郭大平，胡良才，紀(jì)俊雙

廠房作為水電站的重要組成部分，施工過程較為復(fù)雜。其上部結(jié)構(gòu)澆筑倉(cāng)面狹窄，施工機(jī)械澆筑能力有限，下部大體積混凝土的澆筑則必須合理進(jìn)行分塊；廠房封頂后門機(jī)等機(jī)械不能繼續(xù)使用，需重新配置澆筑機(jī)械[1]。因此合理安排廠房施工工序，優(yōu)化施工機(jī)械及其配套組合，對(duì)于水電站工程進(jìn)度控制和成本的控制都是至關(guān)重要的。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以在不破壞、不影響原系統(tǒng)和方案宏觀決策方向的前提下對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行最大程度的還原模擬，并用較小的時(shí)間成本和人力成本完成對(duì)不同配置方案的計(jì)算和比較[2]。本文以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為手段，對(duì)觀音巖水電站廠房施工過程進(jìn)行模擬，研究在不同機(jī)械配置情況下施工方案的比較優(yōu)選。

1 觀音巖水電站廠房概況

觀音巖水電站的廠房為壩后式，共有5臺(tái)機(jī)組，水輪機(jī)層安裝高度39.5 m，發(fā)電機(jī)層安裝高度50.5 m、吊車梁頂高度68.0 m。機(jī)組間距35.0 m，安裝間長(zhǎng)度為69.5 m。廠房右側(cè)部分加長(zhǎng)15.4 m，用于布置廠區(qū)滲漏集水井和檢修集水井等。

上游副廠房布置在壓力管上方，框架結(jié)構(gòu)，共分五層，每層高度5.0 m～7.0 m。最低層樓面高度44.5 m，樓面以下是壓力管及壩體實(shí)體結(jié)構(gòu)。下游副廠房布置在尾水管上方，共六層，屋頂高度64.0 m，見圖1。

圖1 觀音巖水電站廠房側(cè)視圖

2 廠房施工仿真系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)仿真原理

廠房混凝土的澆筑過程是倉(cāng)面上眾多混凝土澆筑塊間斷的有選擇性上升的過程，每一個(gè)澆筑塊的澆筑過程都是由各種約束條件決定的。從系統(tǒng)仿真學(xué)原理角度，可以把廠房施工系統(tǒng)看作一個(gè)多層級(jí)的服務(wù)系統(tǒng)，各個(gè)層級(jí)的子系統(tǒng)可以為它的下一個(gè)層級(jí)提供服務(wù)，也可以接受上一個(gè)層級(jí)子系統(tǒng)的服務(wù)[3]。

系統(tǒng)中的服務(wù)臺(tái)為澆筑機(jī)械，服務(wù)對(duì)象為混凝土澆筑塊。

2.2 系統(tǒng)仿真規(guī)則

系統(tǒng)的構(gòu)成要素同時(shí)具備自身屬性和受約束條件，這些要素彼此聯(lián)系，互相作用，共同影響系統(tǒng)的整體行為。通過分析系統(tǒng)中各要素的屬性和受約束條件，可以建立起系統(tǒng)仿真規(guī)則[4]。

2.2.1 系統(tǒng)行為特征

系統(tǒng)的行為特征體現(xiàn)在各個(gè)要素間的相互作用上。本系統(tǒng)的行為特征規(guī)則是先服務(wù)最先滿足約束條件的澆筑塊，包括高程最低澆筑塊、相鄰高差最大澆筑塊、間歇時(shí)間最長(zhǎng)澆筑塊等[5]。

服務(wù)臺(tái)運(yùn)行規(guī)則為優(yōu)先啟動(dòng)最早空閑的服務(wù)臺(tái)，對(duì)于同時(shí)空閑的服務(wù)臺(tái)，累計(jì)服務(wù)時(shí)間最短的優(yōu)先投入服務(wù)。

2.2.2 澆筑機(jī)械行為特征

機(jī)械種類不同，澆筑機(jī)械的行為特征規(guī)則也隨之變化，以門機(jī)為例，應(yīng)考慮到軌道限制因素，因此應(yīng)盡量讓門機(jī)單獨(dú)澆筑特定機(jī)組，避免產(chǎn)生澆筑范圍的邏輯交叉。

2.2.3 澆筑塊行為特征

混凝土澆筑塊行為特征直接影響整個(gè)施工過程，是系統(tǒng)中最主要的規(guī)則，包括高差約束規(guī)則、時(shí)間約束規(guī)則、工藝約束規(guī)則和面貌約束規(guī)則等[6]。

高差約束規(guī)則包括最大高差限制和最小高差限制，前者是為了實(shí)現(xiàn)混凝土塊有效澆筑和相鄰倉(cāng)面穩(wěn)定，后者則保證模板安裝和灌漿的施工要求。時(shí)間約束規(guī)則包括澆筑塊間歇期、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間等約束，主要是保證廠房溫度控制、層間結(jié)合質(zhì)量等。工藝約束規(guī)則是為了滿足不同構(gòu)件的不同施工工藝要求。面貌約束規(guī)則以施工進(jìn)度安排為依據(jù)，控制倉(cāng)面不同時(shí)期的澆筑面貌，以滿足工程整體施工進(jìn)度的要求。

3 廠房混凝土施工仿真計(jì)算

3.1 廠房分縫分塊

以發(fā)電機(jī)層為界，水電站廠房可以分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)通常為多層結(jié)構(gòu)，由大尺寸鋼筋混凝土墻、柱、板、梁和屋架等組成，下部結(jié)構(gòu)基本為中間布置有大型孔洞（尾水管、蝸殼、錐管等）的大體積混凝土。對(duì)廠房進(jìn)行合理的分層分塊，可以有效削減溫度應(yīng)力、減小施工難度、減少混凝土裂縫、保證施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)整體性的重要措施。

分層分塊原則如下[7]：

1）避免在結(jié)構(gòu)突變部位、薄弱部位及應(yīng)力集中部位分塊，應(yīng)根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工方法、應(yīng)力分布等情況進(jìn)行分塊。

2）為滿足混凝土溫度控制要求和澆筑能力控制要求，單個(gè)混凝土澆筑塊的長(zhǎng)寬比應(yīng)小于2.5。

3）基礎(chǔ)約束區(qū)的分層厚度應(yīng)薄一些，一般取1 m～2 m,約束區(qū)以上適當(dāng)加厚，分層厚度滿足混凝土溫度控制要求和周圍結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

4）分塊要充分考慮到施工方便的因素，如彎管底板分縫要考慮彎管模板安裝的工藝要求，蝸殼混凝土下部1 m處分層以便于蝸殼吊裝。

將廠房混凝土按照上述原則進(jìn)行分塊，結(jié)果見圖2。

圖2 水電站廠房分縫分塊示意圖

3.2 計(jì)算邊界條件

3.2.1 廠房幾何參數(shù)

將劃分好的各混凝土澆筑塊信息錄入施工仿真系統(tǒng)[8]，得到單機(jī)組廠房混凝土澆筑塊信息如表3所示，廠房幾何信息如圖3所示。

表3 澆筑塊混凝土量 單位：104m3

圖3 廠房幾何形體信息

3.2.2 澆筑設(shè)備

混凝土供料系統(tǒng)月高峰強(qiáng)度14×104m3/月，生產(chǎn)能力420m3/h。

廠房主體用兩臺(tái)MQ2000門塔機(jī)進(jìn)行澆筑[9]，供料平臺(tái)高度43.5 m，塔頂高度103 m，最大循環(huán)次數(shù)12次/h，吊罐容積6 m3，運(yùn)行速度1 m/s，回轉(zhuǎn)速度0.25 rpm，大修用時(shí)24 h，大修一次澆筑方量為50000 m3。

上下游副廠房的混凝土由運(yùn)輸車轉(zhuǎn)混凝土泵送至倉(cāng)面，其澆筑能力等效為胎帶機(jī)，混凝土生產(chǎn)率90 m3/h。

3.2.3 時(shí)間參數(shù)

仿真計(jì)算中日有效工作時(shí)間取20 h，施工有效天數(shù)充分考慮高溫、降雨、嚴(yán)寒及節(jié)假日等影響因素，全年按照326 d考慮。

3.2.4 混凝土施工參數(shù)

本工程全部為常態(tài)混凝土，混凝土控制層覆蓋時(shí)間5 h，允許拆模時(shí)間72 h，澆筑攤鋪層厚0.5 m，初凝時(shí)間3 h，終凝時(shí)間5 h。

3.2.5 施工進(jìn)度參數(shù)

設(shè)定2020年為基準(zhǔn)年，2020年1月1日開始廠房基礎(chǔ)混凝土的澆筑，到2021年9月實(shí)現(xiàn)廠房基礎(chǔ)混凝土、彎管段一期混凝土、錐管段一期混凝土的澆筑，到2021年10月實(shí)現(xiàn)主廠房上下游墻、上游副廠房、下游副廠房的澆筑。澆筑塊上下層時(shí)間間隔按照7 d處理，基礎(chǔ)灌漿停歇時(shí)間按10 d處理。

3.2.6 降雨參數(shù)

降雨模擬過程橫貫整個(gè)廠房的施工期，每月的最大降雨歷時(shí)和最小降雨歷時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際氣候資料決定。

3.3 仿真方案設(shè)計(jì)

為研究澆筑能力對(duì)廠房施工進(jìn)度的影響，設(shè)計(jì)比較方案如下。

方案I：采用兩臺(tái)MQ2000門機(jī)進(jìn)行廠房主體工程澆筑，為避免門機(jī)之間由于軌道限制產(chǎn)生的施工干擾，1號(hào)和2號(hào)機(jī)組由1號(hào)門機(jī)單獨(dú)澆筑，4號(hào)、5號(hào)機(jī)組和安裝間由2號(hào)門機(jī)單獨(dú)澆筑，3號(hào)機(jī)組由兩臺(tái)門機(jī)共同澆筑。采用混凝土泵進(jìn)行副廠房和主廠房部分二期混凝土澆筑。

方案Ⅱ：采用兩臺(tái)MQ2000門機(jī)進(jìn)行廠房主體工程澆筑，采用混凝土泵進(jìn)行副廠房和主廠房部分二期混凝土澆筑，此外再為廠房主體澆筑增加一臺(tái)胎帶機(jī)。

3.4 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過仿真計(jì)算，得出方案I和方案Ⅱ的機(jī)械澆筑強(qiáng)度、月澆筑量和施工進(jìn)度情況見圖4～圖7所示。

圖4 方案I各月澆筑機(jī)械利用強(qiáng)度（單位：104m3）

圖5 方案Ⅱ各月澆筑機(jī)械利用強(qiáng)度（單位：104m3）

圖6 方案I和方案Ⅱ各月混凝土澆筑量（單位：104m3）

圖7 方案I和方案Ⅱ各子項(xiàng)施工進(jìn)度情況

從圖中看出，兩個(gè)方案中門機(jī)的月澆筑強(qiáng)度相差不大；方案Ⅱ前6個(gè)月的總澆筑量明顯高于方案I，可見方案I的澆筑能力有較大缺口，方案Ⅱ中增加的不受軌道限制的胎帶機(jī)填補(bǔ)了方案I不飽和的澆筑能力。封頂后門機(jī)停止使用，主廠房的二期混凝土改由混凝土泵澆筑，仿真計(jì)算中系統(tǒng)將方案I的二期混凝土澆筑任務(wù)分配給上游混凝土泵，方案Ⅱ的二期混凝土澆筑任務(wù)分配給了下游混凝土泵，因此相應(yīng)的混凝土泵澆筑強(qiáng)度較封頂前有明顯的提高。

整個(gè)施工過程月澆筑量有兩次明顯下降，第一次是在完成廠房下部大倉(cāng)面混凝土澆筑后，第二次是在混凝土泵代替門機(jī)后。

在施工進(jìn)度方面，方案I廠房上下游墻體于2021年8月25日完成澆筑，2021年10月25日完成封頂并安裝吊機(jī)，此時(shí)完成主體工程施工；2021年9月22日完成蝸殼安裝及二期混凝土澆筑，電氣安裝按17個(gè)月考慮，則方案I于2023年2月實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

方案Ⅱ廠房上下游墻于2021年3月20日完成澆筑，于2021年5月20日完成封頂和吊機(jī)安裝，廠房主體工程比方案I提前5個(gè)月完工；2021年3月23日完成第一臺(tái)機(jī)組蝸殼安裝及二期混凝土澆筑，2022年11月實(shí)現(xiàn)發(fā)電，比方案I提前3個(gè)月發(fā)電。由此看來，在合理范圍增加混凝土澆筑能力可以有效縮短廠房的施工工期。

4 結(jié)語(yǔ)

廠房建設(shè)是水電站施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為使水電站提前投入發(fā)電，可以適當(dāng)優(yōu)化澆筑機(jī)械配置方案，使混凝土澆筑能力接近飽和狀態(tài)。本文對(duì)廠房的施工過程進(jìn)行模擬，初步挖掘了較優(yōu)的機(jī)械配置方案，驗(yàn)證了利用計(jì)算機(jī)仿真工具優(yōu)化水電站廠房施工方案的可行性。

[1]羋書貞，水利工程施工組織與管理[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2016.

[2]申明亮、白留星等，拱壩混凝土澆筑施工仿真工程量計(jì)算[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電[J]，2006(4):113—115.

[3]喻宏昌，混凝土澆筑系統(tǒng)的仿真模型[J].西北水力發(fā)電.2002(6):4—7.

[4]常昊天，鐘登華等，耦合動(dòng)態(tài)合倉(cāng)的碾壓混凝土壩施工進(jìn)度全過程仿真，天津大學(xué)學(xué)報(bào)[J].2013(1):29—37.

[5]陳運(yùn)濤，系統(tǒng)仿真應(yīng)用與新發(fā)展[J].船電技術(shù)[J].2001(1):31—32.

[6]李家亮等，心墻堆石壩施工仿真系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].水力發(fā)電，2010(1)：17—19.

[7]林繼鏞，水工建筑物（第五版）[M].北京：水利電力出版社，2015.

[8]王仁超、盧威，基于物理過程的建模方法及其在水利工程施工中的應(yīng)用研究[J].水利水電技術(shù)，2002，33(7)：13～16

[9]劉津明，混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.