张 为 法,王 仁 超,林 万 旭,王 世 龙

(1.中国电建西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065; 2.天津大学 水利工程智能建设与运维国家重点实验室,天津 300072)

0 引 言

特殊的受力传递结构使得拱坝具有经济合理、安全可靠的优点[1],适用于高山峡谷中大型水电开发项目。近20 a间,中国在西南、西北地区先后建成了小湾、锦屏一级、溪洛渡、白鹤滩、乌东德、拉西瓦等一系列特高拱坝,在该坝型施工方面积累了大量的经验,如在小湾工程施工过程中提出了同冷区、过渡区分区冷却概念[2],在白鹤滩、乌东德水电站实践了低热水泥筑坝技术[3]。

但在中国先期建设的高拱坝施工过程中,均不同程度地出现过裂缝,且大多数裂缝出现在施工期[4]。合理的浇筑顺序不仅有利于高拱坝温控防裂[5],也有利于提高机械利用率及施工经济性,合理规划浇筑施工方案和施工过程,对于保证特高混凝土拱坝安全和提升经济效益具有重要作用。

高拱坝施工受到多种因素的影响制约,包括环境因素、坝体结构与孔洞分布、施工机械、混凝土拌和系统等[6],如何综合考虑这些因素,形成既满足坝体温控防裂[7]、度汛等进度目标要求,又兼顾施工经济的坝体浇筑施工顺序,是混凝土坝浇筑施工规划和施工控制的核心问题之一。从系统优化角度来看,最佳浇筑顺序获得问题属于组合优化-NP难题。对于这类问题,系统仿真是最为适宜和常用的方法之一[8]。

混凝土坝浇筑施工采用系统仿真的方法最早出现在1973年国际大坝会议上,Jurecha等[9]以奥地利施立格坝缆机浇筑施工为对象,利用确定性数字仿真方法对缆机浇筑大坝混凝土方案进行优选。国内则出现在20世纪80年代,朱光熙[6]针对二滩大坝缆机浇筑进行研究,并开发了相应的仿真系统;2005年,尹习双等[10]提出了基于虚拟现实技术的仿真方法;2020年,邹元品等[11]将Web增强现实技术用于高拱坝施工仿真。

不同混凝土高拱坝结构特点存在差异,最优施工方案涉及经济、进度、安全等多个目标,需要特定问题特定分析[12],仿真结果的合理性与仿真者的经验以及对于工程特点的认识相关,存在较大主观性,有必要针对混凝土高拱坝施工仿真提出相应的优先浇筑规则类型以及优先规则选择的评价指标。

目前,对于混凝土优先浇筑规则多是通过多次仿真试验,确定不同阶段的优先浇筑规则。为了保证能够搜寻到较好的浇筑规则,石英等[13]提出了分阶段模拟方法,钟登华等[14]提出了基于粒子群优化的排序方法,吴斌平等[15]针对高拱坝提出了边缘坝段优先的排序方法。这些方法多是启发式的,但启发式方法的缺点是不能保证所得结果是最优的,对于所得结果的评价缺乏规则的标准。

本文结合笔者多年从事高拱坝施工仿真的经验,分析了高拱坝仿真模型及优先浇筑规则类型,结合忠玉高拱坝工程施工特点,探讨了高拱坝施工优先浇筑规则选择运用和评价方面的若干问题,以期为后续工程应用、程序开发等提供参考。

1 高拱坝浇筑施工仿真模型构成分析

高拱坝施工过程是在一定约束条件下不同筑块浇筑上升顺序问题,高拱坝浇筑过程施工仿真系统模型大多衍生自“理发馆”模型,如图1所示。

图1 衍生自“理发馆”模型的混凝土坝浇筑仿真概念模型

1.1 坝体与筑块

坝体往往可用若干浇筑块表示,若Pi表示第i个浇筑块,则一个大坝D可以用若干筑块Pi来表示,对于具有n个筑块的坝体,可以表示为集合:

D={P1,P2,…Pi…,Pn}i=1,2,……n

(1)

在坝体浇筑施工仿真模型中,筑块随着仿真时钟推进发生状态改变,对于筑块Pi的状态SPi往往可以用属性集来描述:

SPi={a1,a2,…al…,am}l=1,2,……m

(2)

式中:a为筑块的属性,如筑块的高程、当前正在进行的工作、当前工作持续时间、累计浇筑量、累计老混凝土量等。

混凝土坝浇筑仿真过程是根据一定的浇筑服务准则,安排缆机等浇筑机械对筑块进行浇筑,使得筑块状态发生改变。系统仿真通常将这一过程称为状态转移,目前混凝土坝仿真模型多是采用基于离散时间的仿真机制,状态转移发生在特定时间点上,对于筑块Pi,t时刻状态为SPi,t,则t+1时刻状态可以表示为

SPi,t+1=T(SPi,t)

(3)

式中:T()为状态转移函数。

1.2 浇筑规则

在混凝土坝浇筑施工仿真模型中,存在3类主要的规则,分别对应概念模型图中的约束条件规则、优先浇筑规则、可用浇筑机械匹配规则,形成3个中间结果,即可浇筑的筑块集合、可浇筑的筑块队列、选择浇筑的筑块集合。

(1) 约束条件规则RC。浇筑约束条件规则往往来源于规范、规程、标准等,具有客观性。约束条件规则作用于一个筑块形成的结果是筑块可浇与不可浇,可用如下公式表达:

(4)

(2) 优先浇筑规则RO。优先浇筑规则主要解决的是筑块的优先浇筑问题,通常由决策仿真人员基于对当前浇筑状态或前一阶段状态评价以及度汛等进度预期要求主观设定。优先浇筑规则RO通常包括:可用规则作用时间范围、特定项目的全局优先规则、若干个对象范围及其优先策略。如果可浇筑的筑块集合用{APi}表示,优先队列用OPQ表示:

OPQ=RO({APi})

(5)

由于不同的RO可能导致不同的浇筑进度形象和不同施工经济性指标等,因此在施工仿真过程中,仿真分析者的主要工作通常是在施工不同阶段选择合适的优先浇筑规则。为不同阶段选择或尝试不同优先规则就是分阶段模拟思想,可以表示为

RO={ROt}t=1,2,3,…,T

(6)

(3) 可用浇筑机械匹配规则RAM。在混凝土坝浇筑仿真过程中,筑块能否被浇筑取决于当前可用浇筑机械的浇筑能力和空间上是否受到正在浇筑筑块的制约,基于可用浇筑机械匹配规则RAM,在形成优先浇筑队列OPQ中选择靠前的筑块进行匹配,匹配成功则该筑块进入浇筑状态。若当前可浇筑的筑块为集合UM,当前匹配成功的浇筑集合为OP:

OP=RAM{OPQ,UM}

(7)

2 优先浇筑规则选择、运用与评价

2.1 优先浇筑规则类型

拱坝浇筑施工仿真模型存在若干优先浇筑规则,以下为主要、常用的优先浇筑规则。

(1) 均衡上升-最低块优先浇筑规则。拱坝需进行横缝接缝灌浆,同时特定结构需控制最大悬臂高度,以避免拟灌区以上坝体自身重力等作用引起的应力集中。因此,均衡上升是最有利于接缝灌浆的浇筑排序方式。对应均衡上升,优先规则表现为最低块优先的原则,即在出现若干可浇筑的筑块时,按照各个筑块高程,采取由低到高的顺序安排筑块浇筑。

(2) 特殊部位优先规则。混凝土拱坝存在特殊部位,如坝身会布置泄洪底孔、深孔以及表孔等泄水通道,需要安装钢衬的泄水深孔等,使得孔洞等部位混凝土间歇时间延长。通常在浇筑到该高程区间后,采取优先或跳仓措施先浇筑该部分筑块,以降低对邻块的影响。

(3) 老混凝土优先浇筑规则。在浇筑过程中,要求尽量避免产生超长间歇,当间歇期超过特定天数(通常为28 d),则出现老混凝土。目前仿真模型多采用接近老混凝土的筑块优先浇筑,设置老混凝土预警时间,若筑块的间歇时间超过老混凝土预警时间,则接近老混凝土时间的筑块优先安排浇筑。

(4) 岸坡坝段优先浇筑规则。在靠近两岸筑块下部通常是基础约束区,易产生裂缝,需要较为严格的温控措施,同时当岸坡较陡时,需要和相邻坝块保持一定的浇筑面貌。

(5) 奇数或偶数坝段优先规则。为了节省模板和浇筑方便,采用奇偶坝段跳仓的浇筑规则,即奇偶坝段之间保持一定的高差。针对一定范围的坝段,奇数坝段或偶数坝段优先浇筑,则形成奇数或偶数坝段优先浇筑规则。

(6) 其他优先规则。为了满足导流度汛形象、控制悬臂高度、在特定灌区完成高低块转换等,需要针对特定部位、时间、形象面貌等采取相应的优先浇筑规则。

2.2 优先浇筑规则运用技巧

混凝土坝浇筑仿真是一个试算过程,对于何时、何部位、何种浇筑面貌宜采用的优先浇筑规则问题,结合笔者多年工程仿真经验,总结形成优先浇筑规则选择的基本原则:

(1) 对于未布置有金属结构或远离金属结构安装影响的区域,通常应采用最低块优先浇筑的原则,以保证坝体均衡上升;

(2) 对于整个坝体浇筑宜采用接近老混凝土筑块优先的选择,以减少老混凝土产生量,提高施工经济性;

(3) 对于岸坡坝段,通常岸坡优先等级宜仅次于接近老混凝土优先浇筑规则;

(4) 对于布置有较长安装时间的金属结构或布置有深孔、表孔坝段及其邻近的2～3个坝段,应在距离其所在高程之下1～2个灌区开始采用特殊部位优先原则,且应根据金属结构所在坝段选择奇偶坝段优先上升规则;

(5) 对于有度汛要求的情况,应在度汛高程之下2～3个灌区,采用最低块优先浇筑的原则。

2.3 优先浇筑规则运用效果的评价指标

评价浇筑过程合理性的指标是混凝土浇筑施工仿真的重要研究内容之一。结合作者经验,高拱坝浇筑施工仿真优先浇筑规则选择评价应包含以下指标:

(1) 浇筑进度以及度汛等关键控制性节点进度。工期和进度形象是评价浇筑施工仿真优先规则选择的最基本指标。对于关键节点工期合理性,通常需要模拟若干阶段并结合浇筑月强度信息以及浇筑机械利用等信息进行评价。针对高拱坝,工期进度通常有坝体浇筑进度和接缝灌浆进度两个方面。

(2) 浇筑进度形象面貌。浇筑面貌的合理性评价通常依赖仿真分析者的经验及对工程特点的认识所形成的预期,需要通过一定量的工程积累,增加对不同浇筑规则可能导致不同形象的认识。例如,接近老混凝土筑块优先规则往往会使越先开始浇筑的筑块越高,在跳仓控制奇数坝段较高情况下,偶数坝段优先浇筑规则会导致相邻筑块高差接近最小高差等。

(3) 混凝土月浇筑强度分布。月浇筑强度分布合理性评价具有较为明确的准则,即高峰强度发生的部位是否合理以及月强度的波动性是否过大。月浇筑强度除了受优先浇筑规则影响之外,还受坝体筑块分布、浇筑机械能力与合浇、悬臂高度控制、岸坡坝段等因素影响。优先规则选择不当会导致高峰月强度发生部位不合理或在部分时段相邻月份出现较大不正常波动。

(4) 老混凝土产生量。老混凝土的产生原因包括:金属结构等施工时间过长、浇筑顺序不合理导致部分坝段过快上升、浇筑机械配置不合理等。金属结构施工时间长导致的老混凝土是不可避免的,浇筑机械配置方案不合理导致的老混凝土量,是评价机械配置方案的重要方面,而浇筑顺序不合理导致的老混凝土则与浇筑优先规则相关。在用老混凝土衡量优先规则选择与运用的合理性时,需要明确老混凝土产生的原因,进而评价和修改优先浇筑规则。

3 实例分析

3.1 忠玉高拱坝结构布置与混凝土浇筑施工特点

3.1.1结构布置

忠玉水电站大坝三维示意图及上游展示图如图2所示。大坝为混凝土双曲拱坝,坝顶高程3 225.0 m,建基面高程2 955.0 m,最大坝高270.0 m。坝身布置有3个泄洪表孔、1个泄洪深孔、1个泄洪底孔。自右向左分为21个坝段,12号坝段为泄洪底孔坝段,16号坝段为泄洪深孔坝段,13～15号坝段为表孔坝段,17号坝段为导流底孔坝段。由图2可知,忠玉水电站大坝具有以下结构特点:

(1) 孔洞呈不对称布置,泄洪底孔的12号坝段右侧的1～11号坝段为挡水坝段,而泄洪深孔16号坝段以及导流底孔17号坝段的左边仅有18～21号4个挡水坝段。

(2) 两岸坝肩槽岸坡陡峭,忠玉高拱坝两岸坝肩槽岸坡非常陡峭,19号、20号坝段之间基础高差达47 m,20号、21号坝段之间基础高差达91 m。

(3) 由于混凝土材料的关系,大坝坝段相对宽厚,忠玉高拱坝混凝土总方量338万m3,与同样坝高和高宽比的乌东德大坝相比,混凝土方量多出114万m3左右。

3.1.2混凝土浇筑初始施工规划

(1) 导流方案。忠玉水电站采用全段围堰挡水、导流洞过流的施工导流方案。施工初期由围堰挡水导流隧洞过流;中期由导流坝体临时断面挡水,导流隧洞泄流;后期由坝体挡水,临时导流底孔泄流;临时导流底孔下闸后,坝体挡水,永久底孔泄流。

(2) 坝体浇筑施工方案。忠玉水电站拱坝采用30 t平移式缆机入仓,预可研阶段拟采用3台缆机方案,由于坝址地形特殊,19～21号坝段为岸坡窑洞式开挖,缆机无法直接入仓浇筑,需要缆机转料到布置在18号坝段的转料仓,然后依靠皮带机等入仓浇筑。

(3) 控制性进度。坝体拟于第5年3月开始浇筑;第7年度汛,坝体浇筑至高程3 100 m,接缝灌浆至高程3 063 m;第8年10月底导流洞封堵,接缝灌浆至高程3 095 m;第9年5月度汛,接缝灌浆至3 160 m。

3.1.3混凝土浇筑施工特点分析

结合忠玉坝体布置特点以及施工方案,混凝土浇筑存在以下特点:

(1) 孔洞非对称布置对坝体均衡上升有较大影响。孔洞坝段施工是影响浇筑工期关键因素之一,忠玉高拱坝17号导流底孔坝段左侧仅有18～21号4个挡水坝段,且均为高陡边坡坝段,故孔洞坝段施工对工期的影响会进一步放大。

(2) 忠玉水电站高拱坝左岸18～21号以及右岸1～2号坝段岸坡陡峭,坝段基础高差大。对于高陡边坡,混凝土浇筑时,为了保证施工过程中坝体岸坡稳定,需要采取特殊的浇筑面貌控制。

(3) 忠玉水电站大坝19～21号坝段地处岸坡窑洞,需要缆机在18号坝段设置转料斗转料,为了保证窑洞坝段浇筑,需要18号坝段高于19～21号坝段。

3.2 浇筑优先规则初步选择

基于浇筑优先规则运用技巧,结合忠玉高拱坝特点,忠玉水电站大坝浇筑施工仿真优先浇筑规则初步拟定5个仿真阶段:第一个阶段为基础高程2 955 m 至导流底孔1～2个灌区以下阶段;第二个阶段为17号坝段导流底孔施工阶段;第三个阶段为12号坝段泄洪底孔施工阶段;第四个阶段为16号坝段泄洪深孔施工阶段;第五个阶段为13～15号泄洪表孔施工阶段。各个阶段有关老混凝土、岸坡采用的优先浇筑规则是:接近老混凝土的筑块优先浇筑,岸坡坝段优先等级采用仅次于老混凝土的优先规则。5个阶段筑块区间优先浇筑规则初步选择如表1所列。

表1 筑块区间优先浇筑规则初步选择规则

3.3 浇筑优先规则运用结果评价

基于3.2节中初步选择的优先浇筑规则,针对3台、4台缆机布置方案进行仿真计算分析,并针对选择的浇筑规则运用结果进行评价。

3.3.13台缆机布置方案运用结果评价

(1) 强度与工期评价。忠玉高拱坝采用3台缆机布置方案施工时月浇筑强度如表2及图3所示,坝体浇筑工期为53.8个月。通过图3可以看出,月浇筑强度分布未出现较大的波动。

表2 3台缆机布置方案下坝体月浇筑强度

图3 3台缆机布置方案下月浇筑强度直方图

(2) 控制性进度评价。忠玉高拱坝采用3台缆机布置方案时控制性进度满足情况如表3所列。第7年汛前,坝体浇筑最低高高程未超过围堰顶高程3 075 m,接缝灌浆高程未达到3 063 m,但满足导流进度要求;其他控制性节点均满足控制性进度要求。

表3 3台缆机布置方案下控制性进度满足情况

(3) 老混凝土产生量评价。3台缆机浇筑方案产生的老混凝土量累计为133 997 m3,其中钢衬安装(35 d)期间产生老混凝土量12 895 m3,即其他原因导致的老混凝土量超过12万m3,产生的原因和3台缆机布置情况下浇筑机械利用、浇筑顺序等有较大关系,具体产生原因需要通过方案比较来确定。

(4) 浇筑面貌评价。3台缆机布置方案下坝体浇筑半年面貌如图4所示。从图4可以看出:大坝上升整体上体现了初步拟定的优先浇筑规则。在大坝下部左岸高于右岸;第6年12月达到底孔钢衬安装高程,第7年上半年6月,12号坝段快速上升至2 099 m泄洪底孔钢衬安装高程,呈现出中间高两侧低的浇筑面貌;直至第8年6月,16号坝段由于钢衬安装,致使15～16号坝段出现一定程度降低,到第8年年底整个坝段较为均衡的上升,面貌上仍呈现中间高两侧低;至第9年6月出现两侧到顶而中间表孔坝段及其涉及的16～17号坝段低于两侧坝段的面貌。

图4 3台缆机布置方案下坝体半年浇筑面貌

3.3.24台缆机布置方案运用结果评价

(1) 强度与工期评价。忠玉高拱坝4台缆机布置方案施工仿真月浇筑强度如表4及图5所示,坝体浇筑工期41.3个月。从图5可以看出:基于初步选择的优先浇筑规则,坝体月浇筑强度有部分月份出现了较大波动,需要对优先浇筑规则等进行必要的改变,在3.3.3节优化方案中详细介绍。

表4 4台缆机布置方案下坝体月浇筑强度

图5 4台缆机布置方案下月浇筑强度直方图

(2) 控制性进度评价。忠玉高拱坝4台缆机布置方案控制性满足情况如表5所列。各要素均满足控制性进度要求,且有较大提前。

表5 4台缆机布置方案下控制性进度满足情况

(3) 老混凝土产生量评价。4台缆机布置方案下老混凝土总量36 074 m3,除金属结构安装阶段(超过35 d)产生老混凝土量12 895 m3外,由于悬臂高度、孔洞相邻坝段影响引起老混凝土仅23 000 m3,和3台缆机布置方案的12万m3相比,减少81%。由于3台及4台缆机布置方案采用一致的优先浇筑规则,表明3台缆机情况下老混凝土的产生主要是浇筑机械因素引起的。

(4) 浇筑面貌评价。4台缆机布置方案下坝体浇筑半年面貌如图6所示。对比3台缆机布置方案可以看出:4台缆机布置方案下,第一年大坝下部部位左岸优先,从第二年6月开始,大坝右岸上升基本追平优先坝段,原因是4台缆机整体利用效率提升,轮浇一遍所需时间缩短,在接近老混凝土优先规则作用下,坝体呈现整体均衡上升,而3台缆机由于坝面面积较大,在中部仅能同时开一仓的情况下,不可避免非优先的坝段出现老混凝土,进而导致这部分坝段上升慢,同时减少了老混凝土量的产生。

图6 4台缆机布置方案坝体半年浇筑面貌

3.3.34台缆机布置方案优化后运用结果评价

由于4台缆机方案月浇筑强度部分月份出现较大波动,需对该方案进行优化。优化方法包括:对5个仿真阶段在初步优先规则基础上增加按照悬臂高度选择浇筑优先顺序,对部分时段加长部分坝段的间歇期。

(1) 强度与工期评价。4台缆机布置优化方案施工仿真月浇筑强度如表6及图7所示。优化方案工期43.6个月。比较图5和图7可以看出:优化方案浇筑强度波动情况有了较大改善,整体表现平稳,避免了较大波动。

表6 4台缆机布置优化方案下坝体月浇筑强度

(2) 控制性进度评价。4台缆机布置优化方案控制性满足情况如表7所列,控制性进度满足节点控制要求。

(3) 老混凝土产生量评价。老混凝土产生量18 696 m3,相比原4台揽机方案的36 074 m3减少了48%。通过增加悬臂高度选择优先顺序,有选择地增长间歇期,大幅度减少了老混凝土的产生,达到了优化目标。

4 结 语

高拱坝混凝土浇筑施工受自身结构、环境、浇筑机械等多种因素影响,是一个复杂的组合优化问题。实践证明,施工仿真是高拱坝混凝土浇筑施工分析的有效手段。在施工仿真模型中优先浇筑规则的选择对于浇筑结果的合理性、可靠性有很大影响。基于笔者多年施工仿真经验,对高拱坝浇筑优先选择规则类型、运用技巧、评价准则和指标等问题进行了探讨,提出了高混凝土拱坝常用的6类优先浇筑规则以及4个方面的评价指标,并结合忠玉水电站高拱坝施工进行了论证分析,以期为高拱坝施工仿真分析应用、程序开发等提供借鉴。