严寒地区高拱坝混凝土施工进度保障措施仿真

王翔　杨学红　张克　范五一

摘要：严寒地区大坝混凝土施工约束多、进度分析复杂。为了给进度保障措施的制定提供依据，以西北地区某高拱坝为例，采用施工进度仿真方法对保障措施的有效性开展了研究。首先利用缆机事件驱动仿真时钟的方法建立高拱坝混凝土施工仿真模型，然后在仿真约束边界及参数分析的基础上，对大坝施工进度可能影响较大的因素开展敏感性仿真分析。仿真结果分析表明：缩短最小层间间歇、适当增加每年可施工天数、增加最大允许悬臂高度和相邻坝段最大高差是有效且可行的进度保障措施。其中，增加每年可施工天数代价最小，效果最好，应优先考虑。相关经验可供严寒地区混凝土大坝施工借鉴。

关键词：高拱坝; 施工进度; 施工仿真; 严寒地区; 层间间歇; 最大允许悬臂高度

中图法分类号： TV512

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.024

0引 言

在严寒地区建设高拱坝除了面临高山峡谷地区复杂的地形地质条件外，还将面临更恶劣的气象环境。某高拱坝所在地区冬季寒冷，有5个月的平均气温处于零度以下，混凝土施工无法正常开展，每年有效施工天数大大缩短，导致工程建设周期显著延长。同时坝址所在地昼夜及年度气温变化幅度大，气候干燥，这些都对高拱坝工程的施工进度及质量控制提出了更高的要求。因此，如何制定有效的严寒地区高拱坝施工进度保障措施，是实现工程施工进度目标亟待解决的问题。

严寒地区高拱坝工程建设周期长、施工约束多、施工组织复杂，常规的工程进度分析方法（如横道图法、网络图法）无法对影响大坝施工进度的各种因素进行深入分析[1]。对于复杂的系统，常采用计算机仿真技术模拟多个比选方案，预测不同方案的实施结果，从而确定一个较优方案[2]。对于大坝施工系统而言，工程实施中采取的大部分施工进度保障措施都可转换为大坝施工仿真模型的边界约束条件或仿真参数，每一组仿真参数对应一种仿真方案。针对主要采用缆机进行混凝土施工的该高拱坝工程，本文拟采用施工仿真方法对各方案进行仿真对比研究，从而为制定有效的施工进度保障措施提供参考依据。

国外计算机仿真技术应用于混凝土坝施工过程始于1970年代。在1973年第十一届国际大坝会议上，一些国外学者发表了混凝土坝施工仿真研究成果，例如Jurencha和Widmann[3]针对混凝土重力坝的缆机浇筑过程，研究仿真算法并进行了应用。中国混凝土坝施工仿真理论与应用研究始于20世纪80年代。天津大学朱光熙等[4-5]对二滩拱坝混凝土浇筑过程进行了仿真模拟，成果满足拱坝一般施工规律。翁永红和谢红忠[6]以三峡工程混凝土大坝施工为应用对象，建立了同时考虑门塔机、塔带机和缆机等3类主要浇筑机械的大坝施工仿真模型，并将仿真结果与工程进度管理软件P3进行连接，促进了仿真成果在工程实践中的应用。钟登华等[7]在混凝土坝施工仿真中发展了基于GIS的三维动态可视化仿真方法，开辟了一个新的仿真研究方向。近十几年来，由于国外在建和拟建的高混凝土坝较少，混凝土大坝特别是高拱坝的施工仿真研究主要集中在国内。杨学红等[8]应用赋时Petri网络基本理论对大坝施工系统进行了仿真建模，描述资源等施工参数随施工进度的变化，分析了大坝混凝土的施工过程。为了将施工仿真技术更好地应用于高混凝土坝施工建设管理，确保工程进度按计划顺利实施，吴康新、钟登华、任炳昱等[9-12]针对高拱坝仿真建模理论和实时控制理论展开了系统深入的研究，构建了一套高拱坝施工进度仿真理论体系。刘超等[13]基于排队论和负载均衡技术建立了以缆机为基本决策单位、浇筑罐为基本计算单位的缆机施工仿真模型，比较真实地反映了全缆机高拱坝施工系统的特点。刘金飞等[14]基于智慧大坝系统感知信息，采用多维耦合仿真技术对影响白鹤滩大坝施工进度的关键因素进行分析，为大坝连续施工提供了指导。

本文在吸收国内高拱坝施工仿真研究成果的基础上，以缆机为基本决策对象，建立利用缆机事件驱动仿真时钟推进的高拱坝施工仿真模型;通过施工仿真约束边界及参数分析，明确基本方案主要仿真参数;然后拟定对比仿真方案，开展多要素敏感性仿真分析;最后，根据仿真分析结果得到加快大坝施工进度的4项措施并对其可行性进行了分析。

1施工仿真模型

1.1高拱坝混凝土施工系统分解

高拱坝施工系统可分为混凝土生产子系统、混凝土运输子系统和混凝土浇筑子系统3个子系统[9-10]，如图1所示。

混凝土生产子系统是大坝施工的基础，其生产能力必须满足大坝浇筑强度要求，为大坝施工进度提供保障。混凝土运输子系统由水平运输系统和垂直运输系统组成。高拱坝混凝土施工通常采用专用上坝通道和专用运输车进行供料，然后用缆机将混凝土吊装至大坝仓面。高拱坝混凝土浇筑子系统中，坝体采用分缝分层浇筑，并遵循规范和设计规定的坝段上升规则，浇筑机械从满足施工约束条件的坝块中选择一个可浇坝块进行浇筑，同时还辅助进行一些备仓及金属部件的吊装工作。

1.2高拱坝混凝土施工仿真模型

高拱坝混凝土施工中，仓位的浇筑事件和各坝段高程变化都是在离散时间点上发生，因此高拱坝混凝土施工仿真为离散事件系统仿真[9-10]。在离散事件系统仿真中，仿真时钟负责记录系统内各事件发生的时间，是系统行为和状态描述的基础。本文仿真时钟联合使用了事件推进法和固定时间推进法[9-10]。

高拱坝施工仿真行为可看作浇筑缆机对澆筑仓的服务行为，通过这个行为完成仓位的混凝土浇筑。对于单个浇筑仓位，缆机配置数量需满足其浇筑能力不小于初凝允许间歇时间内完成单个铺层浇筑强度的要求。为保证施工质量和运行安全，实际施工中，一般不考虑多台缆机联合浇筑某个仓位过程中临时抽调1台缆机同时服务其它坝块浇筑的情况。所以在高拱坝施工仿真建模中可认为一旦缆机和浇筑仓位配对关系确定，缆机与仓位就绑定构成了固定的服务关系，直至该仓位完成浇筑。根据上述分析，本文以缆机为基本决策对象建立高拱坝混凝土施工仿真基本模型，通过浇筑过程中依次发生的缆机事件逐步驱动仿真时钟向前推进，进而完成大坝缆机浇筑全过程仿真。本文缆机事件（活动）包括缆机移位、备仓、维修，吊罐装料、起吊运输、仓面卸料、空罐返回、缆机空闲、坝块浇筑完成等。

为均衡发挥缆机的工作效率，保持坝体的整体均匀上升，在选择浇筑机械和浇筑块时，一般选择间歇时间最长的缆机，然后综合考量各项因素后选择实施浇筑块。本文高拱坝混凝土施工仿真流程为：首先选择空闲缆机并判断该空闲缆机仿真时钟是否属于有效工作时间，不是则推进至有效工作时间;然后在空闲缆机的覆盖范围内选择满足特定约束条件的可浇筑坝块。如果没有可以浇筑的坝块，系统将根据提前设置的系统参数向前推进缆机仿真时钟。如果能够选择到满足条件的待浇坝块，则根据待浇坝块的仓面面积及其与卸料平台之间的距离，计算单台缆机的浇筑强度及完成坝块浇筑所需缆机的数量，然后按临近搭配原则确定浇筑该坝块的缆机编号。当满足浇筑条件的坝块不止一块时，则综合考量各项因素的权重后给可浇坝块进行浇筑排序，排在第一位的坝块优先确定开始浇筑的时间并计算浇筑历时。当坝块浇筑结束后，系统完成一个坝块的浇筑活动，然后更新系统各项数据信息，进入下一个坝块的浇筑循环，直至整个大坝仿真系统计算结束。高拱坝混凝土施工仿真流程见图2。

2施工仿真约束边界与参数

2.1工程概况

某高拱坝坝顶高程990 m，最大坝高240 m，混凝土浇筑量414.8万m3。大坝共分为35个坝段，中间16～19号坝段为泄洪坝段，15号和20号为导流坝段。泄洪坝段的泄水孔分3层布置：3个表孔、2个中孔及4个底孔供水管。泄洪坝段两侧的导流坝段各设置1个导流底孔，其中15号坝段增设1个生态基流孔。

大坝混凝土主要采用5台30 t平移式无塔架缆机浇筑。根据缆机布置方案，左岸1号、2号坝段和右岸34号、35号坝段不在缆机控制范围内，需采取其他浇筑设备辅助浇筑。

根据施工总进度计划，在大坝浇筑第二年汛末（8月底），大坝最低高程≤815 m，枯水期围堰挡水;第3年汛前（4月底），大坝最低高程≥826 m，大坝开始挡水;第4年汛末，大坝最低高程≥885 m，接缝灌浆高程≥849 m;第5年汛末，大坝最低高程≥930 m，接缝灌浆高程≥900 m;第6年汛末，大坝最低高程≥975 m，接缝灌浆高程≥948 m。

2.2施工约束边界分析

缆机浇筑边界分析：受缆机控制范围限制，只有3～33号坝段纳入缆机浇筑。在该浇筑仿真模型中，由于左岸1号、2号和右岸34号、35号坝段不受缆机资源调配限制，可以随时安排浇筑，所以认为这些坝段不对缆机3～33号坝段施工产生相邻坝段高差约束。

浇筑时间边界分析：根据当地气象条件，10月中下旬至次年4月上中旬的平均气温低于混凝土正常施工要求，大坝浇筑和接缝灌浆暂停施工。因此，每年可供混凝土浇筑施工的月份为4～10月，时长6～6.5个月左右。

混凝土供应能力边界分析：混凝土系统的最大生产能力为520 m3/h，换算到每月最大供应量约为17.5万m3。因此，某个坝块是否可以开仓浇筑必须满足两个条件：① 大坝同时浇筑仓面的浇筑总强度不能超过混凝土系统每小时最大生产量520 m3;② 当月大坝混凝土浇筑量最大在17.5万m3左右。

单仓缆机浇筑台数上限分析：坝段最大顺流向长65 m，缆机最小安全间距11 m，则河床下部坝块理论上最多可允许5台缆机同仓浇筑。根据仓面面积和缆机运行效率，并结合类似工程运行经验，该工程单仓最多允许4台缆机同时浇筑。在该仿真模型中，多余的缆机可用于其它仓面的浇筑或备仓作业。

2.3施工主要仿真参数分析

（1） 仿真开始时间。根据施工总进度计划，大坝开始浇筑时间为第一年5月10日。

（2） 有效工作时间。保守考虑，每年施工时段为4月15日至10月15日，共184 d。扣除雷暴、大风、大雨等恶劣天气影响天数，全年有效施工天数为169 d。实际施工时，在做好保温措施的条件下，每年4月和10月可适当延长有效施工天数。

（3） 仓面坯层覆盖时间。夏季6～8月气温较高，仓面坯层最多间歇3 h，其它月份间歇4 h。

（4） 浇筑层厚。采用3 m层厚为主，表孔等局部变截面部位浇筑层厚调整为1.5 m。

（5） 高差约束参数。相邻坝段最大高差一般控制在12 m内，相邻坝段最小高差为3 m;全坝整体最大高差不超过30 m;悬臂高度控制标准为大坝下部（高程795 m以下）70 m，大坝中上部（高程795 m以上）65 m。

（6） 接缝灌浆区灌浆时上部压重高度。高程822 m以下采用2个同冷区，总压重高度33 m，高程822 m以上采用1个同冷区，总压重高度24 m。

（7） 缆机运行效率。第一年5月和每年冬歇期后复工的4月，缆机效率均为正常值的80%。

3多要素敏感性仿真對比分析

根据施工总进度，第二年汛后，大坝需加快施工进度以满足关键节点进度要求。针对大坝施工进度可能影响较大的层间最小间歇、相邻坝段最大高差、最大允许悬臂高度、每年有效施工时长、浇筑层厚等关键要素，拟定表1所列的多种仿真方案。各仿真方案的大坝施工进度计算结果见表2～3。

高拱坝混凝土施工作为一个复杂的施工系统，其施工进度（混凝土跳仓浇筑过程）受众多因素影响。对于高拱坝混凝土施工仿真模型来说，其仿真进度则受多项仿真参数组合的影响。不同仿真参数组合对应的仿真进度也不同。为了研究某项因素对施工进度的影响，表1中各对比方案都是在基本方案的基础上改变一项仿真参数得到的。

多方案仿真对比分析结果表明：减少坝块最小层间间歇对大坝浇筑总工期影响最大，可缩短1.4个月;放宽相邻坝段高差、增加最大允许悬臂高度、延长每年可施工天数等仿真参数对总工期影响基本相当，可缩短总工期0.5个月;而增加浇筑层厚方案对总工期影响较小，仅缩短总工期0.3个月。从关键节点进度仿真结果对比来看，各方案都能满足关键节点进度要求。但相比基本方案，对比方案5（4.5m层厚方案）和对比方案2（相邻坝段最大高差15m）有1～2个关键节点的大坝最低高程和接缝灌浆高程均变得更低。这表明增加层厚和相邻坝段高差虽然可以一定程度上加快上升进度、缩短总工期，但大坝整体上升的均衡性较差，其中增加层厚方案更为明显。

由于4.5 m层厚方案的大坝整体上升均衡性较差，缩短总工期也不明显，而且考虑其对混凝土模板、施工工艺、施工质量和安全保证措施等方面有较高要求，因此在制定施工进度保障措施时，不建议考虑增加层厚方案，推荐考虑缩短最小层间间歇、延长每年可施工天数、增加最大允许悬臂高度和相邻坝段最大高差等4项措施。

4施工进度保障措施分析

在推荐考虑的4项措施中，延长每年可施工天数（对比方案4）是代价最小、效果最好的进度保障措施。根据相关规范，当日平均气温不连续5 d低于5 ℃或最低气温不连续5 d低于-3 ℃，均不需采取额外措施，大坝即可提前复工或延后停工。即使气温低于规范标准，也可根据实际情况判断是否能采取有效的低温施工措施，从而确定是否提前或延后施工。仿真结果表明，当每年可施工天数最多延长10 d（合计延长40 d）时，不仅浇筑总工期缩短0.5个月，而且大坝浇筑到顶时间相比基本方案提前了50 d;相比基本方案，关键节点的大坝浇筑高程和接缝灌浆高程也有明显提升。

缩短层间最小间歇时间、适当增加相邻坝段最大高差和最大允许悬臂高度是高拱坝工程施工实践中经常采用且有效可行的施工进度保障措施。基本方案中，层间最小间歇为当前施工平均先进水平，如果现场施工组织得当或采用成熟先进的施工工艺，缩短最小间歇1 d是可能的。例如在高拱坝工程实践中，3 m层厚实体坝块可以在5 d内完成备仓，只要高差、缆机配备、混凝土供应等各项约束条件满足，那么仓面间歇5 d即具備了开仓条件。基本方案中，相邻坝段最大高差规定≤12 m，但近十几年国内不少高拱坝工程施工中，在做好坝段侧面保温措施后，许多相邻坝段的最大高差均突破了12 m，达到15 m甚至18 m。因此，对比方案2将相邻坝段最大高差增加至15 m的施工进度保障措施是合理可行的。适当放宽最大悬臂高度控制以加快大坝浇筑进度，在国内已建高拱坝也是经常采用的进度保障措施。在工程开工前，设计单位提出的最大允许悬臂高度一般考虑了最不利工况，且安全系数有一定富裕。在工程开工后，现场施工边界条件进一步明确，根据最新边界条件进行结构应力复核计算后，大多数情况下允许适当放宽最大允许悬臂高度。对比方案3中，高程795 m以上的最大允许悬臂高度增加5 m至70 m，适当放宽的尺度较小，对结构应力的影响不大，而且国内已建200 m以上高拱坝工程实践中也多有采用70 m最大悬臂高度的先例。因此，适当放宽最大允许悬臂高度也是该项目开工后可供考虑的进度保障措施之一。

5结 语

施工对比仿真分析表明，缩短最小层间间歇、适当延长每年可施工天数、增加最大允许悬臂高度和相邻坝段最大高差是4项较为有效且可行的进度保障措施。其中，延长每年可施工天数代价最小、效果最好，应优先考虑。由于对高拱坝施工进度产生综合影响的众多因素在大坝开工前及施工过程中会发生变化，过早根据施工仿真结果制定的施工进度保障措施会存在一定程度的失真，所以实施阶段的大坝施工进度保障措施应结合工程现场施工边界条件进行制定并适时调整。

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（编辑：胡旭东）