考慮入倉口因素的碾壓混凝土壩倉面施工仿真研究

杜志達，王奉金，劉運鵠

(大連理工大學 建設工程學部， 遼寧 大連 116024)

大壩施工是一項浩大的系統工程，涉及多種機械、工藝復雜、不確定因素眾多，通過人工方法編制施工組織設計比較困難[1]。計算機仿真技術可以非常細致、全面地研究施工中遇到的具體問題，并且能夠通過改變仿真參數獲得多個對比方案，因而受到越來越多學者的重視。早在20世紀70年代，國外學者Bassgen[2]便結合混凝土壩施工過程首次提出了對混凝土澆筑過程進行模擬，Halpin[3]在計算機模擬中采用了循環控制網絡技術，Kamat和Martinze通過記錄仿真過程中每個實體各時段的動作狀態，實現了施工運輸過程的三維動態可視化[4]。國內，天津大學朱光熙教授[5]最早對二灘水電站雙曲拱壩進行施工模擬，之后又有眾多學者發展了大壩施工仿真技術，趙春菊等[6-7]建立了倉面作業系統仿真模型，并研究了混凝土生產、運輸及倉面作業系統間的耦合關系，燕喬等[8]基于Visual Studio平臺開發了混凝土拱壩施工仿真系統，鐘登華等[9-11]提出在大壩仿真模型中結合實時監控技術來動態監控倉面信息并更新仿真參數，王仁超等[12]提出了基于BIM與IFC的混凝土壩施工仿真建模方法，杜志達等[13]研究倉面施工中考慮了施工機械相互影響。

碾壓混凝土壩施工簡化了溫控措施，適合大面積機械化操作，能夠縮短工期、降低成本，已經成為目前大型水利工程中的主要壩型，眾多學者對其施工過程從不同角度進行了相應的研究，但當前研究大多集中在對大壩的整體澆筑模擬，很少涉及倉面施工，在少數進行倉面施工模擬的研究中，都沒有考慮入倉口因素的影響。入倉口是在大壩倉面施工不可忽略的影響因素，其不僅影響到自卸汽車進出倉面的效率，“封倉施工”還會占用較長的工期。因此，本文在建立仿真模型時考慮了入倉口因素，研究其對倉面施工工期、機械效率等的影響。

1 仿真建模與實現方法

1.1 仿真框架

倉面施工各主要關鍵活動如圖1所示。在全面分析碾壓混凝土壩倉面施工各項工藝流程基礎上，將其劃分為拌合裝料系統、混凝土運輸系統和倉面作業系統。考慮自卸汽車出入倉和入倉口與其它部位澆筑工藝的差別，依據離散事件系統仿真原理構建仿真模型，利用Flexsim仿真軟件模擬施工過程，并對仿真結果進行靈敏度分析。

圖1倉面施工流程圖

1.2 模型約束及規則

系統的運行離不開一定的規則和約束，建立倉面施工系統需滿足如下條件。

(1) 層間間隔約束。連續上升鋪筑的碾壓混凝土的層間間隔時間應該控制在直接鋪筑允許的時間內，直接鋪筑允許時間一般取混凝土初凝時間，因此在施工中，要保證層間間隔時間小于混凝土初凝時間。

(2) 上壩汽車數限制。因此倉面內所能進入的自卸汽車數量必須小于限定值，當倉面內自卸汽車數量達到限定值后，新到達的自卸汽車需在入倉口處等待。

(3) 排隊機制。運輸機械在裝料、出入倉過程中遵循先到先服務、重車優先原則；當有多個排隊系統時，機械設備選擇最短的隊伍排隊。

(4) 條帶澆筑規則。倉面施工按事先確定好的條帶順序進行澆筑。對于第一條帶，可供卸料的攤鋪前沿較短，施工開始后，自卸汽車將2～3車混凝土卸到第一條帶，推土機沿條帶方向進行攤鋪，形成攤鋪前沿，自卸汽車將混凝土卸到新的攤鋪前沿上，第一條帶攤鋪完成后開始碾壓作業。從第二條帶開始，攤鋪前沿方向變為沿條帶長度方向，可供自卸汽車卸料的空間變大，施工工序變為流水施工。封倉階段，入倉口處可供卸料、攤鋪和碾壓作業的空間較小，自卸汽車、推土機和振動碾只能順序依次施工，直至入倉口處最終澆筑完畢。

1.3 參數確定

系統內各施工機械的運行存在一定的隨機性，同時由于各機械間的相互影響，其服務時間具有不確定性，相關學者對其進行了研究，本文結合于雪峰的研究和以往經驗[14-15]，確定各項活動服務時間服從如下分布：

(1) 自卸汽車裝料時間：

(1)

(2) 車輛運行時間：

(2)

式中：Ti表示車輛i的運輸時間；L表示道路的長度；Vij表示車輛運行速度，j=1表示空車運行速度，j=2表示重車運行速度；tij表示隨機擾動時間。

(3) 卸料作業服務時間：

(3)

(4) 攤鋪作業時間：

(4)

1.4 仿真實現

倉面施工系統屬于離散事件系統，其系統狀態不是連續變化，只在離散的時間點上發生改變，本文選擇Flexsim仿真軟件模擬施工過程。

(1) 模型抽象。倉面施工系統中包含自卸汽車、攤鋪機等移動機械，也包括拌合樓、倉面等固定場景，在Flexsim模型中將它們抽象為實體，以臨時實體代替自卸汽車、混凝土等在各子系統之間流轉的實體，以發生器、處理器表示拌合樓、推土機、振動碾等始終存在于各子系統中的固定實體。

(2) 活動聯系。模型中的實體確定之后需要建立它們之間的聯系，各實體間通過中間端口、輸入端口和輸出端口建立聯系，用來描述系統內各項活動之間的邏輯關系和先后順序，以及用于臨時實體在固定實體之間的尋徑和信息傳遞。

(3) 事件觸發。活動的開始和結束都由事件觸發，并引發新的事件。在模型中活動的開始主要通過兩種方式實現，一種是系統達到某種判斷條件，開始執行下一個活動；另一種是系統某項活動執行完后，觸發處理器的“trigger”事件，并執行相應的操作。

(4) 活動實現。處理器實體可以按照給定的時間，對進入其中臨時進行處理，處理完成后釋放臨時實體。處理器的處理時間參數，Flexsim提供了多種可供選擇的函數模型，同時支持讀取全局表中的處理時間。

2 工程實例

2.1 倉面信息

某碾壓混凝土壩矩形施工倉面，倉面高度3 m，澆筑層厚30 cm，沿壩軸線方向長度55 m，垂直于壩軸線方向長度110 m，澆筑過程中分為7個條帶，第1條帶寬8 m，其余條帶寬17 m。拌合樓距離入倉口1 km，配備2臺銘牌產量360 m3/h的拌合樓，2臺推土機，4臺振動碾，行駛速度1 m/s，碾壓時先無振碾壓2遍，再有振碾壓4遍，再無振碾壓2遍，20臺自卸汽車，單位運輸方量6 m3，重車行駛速度35 km/h，輕車行駛速度42 km/h，采用跨越橋式、缺口+鋼橋和臨倉缺口3種入倉方式對其進行模擬。

2.2 仿真結果及分析

2.2.1 入倉口數量對工期的影響

通過控制變量法，改變入倉口數量，分析其對于整體澆筑強度的影響。每種入倉方式仿真200次，取其平均值作為澆筑時間作出工期分布圖，如圖2所示。

圖2不同入倉方式澆筑時間對比

從仿真結果可以看出，在該倉面背景和機械配置下，不論自卸汽車何種方式入倉，2個入倉口都是最佳配置。當只有1個入倉口時，出入倉效率降低，但入倉口少，封倉施工時間短，所以總體澆筑時間與2個入倉口相比只略微增加，但是缺口加鋼橋方式下，填補缺口時需要先補齊模板，這段時間內無法施工，所以總體工期比2個入倉口時增加較多。當有3個入倉口時，自卸汽車入倉效率幾乎沒有提高，但是封倉時間增加，所以總工期較2個入倉口不降反增。

2.2.2 不同入倉方式下澆筑時間對比

為了研究不同入倉方式澆筑強度的細節，以2個入倉口為例，每種方式仿真次數200次，選取三種入倉方式下某一次的仿真數據，對其澆筑過程進行分析。分析結果見圖3—圖6。

圖3 跨越橋模式下澆筑強度直方圖

圖4鋼橋模式下澆筑強度直方圖

圖5 臨倉缺口模式下澆筑強度直方圖

圖6不同入倉方式澆筑時間對比

由仿真結果可以看出，三種澆筑方式下，隨著澆筑時間的增加，整體澆筑方量都穩定增加。但是在第1、2種入倉方式下，倉面澆筑后期封倉施工中，凝土澆筑效率明顯下降；在第3種方式下，在上層混凝土的澆筑過程中，缺口隨著澆筑層的升高被填補，因此工期較另外兩種方式較短。同時，在澆筑強度對比圖中可以看到，由于第一條帶卸位數量的影響，混凝土的澆筑效率較其它條帶低，只有其余條帶1/3左右。

2.2.3 不同澆筑部位自卸汽車利用率對比

自卸汽車的配置是倉面施工組織的重要環節，合理配置自卸汽車數量，能夠提高倉面澆筑效率和各機械利用率。接下來以2個跨越橋入倉方式為例，研究不同自卸汽車數量下的施工進度和機械效率。結果見圖7、圖8。

圖7不同汽車數量下澆筑時間對比

從仿真結果可以看出，縱向上，隨著自卸汽車數量的增加，其利用率呈逐漸下降的狀態，尤其是缺口部位，利用率下降較快，整體工期也逐漸縮短，但當自卸汽車數量達到16臺時，混凝土入倉效率不再是制約倉面施工效率的主要因素，即使自卸汽車數量增加工期也不再縮短。橫向上，可以看出入倉口和第一條帶澆筑時，自卸汽車利用率明顯較低，尤其缺口處，汽車數量達到14臺后，其利用率不足0.15。

圖8不同部位自卸汽車利用率對比

3 結 論

由上文分析可知，倉面澆筑封倉階段，由于入倉口處面積狹小，機械作業效率低，會成為制約整體施工效率的重要因素，因此施工封倉階段可以減少自卸汽車數量，節約資源；其次，自卸汽車不同入倉方式下，封倉施工采取的工藝不同，澆筑效率也存在差異。總的來說，入倉口處形成的缺口越小，澆筑效率越高。最后，不同入倉口數量下，自卸汽車進出入倉口效率差異，封倉施工的時間不同，導致總體澆筑效率的差異，應根據具體倉面確定合理入倉口數量。

最終結果表明，自卸汽車不同入倉方式對于對于倉面施工效率存在顯著影響，傳統的施工仿真中忽略入倉口因素是不合適的，實際施工中應根據不同倉面施工狀態選擇合適的入倉方式和入倉口數量。