郭佳樂(lè),杜志達(dá)

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

水電作為一種優(yōu)質(zhì)清潔能源,因其對(duì)環(huán)境污染小、成本低、效率高、可再生,得到了廣泛的開(kāi)發(fā)。水電工程一般具有規(guī)模大、投資多、施工期長(zhǎng)、技術(shù)及施工條件復(fù)雜、施工中不確定因素多等特點(diǎn),在進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)時(shí),傳統(tǒng)的手算方法不僅耗時(shí)、費(fèi)力,而且缺乏定量計(jì)算分析[1]。運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),可以迅速、全面地考慮大壩施工進(jìn)程中的各方面因素,制定詳細(xì)的施工計(jì)劃和最優(yōu)施工機(jī)械組合方案,最終達(dá)到縮短工期、提高效率的目的。

國(guó)內(nèi)對(duì)于施工過(guò)程的仿真進(jìn)行了深入研究,朱光熙運(yùn)用系統(tǒng)分析方法對(duì)二灘水電站雙曲拱壩的施工過(guò)程進(jìn)行仿真[2];鐘登華運(yùn)用系統(tǒng)集成的方法,實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的三維可視化仿真[3];王仁超根據(jù)小灣工程的實(shí)際情況,采用固定時(shí)間步長(zhǎng)法,開(kāi)發(fā)了小灣大壩混凝土澆筑三維動(dòng)態(tài)仿真軟件[4];趙春菊、周宜紅針對(duì)龍開(kāi)口水電站大壩的施工特點(diǎn),建立了由數(shù)據(jù)前處理、壩體施工過(guò)程仿真模擬、成果分析三部分組成的仿真總模型,對(duì)仿真輸出結(jié)果進(jìn)行了分析[5]。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于仿真技術(shù)的研究主要致力于解決三方面的問(wèn)題:①如何能夠提高仿真模型的計(jì)算精度,更貼近實(shí)際工程;②如何能夠迅速建立仿真模型,節(jié)約建立模型的時(shí)間;③如何建立比較通用的模型,不僅僅適用于單個(gè)工程[6]。在對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行仿真時(shí),往往要根據(jù)工程具體要求,補(bǔ)充一部分代碼。本文通過(guò)定義機(jī)械的混凝土流轉(zhuǎn)指向,根據(jù)不同的施工方法,編制相應(yīng)的機(jī)械指向信息表,實(shí)現(xiàn)混凝土壩施工過(guò)程的仿真,提高仿真程序的通用性。通過(guò)對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行仿真,得到對(duì)于實(shí)際施工組織設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值的各項(xiàng)參數(shù)。

1 仿真方法

在混凝土壩施工仿真過(guò)程中,將自卸汽車(chē)、皮帶機(jī)、溜槽、纜機(jī)、門(mén)塔機(jī)等稱(chēng)為機(jī)械,將道路、入倉(cāng)口、卸位等稱(chēng)為對(duì)象。施工仿真的核心是對(duì)于混凝土運(yùn)輸過(guò)程的仿真,即混凝土從拌合樓出發(fā),通過(guò)各種機(jī)械的運(yùn)輸,經(jīng)過(guò)道路、入倉(cāng)口等對(duì)象,最終到達(dá)卸位的流轉(zhuǎn)過(guò)程。為了描述這一流轉(zhuǎn)過(guò)程,定義機(jī)械的混凝土流轉(zhuǎn)指向。所謂機(jī)械的混凝土流轉(zhuǎn)指向,即混凝土在流轉(zhuǎn)過(guò)程中,當(dāng)前流轉(zhuǎn)步驟所使用的機(jī)械需要轉(zhuǎn)入的下一步機(jī)械或?qū)ο?簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)械指向。

圖1為自卸汽車(chē)直接入倉(cāng)方法施工流程圖,根據(jù)該流程圖編輯機(jī)械指向信息表,如表1所示,表中假定各種機(jī)械、對(duì)象數(shù)量均為2。采用指向的定義,程序經(jīng)過(guò)處理,就能夠自動(dòng)形成運(yùn)輸過(guò)程。所以,只要根據(jù)具體施工方法編輯好機(jī)械指向信息表,即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真過(guò)程,無(wú)需編寫(xiě)新代碼,可以適應(yīng)工程施工方案的多樣性。

圖1 自卸汽車(chē)直接入倉(cāng)方法施工流程圖

表1 自卸汽車(chē)直接入倉(cāng)方法機(jī)械指向信息表

2 仿真程序

2.1 仿真程序簡(jiǎn)要框圖

仿真程序框圖如圖2所示。

2.2 仿真信息輸入

(1)大壩基本信息。包括劃分以后的每個(gè)澆筑塊的頂高程、頂長(zhǎng)、頂寬、底高程、底長(zhǎng)、底寬、常態(tài)混凝土或者是碾壓混凝土、常態(tài)混凝土體積、碾壓混凝土體積等;

(2)大壩澆筑順序及開(kāi)始時(shí)間信息。

(3)不同施工方法的指向信息。應(yīng)用指向概念,根據(jù)不同的施工方法編輯相應(yīng)的指向信息,形成指向信息表;

(4)機(jī)械參數(shù)信息。各種機(jī)械的參數(shù)設(shè)置,包括拌合樓的容量,汽車(chē)的重車(chē)速度,門(mén)塔機(jī)的起重量,皮帶的帶寬、帶速,溜槽的運(yùn)輸能力,道路的起點(diǎn)、終點(diǎn)高程以及入倉(cāng)口的封倉(cāng)時(shí)間等各種參數(shù),各種時(shí)間參數(shù)均分固定型和隨機(jī)型兩種來(lái)選取。

2.3 仿真程序?qū)崿F(xiàn)的功能

(1)程序可自動(dòng)根據(jù)不同時(shí)刻的拌合樓的實(shí)際生產(chǎn)能力進(jìn)行混凝土施工倉(cāng)面劃分。

(2)考慮混凝土施工冬季停工時(shí)間、每月的有效工作日以及每天的有效工作小時(shí)對(duì)于工期的影響;

(3)考慮不同月份時(shí)常態(tài)混凝土和碾壓混凝土初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、依次澆筑的倉(cāng)塊之間的間隔時(shí)間以及封倉(cāng)間隔時(shí)間的變化對(duì)工期的影響;

(4)考慮壩段之間的限制高差以及防汛缺口與其他壩段之間的限制高差對(duì)工期的影響;

(5)考慮岸坡的灌漿分區(qū)對(duì)工期的影響;

(6)考慮金屬結(jié)構(gòu)安裝對(duì)工期的影響;

(7)在研究混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)時(shí),考慮了倉(cāng)面內(nèi)部的混凝土運(yùn)輸過(guò)程。

2.4 輸出結(jié)果

(1)大壩混凝土澆筑施工工期;

(2)大壩混凝土澆筑詳細(xì)施工進(jìn)度計(jì)劃;

(3)大壩整個(gè)施工工期內(nèi)混凝土季、月平均澆筑強(qiáng)度及最大澆筑強(qiáng)度;

(4)每個(gè)倉(cāng)面內(nèi)各種機(jī)械及對(duì)象的數(shù)量、使用時(shí)間、空閑時(shí)間、利用率等;

圖2 仿真程序簡(jiǎn)要框圖

(5)通過(guò)輸入多種澆筑方案進(jìn)行仿真結(jié)果評(píng)比,得到合理的機(jī)械、對(duì)象參數(shù)配置。包括拌合樓的配置及自卸汽車(chē)的臺(tái)數(shù)等。

3 工程實(shí)例仿真

3.1 工程實(shí)例簡(jiǎn)介

某大壩最大壩高91.42 m,壩頂高程269.50 m,最低地面高程190 m左右,壩頂總長(zhǎng)1068 m,共劃分為58個(gè)壩段。壩型選為碾壓混凝土重力壩,大壩基礎(chǔ)墊層混凝土為常態(tài)混凝土。不同部位、不同階段的施工方法示意圖如圖3所示。

根據(jù)該工程各部位的施工方法,應(yīng)用指向概念,編輯每種施工方案對(duì)應(yīng)的機(jī)械指向信息表。將仿真軟件需要的該工程的各項(xiàng)基本信息輸入程序,即得到仿真結(jié)果。

3.2 仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)仿真軟件計(jì)算,該工程工期為48個(gè)月,累計(jì)澆筑方量為210.22×104m3。混凝土施工高峰出現(xiàn)第2年10月到第3年10月,最高月澆筑強(qiáng)度達(dá)到13×104m3(2015年10月),此時(shí)累計(jì)澆筑方量為167.21×104m3,主要施工機(jī)械為自卸汽車(chē),在整個(gè)工期內(nèi)自卸汽車(chē)效率達(dá)到71.8%。在左岸、右岸各配置一個(gè)混凝土拌合系統(tǒng),銘牌生產(chǎn)能力分別為180 m3/h、360 m3/h,經(jīng)過(guò)仿真得到拌合樓效率為83.5%,說(shuō)明拌合樓配置合理。

圖4為混凝土月澆筑強(qiáng)度直方圖,圖5為混凝土月澆筑強(qiáng)度累計(jì)曲線(xiàn)。

圖3 不同部位施工方法示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)提出一個(gè)新的概念——機(jī)械的混凝土流轉(zhuǎn)指向。應(yīng)用指向的概念,編制指向信息表,將施工方法中所使用的機(jī)械通過(guò)運(yùn)輸混凝土而串聯(lián)起來(lái),形成混凝土施工流程。運(yùn)用該方法進(jìn)行仿真具有一定的優(yōu)越性,無(wú)需因施工方法變化而改動(dòng)程序,可以提高仿真軟件的通用性。

(2)在仿真過(guò)程中通過(guò)建立混凝土拌和子系統(tǒng)、混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)、混凝土壩面澆筑子系統(tǒng)的仿真模型,統(tǒng)計(jì)得到工程施工過(guò)程中機(jī)械及對(duì)象利用率、施工進(jìn)度、混凝土澆筑強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)。仿真結(jié)果符合施工規(guī)律。

圖4 混凝土月澆筑強(qiáng)度直方圖

圖5 混凝土月澆筑強(qiáng)度累積曲線(xiàn)

(3)運(yùn)用Visual Basic開(kāi)發(fā)了混凝土壩施工過(guò)程仿真軟件,軟件可以適應(yīng)大壩施工方法的改變。通過(guò)工程實(shí)例計(jì)算,證明本文開(kāi)發(fā)仿真軟件可以模擬混凝土壩施工的全過(guò)程,為工程技術(shù)人員提供更為準(zhǔn)確的施工參數(shù)信息,可以較好的輔助實(shí)際施工組織設(shè)計(jì)。

[1]鐘登華,練繼亮,張綜亮,等.混凝土壩澆筑過(guò)程的仿真計(jì)算可視化研究[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2003,23(6):134-138.

[2]朱光熙.二灘水電站雙曲拱壩混凝土澆注的計(jì)算機(jī)模擬[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,1985,5(3):26-32.

[3]鐘登華,練繼亮,朱慧蓉.混凝土壩澆筑過(guò)程三維動(dòng)態(tài)可視化仿真[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2004,37(1):46-49.

[4]王仁超,石英,李名川.小灣大壩混凝土澆筑施工仿真研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào),2004,36(4):11-14.

[5]趙春菊,周宜紅.龍開(kāi)口碾壓混凝土重力壩施工過(guò)程仿真研究[C]//第五屆碾壓混凝土國(guó)際研討會(huì)論文集,2007,7:13-16.

[6]王仁超,盧威,王啟文.基于物理過(guò)程的建模方法及其在水利工程施工中的應(yīng)用研究[J].水利水電技術(shù),2002,33(7):13-16.