混凝土施工仿真及进度监控技术在深溪沟厂坝工程中的应用研究

刘金飞，尹习双，邱向东，何有忠，殷奎生

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前 言

深溪沟水电站位于大渡河中游汉源县和甘洛县接壤处，是大渡河流域梯级规划中的第十八级电站，装机容量660MW，4台发电机组。枢纽由3孔泄洪闸、1孔排污闸、主厂房、右岸窑洞式安装间和2条泄洪洞等建筑物组成。

深溪沟拦河坝采用厂坝结合的布置形式，结构复杂，施工干扰大，影响因素众多，原计划2010年11月30日发电，而建设方要求在保证工程质量和安全的前提下提前至2010年7月1日首台机组发电。由于前期工程进度已严重滞后，工期相当紧张，迫切要求在厂坝施工中解决以下关键问题:如何针对复杂的结构和工序间的干扰，合理安排施工顺序;如何快速评价当前的施工进度，分析进度偏差的原因并提出合理的解决措施;如何及时分析施工条件和施工参数的变化对后续施工进度的影响;如何从错综复杂的影响因素中找出制约混凝土快速施工的关键因素，有针对性地优化施工方案和优选施工参数，加快施工进度。

针对深溪沟厂坝混凝土施工的特点和深溪沟厂坝混凝土施工管理的要求，我院数字工程中心自主研发了“深溪沟水电站厂坝混凝土施工仿真及进度监控分析系统”，实现了快速建立施工仿真模型、全参数化精确构建复杂的三维厂坝、支持人工交互的网络环境访问仿真成果等多项功能。

2 深溪沟厂坝工程概况

该工程拦河坝坝顶高程662.50m，坝顶全长226.0m，最大坝高为101.0m，厂坝混凝土约122万m3。拦河坝自左至右分为左岸挡水坝段、左岸泄洪闸(左块)、左岸泄洪闸(右块)、4号机组坝段、3号机组坝段、2号机组坝段、1号机组坝段、右岸接头坝段8个坝段进行浇筑施工。

厂房坝段上游侧布置2台MD1100塔机，下游侧布置2台STDQ1800高架门机。泄洪闸和排污闸布置1台M900塔机。混凝土水平运输采用50台15～20t自卸车和12台6m3混凝土搅拌车。

3 深溪沟厂坝混凝土浇筑仿真模型

通过定义变量与约束条件间的逻辑关系，来定量描述施工过程中的众多影响因素及其错综复杂的制约关系。变量按浇筑规律和约束条件，随仿真时钟的推进动态变化，从而模拟厂坝的动态施工过程。

3.1 主要变量设置

(1)各坝段的顶高程E(i，j)，当前浇筑块高程EC(i，j);

(2)各坝块的浇筑高程 E(i，j，k)、层厚 H(i，j，k)、方量 V(i，j，k)、层浇筑历时 T(i，j，k)、间歇时间TI(I，j，k)、浇筑完成时间 TE(i，j，k);

(3)厂坝混凝土总浇筑方量∑V、当前累计浇筑方量VC、各柱体累计浇筑方量VC(i，j);

(4)各浇筑设备的时钟值C(m)、设备完成的工程量VT(m)、检修状态R(t)、浇筑强度Q(t)，工作效率W(t);

(5)即将要进行浇筑的混凝土块号BlockID和浇筑机械机号MachineID。

其中i、j、k分别为坝段号、柱体号和层号，t为当前时刻，m为浇筑设备号。

3.2 约束条件

指厂坝混凝土施工的一般规律和制约混凝土施工的各种因素等，包括错缝导致的浇筑块相互压制、坝体层间间歇时间、混凝土初凝和终凝时间、相邻坝块高差、立模拆模要求、基础处理、仓面清理、厂坝上升速度、浇筑设备控制范围及强度限制、拌合楼供料强度限制等要求。

3.3 优先原则

理想的厂坝混凝土的施工过程，是一个不断由低到高的均衡生产、均衡施工和均衡上升的过程。为保证施工的均衡性，在混凝土模拟施工中应遵循以下原则:

(1)浇筑设备时钟最小优先原则。在选择施工浇筑设备时，一般优先选用工作状态时间最小的设备，为准备进行混凝土浇筑的设备。

(2)坝块浇筑高程最低优先原则。除特殊原因外，总是优先选择浇筑高程较低的坝块。这样可使坝体全线整体均匀上升，避免出现过大的高差。

(3)坝块间歇时间最长优先原则。为防止老混凝土的发生，避免混凝土因温度变化引起的裂缝，采用坝块间歇时间最长优先原则。

(4)有度汛挡水要求的柱体优先浇筑原则。按照导流度汛方案，往往要求坝体在汛前达到一定的浇筑面貌，在其他条件相同的情况下，应优先浇筑有度汛挡水要求的柱体。

3.4 仿真流程(见图1)

图1 仿真系统流程

3.5 系统架构与软件特点

3.5.1 系统架构

本系统的结构设计总体遵循通用性、模块化、可视化、网络化的原则，系统构成与各模块之间的关系见图2。

3.5.2 复杂厂坝结构的精确模型

为使系统仿真成果更符合工程管理人员的习惯，系统采用三维平台动态展示坝体上升过程。厂坝结合布置的混凝土重力坝孔洞繁多，结构复杂，采用法国达索公司CATIA平台构建的厂坝三维模型，可以精确表现复杂的空间曲面和孔洞结构，计算各控制点坐标以及厂坝混凝土方量。在CATIA平台的知识工程环境下，全参数驱动的水工建筑物模板能快速适应同类工程的结构变化，达到快速、准确建模的特点。

3.5.3 三维动态分层

施工过程中，施工分层分块会根据工程需要进行修订，若每次调整都重新构建三维模型，难以适应快速调整的需要。基于CATIA提供二次开发接口，采用VBA技术对厂坝三维模型进行分层分块，能迅速响应现场厂坝施工分层分块的变化。

3.5.4 支持人工交互的网络三维查询系统

传统的仿真系统往往采用单机运行环境，随着网络和现代信息技术的发展，这显然已经无法满足工程管理者对进度监控的需求。本系统网络模块基于Java applet插件、CATIA二次开发技术、网络数据库技术开发，可以通过网络平台发布仿真成果，形象地展示施工面貌、进度偏差和对工程后续施工的预测成果。工程管理人员可以根据权限进行远程访问，获取坝体浇筑强度、施工历时、间歇时间、上升速度、施工面貌、机械设备的使用情况、仿真成果和浇筑记录，并支持数据表、柱状图、饼图、横道图、坝段二维模型、三维模型等多种方式查看和导出。

3.5.5 多方案比较与管理

工程决策中往往需要对实际浇筑面貌和进度计划、不同仿真方案、仿真方案与预期计划方案之间的形象面貌进行比较，本系统可以对多个方案的数据进行管理，并通过采用不同颜色标示两比较方案的滞后和超前情况，使用户能方便直观地分析实际进度的情况和不同方案的差异。系统运行界面见图3。

图2 系统整体架构示意

图3 系统运行界面

4 深溪沟厂坝混凝土浇筑施工仿真与进度监控

本系统于2009年3月在深溪沟工程中投入使用，直至2010年1月混凝土主体工程基本完工。

在此期间，现场施工边界条件如浇筑层厚、分缝方式、浇筑间歇时间等不断发生变化，实际施工面貌也往往出现滞后或者超前计划面貌的偏差，现场施工管理中需要及时分析这种变化对后续施工的影响，合理优化施工参数，确定关键路径，调整资源配置，制定或调整施工预案。我们通过逐月跟踪现场施工情况，更新施工边界条件，进行多方案的比较分析，有针对性地提出改进措施和指导性建议，为现场决策提供参考。下面以2009年11月仿真计算方案为例进行介绍。

4.1 浇筑面貌和边界条件的变化

截至2009年11月20日的现场实际浇筑面貌和进度计划的对比见图4。

图4 2009年11月20日现场面貌与计划比较

从11月20日现场施工面貌看，除4号机机窝段施工提前完成计划外，其他坝段均存在不同程度滞后。

根据参建各方讨论及专家咨询意见，1号机机组坝段厂房封顶约1个月，与发电机层622.4～628.5m混凝土施工由顺序施工改为并行施工，不占直线工期。

4.2 仿真计算成果及其分析

按照浇筑历史面貌和工序的调整方案更新仿真模型，重新进行仿真分析，计算结果见表1、图5。

结合实际浇筑面貌和仿真成果进行分析，总体上讲，因前期浇筑强度不足，厂坝混凝土工程总工期比计划滞后10d。若2009年11月以后施工进行顺利，首台机组发电节点工期基本能满足第4次调整预案进度要求，但工期已相当紧张。

从表1来看，1号机坝段发电机层的施工为首台机组发电的关键路径。1号机组2010年1月中旬可提供机组安装工作面，安装及调试按5.5个月计算，2010年7月初1号机组可完成安装、调试工作。

泄洪闸及排污闸坝段施工项目为次关键路径，泄洪闸及排污闸坝段混凝土将于2010年1月23日浇筑至顶高程，弧形工作闸门、排污闸工作门及其启闭机安装时间约5个月，可于2010年6月下旬安装完成，下闸挡水。

表1 关键项目施工进度

图5 1号机组发电机层浇筑完成关键节点面貌(▽628.5m高程，2009－12－3)

左岸挡水坝段混凝土2010年2月中旬可浇筑至顶高程，右岸接头坝段混凝土已于2009年7月底浇筑至顶高程。

当前右岸接头坝段、1～2号机进水口坝段及尾水坝段已浇筑至顶，3号、4号机组坝段处于混凝土浇筑高峰期，随着部分坝段土建工程完工，混凝土浇筑强度总体呈下降趋势。1号、2号机坝段机窝段金属结构安装工作量较大，占用起重设备时间较长，且与土建施工交面频繁。需根据当前时段的施工特点，研究1号机发电机层顶部混凝土浇筑施工方案，做好金属结构吊装与混凝土浇筑之间的调度与协调，减少安装与土建施工之间的干扰。

4.3 应用小结

系统应用期间，通过紧密跟踪现场施工情况、逐月进行仿真分析、编制进度仿真月报、开展现场咨询服务，为工程管理人员快速准确掌握施工全过程、及时动态调整施工计划提供了科学依据，为电站工程的进度监控及施工管理提供了技术支持。从比较分析看，仿真预测成果与实际施工进程比较吻合，极好地验证了系统的准确性和先进性。

通过参建各方的共同努力，电站首台机组于2010年6月27日顺利投产，提前实现了2010年7月1日发电的总目标，较招标计划提前约5个月，初估增加发电效益达1.5亿元，经济效益显著。

5 结论与展望

厂坝混凝土施工仿真及进度分析监控系统，解决了厂坝施工复杂的分缝分块、错缝搭接施工及相应的进度计划调整问题，具有能快速高效建立仿真分析模型、实时跟踪施工条件变化反馈进度预测成果、高精度表现复杂厂坝模型、基于网络访问仿真成果和仿真过程三维动态查询等特点。系统在深溪沟工程中的成功应用表明，其具有广阔的推广应用前景。

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