考慮入倉(cāng)口因素的碾壓混凝土壩倉(cāng)面施工仿真研究

杜志達(dá)，王奉金，劉運(yùn)鵠

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024)

大壩施工是一項(xiàng)浩大的系統(tǒng)工程，涉及多種機(jī)械、工藝復(fù)雜、不確定因素眾多，通過(guò)人工方法編制施工組織設(shè)計(jì)比較困難[1]。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以非常細(xì)致、全面地研究施工中遇到的具體問(wèn)題，并且能夠通過(guò)改變仿真參數(shù)獲得多個(gè)對(duì)比方案，因而受到越來(lái)越多學(xué)者的重視。早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外學(xué)者Bassgen[2]便結(jié)合混凝土壩施工過(guò)程首次提出了對(duì)混凝土澆筑過(guò)程進(jìn)行模擬，Halpin[3]在計(jì)算機(jī)模擬中采用了循環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Kamat和Martinze通過(guò)記錄仿真過(guò)程中每個(gè)實(shí)體各時(shí)段的動(dòng)作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了施工運(yùn)輸過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)可視化[4]。國(guó)內(nèi)，天津大學(xué)朱光熙教授[5]最早對(duì)二灘水電站雙曲拱壩進(jìn)行施工模擬，之后又有眾多學(xué)者發(fā)展了大壩施工仿真技術(shù)，趙春菊等[6-7]建立了倉(cāng)面作業(yè)系統(tǒng)仿真模型，并研究了混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸及倉(cāng)面作業(yè)系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，燕喬等[8]基于Visual Studio平臺(tái)開(kāi)發(fā)了混凝土拱壩施工仿真系統(tǒng)，鐘登華等[9-11]提出在大壩仿真模型中結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)監(jiān)控倉(cāng)面信息并更新仿真參數(shù)，王仁超等[12]提出了基于BIM與IFC的混凝土壩施工仿真建模方法，杜志達(dá)等[13]研究倉(cāng)面施工中考慮了施工機(jī)械相互影響。

碾壓混凝土壩施工簡(jiǎn)化了溫控措施，適合大面積機(jī)械化操作，能夠縮短工期、降低成本，已經(jīng)成為目前大型水利工程中的主要壩型，眾多學(xué)者對(duì)其施工過(guò)程從不同角度進(jìn)行了相應(yīng)的研究，但當(dāng)前研究大多集中在對(duì)大壩的整體澆筑模擬，很少涉及倉(cāng)面施工，在少數(shù)進(jìn)行倉(cāng)面施工模擬的研究中，都沒(méi)有考慮入倉(cāng)口因素的影響。入倉(cāng)口是在大壩倉(cāng)面施工不可忽略的影響因素，其不僅影響到自卸汽車(chē)進(jìn)出倉(cāng)面的效率，“封倉(cāng)施工”還會(huì)占用較長(zhǎng)的工期。因此，本文在建立仿真模型時(shí)考慮了入倉(cāng)口因素，研究其對(duì)倉(cāng)面施工工期、機(jī)械效率等的影響。

1 仿真建模與實(shí)現(xiàn)方法

1.1 仿真框架

倉(cāng)面施工各主要關(guān)鍵活動(dòng)如圖1所示。在全面分析碾壓混凝土壩倉(cāng)面施工各項(xiàng)工藝流程基礎(chǔ)上，將其劃分為拌合裝料系統(tǒng)、混凝土運(yùn)輸系統(tǒng)和倉(cāng)面作業(yè)系統(tǒng)?？紤]自卸汽車(chē)出入倉(cāng)和入倉(cāng)口與其它部位澆筑工藝的差別，依據(jù)離散事件系統(tǒng)仿真原理構(gòu)建仿真模型，利用Flexsim仿真軟件模擬施工過(guò)程，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行靈敏度分析。

圖1倉(cāng)面施工流程圖

1.2 模型約束及規(guī)則

系統(tǒng)的運(yùn)行離不開(kāi)一定的規(guī)則和約束，建立倉(cāng)面施工系統(tǒng)需滿(mǎn)足如下條件。

(1) 層間間隔約束。連續(xù)上升鋪筑的碾壓混凝土的層間間隔時(shí)間應(yīng)該控制在直接鋪筑允許的時(shí)間內(nèi)，直接鋪筑允許時(shí)間一般取混凝土初凝時(shí)間，因此在施工中，要保證層間間隔時(shí)間小于混凝土初凝時(shí)間。

(2) 上壩汽車(chē)數(shù)限制。因此倉(cāng)面內(nèi)所能進(jìn)入的自卸汽車(chē)數(shù)量必須小于限定值，當(dāng)倉(cāng)面內(nèi)自卸汽車(chē)數(shù)量達(dá)到限定值后，新到達(dá)的自卸汽車(chē)需在入倉(cāng)口處等待。

(3) 排隊(duì)機(jī)制。運(yùn)輸機(jī)械在裝料、出入倉(cāng)過(guò)程中遵循先到先服務(wù)、重車(chē)優(yōu)先原則；當(dāng)有多個(gè)排隊(duì)系統(tǒng)時(shí)，機(jī)械設(shè)備選擇最短的隊(duì)伍排隊(duì)。

(4) 條帶澆筑規(guī)則。倉(cāng)面施工按事先確定好的條帶順序進(jìn)行澆筑。對(duì)于第一條帶，可供卸料的攤鋪前沿較短，施工開(kāi)始后，自卸汽車(chē)將2～3車(chē)混凝土卸到第一條帶，推土機(jī)沿條帶方向進(jìn)行攤鋪，形成攤鋪前沿，自卸汽車(chē)將混凝土卸到新的攤鋪前沿上，第一條帶攤鋪完成后開(kāi)始碾壓作業(yè)。從第二條帶開(kāi)始，攤鋪前沿方向變?yōu)檠貤l帶長(zhǎng)度方向，可供自卸汽車(chē)卸料的空間變大，施工工序變?yōu)榱魉┕?。封倉(cāng)階段，入倉(cāng)口處可供卸料、攤鋪和碾壓作業(yè)的空間較小，自卸汽車(chē)、推土機(jī)和振動(dòng)碾只能順序依次施工，直至入倉(cāng)口處最終澆筑完畢。

1.3 參數(shù)確定

系統(tǒng)內(nèi)各施工機(jī)械的運(yùn)行存在一定的隨機(jī)性，同時(shí)由于各機(jī)械間的相互影響，其服務(wù)時(shí)間具有不確定性，相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，本文結(jié)合于雪峰的研究和以往經(jīng)驗(yàn)[14-15]，確定各項(xiàng)活動(dòng)服務(wù)時(shí)間服從如下分布：

(1) 自卸汽車(chē)裝料時(shí)間：

(1)

(2) 車(chē)輛運(yùn)行時(shí)間：

(2)

式中：Ti表示車(chē)輛i的運(yùn)輸時(shí)間；L表示道路的長(zhǎng)度；Vij表示車(chē)輛運(yùn)行速度，j=1表示空車(chē)運(yùn)行速度，j=2表示重車(chē)運(yùn)行速度；tij表示隨機(jī)擾動(dòng)時(shí)間。

(3) 卸料作業(yè)服務(wù)時(shí)間：

(3)

(4) 攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)間：

(4)

1.4 仿真實(shí)現(xiàn)

倉(cāng)面施工系統(tǒng)屬于離散事件系統(tǒng)，其系統(tǒng)狀態(tài)不是連續(xù)變化，只在離散的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生改變，本文選擇Flexsim仿真軟件模擬施工過(guò)程。

(1) 模型抽象。倉(cāng)面施工系統(tǒng)中包含自卸汽車(chē)、攤鋪機(jī)等移動(dòng)機(jī)械，也包括拌合樓、倉(cāng)面等固定場(chǎng)景，在Flexsim模型中將它們抽象為實(shí)體，以臨時(shí)實(shí)體代替自卸汽車(chē)、混凝土等在各子系統(tǒng)之間流轉(zhuǎn)的實(shí)體，以發(fā)生器、處理器表示拌合樓、推土機(jī)、振動(dòng)碾等始終存在于各子系統(tǒng)中的固定實(shí)體。

(2) 活動(dòng)聯(lián)系。模型中的實(shí)體確定之后需要建立它們之間的聯(lián)系，各實(shí)體間通過(guò)中間端口、輸入端口和輸出端口建立聯(lián)系，用來(lái)描述系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系和先后順序，以及用于臨時(shí)實(shí)體在固定實(shí)體之間的尋徑和信息傳遞。

(3) 事件觸發(fā)。活動(dòng)的開(kāi)始和結(jié)束都由事件觸發(fā)，并引發(fā)新的事件。在模型中活動(dòng)的開(kāi)始主要通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是系統(tǒng)達(dá)到某種判斷條件，開(kāi)始執(zhí)行下一個(gè)活動(dòng)；另一種是系統(tǒng)某項(xiàng)活動(dòng)執(zhí)行完后，觸發(fā)處理器的“trigger”事件，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

(4) 活動(dòng)實(shí)現(xiàn)。處理器實(shí)體可以按照給定的時(shí)間，對(duì)進(jìn)入其中臨時(shí)進(jìn)行處理，處理完成后釋放臨時(shí)實(shí)體。處理器的處理時(shí)間參數(shù)，F(xiàn)lexsim提供了多種可供選擇的函數(shù)模型，同時(shí)支持讀取全局表中的處理時(shí)間。

2 工程實(shí)例

2.1 倉(cāng)面信息

某碾壓混凝土壩矩形施工倉(cāng)面，倉(cāng)面高度3 m，澆筑層厚30 cm，沿壩軸線方向長(zhǎng)度55 m，垂直于壩軸線方向長(zhǎng)度110 m，澆筑過(guò)程中分為7個(gè)條帶，第1條帶寬8 m，其余條帶寬17 m。拌合樓距離入倉(cāng)口1 km，配備2臺(tái)銘牌產(chǎn)量360 m3/h的拌合樓，2臺(tái)推土機(jī)，4臺(tái)振動(dòng)碾，行駛速度1 m/s，碾壓時(shí)先無(wú)振碾壓2遍，再有振碾壓4遍，再無(wú)振碾壓2遍，20臺(tái)自卸汽車(chē)，單位運(yùn)輸方量6 m3，重車(chē)行駛速度35 km/h，輕車(chē)行駛速度42 km/h，采用跨越橋式、缺口+鋼橋和臨倉(cāng)缺口3種入倉(cāng)方式對(duì)其進(jìn)行模擬。

2.2 仿真結(jié)果及分析

2.2.1 入倉(cāng)口數(shù)量對(duì)工期的影響

通過(guò)控制變量法，改變?nèi)雮}(cāng)口數(shù)量，分析其對(duì)于整體澆筑強(qiáng)度的影響。每種入倉(cāng)方式仿真200次，取其平均值作為澆筑時(shí)間作出工期分布圖，如圖2所示。

圖2不同入倉(cāng)方式澆筑時(shí)間對(duì)比

從仿真結(jié)果可以看出，在該倉(cāng)面背景和機(jī)械配置下，不論自卸汽車(chē)何種方式入倉(cāng)，2個(gè)入倉(cāng)口都是最佳配置。當(dāng)只有1個(gè)入倉(cāng)口時(shí)，出入倉(cāng)效率降低，但入倉(cāng)口少，封倉(cāng)施工時(shí)間短，所以總體澆筑時(shí)間與2個(gè)入倉(cāng)口相比只略微增加，但是缺口加鋼橋方式下，填補(bǔ)缺口時(shí)需要先補(bǔ)齊模板，這段時(shí)間內(nèi)無(wú)法施工，所以總體工期比2個(gè)入倉(cāng)口時(shí)增加較多。當(dāng)有3個(gè)入倉(cāng)口時(shí)，自卸汽車(chē)入倉(cāng)效率幾乎沒(méi)有提高，但是封倉(cāng)時(shí)間增加，所以總工期較2個(gè)入倉(cāng)口不降反增。

2.2.2 不同入倉(cāng)方式下澆筑時(shí)間對(duì)比

為了研究不同入倉(cāng)方式澆筑強(qiáng)度的細(xì)節(jié)，以2個(gè)入倉(cāng)口為例，每種方式仿真次數(shù)200次，選取三種入倉(cāng)方式下某一次的仿真數(shù)據(jù)，對(duì)其澆筑過(guò)程進(jìn)行分析。分析結(jié)果見(jiàn)圖3—圖6。

圖3 跨越橋模式下澆筑強(qiáng)度直方圖

圖4鋼橋模式下澆筑強(qiáng)度直方圖

圖5 臨倉(cāng)缺口模式下澆筑強(qiáng)度直方圖

圖6不同入倉(cāng)方式澆筑時(shí)間對(duì)比

由仿真結(jié)果可以看出，三種澆筑方式下，隨著澆筑時(shí)間的增加，整體澆筑方量都穩(wěn)定增加。但是在第1、2種入倉(cāng)方式下，倉(cāng)面澆筑后期封倉(cāng)施工中，凝土澆筑效率明顯下降；在第3種方式下，在上層混凝土的澆筑過(guò)程中，缺口隨著澆筑層的升高被填補(bǔ)，因此工期較另外兩種方式較短。同時(shí)，在澆筑強(qiáng)度對(duì)比圖中可以看到，由于第一條帶卸位數(shù)量的影響，混凝土的澆筑效率較其它條帶低，只有其余條帶1/3左右。

2.2.3 不同澆筑部位自卸汽車(chē)?yán)寐蕦?duì)比

自卸汽車(chē)的配置是倉(cāng)面施工組織的重要環(huán)節(jié)，合理配置自卸汽車(chē)數(shù)量，能夠提高倉(cāng)面澆筑效率和各機(jī)械利用率。接下來(lái)以2個(gè)跨越橋入倉(cāng)方式為例，研究不同自卸汽車(chē)數(shù)量下的施工進(jìn)度和機(jī)械效率。結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7不同汽車(chē)數(shù)量下澆筑時(shí)間對(duì)比

從仿真結(jié)果可以看出，縱向上，隨著自卸汽車(chē)數(shù)量的增加，其利用率呈逐漸下降的狀態(tài)，尤其是缺口部位，利用率下降較快，整體工期也逐漸縮短，但當(dāng)自卸汽車(chē)數(shù)量達(dá)到16臺(tái)時(shí)，混凝土入倉(cāng)效率不再是制約倉(cāng)面施工效率的主要因素，即使自卸汽車(chē)數(shù)量增加工期也不再縮短。橫向上，可以看出入倉(cāng)口和第一條帶澆筑時(shí)，自卸汽車(chē)?yán)寐拭黠@較低，尤其缺口處，汽車(chē)數(shù)量達(dá)到14臺(tái)后，其利用率不足0.15。

圖8不同部位自卸汽車(chē)?yán)寐蕦?duì)比

3 結(jié) 論

由上文分析可知，倉(cāng)面澆筑封倉(cāng)階段，由于入倉(cāng)口處面積狹小，機(jī)械作業(yè)效率低，會(huì)成為制約整體施工效率的重要因素，因此施工封倉(cāng)階段可以減少自卸汽車(chē)數(shù)量，節(jié)約資源；其次，自卸汽車(chē)不同入倉(cāng)方式下，封倉(cāng)施工采取的工藝不同，澆筑效率也存在差異?？偟膩?lái)說(shuō)，入倉(cāng)口處形成的缺口越小，澆筑效率越高。最后，不同入倉(cāng)口數(shù)量下，自卸汽車(chē)進(jìn)出入倉(cāng)口效率差異，封倉(cāng)施工的時(shí)間不同，導(dǎo)致總體澆筑效率的差異，應(yīng)根據(jù)具體倉(cāng)面確定合理入倉(cāng)口數(shù)量。

最終結(jié)果表明，自卸汽車(chē)不同入倉(cāng)方式對(duì)于對(duì)于倉(cāng)面施工效率存在顯著影響，傳統(tǒng)的施工仿真中忽略入倉(cāng)口因素是不合適的，實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)不同倉(cāng)面施工狀態(tài)選擇合適的入倉(cāng)方式和入倉(cāng)口數(shù)量。