考虑缆机双平台干扰的混凝土坝两仓联合浇筑机械配置优化研究

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)

混凝土坝施工具有施工工序多，施工强度大的特点。施工进度、质量及效益的综合最优是长期以来混凝土坝施工追求的根本目标。施工机械协同作业水平直接决定坝体施工进度及质量[1]。研究者从不同角度研究了此类问题。田康健[2]建立了面向时间参数约束的施工资源调度模型，为水利工程施工资源调配提供参考；S.Thomas[3]等提出应用PDA方法解决资源分配问题, 即使在不连续的施工中仍然可以达到资源浪费的最小化;常春光[4]应用规划理论建立了资源配置线性规划模型。另有不少学者对施工机械配置做了相关研究[5-8]。考虑施工工艺、坝体生长及浇筑能力各方面的要求，混凝土坝通常理解为几十个浇筑坝段及数以千计的浇筑仓逐仓浇筑上升。单仓排队浇筑虽然可用资源充足，但机械整体利用率不高，浇筑强度有限，导致整体进度落后于计划进度。两仓联合浇筑一定程度上能改善进度落后问题，但对施工安全及施工机械配置提出了挑战。因此，利用有限机械资源，优化施工机械配置，充分发挥两仓联合浇筑优势对大坝施工意义重大。

缆机作为混凝土坝施工混凝土运输入仓的唯一施工机械，其高效运行对浇筑施工意义重大，其配置问题是机械优化的首要难题。缆机平台通常布置为单平台或高低线双平台。缆机的布置、选型及台数的确定取决于实际工程的施工进度及浇筑生产率等技术指标。缆机与缆机间作业干扰问题普遍存在。钟登华[9]等综合考虑各种复杂的施工约束条件，建立了高拱坝施工质量与进度实时控制数学模型；李喆[10]基于充裕度规则分析了小湾水电站坝体浇筑各要素之间的相互影响；冯诚诚[11]等针对单平台缆机布置形式做了高拱坝双仓联合浇筑的空间冲突问题研究。双平台缆机布置由于存在高度差的影响，其整体干扰问题另有特点。因此，在研究两仓联合浇筑机械配置优化模拟问题中有必要考虑双平台缆机作业干扰对两仓联合浇筑的影响。

1 施工系统组成

混凝土坝浇筑施工是一个由混凝土生产、运输及浇筑合理规划的有序过程。因此，可以将浇筑施工全过程视作一个总系统，而混凝土生产、运输、坝体浇筑即3个分系统。3个分系统不是完全独立的，其有序衔接保障了坝体正常浇筑施工。其中，混凝土生产分系统决定生产强度；运输分系统是联结混凝土生产制备与仓面浇筑的纽带，保障运输强度；浇筑分系统决定仓面浇筑资源的合理利用及浇筑强度。

拌合楼生产制备混凝土的能力决定自卸汽车水平运输、缆机垂直运输及仓面浇筑能力，把控坝体施工进度及混凝土浇筑质量；自卸汽车、缆机运输能力直接影响仓面浇筑进度；仓面浇筑进度及施工质量又受到仓面平仓机、振捣机作业能力制约。施工系统全过程见图 1。

2 优化模型建立

机械优化配置前提是掌握机械系统参数，充分利用每一种施工机械在浇筑施工中的作业能力，把握各施工机械相辅相成协调作业的特性，通过合理配置取得机械种类及数量的组合最优，争取最大化的整体工作效率。

图1 混凝土坝施工系统示意

混凝土坝施工中，施工方案不是一成不变的，往往存在由于天气及资源限制等原因导致进度落后，需要及时调整施工方案。施工方案的改变意味着现有机械配置方案的调整。坝体施工中各类施工机械的协同作业水平直接决定着大坝建设的施工强度、进度及质量。因此混凝土坝施工机械的优化配置模型的建立对于浇筑施工意义重大。

优化配置的模型建立可分为以下3个环节：明确各施工机械的种类、型号及规格参数，确定其作业能力；由现有机械设备确定所有可行的施工机械联合方案；根据优化目标，确定优化配置方案。其中，对于目标的优化需考虑现有约束条件，并建立评价标准。在机械数量有限的情况下，满足约束条件的机械配置方案构成施工方案集，根据设定的优化指标及目标函数选出最优配置方案。

总结出混凝土坝两仓联合浇筑施工机械优化配置模型构建的一般性原则：①合理利用缆机富裕浇筑能力，明确优化目标；②确保缆机能够覆盖到工程全坝段，避免浇筑“死角”；③施工机械性能好，配套机械可使主导机械的效率充分发挥；④在保证施工质量的前提下，同时满足各阶段施工强度的要求；⑤两仓联合浇筑时考虑缆机干扰及空间冲突。

2.1 优化目标

在考虑两仓联合浇筑情况下的施工机械配置优化是一个多目标、多层次的系统规划问题。主要目标有：施工总工期、施工强度、机械设备利用率及施工成本。

a) 总工期P：针对不同机械配置方案会有不同的施工浇筑时间，工期最短是机械优化配置需考虑的首要目标，即min(P)。

b) 施工强度S：机械优化配置的最终目标是满足施工强度，完成浇筑任务，即max(S)。

c) 设备利用率ρ：各分系统中机械设备的利用率保证了机械优化配置方案的可行性，即max(ρ1ρ2…ρn)。

d) 施工成本C：各施工机械运行成本总和

式中Cj——第j种垂直吊运机械运输的单位成本；Qjp——在p时段第j种垂直吊运机械的实际运输量；Ci——第i种水平运输机械运输的单位成本；Qijp——在p时段，与第j种垂直吊运机械配套的第i种水平运输机械的实际运输量。

成本与工期、效率是相互矛盾的，为解决进度滞后、强度低的核心问题，本文中对成本不做过多考虑。

2.2 边界约束条件

a) 机械数量约束：高拱坝仓面施工可用缆机数ml受缆机总数M约束。

对于逐仓浇筑：ml≤M

对于双仓联合浇筑：ml1

式中S、h——浇筑仓面积及坯层厚度；Pl——缆机生产率，T0——坯层覆盖时间。

b) 机械性能约束：施工强度受各施工机械作业能力制约，需合理配置机械型号及运行参数。

c) 机械排队时间约束：由于浇筑施工中，各分系统之间的工作离散性的，使得自卸汽车在拌合楼受料和供料平台卸料两个环节均存在一个理论的排队等待时间T1、T2。根据工程经验，应保证每次等待时间在上述时间范围内。该时间需综合考虑拌和生产、运输及浇筑的相互影响，保障混凝土质量。

T1i≤T1；T2i≤T2

d) 浇筑面貌约束：根据高拱坝坝体生长特性及施工技术要求，浇筑坝段需满足与相邻坝段最大或最小悬臂高差限制要求。

最大高差限制:Hi-Hi+1≤Hmax；Hi-Hi-1≤Hmax

最小高差限制:Hi-1-Hi≤Hmin；Hi+1-Hi≤Hmin

e) 控制性时间约束：浇筑施工需综合考虑对混凝土温控及浇筑质量的影响，因此需满足间歇期等控制性时间约束。要求浇筑时间控制在各典型坝段浇筑块控制性时间T(x)内。

Ti

f) 缆机控制范围约束：为避免多台缆机联合浇筑产生的干扰，需确定缆机浇筑控制范围。假设每台缆机对上下游的可控范围为Cs(i)、Cx(i)，缆机适用于待浇仓需满足的总体条件为：

Cs(x)≤Cs(i)；Cx(x)≤Cx(i)

g) 双仓联合浇筑时坝段间隔约束：考虑施工安全及效率问题，双仓联合浇筑情况下待浇两坝段的坝段间隔数不小于3。

h) 双平台缆机干扰约束：缆机干扰约束主要包括取料约束、维修约束、浇筑约束。

缆机间的干扰主要指缆机共同作业时缆机与缆机之间的距离，该距离不是两者之间的直线距离D，而是指考虑安全运行及工作效率保障的有效距离Defficient。通常情况下，取直线距离加上2～3个浇筑条带宽度L,即Defficient=D+(2～3)L。

在双平台缆机双仓联合浇筑中，假设所有缆机均处于工作状态，且由于缆机高低线布置的平台本身存在高度差h，而缆机吊灌在受料平台上的高度差干扰也需考虑吊灌运行的安全与效率，限制双平台缆机吊灌高差hi>h。

2.3 评价标准

a) 月实际施工强度与计划施工强度差值ΔS=∑S实际-∑S计划，ΔS越大，则方案越优。

b) 缆机作为唯一的混凝土垂直运输入仓机械，其工作效率直接决定浇筑强度。单台缆机运行效率指某月第K台缆机工作时间占当月日历时间的比值：

c) 仓面机械生产强度与混凝土设计入仓强度的吻合程度σ。σ越小，则仓面机械生产力越接近入仓强度，不会造成浇筑滞后，对浇筑质量影响越小，方案越优。

σ(i)=P仓面-P入仓

d) 机械数量N。由于仓面面积及施工设备、人员的限制，同等条件下，满足优化目标及约束条件下的机械配置数量越少，则所受干扰越小。

2.4 缆机

缆机工作循环时间Tl一般可理解为固定工作时间、可变工作时间及辅助工作时间之和。通常单循环时间Tl为6～10 min。

a) 缆机投入数量确定

式中ml——缆机数量；S——浇筑仓面积；h——坯层厚度，一般取0.5 m；Tl——缆机单循环时间；T0——混凝土坯层覆盖时间。

c) 平仓机与缆机数量关系确定。小湾、溪洛渡等大量工程实践表明，仓面浇筑质量的要求决定了平仓机、振捣机与缆机之间难以满足基于浇筑强度的数量关系。仓面浇筑通常分区、分条带进行，确保每台缆机可控卸料区域内均匀配备一台平仓机及振捣机能有效控制混凝土平仓及振捣，不会形成料堆，保证浇筑质量。因此平仓机、振捣机与缆机数量1∶1配备。建立施工机械优化配置模型见图 2。

图2 机械优化配置模型

3 工程实例

某高拱坝施工期年计划浇筑强度为200万m3，高峰月浇筑强度达20.2万m3。截至本年度3月，计划总浇筑强度44.1万m3，实际总浇筑强度为39.2万m3。前期均采用逐仓浇筑，浇筑强度较低导致整体浇筑进度落后于计划进度。4月计划施工强度为17.6万m3。为加快施工进度，计划4月改逐仓排队浇筑为两仓联合浇筑。

a) 施工分系统配置参数。工程共有高、低线两座混凝土生产系统，生产能力大于500 m3/h。共布置双平台(高线1、2、3、低线4、5、6、7号交错布置)7台平移式缆机，额定容量9 m3，与高、低线供料平台配套使用。缆机小车水平运行速度为8.0 m/s，垂直运行速度为(2.5～3.5 m/s)。SD13S型平仓机小时作业强度为180 m3/h，摊铺层厚度为0.5 m，一层混凝土摊铺次数为2次。振捣机采用VBH13S-8EHL型8棒φ150自行液压式振捣机，作业强度为165 m3/h；自卸汽车单次循环时间为13.4 min，小时运输能力为40.3 m3/h。

b) 浇筑控制性时间。间歇期含廊道仓取14～16 d，典型仓取5～7 d，牛腿等复杂结构仓取12 d，底孔仓取16～20 d。坯层覆盖时间不高于5 h。

c) 缆机控制范围。7台平移式缆机均能控制浇筑全坝段上下游范围。

d) 干扰约束。双仓联合浇筑时两仓间隔坝段数不小于3；同平台两台缆机靠近时主索间最小距离D为10 m(高线)/12.5 m(低线)，不同平台两台缆机运行主索间最小安全距离为6 m。运行时缆机间有效距离De因浇筑仓顺河向长度L变化引起浇筑条带长度变化，每仓按8条带划分区域。取De=D+(2～3)L/8；高、低平台高差为66 m，不同平台吊灌运行有效高度差H>66 m。

在对4月施工机械配置方案的分析比选中，最终得到以缆机为主导的两种优化方案。优化方案一：为高平台3台缆机浇筑一仓，低平台4台缆机浇筑另一仓，平仓机、振捣机数量以1∶1配对缆机，自卸汽车数量以2∶1配对缆机。优化方案二：当高低平台缆机混用时，高、低平台缆机分别3台浇筑两坝段，低平台第四台缆机灵活浇筑两坝段，平仓机、振捣机数量比缆机数量多1，自卸汽车数量以2∶1配对缆机。以联合浇筑典型仓为例，见表 1。

表1 各典型仓机械配置结果

对比分析得知(表 2)，本年度3月共计浇筑历时853 h，浇筑34仓，总计单仓排队浇筑强度为15.4万m3，平均浇筑强度185.43 m3/h，缆机平均浇筑强度为66.03 m3/h，平均单仓浇筑耗时25.08 h；4月共计浇筑历时1 191 h，两仓联合浇筑天数13 d，占日历天数43.3%。共浇筑39仓，总计浇筑强度19.1万 m3，比3月增长3.7万 m3，比原计划4月浇筑强度提升1.5万 m3。平均浇筑强度162.20 m3/h，缆机平均浇筑强度为70.37 m3/h，平均单仓浇筑耗时30.55 h。设计方量与实际入仓浇筑方量吻合程度较好，机械利用程度高。

表2 浇筑强度对比

各缆机3、4月运行情况见表 3。

表3 各缆机工作效率对比 %

对比发现，两仓联合浇筑虽较单仓浇筑耗时增长，但合理的机械配置提高了机械利用率，浇筑强度增加。在这一思想基础上，可确定方案优化后的整体施工强度将显著增加，工期将较之前得到显著缩短。

4 结论

本文通过对高拱坝工程混凝土浇筑施工特点和施工系统分析，充分利用施工机械富裕的浇筑能力，确立了两仓联合浇筑的施工机械优化配置的优化指标及约束条件，建立施工机械优化配置模型，通过对施工任务的分析，建立机械配置优化方案，极大程度改进了机械工作效率，显著增加了施工强度，缩短施工工期，对同类型工程施工进度优化有一定指导意义。