混凝土施工模擬管理論文
時(shí)間:2022-06-30 04:46:00
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1前言
混凝土拱壩作為一種經(jīng)濟(jì)性和安全性都較優(yōu)越的壩型,在水利水電工程中得到了廣泛應(yīng)用,對(duì)拱壩混凝土施工這一成本高、無(wú)法重復(fù)的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)一個(gè)工程而言,一個(gè)合理的施工方案和機(jī)械配套方案往往需要多個(gè)方案的綜合比較、多個(gè)施工參數(shù)反復(fù)調(diào)整才能最終確定。若用傳統(tǒng)方法進(jìn)行壩體分倉(cāng),論證混凝土施工方案,不僅工作量大,而且精度不高,應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)則可以很好地解決這個(gè)問題。在滿足混凝土澆筑系統(tǒng)實(shí)際條件和施工準(zhǔn)則的情況下,針對(duì)施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬研究,可以為施工組織提供科學(xué)的參考信息,指導(dǎo)施工設(shè)計(jì)和施工管理。
本文介紹了拱壩混凝土施工過程動(dòng)態(tài)模擬的方法,并以石門坎水電站拱壩為工程背景進(jìn)行實(shí)例研究,從技術(shù)角度對(duì)施工方案進(jìn)行分析比較。
2大壩混凝土澆筑模擬系統(tǒng)分析
大壩混凝土施工主要由混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)、混凝土運(yùn)輸系統(tǒng)和混凝土澆筑系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)組成,這三個(gè)系統(tǒng)相互協(xié)調(diào),相互影響,同時(shí)還受到施工系統(tǒng)的所處的具體環(huán)境的影響。根據(jù)研究的側(cè)重點(diǎn),這里僅對(duì)混凝土澆筑系統(tǒng)進(jìn)行模擬。對(duì)混凝土生產(chǎn)和運(yùn)輸系統(tǒng),可以在模擬過程中假設(shè)混凝土骨料生產(chǎn)的供應(yīng)能夠保證拌和樓的需要,以及水平運(yùn)輸系統(tǒng)能充分保證混凝土水平輸送要求。
大壩混凝土澆筑系統(tǒng)是一個(gè)離散事件系統(tǒng),可以采用系統(tǒng)模擬的方法對(duì)施工系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。對(duì)模擬全過程而言,采用時(shí)間步長(zhǎng)法來安排時(shí)間進(jìn)程。時(shí)間步長(zhǎng)是影響模擬精度的一個(gè)重要因素。選取的時(shí)間步長(zhǎng)愈小,模擬的系統(tǒng)狀態(tài)與真實(shí)狀態(tài)就愈吻合,模擬的精度愈高,但增加了狀態(tài)檢查判斷次數(shù),從而增加了模擬運(yùn)行時(shí)間;反之,當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)取得過大,雖然可以縮短運(yùn)行時(shí)間,但會(huì)降低模擬精度。因此,在混凝土澆筑過程模擬時(shí),需根據(jù)不同層次模擬的需要設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)[1]。這就彌補(bǔ)了固定步長(zhǎng)對(duì)模擬精度的影響,能更加精確地描述混凝土澆筑過程中各主要因素的相互聯(lián)系和制約關(guān)系[2]。
3模擬設(shè)計(jì)
混凝土澆筑模擬尋求的目標(biāo)就是在給定的澆筑方案和機(jī)械配置情況下,在滿足各種約束限制條件下,安排混凝土壩塊的澆筑順序,選擇合理的澆筑施工方案。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo),需要做好兩方面工作:混凝土澆筑模擬數(shù)學(xué)邏輯模型的建立和模擬參數(shù)的選取。
3.1模擬數(shù)學(xué)邏輯模型
壩體澆筑模擬模型,是以狀態(tài)變量和決策變量與約束條件間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系來定量的描述。狀態(tài)變量包括各壩段混凝土澆筑高程、方量和時(shí)間;決策變量是根據(jù)混凝土澆筑既定規(guī)律要求隨時(shí)判斷將要進(jìn)行澆筑的混凝土塊號(hào)和澆筑機(jī)械編號(hào)。約束條件是指在大壩混凝土施工中應(yīng)遵守的約束條件主要包括混凝土壩施工過程中的一般規(guī)律、合同文件技術(shù)規(guī)范要求以及特定施工條件下的各種要求,如壩體允許懸臂高度、間歇時(shí)間、混凝土初凝終凝時(shí)間、相鄰壩塊高差、立模拆模。大壩混凝土施工模擬,就是通過選擇滿足約束條件的決策變量,并根據(jù)決策變量的變化,計(jì)算出一組新的大壩混凝土狀態(tài)變量;然后在新的狀態(tài)下,進(jìn)行新的決策變量的判斷。通過大壩混凝土狀態(tài)變量的不斷改變,大壩混凝土也就不斷從低到高講行模擬澆筑[3]。
3.2模擬參數(shù)
(1)有效工日。有效工日一般根據(jù)設(shè)計(jì)資料中提供的降雨資料,并參考以往的科研成果,從方便施工組織設(shè)計(jì)及混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)管理的角度來確定。在石門坎工程的混凝土施工模擬中擬定有效工日見表1。
表1有效工日表
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
全年
天數(shù)
31
28
31
30
31
30
31
31
30
31
30
31
365
有效工日
27
22
26
25
21
20
21
20
23
23
24
27
280
(2)壩體澆筑分層及間歇期。壩體澆筑分層及間歇期嚴(yán)格根據(jù)水工混凝土壩施工有關(guān)規(guī)范擬定,見表2。
表2壩體澆筑分層及間歇期時(shí)間表
分區(qū)
澆筑層厚(m)
間歇期(d)
強(qiáng)約束區(qū)(<0.2L)
1.5
5~7
弱約束區(qū)(0.2L-0.4L)
2.0
5~7
上部塊
3.0
7~9
孔洞部分
3.0
15
(3)根據(jù)以往工程的施工經(jīng)驗(yàn),混凝土初凝時(shí)間擬夏季為4h,冬季為3.5h;相臨壩段允許高差為8m;混凝土澆筑塊立模時(shí)間為20m2/h,允許拆模時(shí)間為3d。
壩體混凝土開工時(shí)間為2008年5月16日,其它模擬參數(shù)如壩體參數(shù)、機(jī)械技術(shù)參數(shù)等從略。
4工程實(shí)例與模擬成果
石門坎水電站位于云南省思茅地區(qū)普洱縣(右岸)與墨江縣(左岸)交界處,紅河支流李仙江上游的把邊江上,為干流的第二級(jí)水電站,上距梯級(jí)龍頭水庫(kù)崖羊山電站約21km。電站正常蓄水位756.00m,死水位740.00m,汛期限制水位740.00m,總庫(kù)容1.95億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容0.8億m3,電站裝機(jī)容量130MW。大壩擬采用混凝土雙曲拱壩,壩頂高程758.00m,壩頂長(zhǎng)度356.36m,壩頂寬度5.00m,最大壩高108.00m。壩體連同基礎(chǔ)混凝土塞總混凝土澆筑量為32.12萬(wàn)m3。
在預(yù)可行性研究階段,為全面把握石門坎水電站拱壩在不同澆筑方案下的施工特征,為大壩混凝土施工方案的比選提供科學(xué)決策依據(jù),保證混凝土的高效快速施工,采用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)大壩混凝土施工過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析,預(yù)測(cè)不同混凝土施工方案的大壩施工進(jìn)程的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。
4.1石門坎拱壩施工方案
在預(yù)可研設(shè)計(jì)階段,石門坎拱壩混凝土澆筑擬定有兩個(gè)基本方案:纜機(jī)方案和塔機(jī)方案。
(1)纜機(jī)方案。本方案以兩臺(tái)輻射式纜機(jī)為主要澆筑機(jī)械,輔助以履帶式起重機(jī)澆筑。輻射式纜機(jī)固定端平臺(tái)高程800.0m,寬9.0m;移動(dòng)端平臺(tái)高程795.0m,寬14m。纜索滿載時(shí)最低高程為789.33m,最大起升高度170m。取料平臺(tái)布置在纜機(jī)右塔平臺(tái)邊的上壩公路上。輻射式纜機(jī)主要負(fù)責(zé)2?!?5#壩段的混凝土澆筑以及金屬結(jié)構(gòu)的吊裝,其澆筑范圍外的1#壩段混凝土量極少,由履帶式起重機(jī)輔助澆筑。
(2)塔機(jī)方案。本方案以兩臺(tái)DBQ4000塔機(jī)為主要澆筑機(jī)械,輔助以履帶式起重機(jī)澆筑。A#塔機(jī)布置在4#壩段的下游側(cè)680.0m高程,負(fù)責(zé)2#~7#壩段的混凝土澆筑及金屬結(jié)構(gòu)的吊裝;B#塔機(jī)布置在10#壩段的下游側(cè)680.0m高程,負(fù)責(zé)8#~12#壩段的混凝土澆筑及金屬結(jié)構(gòu)的吊裝。塔機(jī)工作范圍以外的兩岸壩肩壩段(1#壩段和13#~15#壩段)的混凝土由履帶式起重機(jī)輔助澆筑。
4.2模擬成果
按擬定的施工參數(shù)和邊界條件,對(duì)兩基本方案進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬結(jié)果顯示,纜機(jī)方案中,大壩混凝土在2009年9月17日達(dá)到壩頂高程,總澆筑工期為17個(gè)月;塔機(jī)方案中,大壩混凝土在2009年9月28日澆筑全部完成,總澆筑工期約為17.5個(gè)月。兩澆筑方案主要設(shè)備澆筑強(qiáng)度、設(shè)備利用率等參數(shù)指標(biāo)如表3所示。
表3各主要設(shè)備澆筑強(qiáng)度及設(shè)備利用率統(tǒng)計(jì)表
主要參數(shù)指標(biāo)
纜機(jī)方案
塔機(jī)方案
最高月澆筑強(qiáng)度(×104m3)
1.76
1.65
平均月澆筑強(qiáng)度(×104m3)
0.94
0.98
平均利用率(%)
30.97
40.84
全壩最大澆筑強(qiáng)度(×104m3/月)
3.41
3.43
全壩平均澆筑強(qiáng)度(×104m3/月)
1.89
1.84
不均衡系數(shù)
1.80
1.86
總工期(月)
17
17.5
為更直觀形象地描述模擬成果,將成果數(shù)據(jù)圖形化,如混凝土逐月澆筑強(qiáng)度,見圖1。
圖1大壩混凝土澆筑強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)圖
4.3方案比較分析
根據(jù)模擬成果,纜機(jī)方案和塔機(jī)方案在大壩上升關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)控制高程(擋水、度汛、發(fā)電)均滿足設(shè)計(jì)要求。在纜機(jī)方案中,2009年4月底大壩最低高程達(dá)到722m,較施工總進(jìn)度要求的2009年5月底達(dá)到719.5m擋水高程提前1個(gè)月。在纜機(jī)方案中,2009年5月初大壩最低高程達(dá)到722m,較施工總進(jìn)度要求提前近1個(gè)月。從施工進(jìn)度角度看,兩方案總工期基本相同。
輻射式纜機(jī)的工作范圍為一狹長(zhǎng)的扇形,特別適合山區(qū)拱壩施工。在本工程中纜機(jī)能覆蓋除1#壩段外的所有壩段,其混凝土澆筑能力較塔機(jī)強(qiáng)。不足之處是供料線較難布置,還需要在河床兩岸設(shè)置塔架,工程投資相對(duì)較高。
塔機(jī)安裝及臨建工程量小,相對(duì)纜機(jī)而言更經(jīng)濟(jì)。模擬顯示,河床基礎(chǔ)混凝土塞部位對(duì)主體工程施工工期影響較大,加快混凝土塞的施工能明顯縮短主體工程施工工期。塔機(jī)方案配置兩臺(tái)履帶式起重機(jī)作為輔助澆筑手段,在基礎(chǔ)混凝土塞澆筑時(shí),可以靈活機(jī)動(dòng)地安排履帶式起重機(jī)輔助澆筑,提高初期混凝土澆筑強(qiáng)度,縮短直線工期。
綜上所述,通過對(duì)模擬計(jì)算得到的施工工期、進(jìn)度以及機(jī)械設(shè)備的利用率等參數(shù)的綜合分析論證,纜機(jī)方案和塔機(jī)方案在大壩施工進(jìn)度上總工期相差不大,大壩上升關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制高程(擋水、渡汛、發(fā)電等)均能滿足設(shè)計(jì)要求;混凝土澆筑強(qiáng)度和設(shè)備利用率等參數(shù)指標(biāo)合理,從大壩混凝土澆筑的技術(shù)角度進(jìn)行分析,兩澆筑方案各有利弊,且均可行。
5結(jié)語(yǔ)
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬技術(shù)的應(yīng)用為水電施工過程研究提供了新方法。本研究課題從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),對(duì)石門坎水電站拱壩整個(gè)施工過程進(jìn)行模擬計(jì)算和分析,合理安排施工進(jìn)度,對(duì)擬定的兩施工方案的各項(xiàng)主要參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了定量分析,為直觀反映石門坎水電站拱壩施工過程提供了有效的分析工具,在很大程度上減輕了施工組織設(shè)計(jì)工作的困難度,又提高了其科學(xué)性。
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StudyonArchDamConstructionDynamicSimulationoftheShimenkan
HydropowerStation
ShenMingliang1,XiongBilu1,Liuweixin2,ChenLihua1
(1.StateKeyLaboratoryofWaterResourceandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072;2.YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou,450003)
[Abstract]Theconcretearchdamiswidelyappliedinthehydraulicandhydropowerengineeringanditisofsignificancetocarryoutthestudyoftheconstructionprocesssimulationoftheconcretearchdam.Thispaperintroducedtheprincipleandthemathematicallogicmodelofthedynamicsimulationofthearchdamconcreteconstruction,andappliedthemintheconstructionSchemesdemonstrationoftheShimenkanhydropowerstationatthestageofpre-feasibilitystudy,providedascientificbasisforthecomparisonandselectionoftheconstructionSchemeswiththeparameterssuchastheprogressofconcreteconstruction,themachineutilization.
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