向家坝二期工程施工机械配套优选仿真研究

张孝远，周建中，曹广晶，王毅华，王军周，黎育红

（1.华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国长江三峡集团公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

高混凝土坝的施工过程是一项十分复杂的系统工程，许多因素都可能影响工程的施工进度、质量和成本。高混凝土坝混凝土工程量巨大，浇筑工期长，仓面多，浇筑机械数量和型号多，坝体结构复杂，技术难度和施工强度高以及可浇筑坝块的确定涉及的因素很多等，这些相互联系和制约的因素使得混凝土坝工程设计和施工组织设计成为一项任务繁重且具有一定灵活性的工作[1，2]。以往仅凭经验或采用相似工程类比的办法，进行一般性的计算分析来确定施工方法和规划施工进度，仅能得到估计性的结果；而且一旦施工工艺选择或机械配置不当，则可能会导致工期延误或成本增加。对于向家坝这样的高混凝土坝的施工，可借鉴的经验和参考的资料相对较少，尤其是在施工设备配套方面，因其设备容量巨大，施工机械配套的选择直接影响甚至决定工程的施工进度、质量与经济指标，因此，如何充分借鉴国内外已建工程的资料与经验，并运用先进的设计手段和方法，寻求最佳施工机械配套，以优化施工参数及施工组织设计整体方案，实现其快速、经济的宗旨，是向家坝工程所面临的最现实问题。本文针对向家坝二期工程大坝施工中缆机和塔带机配合的几种方案进行了计算机仿真计算，从施工工期、施工强度、机械设备利用率等方面并结合技术经济分析，论证了工程中运用3台缆机和3台塔带机结合方案的合理性。

1 向家坝工程概况

向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最末一个梯级电站，坝址位于四川省宜宾县和云南省水富县交界处，是我国 “西电东送”工程的骨干电源点。拦河大坝采用混凝土重力坝，坝顶高程383.00 m，基础最低高程222.00 m，最大坝高161.0 m，坝顶长度920.27 m，坝段宽12.0～30.0 m。大坝从左至右依次为左岸非溢流坝段、导流底孔及缺口坝段、排沙孔坝段、升船机坝段、左岸厂房坝段、泄水坝段、以及右岸非溢流坝段。

向家坝二期工程包括右非坝段、泄洪坝段 （含消力池)、厂房坝段 (含坝后厂房)、升船机坝段、冲沙孔340.00 m高程以上部分、左非①-左非⑥280.00 m高程以上部分、导流底孔封堵、冲沙孔段改造及二期导流工程。二期混凝土工程量达940万m3，高峰月浇筑强度 38.67万m3，具有工程量大、工期紧、施工强度高等特点[3]。

混凝土坝施工系统可划分为混凝土拌和、运输、浇筑3个子系统。向家坝二期工程高混凝土坝浇筑流程见图1。整个浇筑系统涉及两种基本类型的仿真实体：离散型的高架门机、缆机等，以及连续型的塔带机。

2 向家坝大坝混凝土施工过程仿真系统设计

研究大坝混凝土施工系统模拟时，各浇筑块在时间点上的浇筑状态和各浇筑机械在这个时间点上的状态、服务对象、浇筑信息等，受随机产生的“事件”驱动而变化，所反映的变量也随时间呈非连续、跳跃性的变化。因此，可以将大坝混凝土浇筑系统作为离散事件系统进行模拟研究。

2.1 仿真原理及其设计

由于在高混凝土坝施工过程中，浇筑机械为主导机械[3]，因而，本文主要对浇筑过程进行模拟仿真。为简化问题做以下基本假设：①假定混凝土生产和水平运输系统能够充分供应混凝土，即把问题的研究范围限制在坝面施工作业的协调上；②大坝分块浇筑顺序在满足控制时间、约束条件、设备情况的前提下，按先低后高的顺序安排，对有特殊要求的部位按具体要求进行特殊处理。

图1 向家坝二期工程混凝土坝浇筑流程 （三类机械）

仿真系统的设计和原理可描述为：在一个台班时间内，把浇筑机械看作 “服务台”，把待浇筑坝块看作 “顾客”。按照排队规则， “服务台”每次只接纳一位 “顾客”。排队规则通常按照仓面高程进行。仓面高程愈低，排队愈靠前，而不管某个 “顾客”是否刚刚接受完服务。同时为了满足特殊施工要求，对某些 “顾客”在排队过程中赋以一定的优先权，使其排队靠前或靠后，而 “服务台”又可规定其服务范围和服务时间。另外，针对不同浇筑机械的特点，如塔带机等连续型的浇筑机械，由于来料均匀且连续，在坝块的浇筑过程中，机械配套运行的过程相对较简单，采用主导实体时钟扫描法，把可浇筑坝块的状态和浇筑信息的变化作为影响系统事件；对于缆机、门塔机、胎带机等离散型机械，先采用主导实体时钟扫描法判断每台机械所对应的可浇筑坝块。对于机械在拌和楼前的等待装料、重车运行、轻车运行、卸料以及浇筑过程等运行过程，采用事件驱动法来处理[10]。

仿真系统模型通过实体、事件、活动和延迟来描述，其中实体包括浇筑设备、浇筑仓面；事件包括优化分仓、进行浇筑、浇筑完毕；活动包括停歇间隔时间、浇筑设备的浇筑时间；延迟指浇筑块浇筑等待时间[11]。

系统输入包括如下内容：系统总体参数表 （相邻仓面允许高差，开工日期）；工作时间表 （月份（索引），工作日数，每日时数）；工期转换表 （模拟时间、转换日期、月份 （索引）、实际日工作小时数）；浇筑设备表 （起始日期、终止日期、设备编号、设备名称、设备状态、生产率、维修日期、使用优先级、服务坝段）；浇筑参数 （起始日期、终止日期、允许层厚、初凝时间、层间停歇时间、相邻坝块间隔时间）；坝体参数 （坝段编号、坝段、坝块、基础高程、顶部高层、分层数、坝块上层坐标值 （x1， y1， z1）、 坝块下层坐标值 （x2， y2， z2））；特殊条件 （温控、导流、面板防渗、灌浆、排水等）。

系统输出包括未来事件表和月施工进度表 （日期 （年、月）、总方量、坝段、基础高程、上月高程、本月高程、总高程差、本月浇筑高程、设备名称、实际利用率、有效利用率、生产率等）。

2.2 仿真系统综合模型

浇筑系统仿真综合模型流程见图2。主要有以下步骤：

（1）数据初始化。读取开工日期、施工机械的性能参数、坝体参数、混凝土浇筑仓面的浇筑条件等。

（2）确定仿真相关变量。判断是否以大坝开工日期为仿真起始时间，若不是，则依据当前大坝的相关参数绘制其浇筑现状形象图。

（3）以施工日历来限制仿真。仿真以一天为步长，每天起始时判断该天是否已到仿真终止时间，是则终止仿真，否则判断该天是否可以施工，可以则继续推进，不可以则顺延至下一天。

（4）每天的具体仿真。本部分为仿真的重点部分。首先根据仿真时钟及浇筑机械的安装使用情况确定由哪些浇筑设备来完成今天的混凝土浇筑；然后将一天分成若干台班 （或2或3个台班）。在每个台班内，对每一台浇筑机械进行扫描，同时确定继续浇筑对应可浇坝块，再转到各自的浇筑机械服务子程序；在一个台班结束后记载本台班内相关变量（混凝土量、高程、时间等变量），转至下一台班，直至一天仿真结束；继续仿真，直至到达仿真终止时间[10]。

图2 向家坝工程大坝浇筑仿真系统流程

3 向家坝大坝浇筑方案仿真研究

一般来讲，高混凝土坝混凝土浇筑机械可归纳为门塔机、缆机、塔带机三类，向家坝水电站高坝混凝土浇筑方案也重点比较了这三类机械。另外，考虑到向家坝水电站作为三峡工程的后续工程，设计中尽量考虑采用三峡工程中使用过的大型施工设备。经综合分析，向家坝水电站大坝宜采用缆机、塔带机为主导机械并辅以少量常规门塔机的组合浇筑方案[6]，结合文献[6-8]本文重点比选了以下3个方案。

方案一为2台摆塔式缆机+4台塔带机方案。大坝浇筑全部采用在三峡工程已使用过的浇筑机械，即选用2台摆塔式缆机和4台塔带机，并辅以少量的门塔机来进行大坝的施工。其中混凝土浇筑主要采用塔带机，摆塔式缆机主要负责金结吊装以及辅助作业，并承担部分混凝土浇筑任务。

方案二为2台平移式缆机+2台摆塔式缆机 （布置在中部）+3台塔带机方案。采用三峡总公司已有的2台20 t摆塔式缆机和3台塔带机，另购2台30 t平移式缆机，并辅以少量的门塔机进行大坝施工。3台塔带机和2台平移式缆机主要用于混凝土浇筑，2台摆塔式缆机布置在大坝中部，以金结吊装及辅助作业为主，并承担其覆盖范围内部分混凝土的浇筑任务。

方案三为3台塔带机+3台平移式缆机方案 （缆机右岸为A型塔架）。采用三峡工程已使用过的3台塔带机和新购3台平移式缆机，并配备适量门塔机浇筑大坝，缆机右岸塔架采用A型塔架。右岸平台高程为435 m，塔架高65 m，3台缆机双轨道布置，1、3号缆机同轨，2号缆机布置在另一轨道，轨距10 m，缆机平台宽16 m。考虑到右岸地形条件，同时为避开缆机平台右侧的380 m高程拌和系统，A型塔架的拉索平台布置在右侧约415.5 m高程的悬崖上，平台高程405 m，拉索平台宽5 m。

重点比较了三种方案的施工工期、机械利用率和施工强度，其中机械利用率包括平均利用率和最大利用率，施工强度包括平均施工强度、最大施工强度及不均匀系数。这几个参数的计算公式如下：

机械利用率的计算一般以月为单位，平均利用率及最大利用率是指整个施工工期内机械各月利用率的均值及月利用率的峰值。月利用率通过式 （1）来计算

式中，Ei为第i月浇筑机械的利用率，为第 i月第j台机械的实际工作时间，为第i月的日历时间；k为参与浇筑工作的机械数量。平均利用率及最大利用率由式（2）计算

式中，N为总工期 （月数）。

施工强度是指施工过程中某一时间段内浇筑混凝土的方量，常常以月为计量单位。在系统方案评价中，常常采用均值、最大值及不均匀系数来描述。整体综合平均施工强度及最大浇筑强度Hmax分别按式（3）和式（4）来计算

经仿真运算得到三种方案的施工工期、主要设备浇筑强度、设备利用率统计见表1。

在如上模拟成果的基础上，经过多方案综合技术经济比较，方案三在设备利用率、浇筑强度、施工进度、大坝施工工期等方面均较为适中，综合指标相对较优。故而论证了向家坝大坝二期工程采用3台平移式缆机和3台塔带机方案是较优的。

4 结语

向家坝工程大坝混凝土施工工期紧，工程量大，施工技术复杂，施工质量要求高。大坝浇筑采用了多种施工机械组合施工的方案。不同的施工机械配套组合方案在保证施工进度和质量的可靠性、施工组织难度、施工成本等方面存在差异，如何确定最优方案，既保证施工进度和质量，又使技术经济综合指标最优，是水电工程设计施工部门所面临的现实问题。本文针对这一问题运用计算机仿真对向家坝二期工程大坝浇筑进行了施工机械的配套研究，得到不同方案下各月的最高浇筑强度、平均浇筑强度、机械利用率和施工工期等主要参数，并在此基础上进行多方案优选，论证了向家坝二期工程采用3台平移式缆机与3台塔带机，并辅以适量门塔机和胎带机的机械配套方案的合理性。

表1 主要设备浇筑强度、设备利用率统计

［1］ 董标，向弘，李仕奇.大型水利水电工程施工仿真技术研究与应用［J］.水力发电， 2006， 32（11）:88-91.

［2］ 郑家祥.高碾压混凝土拱坝仿真三维施工模拟［J］.水力发电，2003， 19（2）:1-7.

［3］ 梅雪东，高鹏.向家坝水电站二期混凝土工程施工组织设计介绍［J］.中国三峡建设 （科技版）， 2008， 14（1）:46-48.

［4］ 翁永红，谢红忠，夏仲平.混凝土坝施工实时动态仿真 ［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［5］ 巫世晶，贺小明，何小新，等.大坝碾压混凝土浇筑及施工机械配套的仿真研究［J］.红水河， 1999， 18（2）:.

［6］ 翁永红，汪安华，范五一，等.向家坝水电站大坝混凝土浇筑方案研究［J］.中国三峡建设， 2004， 11（5）:35-37.

［7］ 陈立华.向家坝水电站大坝施工动态三维可视化仿真研究［D］.武汉：武汉大学，2004.

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