劉金飛，尹習(xí)雙，邱向東，何有忠，殷奎生

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

深溪溝水電站位于大渡河中游漢源縣和甘洛縣接壤處，是大渡河流域梯級規(guī)劃中的第十八級電站，裝機容量660MW，4臺發(fā)電機組。樞紐由3孔泄洪閘、1孔排污閘、主廠房、右岸窯洞式安裝間和2條泄洪洞等建筑物組成。

深溪溝攔河壩采用廠壩結(jié)合的布置形式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工干擾大，影響因素眾多，原計劃2010年11月30日發(fā)電，而建設(shè)方要求在保證工程質(zhì)量和安全的前提下提前至2010年7月1日首臺機組發(fā)電。由于前期工程進度已嚴重滯后，工期相當緊張，迫切要求在廠壩施工中解決以下關(guān)鍵問題:如何針對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和工序間的干擾，合理安排施工順序;如何快速評價當前的施工進度，分析進度偏差的原因并提出合理的解決措施;如何及時分析施工條件和施工參數(shù)的變化對后續(xù)施工進度的影響;如何從錯綜復(fù)雜的影響因素中找出制約混凝土快速施工的關(guān)鍵因素，有針對性地優(yōu)化施工方案和優(yōu)選施工參數(shù)，加快施工進度。

針對深溪溝廠壩混凝土施工的特點和深溪溝廠壩混凝土施工管理的要求，我院數(shù)字工程中心自主研發(fā)了“深溪溝水電站廠壩混凝土施工仿真及進度監(jiān)控分析系統(tǒng)”，實現(xiàn)了快速建立施工仿真模型、全參數(shù)化精確構(gòu)建復(fù)雜的三維廠壩、支持人工交互的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境訪問仿真成果等多項功能。

2 深溪溝廠壩工程概況

該工程攔河壩壩頂高程662.50m，壩頂全長226.0m，最大壩高為101.0m，廠壩混凝土約122萬m3。攔河壩自左至右分為左岸擋水壩段、左岸泄洪閘(左塊)、左岸泄洪閘(右塊)、4號機組壩段、3號機組壩段、2號機組壩段、1號機組壩段、右岸接頭壩段8個壩段進行澆筑施工。

廠房壩段上游側(cè)布置2臺MD1100塔機，下游側(cè)布置2臺STDQ1800高架門機。泄洪閘和排污閘布置1臺M900塔機?；炷了竭\輸采用50臺15～20t自卸車和12臺6m3混凝土攪拌車。

3 深溪溝廠壩混凝土澆筑仿真模型

通過定義變量與約束條件間的邏輯關(guān)系，來定量描述施工過程中的眾多影響因素及其錯綜復(fù)雜的制約關(guān)系。變量按澆筑規(guī)律和約束條件，隨仿真時鐘的推進動態(tài)變化，從而模擬廠壩的動態(tài)施工過程。

3.1 主要變量設(shè)置

(1)各壩段的頂高程E(i，j)，當前澆筑塊高程EC(i，j);

(2)各壩塊的澆筑高程 E(i，j，k)、層厚 H(i，j，k)、方量 V(i，j，k)、層澆筑歷時 T(i，j，k)、間歇時間TI(I，j，k)、澆筑完成時間 TE(i，j，k);

(3)廠壩混凝土總澆筑方量∑V、當前累計澆筑方量VC、各柱體累計澆筑方量VC(i，j);

(4)各澆筑設(shè)備的時鐘值C(m)、設(shè)備完成的工程量VT(m)、檢修狀態(tài)R(t)、澆筑強度Q(t)，工作效率W(t);

(5)即將要進行澆筑的混凝土塊號BlockID和澆筑機械機號MachineID。

其中i、j、k分別為壩段號、柱體號和層號，t為當前時刻，m為澆筑設(shè)備號。

3.2 約束條件

指廠壩混凝土施工的一般規(guī)律和制約混凝土施工的各種因素等，包括錯縫導(dǎo)致的澆筑塊相互壓制、壩體層間間歇時間、混凝土初凝和終凝時間、相鄰壩塊高差、立模拆模要求、基礎(chǔ)處理、倉面清理、廠壩上升速度、澆筑設(shè)備控制范圍及強度限制、拌合樓供料強度限制等要求。

3.3 優(yōu)先原則

理想的廠壩混凝土的施工過程，是一個不斷由低到高的均衡生產(chǎn)、均衡施工和均衡上升的過程。為保證施工的均衡性，在混凝土模擬施工中應(yīng)遵循以下原則:

(1)澆筑設(shè)備時鐘最小優(yōu)先原則。在選擇施工澆筑設(shè)備時，一般優(yōu)先選用工作狀態(tài)時間最小的設(shè)備，為準備進行混凝土澆筑的設(shè)備。

(2)壩塊澆筑高程最低優(yōu)先原則。除特殊原因外，總是優(yōu)先選擇澆筑高程較低的壩塊。這樣可使壩體全線整體均勻上升，避免出現(xiàn)過大的高差。

(3)壩塊間歇時間最長優(yōu)先原則。為防止老混凝土的發(fā)生，避免混凝土因溫度變化引起的裂縫，采用壩塊間歇時間最長優(yōu)先原則。

(4)有度汛擋水要求的柱體優(yōu)先澆筑原則。按照導(dǎo)流度汛方案，往往要求壩體在汛前達到一定的澆筑面貌，在其他條件相同的情況下，應(yīng)優(yōu)先澆筑有度汛擋水要求的柱體。

3.4 仿真流程(見圖1)

圖1 仿真系統(tǒng)流程

3.5 系統(tǒng)架構(gòu)與軟件特點

3.5.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計總體遵循通用性、模塊化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化的原則，系統(tǒng)構(gòu)成與各模塊之間的關(guān)系見圖2。

3.5.2 復(fù)雜廠壩結(jié)構(gòu)的精確模型

為使系統(tǒng)仿真成果更符合工程管理人員的習(xí)慣，系統(tǒng)采用三維平臺動態(tài)展示壩體上升過程。廠壩結(jié)合布置的混凝土重力壩孔洞繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用法國達索公司CATIA平臺構(gòu)建的廠壩三維模型，可以精確表現(xiàn)復(fù)雜的空間曲面和孔洞結(jié)構(gòu)，計算各控制點坐標以及廠壩混凝土方量。在CATIA平臺的知識工程環(huán)境下，全參數(shù)驅(qū)動的水工建筑物模板能快速適應(yīng)同類工程的結(jié)構(gòu)變化，達到快速、準確建模的特點。

3.5.3 三維動態(tài)分層

施工過程中，施工分層分塊會根據(jù)工程需要進行修訂，若每次調(diào)整都重新構(gòu)建三維模型，難以適應(yīng)快速調(diào)整的需要?；贑ATIA提供二次開發(fā)接口，采用VBA技術(shù)對廠壩三維模型進行分層分塊，能迅速響應(yīng)現(xiàn)場廠壩施工分層分塊的變化。

3.5.4 支持人工交互的網(wǎng)絡(luò)三維查詢系統(tǒng)

傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)往往采用單機運行環(huán)境，隨著網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，這顯然已經(jīng)無法滿足工程管理者對進度監(jiān)控的需求。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊基于Java applet插件、CATIA二次開發(fā)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)，可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布仿真成果，形象地展示施工面貌、進度偏差和對工程后續(xù)施工的預(yù)測成果。工程管理人員可以根據(jù)權(quán)限進行遠程訪問，獲取壩體澆筑強度、施工歷時、間歇時間、上升速度、施工面貌、機械設(shè)備的使用情況、仿真成果和澆筑記錄，并支持數(shù)據(jù)表、柱狀圖、餅圖、橫道圖、壩段二維模型、三維模型等多種方式查看和導(dǎo)出。

3.5.5 多方案比較與管理

工程決策中往往需要對實際澆筑面貌和進度計劃、不同仿真方案、仿真方案與預(yù)期計劃方案之間的形象面貌進行比較，本系統(tǒng)可以對多個方案的數(shù)據(jù)進行管理，并通過采用不同顏色標示兩比較方案的滯后和超前情況，使用戶能方便直觀地分析實際進度的情況和不同方案的差異。系統(tǒng)運行界面見圖3。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意

圖3 系統(tǒng)運行界面

4 深溪溝廠壩混凝土澆筑施工仿真與進度監(jiān)控

本系統(tǒng)于2009年3月在深溪溝工程中投入使用，直至2010年1月混凝土主體工程基本完工。

在此期間，現(xiàn)場施工邊界條件如澆筑層厚、分縫方式、澆筑間歇時間等不斷發(fā)生變化，實際施工面貌也往往出現(xiàn)滯后或者超前計劃面貌的偏差，現(xiàn)場施工管理中需要及時分析這種變化對后續(xù)施工的影響，合理優(yōu)化施工參數(shù)，確定關(guān)鍵路徑，調(diào)整資源配置，制定或調(diào)整施工預(yù)案。我們通過逐月跟蹤現(xiàn)場施工情況，更新施工邊界條件，進行多方案的比較分析，有針對性地提出改進措施和指導(dǎo)性建議，為現(xiàn)場決策提供參考。下面以2009年11月仿真計算方案為例進行介紹。

4.1 澆筑面貌和邊界條件的變化

截至2009年11月20日的現(xiàn)場實際澆筑面貌和進度計劃的對比見圖4。

圖4 2009年11月20日現(xiàn)場面貌與計劃比較

從11月20日現(xiàn)場施工面貌看，除4號機機窩段施工提前完成計劃外，其他壩段均存在不同程度滯后。

根據(jù)參建各方討論及專家咨詢意見，1號機機組壩段廠房封頂約1個月，與發(fā)電機層622.4～628.5m混凝土施工由順序施工改為并行施工，不占直線工期。

4.2 仿真計算成果及其分析

按照澆筑歷史面貌和工序的調(diào)整方案更新仿真模型，重新進行仿真分析，計算結(jié)果見表1、圖5。

結(jié)合實際澆筑面貌和仿真成果進行分析，總體上講，因前期澆筑強度不足，廠壩混凝土工程總工期比計劃滯后10d。若2009年11月以后施工進行順利，首臺機組發(fā)電節(jié)點工期基本能滿足第4次調(diào)整預(yù)案進度要求，但工期已相當緊張。

從表1來看，1號機壩段發(fā)電機層的施工為首臺機組發(fā)電的關(guān)鍵路徑。1號機組2010年1月中旬可提供機組安裝工作面，安裝及調(diào)試按5.5個月計算，2010年7月初1號機組可完成安裝、調(diào)試工作。

泄洪閘及排污閘壩段施工項目為次關(guān)鍵路徑，泄洪閘及排污閘壩段混凝土將于2010年1月23日澆筑至頂高程，弧形工作閘門、排污閘工作門及其啟閉機安裝時間約5個月，可于2010年6月下旬安裝完成，下閘擋水。

表1 關(guān)鍵項目施工進度

圖5 1號機組發(fā)電機層澆筑完成關(guān)鍵節(jié)點面貌(▽628.5m高程，2009－12－3)

左岸擋水壩段混凝土2010年2月中旬可澆筑至頂高程，右岸接頭壩段混凝土已于2009年7月底澆筑至頂高程。

當前右岸接頭壩段、1～2號機進水口壩段及尾水壩段已澆筑至頂，3號、4號機組壩段處于混凝土澆筑高峰期，隨著部分壩段土建工程完工，混凝土澆筑強度總體呈下降趨勢。1號、2號機壩段機窩段金屬結(jié)構(gòu)安裝工作量較大，占用起重設(shè)備時間較長，且與土建施工交面頻繁。需根據(jù)當前時段的施工特點，研究1號機發(fā)電機層頂部混凝土澆筑施工方案，做好金屬結(jié)構(gòu)吊裝與混凝土澆筑之間的調(diào)度與協(xié)調(diào)，減少安裝與土建施工之間的干擾。

4.3 應(yīng)用小結(jié)

系統(tǒng)應(yīng)用期間，通過緊密跟蹤現(xiàn)場施工情況、逐月進行仿真分析、編制進度仿真月報、開展現(xiàn)場咨詢服務(wù)，為工程管理人員快速準確掌握施工全過程、及時動態(tài)調(diào)整施工計劃提供了科學(xué)依據(jù)，為電站工程的進度監(jiān)控及施工管理提供了技術(shù)支持。從比較分析看，仿真預(yù)測成果與實際施工進程比較吻合，極好地驗證了系統(tǒng)的準確性和先進性。

通過參建各方的共同努力，電站首臺機組于2010年6月27日順利投產(chǎn)，提前實現(xiàn)了2010年7月1日發(fā)電的總目標，較招標計劃提前約5個月，初估增加發(fā)電效益達1.5億元，經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié)論與展望

廠壩混凝土施工仿真及進度分析監(jiān)控系統(tǒng)，解決了廠壩施工復(fù)雜的分縫分塊、錯縫搭接施工及相應(yīng)的進度計劃調(diào)整問題，具有能快速高效建立仿真分析模型、實時跟蹤施工條件變化反饋進度預(yù)測成果、高精度表現(xiàn)復(fù)雜廠壩模型、基于網(wǎng)絡(luò)訪問仿真成果和仿真過程三維動態(tài)查詢等特點。系統(tǒng)在深溪溝工程中的成功應(yīng)用表明，其具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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