觀音巖水電站廠房混凝土施工過程仿真研究

郭大平，胡良才，紀俊雙

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

計算機仿真技術可以在不破壞、不影響原系統(tǒng)和方案宏觀決策方向的前提下對系統(tǒng)方案進行最大程度的還原模擬，并用較小的時間成本和人力成本完成對不同配置方案的計算和比較[2]。本文以計算機仿真技術為手段，對觀音巖水電站廠房施工過程進行模擬，研究在不同機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臺機組，水輪機層安裝高度39.5 m，發(fā)電機層安裝高度50.5 m、吊車梁頂高度68.0 m。機組間距35.0 m，安裝間長度為69.5 m。廠房右側部分加長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，框架結構，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體結構。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)仿真學原理角度，可以把廠房施工系統(tǒng)看作一個多層級的服務系統(tǒng)，各個層級的子系統(tǒng)可以為它的下一個層級提供服務，也可以接受上一個層級子系統(tǒng)的服務[3]。

系統(tǒng)中的服務臺為澆筑機械，服務對象為混凝土澆筑塊。

2.2 系統(tǒng)仿真規(guī)則

系統(tǒng)的構成要素同時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、間歇時間最長澆筑塊等[5]。

服務臺運行規(guī)則為優(yōu)先啟動最早空閑的服務臺，對于同時空閑的服務臺，累計服務時間最短的優(yōu)先投入服務。

2.2.2 澆筑機械行為特征

機械種類不同，澆筑機械的行為特征規(guī)則也隨之變化，以門機為例，應考慮到軌道限制因素，因此應盡量讓門機單獨澆筑特定機組，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，前者是為了實現(xiàn)混凝土塊有效澆筑和相鄰倉面穩(wěn)定，后者則保證模板安裝和灌漿的施工要求。時間約束規(guī)則包括澆筑塊間歇期、初凝時間、終凝時間等約束，主要是保證廠房溫度控制、層間結合質量等。工藝約束規(guī)則是為了滿足不同構件的不同施工工藝要求。面貌約束規(guī)則以施工進度安排為依據(jù)，控制倉面不同時期的澆筑面貌，以滿足工程整體施工進度的要求。

3 廠房混凝土施工仿真計算

3.1 廠房分縫分塊

以發(fā)電機層為界，水電站廠房可以分為上部結構和下部結構。上部結構通常為多層結構，由大尺寸鋼筋混凝土墻、柱、板、梁和屋架等組成，下部結構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。對廠房進行合理的分層分塊，可以有效削減溫度應力、減小施工難度、減少混凝土裂縫、保證施工質量和結構整體性的重要措施。

分層分塊原則如下[7]：

1）避免在結構突變部位、薄弱部位及應力集中部位分塊，應根據(jù)廠房結構特點、施工方法、應力分布等情況進行分塊。

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

3）基礎約束區(qū)的分層厚度應薄一些，一般取1 m～2 m,約束區(qū)以上適當加厚，分層厚度滿足混凝土溫度控制要求和周圍結構特點。

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行分塊，結果見圖2。

圖2 水電站廠房分縫分塊示意圖

3.2 計算邊界條件

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 澆筑設備

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

廠房主體用兩臺MQ2000門塔機進行澆筑[9]，供料平臺高度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，運行速度1 m/s，回轉速度0.25 rpm，大修用時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輸車轉混凝土泵送至倉面，其澆筑能力等效為胎帶機，混凝土生產(chǎn)率90 m3/h。

3.2.3 時間參數(shù)

仿真計算中日有效工作時間取20 h，施工有效天數(shù)充分考慮高溫、降雨、嚴寒及節(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間5 h，允許拆模時間72 h，澆筑攤鋪層厚0.5 m，初凝時間3 h，終凝時間5 h。

3.2.5 施工進度參數(shù)

設定2020年為基準年，2020年1月1日開始廠房基礎混凝土的澆筑，到2021年9月實現(xiàn)廠房基礎混凝土、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。澆筑塊上下層時間間隔按照7 d處理，基礎灌漿停歇時間按10 d處理。

3.2.6 降雨參數(shù)

降雨模擬過程橫貫整個廠房的施工期，每月的最大降雨歷時和最小降雨歷時根據(jù)當?shù)貙嶋H氣候資料決定。

3.3 仿真方案設計

為研究澆筑能力對廠房施工進度的影響，設計比較方案如下。

方案I：采用兩臺MQ2000門機進行廠房主體工程澆筑，為避免門機之間由于軌道限制產(chǎn)生的施工干擾，1號和2號機組由1號門機單獨澆筑，4號、5號機組和安裝間由2號門機單獨澆筑，3號機組由兩臺門機共同澆筑。采用混凝土泵進行副廠房和主廠房部分二期混凝土澆筑。

方案Ⅱ：采用兩臺MQ2000門機進行廠房主體工程澆筑，采用混凝土泵進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胎帶機。

3.4 仿真結果分析

經(jīng)過仿真計算，得出方案I和方案Ⅱ的機械澆筑強度、月澆筑量和施工進度情況見圖4～圖7所示。

圖4 方案I各月澆筑機械利用強度（單位：104m3）

圖5 方案Ⅱ各月澆筑機械利用強度（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各子項施工進度情況

從圖中看出，兩個方案中門機的月澆筑強度相差不大；方案Ⅱ前6個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填補了方案I不飽和的澆筑能力。封頂后門機停止使用，主廠房的二期混凝土改由混凝土泵澆筑，仿真計算中系統(tǒng)將方案I的二期混凝土澆筑任務分配給上游混凝土泵，方案Ⅱ的二期混凝土澆筑任務分配給了下游混凝土泵，因此相應的混凝土泵澆筑強度較封頂前有明顯的提高。

整個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面混凝土澆筑后，第二次是在混凝土泵代替門機后。

在施工進度方面，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，此時完成主體工程施工；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個月考慮，則方案I于2023年2月實現(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日完成封頂和吊機安裝，廠房主體工程比方案I提前5個月完工；2021年3月23日完成第一臺機組蝸殼安裝及二期混凝土澆筑，2022年11月實現(xiàn)發(fā)電，比方案I提前3個月發(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 結語

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

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