耦合多维约束的高拱坝施工进度仿真研究

刘金飞，王 飞，谭尧升

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072；2.中国三峡建设管理有限公司，北京100038)

0 引 言

300 m级特高拱坝施工受坝体结构、施工工艺、外部环境、施工资源等诸多维因素制约，如何科学分析、动态控制施工进度，是300 m级高拱坝施工管控中面临的挑战之一。施工仿真技术从二滩工程开始引入国内[1]，近年来随着锦屏一级、溪洛渡等高混凝土坝的相继建设，施工仿真技术在国内水电工程建设过程中尤其是设计阶段得到了广泛应用[2-3]。高拱坝仿真技术一般已考虑高差约束、浇筑机械能力等常见的约束条件对进度的影响[4]，然而，由于真实施工过程的复杂性、随机性和动态性和水电工程的个性化特点，对施工进度的影响机制的相关研究不足，仿真数学模型往往难以全面考虑施工过程中质量、安全、资源等多维因素对施工进度的影响，难以有效指导施工，甚至会误导施工决策。

本文在中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司数十年施工阶段仿真应用研究的基础[5- 6]上，结合白鹤滩高拱坝的大风影响显著、多标段、双缆机平台、不对称体形布置等特点，开展多维约束条件耦合作用下的拱坝施工进度研究，为白鹤滩和类似拱坝工程的进度分析和控制提供决策支撑。

1 高拱坝施工多维约束条件耦合作用机制

高拱坝施工进度往往受到内外部诸多维因素的影响，如全坝允许最大高差、相邻坝段最大高差、最大允许悬臂高度、浇筑能力、坝体结构和工程量、混凝土供应能力、温控技术要求、基础固结灌浆方案等诸多维因素的影响，以往施工仿真技术中通常会考虑这些因素对进度的影响。但白鹤滩拱坝工程具有显著的个性特点，针对白鹤滩特点研究多维约束条件对施工进度的作用机制(见图1)，是白鹤滩大坝进度仿真分析的前提。白鹤滩工程施工进度要考虑多维约束条件的耦合作用，约束条件主要有浇筑仓厚、仓面模板、大风天气、缆机布置和数量、接缝灌浆温控梯度、多标段施工、基础固结灌浆施工、施工安全与质量等。

表1 各仿真方案参数

2 多维约束条件耦合的高拱坝施工进度仿真分析

2.1 多维约束条件下施工进度多方案对比分析

2.1.1工程概况

图1 温控应力与进度仿真的耦合控制

白鹤滩水电站拦河坝坝顶高程834 m，最大坝高289 m，坝体混凝土工程量807万m3。坝身泄洪消能建筑物由6个表孔、7个深孔组成，坝体内布置有5层廊道，以及电梯井、联系廊道、竖井、集水井等。白鹤滩坝址地处亚热带季风区，干湿季分明。根据历年气象统计，7级以上极大风速年平均数为2 495 h(折算为104天)，大风现象明显。

工程采用7台30 t平移式双层布置方式，高、低平台承载索出索点高程分别为980.0、 920.0 m，跨度分别约为1 170、1 110 m。在左坝肩834 m高程和768 m高程分别布置有2层供料平台。拱坝混凝土由高线混凝土系统和低线混凝土系统供应，各配置2座HL360- 4F4500L型搅拌楼。

坝体接缝灌浆分区高度9～12 m，灌浆时应形成拟灌区、同冷区、过渡区和盖重区的温度梯度，754 m高程以上采用单同冷区、以下采用双同冷区。大坝共31个坝段，1～18号及左岸垫座为左岸标，19～31号为右岸标。大坝混凝土于2017年4月12日开始浇筑。

2.1.2对比方案分析

为对比分析白鹤滩大坝工程中高差控制参数、最小备仓时间、开浇时间、浇筑层厚、同温区高度、大风天气等因素对大坝浇筑工期的影响，拟定如表1所示的仿真方案。各方案仿真计算成果如表2、3所示。

表2 各方案主要计算结果对比

表3 各方案主要计算结果对比 m

表4 典型方案关键指标与招标要求对比

(1)拱坝施工是个复杂的系统工程，施工进度受众多维因素的共同影响。某项因素对大坝施工进度的影响程度，与其他边界条件组合情况紧密相关。同一因素在不同的仿真参数组合下，可能对大坝施工进度的影响程度不一。

(2)从上述多方案对比来看，最小备仓时间、高差控制参数、浇筑层厚等因素，均对大坝浇筑工期、各年度汛面貌具有显著影响。

(3)将单、双同冷区的分界线下调，有利于加快645～754 m高程范围内的接缝灌浆进度，并减小该高程区间的悬臂高度，但对浇筑总工期影响不显著。

(4)大风影响。本次仿真仅分析了受大风影响导致的有效施工天数对进度的影响，从分析结果来看，大风天气对浇筑总工期影响较为明显。

2.2 典型仿真方案分析

典型方案的约束条件参数为最大相邻高差15 m、全坝最大高差30 m、一般坝段最大悬臂高度75 m、孔口部位最大悬臂高度60 m，各部位最小间歇期类比类似工程的一般水平，大风影响按全年45 d考虑。

按照上述约束参数进行仿真分析，结果如表2所示。白鹤滩大坝预计2017年7月底完成大坝浇筑，高峰月强度25.8万m3，月平均浇筑15.42万m3，月不均衡系数1.67，单台缆机高峰浇筑强度4.23万m3，高峰月浇筑块数76块。

仿真模拟的典型方案施工进度关键指标与招标要求对比如表2所示。仿真模拟的浇筑完成日期为2021年7月29日，比招标计划2021年6月30日延迟1个月，但浇筑总工期仿真成果为53个月，比招标要求缩短了2个月。

仿真模拟白鹤滩拱坝的浇注施工进度，月浇筑块数、月浇筑强度和单台缆机的月浇筑强度如图2～4所示。由图可知，月高峰强度发生在2019年10月。该时段各仓的缆机平均小时循环次数6～8次(各仓浇筑过程中高峰小时可达9～12次)，符合本工程的缆机布置、供料平台布置特点及类似工程的经验。同时，该时段最多同时浇筑3仓，其中同时浇筑3仓的情况有31仓(搭接浇筑)，同时浇筑2仓有17仓，单仓浇筑2仓。该时段各仓面实际间歇期均小于24 d，其中8～15 d的共39仓，占月浇筑仓数的76.5%；实际间歇期15～21 d的共7仓，占月浇筑仓数的13.7%；实际间歇期21～24 d的共5仓，占月浇筑仓数的9.8%。该时段除两岸爬坡廊道仓面结构较为复杂以外，其他仓面结构简单，具备快速连续上升的条件。

图2 月浇筑块数

图3 月浇筑强度

图4 单台缆机月浇筑强度

因此，根据本工程的坝体体形、缆机布置及混凝土供应能力等条件，在当前拟定的施工边界下，通过合理的施工组织，高峰月浇筑强度25.8万m3是可以实现的。

从仿真分析结果来看，白鹤滩工程大坝混凝土施工的关键路径为河床坝段，尤其是15从仿真分析结果来看，白鹤滩工程大坝混凝土施工的关键路径为河床坝段，尤其是15号～22号孔口坝段导流底孔、泄洪深孔孔口范围(含牛腿、流道、钢衬、大梁、封顶等)的项目施工。不处于关键路径、但若组织不当可能成为关键路径的部位有：两岸陡坡坝段基础块、尤其是基础爬坡廊道部位；电梯井坝段。以上部位需要重点关注。

3 结论与建议

与溪洛渡、锦屏一级等类似300 m级高拱坝相比，白鹤滩工程具有规模大、工期长、双缆机平台、双供料平台、多标段、采用自升模板、面临显著大风天气影响、大坝体型和孔洞布置不对称等特点，施工进度控制难度较大。本文在研究高拱坝多维因素耦合作用机制的基础上，结合白鹤滩高拱坝施工特性，通过对白鹤滩大坝多维约束条件多参数分析，提出白鹤滩大坝施工中应重点关注的因素和部位，为后续施工中结合施工仿真技术和智慧大坝[7]自动感知技术，实时了解现场实际状态，密切跟踪施工进展，动态调整仿真约束，不断优化、细化系统模型和算法，并结合混凝土温控、应力分析研究，充分利用仿真技术快速、量化、系统、准确的优势，为白鹤滩大坝工程高质量连续施工提供指导和可靠决策依据。