拱坝混凝土施工过程动态模拟研究

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简介： 混凝土拱坝在水利水电工程中应用广泛，其施工过程模拟研究有着重要的现实意义。本文介绍了拱坝混凝土施工动态模拟的原理以及数学逻辑模型，并将其应用在石门坎水电站拱坝预可行研究阶段的方案论证中，得出混凝土施工进度、设备利用率等参数指标，为方案比选提供科学决策依据。
关键字：拱坝 混凝土施工 施工方案 模拟

1 前言

混凝土拱坝作为一种经济性和安全性都较优越的坝型，在水利水电工程中得到了广泛应用，对拱坝混凝土施工这一成本高、无法重复的复杂系统进行计算机模拟研究具有重要的现实意义。对一个工程而言，一个合理的施工方案和机械配套方案往往需要多个方案的综合比较、多个施工参数反复调整才能最终确定。若用传统方法进行坝体分仓，论证混凝土施工方案，不仅工作量大，而且精度不高，应用计算机模拟技术则可以很好地解决这个问题。在满足混凝土浇筑系统实际条件和施工准则的情况下，针对施工过程进行动态模拟研究，可以为施工组织提供科学的参考信息，指导施工设计和施工管理。

本文介绍了拱坝混凝土施工过程动态模拟的方法，并以石门坎水电站拱坝为工程背景进行实例研究，从技术角度对施工方案进行分析比较。

2 大坝混凝土浇筑模拟系统分析

大坝混凝土施工主要由混凝土生产系统、混凝土运输系统和混凝土浇筑系统三个系统组成，这三个系统相互协调，相互影响，同时还受到施工系统的所处的具体环境的影响。根据研究的侧重点，这里仅对混凝土浇筑系统进行模拟。对混凝土生产和运输系统，可以在模拟过程中假设混凝土骨料生产的供应能够保证拌和楼的需要，以及水平运输系统能充分保证混凝土水平输送要求。

大坝混凝土浇筑系统是一个离散事件系统，可以采用系统模拟的方法对施工系统进行模拟分析。对模拟全过程而言，采用时间步长法来安排时间进程。时间步长是影响模拟精度的一个重要因素。选取的时间步长愈小，模拟的系统状态与真实状态就愈吻合，模拟的精度愈高，但增加了状态检查判断次数，从而增加了模拟运行时间；反之，当时间步长取得过大，虽然可以缩短运行时间，但会降低模拟精度。因此，在混凝土浇筑过程模拟时，需根据不同层次模拟的需要设置时间步长^[1]。这就弥补了固定步长对模拟精度的影响，能更加精确地描述混凝土浇筑过程中各主要因素的相互联系和制约关系^[2]。

3 模拟设计

混凝土浇筑模拟寻求的目标就是在给定的浇筑方案和机械配置情况下，在满足各种约束限制条件下，安排混凝土坝块的浇筑顺序，选择合理的浇筑施工方案。为达到这个目标，需要做好两方面工作：混凝土浇筑模拟数学逻辑模型的建立和模拟参数的选取。

3.1 模拟数学逻辑模型

坝体浇筑模拟模型，是以状态变量和决策变量与约束条件间的数学逻辑关系来定量的描述。状态变量包括各坝段混凝土浇筑高程、方量和时间；决策变量是根据混凝土浇筑既定规律要求随时判断将要进行浇筑的混凝土块号和浇筑机械编号。约束条件是指在大坝混凝土施工中应遵守的约束条件主要包括混凝土坝施工过程中的一般规律、合同文件技术规范要求以及特定施工条件下的各种要求，如坝体允许悬臂高度、间歇时间、混凝土初凝终凝时间、相邻坝块高差、立模拆模。大坝混凝土施工模拟，就是通过选择满足约束条件的决策变量，并根据决策变量的变化，计算出一组新的大坝混凝土状态变量；然后在新的状态下，进行新的决策变量的判断。通过大坝混凝土状态变量的不断改变，大坝混凝土也就不断从低到高讲行模拟浇筑^[3]。

3.2 模拟参数

（1）有效工日。有效工日一般根据设计资料中提供的降雨资料，并参考以往的科研成果，从方便施工组织设计及混凝土施工现场管理的角度来确定。在石门坎工程的混凝土施工模拟中拟定有效工日见表1。

表1   有效工日表

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

全年

天数

31

28

31

30

31

30

31

31

30

31

30

31

365

有效工日

27

22

26

25

21

20

21

20

23

23

24

27

280

（2）坝体浇筑分层及间歇期。坝体浇筑分层及间歇期严格根据水工混凝土坝施工有关规范拟定，见表2。

表2   坝体浇筑分层及间歇期时间表

分区

浇筑层厚（m）

间歇期（d）

强约束区(<0.2L)

1.5

5～7

弱约束区(0.2L-0.4L)

2.0

5～7

上部块

3.0

7～9

孔洞部分

3.0

15

（3）根据以往工程的施工经验，混凝土初凝时间拟夏季为4h，冬季为3.5h；相临坝段允许高差为8m；混凝土浇筑块立模时间为20m²/h，允许拆模时间为3d。

坝体混凝土开工时间为2008年5月16日，其它模拟参数如坝体参数、机械技术参数等从略。

4 工程实例与模拟成果

石门坎水电站位于云南省思茅地区普洱县（右岸）与墨江县（左岸）交界处，红河支流李仙江上游的把边江上，为干流的第二级水电站，上距梯级龙头水库崖羊山电站约21km。电站正常蓄水位756.00m，死水位740.00m，汛期限制水位740.00m，总库容1.95亿m³，调节库容0.8亿m³，电站装机容量130MW。大坝拟采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程758.00m，坝顶长度356.36m，坝顶宽度5.00m，最大坝高108.00m。坝体连同基础混凝土塞总混凝土浇筑量为32.12万m³。

在预可行性研究阶段，为全面把握石门坎水电站拱坝在不同浇筑方案下的施工特征，为大坝混凝土施工方案的比选提供科学决策依据，保证混凝土的高效快速施工，采用计算机模拟对大坝混凝土施工过程进行计算机模拟分析，预测不同混凝土施工方案的大坝施工进程的各项参数指标。

4.1 石门坎拱坝施工方案

在预可研设计阶段，石门坎拱坝混凝土浇筑拟定有两个基本方案：缆机方案和塔机方案。

（1）缆机方案。本方案以两台辐射式缆机为主要浇筑机械，辅助以履带式起重机浇筑。辐射式缆机固定端平台高程800.0m，宽9.0m；移动端平台高程795.0m，宽14m。缆索满载时最低高程为789.33 m，最大起升高度170m。取料平台布置在缆机右塔平台边的上坝公路上。辐射式缆机主要负责2＃～15＃坝段的混凝土浇筑以及金属结构的吊装，其浇筑范围外的1#坝段混凝土量极少，由履带式起重机辅助浇筑。

（2）塔机方案。本方案以两台DBQ4000塔机为主要浇筑机械，辅助以履带式起重机浇筑。A#塔机布置在4#坝段的下游侧680.0m高程，负责2#～7#坝段的混凝土浇筑及金属结构的吊装；B#塔机布置在10#坝段的下游侧680.0m高程，负责8#～12#坝段的混凝土浇筑及金属结构的吊装。塔机工作范围以外的两岸坝肩坝段（1#坝段和13#～15#坝段）的混凝土由履带式起重机辅助浇筑。

4.2 模拟成果

按拟定的施工参数和边界条件，对两基本方案进行模拟计算。模拟结果显示，缆机方案中，大坝混凝土在2009年9月17日达到坝顶高程，总浇筑工期为17个月；塔机方案中，大坝混凝土在2009年9月28日浇筑全部完成，总浇筑工期约为17.5个月。两浇筑方案主要设备浇筑强度、设备利用率等参数指标如表3所示。

表3   各主要设备浇筑强度及设备利用率统计表

主要参数指标

缆机方案

塔机方案

最高月浇筑强度（×10⁴m³）

1.76

1.65

平均月浇筑强度（×10⁴m³）

0.94

0.98

平均利用率（%）

30.97

40.84

全坝最大浇筑强度（×10⁴m³/月）

3.41

3.43

全坝平均浇筑强度（×10⁴m³/月）

1.89

1.84

不均衡系数

1.80

1.86

总工期（月）

17

17.5

为更直观形象地描述模拟成果，将成果数据图形化，如混凝土逐月浇筑强度，见图1。

图1 大坝混凝土浇筑强度统计图

4.3 方案比较分析

根据模拟成果，缆机方案和塔机方案在大坝上升关键控制节点控制高程（挡水、度汛、发电）均满足设计要求。在缆机方案中，2009年4月底大坝最低高程达到722m，较施工总进度要求的2009年5月底达到719.5m挡水高程提前1个月。在缆机方案中，2009年5月初大坝最低高程达到722m，较施工总进度要求提前近1个月。从施工进度角度看，两方案总工期基本相同。

辐射式缆机的工作范围为一狭长的扇形，特别适合山区拱坝施工。在本工程中缆机能覆盖除1#坝段外的所有坝段，其混凝土浇筑能力较塔机强。不足之处是供料线较难布置，还需要在河床两岸设置塔架，工程投资相对较高。

塔机安装及临建工程量小，相对缆机而言更经济。模拟显示，河床基础混凝土塞部位对主体工程施工工期影响较大，加快混凝土塞的施工能明显缩短主体工程施工工期。塔机方案配置两台履带式起重机作为辅助浇筑手段，在基础混凝土塞浇筑时，可以灵活机动地安排履带式起重机辅助浇筑，提高初期混凝土浇筑强度，缩短直线工期。

综上所述，通过对模拟计算得到的施工工期、进度以及机械设备的利用率等参数的综合分析论证，缆机方案和塔机方案在大坝施工进度上总工期相差不大，大坝上升关键节点控制高程（挡水、渡汛、发电等）均能满足设计要求；混凝土浇筑强度和设备利用率等参数指标合理，从大坝混凝土浇筑的技术角度进行分析，两浇筑方案各有利弊，且均可行。

5结语

计算机系统模拟技术的应用为水电施工过程研究提供了新方法。本研究课题从系统的观点出发，对石门坎水电站拱坝整个施工过程进行模拟计算和分析，合理安排施工进度，对拟定的两施工方案的各项主要参数指标进行了定量分析，为直观反映石门坎水电站拱坝施工过程提供了有效的分析工具，在很大程度上减轻了施工组织设计工作的困难度，又提高了其科学性。

参考文献

[1] 钟登华，郑家祥，刘东海，等.可视化模拟技术及其应用[M].北京：中国水利水电出版社，2002.86

[2] 申明亮，陈立华，陈伟，等.向家坝工程大坝混凝土施工过程动态模拟研究[J].中国工程科学，2004，6（6）：69

[3] 范贵华，陈万涛.二滩水电站高拱坝混凝土施工计算机模拟系统及其应用[J].四川水利发电，1998，17（4）：17

Study on Arch Dam Construction Dynamic Simulation of the Shimenkan

 Hydropower Station

Shen Mingliang¹，Xiong Bilu¹，Liu weixin²，Chen Lihua¹

（1. State Key Laboratory of Water Resource and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072; 2. Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd, Zhengzhou, 450003）

[Abstract] The concrete arch dam is widely applied in the hydraulic and hydropower engineering and it is of significance to carry out the study of the construction process simulation of the concrete arch dam. This paper introduced the principle and the mathematical logic model of the dynamic simulation of the arch dam concrete construction, and applied them in the construction Schemes demonstration of the Shimenkan hydropower station at the stage of pre- feasibility study, provided a scientific basis for the comparison and selection of the construction Schemes with the parameters such as the progress of concrete construction, the machine utilization.

[Key words] arch dam；concrete construction；construction Schemes；simulation

[作者简介] 申明亮（1963-），男，汉族，山西洪洞县人，武汉大学副教授，主要从事水电工程施工组织管理与系统模拟教学及科研。

投稿日期：2005-8-1 修回日期：2005-9-9

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