烏東德水電站大壩三維仿真計算機模擬研究

龔 毅

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 工程概述

烏東德水電站是金沙江下游河段四個水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中的最上游梯級，壩址所處河段的右岸隸屬云南省昆明市祿勸縣，是“西電東送”的骨干電源點。

烏東德水電站為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐主要建筑物為1級，設計標準為1 000年一遇，校核標準為5 000年一遇。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程988 m，最大壩高265 m；泄洪建筑物主要由5個表孔、6個中孔及3條泄洪洞組成；壩體下游設水墊塘和二道壩。

大壩共設置有14個橫縫，將壩體分為15個壩段，從左岸到右岸依次為1號到15號壩段。大壩不設縱縫，橫縫型式為分段鉛垂縫，高程988～930 m、高程905～870 m、高程845～723 m之間為鉛垂縫，鉛垂縫之間為過渡縫，在岸坡壩頂，橫縫底設轉折縫。橫縫設置鍵槽并進行接縫灌漿。

2 系統仿真的基本原理

系統仿真(又稱為系統模擬)是在不干擾真實系統運行的情況下，為研究系統的性能而構造并在計算機上按照特定的規則運行、表示真實系統的模型的一項技術。系統模擬的優點表現在它不影響和破壞真實系統，同時能夠反映真實系統的某些行為，與物理實驗相比，它具有易改變、成本低的特點；另一方面，當真實系統的某些因素具有不可實驗性時，模擬系統照樣可以建立；與解釋模型相比，模擬模型可以考慮眾多因素，尤其是當這些因素的作用機理非常復雜時，模擬模型的優越性就更加突出。因此，系統模擬是解決某些復雜系統的、最為有效的手段之一。

3 仿真策略與計算方案設計

鑒于烏東德水電站結構特點和壩體施工特點，本研究結合投標方案以及國內高拱壩施工經驗開展仿真研究，采取的仿真策略是：

結合投標方案，通過仿真邊界條件、參數變化研究投標方案的可行性以及保障程度；

結合國內外高拱壩施工經驗以及仿真計算經驗，對烏東德水電站拱壩澆筑上升調倉規則、層覆蓋時間控制(涉及纜機運用)等進行多方案比較，以揭示烏東德水電站大壩可能采用的不同的澆筑方式以及相應的壩體澆筑進程、澆筑強度、纜機運用等變化情況。

基于以上仿真策略，本研究對烏東德水電站大壩澆筑進行了以下幾方面的重點研究。

(1)壩體上升方式研究。

高拱壩壩體澆筑上升方式對于岸坡壩段穩定控制、混凝土溫控、接縫灌漿懸臂高度控制都有一定程度的影響。通常，高拱壩壩體澆筑上升的過程是：從河床底部最低塊開始澆筑，然后逐步擴展；岸坡壩段由于受固結灌漿或岸坡穩定要求控制，通常低于相鄰更靠近河床部分壩段的高程，當其上升到一定程度后再按照“高低高”的方式跳倉澆筑，這種澆筑方法通常被稱為“頂澆法”。

鑒于烏東德水電站大壩結構和樞紐布置、壩體混凝土澆筑施工特點和招標要求，壩體澆筑上升方式可以有不同的方式：一是泄洪中孔以下一致保持壩體“頂澆”形成的澆筑面貌，到泄洪中孔后，鋼襯安裝會對混凝土澆筑上升方式形成一定的影響，這時可以繼續延續這時的面貌，直到壩頂；另一種方式是當岸坡壩段澆筑到一定高程后，通過“倒高差”實現壩體跳倉控制，這種方式下可以根據高程控制“倒高差”的部位，圖1和圖2為兩種不同的“倒高差”控制方式。

(2)718 m基礎高程施工方案適應性研究。

根據招標文件，烏東德水電站大壩基礎高程可能從723 m高程降低到718 m高程。方案的適應性對于保證未來大壩施工具有重要影響。方案比較情況見表1。

(3)混凝土胚層的覆蓋時間。

胚層覆蓋的時間間接影響纜機的運用，進而影響到壩體澆筑進程以及溫度控制。對于同樣的胚層面積情況，層覆蓋時間要求短，需要配備的纜機數量多，相反，覆蓋時間長，需要配備的纜機數量就少。

圖1 陡坡高高程“倒高差”岸坡控制方式示意圖

圖2 陡坡低高程“倒高差”岸坡控制方式示意圖

表1 模擬計算方案設計表

4 高拱壩澆筑模擬系統

4.1 系統開發與運行環境

(1)系統開發。

本系統是基于Microsoft Visual Studio軟件開發平臺的Visual C#高級程序設計語言開發。系統基于離散時間仿真原理，采用了面向對象、數據庫、CAD二次開發等技術。

系統為Windows風格，具有良好的通用性、交互性和可移植性。由于模擬參數和模擬結果的全數據庫組織，因此，可以與水利水電工程建設管理信息系統進行對接和數據交互。

(2)運行環境。

本系統需要在Windows7、8系統下運行，要求的計算機內存為4 GB，屏幕最低分辨率為1 024×768；CPU運行速率最好為2.4 GHz以上；系統需要Auto Cad2010、Office2010版本支持。

(3)運行步驟。

①新建工程。

執行ConcreteDamSimAPP.EXE，選擇新建菜單，系統將新建一個工程并創建相應的文件夾。

②打開工程。

執行ConcreteDamSimAPP.EXE，選擇打開文件菜單，打開要模擬的方案；也可以通過文件管理器進入要打開的工程文件夾，選擇工程名.Dwg文件打開，然后再運行ConcreteDamSimAPP.EXE。

③保存工程。

在進行運行模擬計算時，系統自動保存一個階段的模擬結果；參數調整時，在點擊相應的菜單后，系統自動保存改變的數據。

4.2 系統功能與系統界面

(1)系統功能。

本軟件主要針對常態混凝土壩澆筑過程模擬而設計，其主要功能包括：

常態混凝土壩澆筑過程模擬；

壩體工程量計算與查詢；

模擬模型參數的輸入與修改；

壩體分階段模擬；

基于隨機環境因素的模擬；

模擬澆筑過程中的壩體上升過程、月澆筑強度、機械利用率和澆筑強度、接縫灌漿進程、老混凝土量及發生部位等澆筑過程信息的查詢和統計分析。

(2)系統界面。

系統運行主界面如圖3所示。系統主界面包括的菜單項為：項目管理、參數編輯、仿真與計算、仿真結果查詢和幫助。

圖3 系統運行主界面圖

(3)模擬參數編輯界面。

①壩塊編輯界面如圖4所示。壩塊編輯界面與CAD相結合，設定壩塊基本參數、賦予CAD實體以名稱、設定相鄰關系等。

圖4 壩塊編輯界面圖

5 模擬計算方案的綜合對比分析

從壩體最后一塊到頂時間上看：對于5個方案，最早的是比較方案2，即723 m基礎高程，縮短混凝土層覆蓋時間方案。該方案除層覆蓋時間外，其他邊界條件與基本方案完全相同，壩體最后一塊混凝土到頂的時間為2019年2月13日；最遲為比較方案3，即基礎開挖至718 m高程方案，壩體最后一塊混凝土到頂的時間為2019年4月29日，通過采取一定的措施后，與方案3相應的方案4壩體到頂時間提前到2019年3月14日。基本方案的壩體到頂時間為2019年3月22日(圖5)。

圖5 基本方案中壩體每半年澆筑面貌圖

從控制性進度滿足情況看：壩體澆筑混凝土高度方面，5個方案中2018年5月底壩體最低塊高程均超過要求的915 m高程，2018年10月底均超過要求的950 m高程；接縫灌漿方面，基本方案、比較方案2、比較方案4在2019年2月底接縫灌漿均達到要求的945 m高程。比較方案1、3略滯后于要求。

從月澆筑高峰強度看： 5個方案壩體澆筑強度均接近或略超過10×104m3。基本方案、比較方案3月混凝土澆筑高峰均出現在2016年12月，比較方案1的月混凝土澆筑高峰強度出現在2017年1月。比較方案2的月高峰強度出現在2016年10月，比較方案4的月高峰強度出現在2018年1月(圖6)。

圖6 基本方案月澆筑強度直方圖

從纜機月高峰澆筑強度和澆筑混凝土利用效率方面看：5個計算方案中3臺纜機平均高峰澆筑強度在3.3～3.7×104m3之間，最高的是比較方案2，即縮短層覆蓋時間方案。該方案在有效時間內澆筑混凝土的時間利用率也最高，為71%，其他均為60%左右。

6 仿真結論

《烏東德水電站大壩澆筑進度仿真》系統具有通用性強、控制靈活、操作方便，可以與“烏東德水電站數字大壩”系統進行互訪問，便于在工程實施期進度計劃調整和實時控制。通過對烏東德水電站拱壩樞紐布置、施工特點分析，緊密結合施工組織設計方案，建立了烏東德水電站大壩仿真模擬模型，并進行了5個方案的仿真計算分析，計算分析的主要結論如下：

烏東德水電站大壩位于典型的窄“U”型河谷，河谷陡峭；同時，泄洪中孔壩段多，在15個壩段中布置了6個泄洪中孔；方案采取的河床壩段領先澆筑、到中孔附近岸坡壩段再逐步跳倉的壩體上升方案是適宜的。采用低高程調倉雖然可以均衡壩體澆筑強度，但一定程度上會影響領先塊的上升，對于提早進行中孔鋼襯安裝有不利影響，其原因與烏東德大壩結構布置、河谷地形特征有關。

按照大壩施工組織設計方案，壩體從開澆到所有壩段澆筑至壩頂歷時38個月左右；壩體高峰月澆筑強度接近10×104m3，與P3進度計劃分析的強度略有不同，出現在2016年12月或2017年1月，壩體澆筑部位為830 m高程附近，可澆壩段數為9～10個，整個壩面面積在10 000 m2左右。壩體澆筑強度出現的兩個明顯的高峰時段為2016年9月～2017年3月和2017年10月～2018年3月。

烏東德水電站大壩上升受泄洪中孔影響比較大，從2017年3月開始，泄洪中孔牛腿部位混凝土澆筑到2018年2月壩體澆筑過中孔閘門大梁，歷時近一年，該段施工是烏東德大壩施工的關鍵階段。

3臺纜機的壩體混凝土入倉澆筑設備方案可以滿足壩體混凝土澆筑強度和層覆蓋時間要求。從纜機月澆筑混凝土強度看，中間一臺纜機負擔的混凝土澆筑強度大，達到4.5×104m3，其他兩臺纜機高峰時段月澆筑混凝土強度為3×104m3左右。高峰時段3臺纜機平均利用效率(混凝土澆筑時間/月有效工作時間)為60%左右，說明纜機尚有一定時間輔助吊裝。

當河床基礎開挖至718 m高程時，施工組織設計方案采取了一些常規措施后也可以滿足工期和控制性進度要求。另外，本工程壩體自下而上單個壩段澆筑倉面面積隨高程變化不大，中孔906 m高程附近部位壩面面積基本上是壩體最大面積高程部位，整個大壩壩面面積達到13 000 m2左右，可澆壩段多，纜機吊深小，有利于充分發揮纜機澆筑混凝土的效率，而且二道壩在這個期間基本到頂，方案在這段安排的混凝土強度不高，有一定的提高壩體澆筑速度和加快進度的余地。

作者簡介:

龔 翼(1980-)，男，重慶市人，工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作.