嚴禁電焊切割。孔內采用高壓水沖洗，清除垃圾及混凝土乳皮。孔內回填預縮砂漿前先采用水泥漿進行孔壁涂刷，再分層回填并搗實，表層收平。定位錐孔回填并收平后采取貼塑料膜養護。底板采用隱軌翻模施工工藝，與龍落尾底施工方法基本一致。

4 基于Autodesk軟件平臺的施工全流程三維動態仿真模擬

4.1 工程三維模型創建

4.1.1 建模軟件的選擇

本項目采用主流三維建模軟件廠商Autodesk系列軟件，進行工程相應模型的創建。具體三維建模軟件選型如下：

(1)主體工程的進水塔、洞身及挑流鼻坎均采用Autodesk公司的Inventor軟件建模[6]。

(2)各種混凝土臺車、入倉輸送、模板、隱軌等附屬設施及施工臨時設施，由于僅僅需要外部體形尺寸，因此采用Autodesk 3ds max軟件進行模型創建。

4.1.2 三維模型創建標準

在模型創建過程中，應盡量采用統一的建模單位，以方便后期模型的組裝整合，因此本項目基本建模單位選用米。

為方便模型創建，控制坐標原點選擇2號進水塔孔口底板中心點，該坐標系統是本項目所有模型創建的基礎控制點，是進行項目組合的基本對準約束條件，建模過程中基礎坐標原點不變，坐標軸方向保持一致。

4.1.3 三維模型創建

4.1.3.1 結構三維建模

泄洪洞混凝土構筑物包括進水塔、洞身上平段及龍落尾段、挑流鼻坎段等。結構三維模型創建結果如圖1所示。

圖1 泄洪洞混凝土結構三維模型創建結果

4.1.3.2 鋼筋三維建模

根據項目模擬展示需要，對泄洪洞邊墻、頂拱及底板分別進行三維模型創建。鋼筋三維模型創建結果如圖2所示。

圖2 鋼筋三維模型創建結果

4.1.3.3 施工設備建模

施工設備主要包括混凝土襯砌臺車、混凝土入倉設備等。部分施工設備三維模型創建結果如圖3所示。

圖3 部分施工設備三維模型創建結果

4.2 工程三維模型剖分

4.2.1 三維模型剖分技術

混凝土結構模型采用inventor軟件進行創建，模型根據施工分區、澆筑分倉等參數進行精準化剖分。模型剖分主要應用inventor軟件的剖分功能，按照控制截面，對模型進行剖分。

(1)剖分參照斷面制作。三維模型剖分是以剖分面為依據開展的，其斷面可通過點選典型結構面進行偏移，或者采用與世界坐標系xoy/xoz/yoz進行斷面制作。

(2)模型剖分制作。模型剖分過程中，首先選擇要進行剖分的模型，然后采用inventor軟件剖分功能，選擇相應的剖分截面，即可實現模型的剖分。本項目模型剖分過程中，應保留剖分參照截面兩邊的模型。

4.2.2 進水塔三維模型剖分

泄洪洞進水口共3個進水塔、2個聯系平臺。進水口底板高程768.00 m，塔頂高程834.00 m，單個進水塔寬28 m，單個聯系平臺寬23.08 m。根據要求，基礎約束區混凝土分層厚度1.5～2.0 m，脫落約束區后的分層厚度3.0 m，對進水塔和聯系平臺進行分層澆筑。進水塔共分為26層，聯系平臺共分為24層。

4.2.3 洞身段三維模型剖分

根據設計要求，泄洪洞襯砌按照12 m進行劃分，據此1、2、3號泄洪洞分別分161、156、144段襯砌，總計461倉(其中泄洪洞0+014～0+040進口段為漸變段各有3倉位邊墻利用臺車襯砌，頂拱通過排架進行襯砌)。按照泄洪洞先邊墻、再頂拱、最后底板的施工順序，對洞身進行進一步剖分[7]。

4.2.4 龍落尾混凝土模型剖分

根據設計要求，龍落尾襯砌按照9 m進行劃分，據此1、2、3號泄洪洞分別分54、54、59段襯砌，總計167倉。

4.3 工程施工仿真模擬

4.3.1 技術方案

工程仿真模擬是以泄洪洞鏡面混凝土精細化施工方案總結為腳本，以精細化施工三維模型及其剖分成果為載體，開展工程鏡面混凝土施工全流程三維動態仿真模擬。工程動態仿真模擬將在工程各維度展示進水塔、洞身及挑流鼻坎的施工要點，將施工過程中的經驗轉化成電子化的動畫成果。

工程仿真模擬在流程上可分為4個階段：①完成工程仿真方案策劃；②完成場景制作；③完成工程模擬動畫制作；④完成工程動畫后期包裝。

4.3.2 施工仿真方案策劃

按照仿真模擬內容，施工仿真方案策劃106個場景。其中，工程簡介部分為S1-S6場景；邊墻施工部分為S7-S37場景；上平段底板施工部分為S38-S59場景；龍落尾點半施工部分為S60-S88場景；頂拱施工部分為S89-S91場景；挑流鼻坎施工部分為S92-S103場景；總結部分為S104-S106場景。

本文選取上平段底板施工部分為例，說明其仿真模擬策劃及仿真成果。根據上平段底板施工總結方案，對照每項內容，分別進行仿真模擬策劃如下：分鏡頭展示泄洪洞上平段及龍落尾兩部分底板；在統一的底板場景中，將錨筋、止水、冷卻水管、溫度計4種埋件標示展示；底板混凝土半透明，展示錨筋尺寸及布置間隔；制作卷尺放樣、鉆孔、洗孔及注漿錨桿施工動畫；制作錨筋控線、旋轉調高及固定焊接等動畫；展示銅止水鉚接及托架固定動畫；制作冷卻水管通水模擬動畫；近視角展示溫度計布設效果；制作風壓鑿毛機及角磨機打磨施工動畫；模擬鋼筋安裝順序、鋼筋接頭動畫、接頭焊接動畫、錨鉤焊接檢查動畫；模擬錨鉤焊接檢查動畫，制作模板高強斜邊模板展示及脫模劑施工動畫；按照安裝順序模擬隱軌相應構件施工動畫，制作頂托調整、隱軌安裝及打磨動畫、三輥軸“空載”動畫、塑料片防護動畫；對混凝土入倉機械設備進行展示模擬，制作臺階法澆筑模擬動畫；制作人工收面及雙線控制模擬動畫；制作三輥軸碾壓及碾壓順序動畫，并標示其尺寸；制作隱軌拆除、隱軌槽混凝土回填及振搗動畫；制作磨面機抹面順序、抹面機換刀片及抹面施工動畫；制作排水管水流流向、人工灑水及覆蓋土工布、防護裝置展示、靠尺檢測動畫；展示施工縫及鏡面效果。

4.3.3 仿真模擬場景制作

(1)模型制作。除了工程精細化模型外，還需根據項目展示需求進行施工機械、設施、輔材及施工人員等模型制作。該類模型采用Autodesk 3ds max軟件，并根據現場提供的設計圖紙、現場照片等進行精細化創建。在多個模型基礎上，根據仿真模擬方案需要，進行場景模型組裝，并最終形成工程場景模型，如圖4所示。

圖4 場景模型組合

(2)模型材質制作。模型材質通過材質球進行制作，并賦給制定的模型，通過UVW貼圖設置材質的疊加方式及材質貼圖重疊度，如圖5所示。

圖5 模型材質制作

(3)場景環境制作。在場景模型基礎上，為達到仿真模擬工程現場目的，需進行工程場景環境制作。制作內容主要包含環境燈光制作，模型明暗(透明度)處理等。上平段底板施工仿真模擬部分效果如圖6所示。

圖6 場景制作效果

4.3.4 模擬動畫制作

工程動畫制作根據展示場景策劃，進行相應相機鏡頭制作，并在鏡頭中進行工程仿真動作模擬制作，動作模擬過程中主要應用了軟件的關鍵幀(K幀)功能，并設置K幀的位置以實現動作的快慢變化。本項目按照25幀/s來控制視頻動作的快慢。根據工程現場實際情況，共進行了106個場景模型及材質效果等的制作，并細化制作分鏡頭144個，渲染幀序列50 550幀。

4.3.5 動畫后期包裝

后期主要進行渲染幀序列的后期包裝工作，對需要重點突出進行加亮閃動、添加文字標示、進行粒子效果制作，開展片頭片尾、文字轉場視頻包裝制作等工作。同時對于包裝成果，進行專業化剪輯及音頻混合，并最終輸出視頻文件。

視頻包裝主要使用AE等軟件開展，集合三維渲染幀序列，進行場景較色制作及視頻包裝制作。

項目總結方案通過錄音方式轉化為音頻文件，音頻文件將作為項目的講解旁白與三維仿真動畫結合，并最終生成模擬視頻。配音錄制完成后，進行配音校準及降噪等處理，以確保配音質量達標。

視頻最終采用Vegas軟件進行最終合成，合成過程中主要進行視頻的組裝及剪輯、聲音與畫面同軌編輯、背景音樂剪輯等，并最終輸出本項目模擬仿真視頻成果。

4.4 仿真模擬成果

仿真模擬最終成果為輸出白鶴灘水電站泄洪洞鏡面混凝土施工全流程三維動態仿真模擬視頻，視頻分辨率為1 920×1 080像素，長度為36 min。該視頻以可視化三維仿真模擬方式，將泄洪洞施工經驗直觀展現出來，對項目經驗的推廣具有重要意義。

5 結 語

本文在查閱大量技術文件資料的基礎上，基于“事前可預測、事中可管控、事后可追溯”的精細化工程建設技術手段及理念，對泄洪洞進水口、邊墻、頂拱、底板及挑流鼻坎等構筑物的施工方案進行了總結；基于主流的Autodesk三維建模軟件平臺，按照統一的建模標準進行了結構三維模型、鋼筋三維模型、施工設備三維模型等工程精細化模型創建；按照各部位施工工序，對項目模型進行了精細化剖分；采用仿真技術，對泄洪洞鏡面混凝土澆筑及襯砌全過程進行動態模擬，將實際工程中形成的寶貴經驗全方面、高可視化積累下來，有利于技術積累，并可為后續工程施工提供借鑒。對尚未施工部位，可對其施工方案進行精細化展示及可視化校審，這給工程施工組織的合理安排、施工方案問題的發現、難點問題的解決等提供了高效的溝通渠道，為項目順利施工提供技術支撐。同時，模擬成果最終以可播放視頻方式展示，可將方案以通俗易懂方式科普給每一個項目參與人員，為項目的順利實施提供保障。