烏東德水電站大壩三維仿真計算機模擬研究

龔 毅

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 工程概述

烏東德水電站是金沙江下游河段四個水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中的最上游梯級，壩址所處河段的右岸隸屬云南省昆明市祿勸縣，是“西電東送”的骨干電源點。

烏東德水電站為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐主要建筑物為1級，設(shè)計標準為1 000年一遇，校核標準為5 000年一遇。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程988 m，最大壩高265 m；泄洪建筑物主要由5個表孔、6個中孔及3條泄洪洞組成；壩體下游設(shè)水墊塘和二道壩。

大壩共設(shè)置有14個橫縫，將壩體分為15個壩段，從左岸到右岸依次為1號到15號壩段。大壩不設(shè)縱縫，橫縫型式為分段鉛垂縫，高程988～930 m、高程905～870 m、高程845～723 m之間為鉛垂縫，鉛垂縫之間為過渡縫，在岸坡壩頂，橫縫底設(shè)轉(zhuǎn)折縫。橫縫設(shè)置鍵槽并進行接縫灌漿。

2 系統(tǒng)仿真的基本原理

系統(tǒng)仿真(又稱為系統(tǒng)模擬)是在不干擾真實系統(tǒng)運行的情況下，為研究系統(tǒng)的性能而構(gòu)造并在計算機上按照特定的規(guī)則運行、表示真實系統(tǒng)的模型的一項技術(shù)。系統(tǒng)模擬的優(yōu)點表現(xiàn)在它不影響和破壞真實系統(tǒng)，同時能夠反映真實系統(tǒng)的某些行為，與物理實驗相比，它具有易改變、成本低的特點；另一方面，當真實系統(tǒng)的某些因素具有不可實驗性時，模擬系統(tǒng)照樣可以建立；與解釋模型相比，模擬模型可以考慮眾多因素，尤其是當這些因素的作用機理非常復(fù)雜時，模擬模型的優(yōu)越性就更加突出。因此，系統(tǒng)模擬是解決某些復(fù)雜系統(tǒng)的、最為有效的手段之一。

3 仿真策略與計算方案設(shè)計

鑒于烏東德水電站結(jié)構(gòu)特點和壩體施工特點，本研究結(jié)合投標方案以及國內(nèi)高拱壩施工經(jīng)驗開展仿真研究，采取的仿真策略是：

結(jié)合投標方案，通過仿真邊界條件、參數(shù)變化研究投標方案的可行性以及保障程度；

結(jié)合國內(nèi)外高拱壩施工經(jīng)驗以及仿真計算經(jīng)驗，對烏東德水電站拱壩澆筑上升調(diào)倉規(guī)則、層覆蓋時間控制(涉及纜機運用)等進行多方案比較，以揭示烏東德水電站大壩可能采用的不同的澆筑方式以及相應(yīng)的壩體澆筑進程、澆筑強度、纜機運用等變化情況。

基于以上仿真策略，本研究對烏東德水電站大壩澆筑進行了以下幾方面的重點研究。

(1)壩體上升方式研究。

高拱壩壩體澆筑上升方式對于岸坡壩段穩(wěn)定控制、混凝土溫控、接縫灌漿懸臂高度控制都有一定程度的影響。通常，高拱壩壩體澆筑上升的過程是：從河床底部最低塊開始澆筑，然后逐步擴展；岸坡壩段由于受固結(jié)灌漿或岸坡穩(wěn)定要求控制，通常低于相鄰更靠近河床部分壩段的高程，當其上升到一定程度后再按照“高低高”的方式跳倉澆筑，這種澆筑方法通常被稱為“頂澆法”。

鑒于烏東德水電站大壩結(jié)構(gòu)和樞紐布置、壩體混凝土澆筑施工特點和招標要求，壩體澆筑上升方式可以有不同的方式：一是泄洪中孔以下一致保持壩體“頂澆”形成的澆筑面貌，到泄洪中孔后，鋼襯安裝會對混凝土澆筑上升方式形成一定的影響，這時可以繼續(xù)延續(xù)這時的面貌，直到壩頂；另一種方式是當岸坡壩段澆筑到一定高程后，通過“倒高差”實現(xiàn)壩體跳倉控制，這種方式下可以根據(jù)高程控制“倒高差”的部位，圖1和圖2為兩種不同的“倒高差”控制方式。

(2)718 m基礎(chǔ)高程施工方案適應(yīng)性研究。

根據(jù)招標文件，烏東德水電站大壩基礎(chǔ)高程可能從723 m高程降低到718 m高程。方案的適應(yīng)性對于保證未來大壩施工具有重要影響。方案比較情況見表1。

(3)混凝土胚層的覆蓋時間。

胚層覆蓋的時間間接影響纜機的運用，進而影響到壩體澆筑進程以及溫度控制。對于同樣的胚層面積情況，層覆蓋時間要求短，需要配備的纜機數(shù)量多，相反，覆蓋時間長，需要配備的纜機數(shù)量就少。

圖1 陡坡高高程“倒高差”岸坡控制方式示意圖

圖2 陡坡低高程“倒高差”岸坡控制方式示意圖

表1 模擬計算方案設(shè)計表

4 高拱壩澆筑模擬系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)與運行環(huán)境

(1)系統(tǒng)開發(fā)。

本系統(tǒng)是基于Microsoft Visual Studio軟件開發(fā)平臺的Visual C#高級程序設(shè)計語言開發(fā)。系統(tǒng)基于離散時間仿真原理，采用了面向?qū)ο?、?shù)據(jù)庫、CAD二次開發(fā)等技術(shù)。

系統(tǒng)為Windows風格，具有良好的通用性、交互性和可移植性。由于模擬參數(shù)和模擬結(jié)果的全數(shù)據(jù)庫組織，因此，可以與水利水電工程建設(shè)管理信息系統(tǒng)進行對接和數(shù)據(jù)交互。

(2)運行環(huán)境。

本系統(tǒng)需要在Windows7、8系統(tǒng)下運行，要求的計算機內(nèi)存為4 GB，屏幕最低分辨率為1 024×768；CPU運行速率最好為2.4 GHz以上；系統(tǒng)需要Auto Cad2010、Office2010版本支持。

(3)運行步驟。

①新建工程。

執(zhí)行ConcreteDamSimAPP.EXE，選擇新建菜單，系統(tǒng)將新建一個工程并創(chuàng)建相應(yīng)的文件夾。

②打開工程。

執(zhí)行ConcreteDamSimAPP.EXE，選擇打開文件菜單，打開要模擬的方案；也可以通過文件管理器進入要打開的工程文件夾，選擇工程名.Dwg文件打開，然后再運行ConcreteDamSimAPP.EXE。

③保存工程。

在進行運行模擬計算時，系統(tǒng)自動保存一個階段的模擬結(jié)果；參數(shù)調(diào)整時，在點擊相應(yīng)的菜單后，系統(tǒng)自動保存改變的數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)功能與系統(tǒng)界面

(1)系統(tǒng)功能。

本軟件主要針對常態(tài)混凝土壩澆筑過程模擬而設(shè)計，其主要功能包括：

常態(tài)混凝土壩澆筑過程模擬；

壩體工程量計算與查詢；

模擬模型參數(shù)的輸入與修改；

壩體分階段模擬；

基于隨機環(huán)境因素的模擬；

模擬澆筑過程中的壩體上升過程、月澆筑強度、機械利用率和澆筑強度、接縫灌漿進程、老混凝土量及發(fā)生部位等澆筑過程信息的查詢和統(tǒng)計分析。

(2)系統(tǒng)界面。

系統(tǒng)運行主界面如圖3所示。系統(tǒng)主界面包括的菜單項為：項目管理、參數(shù)編輯、仿真與計算、仿真結(jié)果查詢和幫助。

圖3 系統(tǒng)運行主界面圖

(3)模擬參數(shù)編輯界面。

①壩塊編輯界面如圖4所示。壩塊編輯界面與CAD相結(jié)合，設(shè)定壩塊基本參數(shù)、賦予CAD實體以名稱、設(shè)定相鄰關(guān)系等。

圖4 壩塊編輯界面圖

5 模擬計算方案的綜合對比分析

從壩體最后一塊到頂時間上看：對于5個方案，最早的是比較方案2，即723 m基礎(chǔ)高程，縮短混凝土層覆蓋時間方案。該方案除層覆蓋時間外，其他邊界條件與基本方案完全相同，壩體最后一塊混凝土到頂?shù)臅r間為2019年2月13日；最遲為比較方案3，即基礎(chǔ)開挖至718 m高程方案，壩體最后一塊混凝土到頂?shù)臅r間為2019年4月29日，通過采取一定的措施后，與方案3相應(yīng)的方案4壩體到頂時間提前到2019年3月14日。基本方案的壩體到頂時間為2019年3月22日(圖5)。

圖5 基本方案中壩體每半年澆筑面貌圖

從控制性進度滿足情況看：壩體澆筑混凝土高度方面，5個方案中2018年5月底壩體最低塊高程均超過要求的915 m高程，2018年10月底均超過要求的950 m高程；接縫灌漿方面，基本方案、比較方案2、比較方案4在2019年2月底接縫灌漿均達到要求的945 m高程。比較方案1、3略滯后于要求。

從月澆筑高峰強度看： 5個方案壩體澆筑強度均接近或略超過10×104m3?；痉桨浮⒈容^方案3月混凝土澆筑高峰均出現(xiàn)在2016年12月，比較方案1的月混凝土澆筑高峰強度出現(xiàn)在2017年1月。比較方案2的月高峰強度出現(xiàn)在2016年10月，比較方案4的月高峰強度出現(xiàn)在2018年1月(圖6)。

圖6 基本方案月澆筑強度直方圖

從纜機月高峰澆筑強度和澆筑混凝土利用效率方面看：5個計算方案中3臺纜機平均高峰澆筑強度在3.3～3.7×104m3之間，最高的是比較方案2，即縮短層覆蓋時間方案。該方案在有效時間內(nèi)澆筑混凝土的時間利用率也最高，為71%，其他均為60%左右。

6 仿真結(jié)論

《烏東德水電站大壩澆筑進度仿真》系統(tǒng)具有通用性強、控制靈活、操作方便，可以與“烏東德水電站數(shù)字大壩”系統(tǒng)進行互訪問，便于在工程實施期進度計劃調(diào)整和實時控制。通過對烏東德水電站拱壩樞紐布置、施工特點分析，緊密結(jié)合施工組織設(shè)計方案，建立了烏東德水電站大壩仿真模擬模型，并進行了5個方案的仿真計算分析，計算分析的主要結(jié)論如下：

烏東德水電站大壩位于典型的窄“U”型河谷，河谷陡峭；同時，泄洪中孔壩段多，在15個壩段中布置了6個泄洪中孔；方案采取的河床壩段領(lǐng)先澆筑、到中孔附近岸坡壩段再逐步跳倉的壩體上升方案是適宜的。采用低高程調(diào)倉雖然可以均衡壩體澆筑強度，但一定程度上會影響領(lǐng)先塊的上升，對于提早進行中孔鋼襯安裝有不利影響，其原因與烏東德大壩結(jié)構(gòu)布置、河谷地形特征有關(guān)。

按照大壩施工組織設(shè)計方案，壩體從開澆到所有壩段澆筑至壩頂歷時38個月左右；壩體高峰月澆筑強度接近10×104m3，與P3進度計劃分析的強度略有不同，出現(xiàn)在2016年12月或2017年1月，壩體澆筑部位為830 m高程附近，可澆壩段數(shù)為9～10個，整個壩面面積在10 000 m2左右。壩體澆筑強度出現(xiàn)的兩個明顯的高峰時段為2016年9月～2017年3月和2017年10月～2018年3月。

烏東德水電站大壩上升受泄洪中孔影響比較大，從2017年3月開始，泄洪中孔牛腿部位混凝土澆筑到2018年2月壩體澆筑過中孔閘門大梁，歷時近一年，該段施工是烏東德大壩施工的關(guān)鍵階段。

3臺纜機的壩體混凝土入倉澆筑設(shè)備方案可以滿足壩體混凝土澆筑強度和層覆蓋時間要求。從纜機月澆筑混凝土強度看，中間一臺纜機負擔的混凝土澆筑強度大，達到4.5×104m3，其他兩臺纜機高峰時段月澆筑混凝土強度為3×104m3左右。高峰時段3臺纜機平均利用效率(混凝土澆筑時間/月有效工作時間)為60%左右，說明纜機尚有一定時間輔助吊裝。

當河床基礎(chǔ)開挖至718 m高程時，施工組織設(shè)計方案采取了一些常規(guī)措施后也可以滿足工期和控制性進度要求。另外，本工程壩體自下而上單個壩段澆筑倉面面積隨高程變化不大，中孔906 m高程附近部位壩面面積基本上是壩體最大面積高程部位，整個大壩壩面面積達到13 000 m2左右，可澆壩段多，纜機吊深小，有利于充分發(fā)揮纜機澆筑混凝土的效率，而且二道壩在這個期間基本到頂，方案在這段安排的混凝土強度不高，有一定的提高壩體澆筑速度和加快進度的余地。

作者簡介:

龔 翼(1980-)，男，重慶市人，工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.