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大坝碾压混凝土施工技术优化研究

2021-07-14白建旺

水利技术监督 2021年7期
关键词:大坝碾压冲突

白建旺

(内蒙古引绰济辽供水有限责任公司, 内蒙古 乌兰浩特 137400)

面对水电能源不断增大的需求,需要建设一大批高库大坝来支持水电能源的调节,在建设过程中,碾压混凝土施工技术是关键一步,碾压混凝土的施工质量与工程建设的安全性紧密相关,由于大坝通常位于地形陡峻的狭窄河段,大坝混凝土浇筑空间十分有限,当浇筑作业与其他施工作业交叉进行时,施工作业面狭窄导致施工过程需要考虑空间站位要求,才能保证施工安全[1-3]。这就需要从浇筑空间冲突频率的角度优化大坝碾压混凝土施工技术。

由于浇筑系统复杂多变,要实现以上目标,不能仅靠技术人员的经验和专业素养,在建筑仓狭窄的空间内,出现的时空冲突必将影响施工安全和效率[4]。因此,研究大量先进技术和科学方法,进一步优化碾压混凝土施工技术。在查阅大量研究文献和资料后,发现目前比较成熟的施工技术优化方法有很多,如文献[5]中提到的优化方法,从时间和空间角度优化碾压混凝土施工技术,一定程度上提高了施工效率,但是也增强了填筑强度,导致供料不能满足施工工期要求,实践性比较差。文献[6]中提到的优化方法从温度控制角度优化碾压混凝土施工技术,在碾压混凝土施工过程中始终保持一定的地表温度,减小温度变化对施工质量的影响,从而保证施工水平,但是当浇筑空间冲突频率出现不稳定的变化时,很难保证碾压混凝土的抗压强度满足实际标准要求。因此,提出基于浇筑空间冲突频率优化大坝碾压混凝土施工技术,解决上述问题。

1 大坝碾压混凝土施工技术优化方法

1.1 计算浇筑空间冲突频率

在大坝建设过程中,碾压混凝土施工使用的机械设备会与浇筑施工过程产生交叉作业,如果不能及时处理,可能会发生一些安全事故[7]。在计算浇筑空间冲突频率前,计算工作空间的边界坐标。

根据浇筑仓面物理尺寸、碾压宽度和条带接宽度等参数,计算仓面需要碾压的条带数量[8-10]。针对碾压机械在各个条带运作的特征,定义碾压错距偏移角度为ω、碾压速度为vc,依据这2个参数,拟合运动参数的分布函数,构建碾压机械在仓面的空间转移方程:

(1)

根据碾压机械的形态和尺寸,沿物理边缘扩展形成工作空间Qw[11]。采用投影转换的方式,在碾压机械空间与碾压机械位置坐标之间建立关联性,计算得到工作空间边界坐标:

(2)

式中,a—碾压机械的长度;b—碾压机械的宽度。

浇筑工作与碾压工序并行施工,浇筑过程中使用的机械设备工作范围可能会对碾压机械工作空间产生影响,在某个工作时间形成空间重叠,产生空间冲突[12]。如图1所示。

图1 大坝浇筑交叉作业空间冲突

根据工作空间的相对位置,将缆机吊灌在仓面的空间位置转化为缆机运输(si,ui)和碾压工序(sj,uj)时间重叠,如图2所示。

图2 重叠时间

通过活动扫描法仿真缆机吊灌的时间频率,计算2个时间区间的重叠时间长度:

(3)

由于碾压机械的重复执行,把每次执行所产生的重叠时间累加起来,计算碾压混凝土施工的重叠总时间:

(4)

式中,n和m—碾压混凝土施工过程中各工序执行的次数。以两者之间发生空间冲突的可能性作为浇筑空间冲突频率,计算碾压混凝土施工过程中碾压机械出现在浇筑作业影响范围的可能性[13]。计算公式为:

(5)

在已知浇筑空间冲突频率情况下,优化施工技术。

1.2 优化施工机械调度方案

从上述内容可知,浇筑空间冲突的产生与各个施工机械设备工作调度相关,因此从施工机械调度的角度优化碾压混凝土施工技术。考虑到影响施工质量的各种因素,设定3个定量指标,分别是工期、施工强度、机械利用率,根据施工机械调度方案的特点,设置一套综合指标体系,如图3所示。

图3 施工机械调度方案指标体系

针对上述设定的各个指标进行优化,各指标的计算公式为:

(6)

式中,Y—碾压混凝土施工总工期;Yi—总工期内所有各浇筑块的浇筑时间;Ysi—浇筑块的间歇期;n—浇筑块数量[14]。

(7)

(8)

式中,Fmax—施工机械最大利用率[15]。

在上述计算中,总工期是所有浇筑时间之和,施工强度是指某时间段内混凝土的浇筑量,机械利用率表示整个施工工期内施工设备每月的利用率。依据上述3种不同的施工优化目标,建立目标函数。

(9)

求解公式(9)即可得到大坝碾压混凝土施工技术最佳优化结果,完成对大坝碾压混凝土施工技术的优化。

2 实验研究

2.1 仿真设置

在大坝碾压混凝土施工技术优化的实验研究中,以某水电站的真实数据为依据,模拟出大坝体型。大坝具体参数见表1。

表1 大坝设计体型参数 单位:m

在对大坝碾压混凝土浇筑进度仿真时,时间控制参数是重要的影响因素之一,包括混凝土开浇时间、浇筑块间歇期、月有效工作日、日有效工作时长、混凝土初凝时间等。在模拟过程中,根据浇筑部位的不同设置不同的间歇期,最小不超过6 d,最大不超过40d;日有效工作时长为20h,月有效工作日根据每个月的天数确定;初凝时间取值范围为2~3h。高程控制参数的设计见表2。

表2 高程控制参数设置 单位:m

在完成参数设计后,拟定实验方案。以对比实验为主,选择目前使用频率比较高的2种施工优化技术作为实验目标,将其与提出的施工技术优化方法作对比。设计的实验方案分为2部分,一部分是碾压混凝土材料需求的分析,分析不同施工技术优化方法所需成本;一部分是碾压混凝土抗压强度实验。以上2组实验均在浇筑空间冲突频率的条件下进行。

2.2 碾压混凝土材料成本实验结果及分析

实验中以水泥为实验对象,根据模拟的大坝体型,在第三方软件中使用不同的施工技术优化方法优化碾压混凝土施工技术,分析不同优化方法对水泥材料的需求强度。实验结果如图4所示。

图4中显示的是不同的施工技术优化方法对碾压混凝土施工材料需求强度。从整体上看,在7、8、9月大坝施工中没有水泥材料的需求,单独观察每个施工技术优化方法的实验结果可知,施工技术优化方法1在初期阶段对水泥材料的需求处于一般水平,从4月开始,水泥需求超过5000t,在后续一段施工周期内居高不下;施工技术优化方法2实验结果显示,排除7、8、9月,在整个实验施工周期内,水泥材料的需求量均在5000t以下,需求量比较大;提出的施工技术优化方法实验结果显示,综合每个月的数据可知,水泥需求量基本在5000t以下,能够在达到低成本的同时,保证施工质量。综上所述,提出的大坝碾压混凝土施工技术优化方法对施工成本需求更少,更经济。

图4 不同施工优化技术碾压混凝土材料成本实验结果

2.3 碾压混凝土抗压强度实验结果及分析

在碾压混凝土抗压强度实验中,选取各个施工技术优化方法下的碾压混凝土试样,在高温高湿度的环境下,测试其碾压强度,实验中设置不同的配合比和龄期。实验结果见表3。

表3 碾压混凝土抗压强度检测统计

目前对大坝碾压混凝土抗压强度的要求为35~45MPa。观察表中数据可知,在高温高湿度环境下,提出的施工技术优化方法在90d时达到了39.21MPa,满足大坝碾压混凝土抗压强度,而其余2种优化方法的碾压混凝土抗压强度没有满足标准需求。将上述结果与材料成本实验结果相结合,分析可知,提出的基于浇筑空间冲突频率的大坝碾压混凝土施工技术优化方法施工成本低、施工质量高,其整体实践性更好。

3 结语

综上所述,浇筑空间冲突频率控制水平直接影响了大坝碾压混凝土施工质量和施工进度,为了提高大坝碾压混凝土施工水平,要从计算浇筑空间冲突频率 、优化施工机械调度方案2个环节出发,对大坝碾压混凝土施工技术进行优化设计。此外,还要采用实验的方式对这一优化方案的可靠性和有效性进行验证,只有确保所提出的优化设计方案科学合理,才能将其应用于大坝碾压混凝土施工中,才能保证施工作业操作的规范性和合理性。但是受到研究水平的限制,忽略了优化过程中的一些问题,如施工设备本身的效率对碾压混凝土施工的影响,在后续研究中,将从这一方面展开研究。

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