耦合多維約束的高拱壩施工進度仿真研究

劉金飛，王 飛，譚堯升

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072；2.中國三峽建設管理有限公司，北京100038)

0 引 言

300 m級特高拱壩施工受壩體結構、施工工藝、外部環境、施工資源等諸多維因素制約，如何科學分析、動態控制施工進度，是300 m級高拱壩施工管控中面臨的挑戰之一。施工仿真技術從二灘工程開始引入國內[1]，近年來隨著錦屏一級、溪洛渡等高混凝土壩的相繼建設，施工仿真技術在國內水電工程建設過程中尤其是設計階段得到了廣泛應用[2-3]。高拱壩仿真技術一般已考慮高差約束、澆筑機械能力等常見的約束條件對進度的影響[4]，然而，由于真實施工過程的復雜性、隨機性和動態性和水電工程的個性化特點，對施工進度的影響機制的相關研究不足，仿真數學模型往往難以全面考慮施工過程中質量、安全、資源等多維因素對施工進度的影響，難以有效指導施工，甚至會誤導施工決策。

本文在中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司數十年施工階段仿真應用研究的基礎[5- 6]上，結合白鶴灘高拱壩的大風影響顯著、多標段、雙纜機平臺、不對稱體形布置等特點，開展多維約束條件耦合作用下的拱壩施工進度研究，為白鶴灘和類似拱壩工程的進度分析和控制提供決策支撐。

1 高拱壩施工多維約束條件耦合作用機制

高拱壩施工進度往往受到內外部諸多維因素的影響，如全壩允許最大高差、相鄰壩段最大高差、最大允許懸臂高度、澆筑能力、壩體結構和工程量、混凝土供應能力、溫控技術要求、基礎固結灌漿方案等諸多維因素的影響，以往施工仿真技術中通常會考慮這些因素對進度的影響。但白鶴灘拱壩工程具有顯著的個性特點，針對白鶴灘特點研究多維約束條件對施工進度的作用機制(見圖1)，是白鶴灘大壩進度仿真分析的前提。白鶴灘工程施工進度要考慮多維約束條件的耦合作用，約束條件主要有澆筑倉厚、倉面模板、大風天氣、纜機布置和數量、接縫灌漿溫控梯度、多標段施工、基礎固結灌漿施工、施工安全與質量等。

表1 各仿真方案參數

2 多維約束條件耦合的高拱壩施工進度仿真分析

2.1 多維約束條件下施工進度多方案對比分析

2.1.1工程概況

圖1 溫控應力與進度仿真的耦合控制

白鶴灘水電站攔河壩壩頂高程834 m，最大壩高289 m，壩體混凝土工程量807萬m3。壩身泄洪消能建筑物由6個表孔、7個深孔組成，壩體內布置有5層廊道，以及電梯井、聯系廊道、豎井、集水井等。白鶴灘壩址地處亞熱帶季風區，干濕季分明。根據歷年氣象統計，7級以上極大風速年平均數為2 495 h(折算為104天)，大風現象明顯。

工程采用7臺30 t平移式雙層布置方式，高、低平臺承載索出索點高程分別為980.0、 920.0 m，跨度分別約為1 170、1 110 m。在左壩肩834 m高程和768 m高程分別布置有2層供料平臺。拱壩混凝土由高線混凝土系統和低線混凝土系統供應，各配置2座HL360- 4F4500L型攪拌樓。

壩體接縫灌漿分區高度9～12 m，灌漿時應形成擬灌區、同冷區、過渡區和蓋重區的溫度梯度，754 m高程以上采用單同冷區、以下采用雙同冷區。大壩共31個壩段，1～18號及左岸墊座為左岸標，19～31號為右岸標。大壩混凝土于2017年4月12日開始澆筑。

2.1.2對比方案分析

為對比分析白鶴灘大壩工程中高差控制參數、最小備倉時間、開澆時間、澆筑層厚、同溫區高度、大風天氣等因素對大壩澆筑工期的影響，擬定如表1所示的仿真方案。各方案仿真計算成果如表2、3所示。

表2 各方案主要計算結果對比

表3 各方案主要計算結果對比 m

表4 典型方案關鍵指標與招標要求對比

(1)拱壩施工是個復雜的系統工程，施工進度受眾多維因素的共同影響。某項因素對大壩施工進度的影響程度，與其他邊界條件組合情況緊密相關。同一因素在不同的仿真參數組合下，可能對大壩施工進度的影響程度不一。

(2)從上述多方案對比來看，最小備倉時間、高差控制參數、澆筑層厚等因素，均對大壩澆筑工期、各年度汛面貌具有顯著影響。

(3)將單、雙同冷區的分界線下調，有利于加快645～754 m高程范圍內的接縫灌漿進度，并減小該高程區間的懸臂高度，但對澆筑總工期影響不顯著。

(4)大風影響。本次仿真僅分析了受大風影響導致的有效施工天數對進度的影響，從分析結果來看，大風天氣對澆筑總工期影響較為明顯。

2.2 典型仿真方案分析

典型方案的約束條件參數為最大相鄰高差15 m、全壩最大高差30 m、一般壩段最大懸臂高度75 m、孔口部位最大懸臂高度60 m，各部位最小間歇期類比類似工程的一般水平，大風影響按全年45 d考慮。

按照上述約束參數進行仿真分析，結果如表2所示。白鶴灘大壩預計2017年7月底完成大壩澆筑，高峰月強度25.8萬m3，月平均澆筑15.42萬m3，月不均衡系數1.67，單臺纜機高峰澆筑強度4.23萬m3，高峰月澆筑塊數76塊。

仿真模擬的典型方案施工進度關鍵指標與招標要求對比如表2所示。仿真模擬的澆筑完成日期為2021年7月29日，比招標計劃2021年6月30日延遲1個月，但澆筑總工期仿真成果為53個月，比招標要求縮短了2個月。

仿真模擬白鶴灘拱壩的澆注施工進度，月澆筑塊數、月澆筑強度和單臺纜機的月澆筑強度如圖2～4所示。由圖可知，月高峰強度發生在2019年10月。該時段各倉的纜機平均小時循環次數6～8次(各倉澆筑過程中高峰小時可達9～12次)，符合本工程的纜機布置、供料平臺布置特點及類似工程的經驗。同時，該時段最多同時澆筑3倉，其中同時澆筑3倉的情況有31倉(搭接澆筑)，同時澆筑2倉有17倉，單倉澆筑2倉。該時段各倉面實際間歇期均小于24 d，其中8～15 d的共39倉，占月澆筑倉數的76.5%；實際間歇期15～21 d的共7倉，占月澆筑倉數的13.7%；實際間歇期21～24 d的共5倉，占月澆筑倉數的9.8%。該時段除兩岸爬坡廊道倉面結構較為復雜以外，其他倉面結構簡單，具備快速連續上升的條件。

圖2 月澆筑塊數

圖3 月澆筑強度

圖4 單臺纜機月澆筑強度

因此，根據本工程的壩體體形、纜機布置及混凝土供應能力等條件，在當前擬定的施工邊界下，通過合理的施工組織，高峰月澆筑強度25.8萬m3是可以實現的。

從仿真分析結果來看，白鶴灘工程大壩混凝土施工的關鍵路徑為河床壩段，尤其是15從仿真分析結果來看，白鶴灘工程大壩混凝土施工的關鍵路徑為河床壩段，尤其是15號～22號孔口壩段導流底孔、泄洪深孔孔口范圍(含牛腿、流道、鋼襯、大梁、封頂等)的項目施工。不處于關鍵路徑、但若組織不當可能成為關鍵路徑的部位有：兩岸陡坡壩段基礎塊、尤其是基礎爬坡廊道部位；電梯井壩段。以上部位需要重點關注。

3 結論與建議

與溪洛渡、錦屏一級等類似300 m級高拱壩相比，白鶴灘工程具有規模大、工期長、雙纜機平臺、雙供料平臺、多標段、采用自升模板、面臨顯著大風天氣影響、大壩體型和孔洞布置不對稱等特點，施工進度控制難度較大。本文在研究高拱壩多維因素耦合作用機制的基礎上，結合白鶴灘高拱壩施工特性，通過對白鶴灘大壩多維約束條件多參數分析，提出白鶴灘大壩施工中應重點關注的因素和部位，為后續施工中結合施工仿真技術和智慧大壩[7]自動感知技術，實時了解現場實際狀態，密切跟蹤施工進展，動態調整仿真約束，不斷優化、細化系統模型和算法，并結合混凝土溫控、應力分析研究，充分利用仿真技術快速、量化、系統、準確的優勢，為白鶴灘大壩工程高質量連續施工提供指導和可靠決策依據。