基于準備工作模擬的混凝土壩倉面排序方法

　　摘要：倉面排序對混凝土壩施工模擬具有重要影響，如何確定優(yōu)化的倉面排序方案始終是模擬中的一項重要研究課題�，F根據施工過程中倉面排序方案的實際確定過程，對倉面施工工序進行了詳細分析，通過對倉面準備工作進行模擬來確定倉面排序方案的方法，并編寫了相應的模擬計算程序。選擇工程示例對其倉面準備工作進行了模擬，得到了可行的動態(tài)、隨機的倉面排序方案。研究結果表明，通過對倉面準備工作進行模擬來確定倉面排序方案的方法，能夠使混凝土壩施工模擬更加符合工程實際。

　　關鍵詞：混凝土壩,施工模擬,倉面排序,施工準備

　　計算機模擬輔助施工組織設計的優(yōu)勢在于可以充分考慮所涉及的各種復雜影響因素，實現多次模擬結果的多方案比較，從而獲得優(yōu)化的施工組織設計方案[1-3]。目前，計算機模擬技術作為一種有效的輔助施工組織設計的方法，已逐漸成為大型水電工程建設中不可或缺的輔助決策手段，并已成功地應用于二灘、三峽、溪洛渡、向家壩、小灣、龍開口等水電工程項目中[4-9]。

　　“分倉施工，分層澆筑”是混凝土壩施工的基本模式，因此，倉面作為混凝土壩施工的基本作業(yè)單元，其排序方案的制定就成為施工過程模擬中的一項重要研究課題。有學者認為，工程整體的施工進度以及施工的均衡性都會受到倉面排序方案的影響和制約[10]。在計算機模擬中，常用的倉面排序方法分為兩類，一類是在模擬之前將壩塊進行排序，在模擬過程中不作或稍作調整，例如人工指定、優(yōu)先算法、權重法、目標優(yōu)化等[4，10-12]。由于這類方法的倉面排序方案在模擬之前已經確定，并在模擬中保持不變，因此稱為倉面排序的靜態(tài)方法。另一類是在模擬澆筑施工過程中，依據階段性模擬結果的相關數據逐步確定倉面排序方案，例如搜索算法、基于模糊規(guī)則的跳倉排序方法等[13-14]。這類方法的倉面排序方案是在模擬過程中逐步確定的，并且具有隨機性，因此可以稱為倉面排序的動態(tài)方法。上述兩類倉面排序方法中，動態(tài)方法無疑比靜態(tài)方法更符合施工實際。傳統(tǒng)的混凝土壩施工模擬都假定倉面施工不是控制因素，模擬的重點是混凝土的運輸過程，倉面施工的具體工序和細節(jié)一般不涉及，因此，目前混凝土壩施工模擬中采用的各種倉面排序方法不論是靜態(tài)的還是動態(tài)的，確定倉面排序時都不可能全面考慮倉面施工的影響。事實上，混凝土壩施工過程中，一般在大壩中、下部方量大、結構簡單的部位，運輸起著控制作用。而在基礎塊、孔洞結構、閘墩、上部倉面較小的部位，運輸不是控制因素，倉面施工控制實際進度，特別是清基、清洗、模板支立、鋼筋綁扎等準備工作的施工是主要的控制因素。

　　本文綜合考慮影響倉面排序的各種因素，使其作用于倉面準備工作的模擬過程，提出了以倉面準備工作完成時間作為依據來確定倉面排序方案的方法。在對倉面施工工序進行詳細分析的基礎上，選擇符合條件的壩塊，根據倉面準備工作的內容及工程量參數，估算倉面的準備工作完成時間，由該時間序列確定最終的倉面排序方案。根據倉面準備工作完成時間，使確定倉面排序方案的動態(tài)排序方法與混凝土壩施工中確定倉面順序的實際過程相符，從而更加貼近工程實際。

　　1混凝土壩施工過程分析

　　1.1倉面施工方案

　　按混凝土的運輸入倉方式，大致可以將混凝土壩的倉面施工方案分為自卸汽車直接入倉為主、以吊罐入倉為主兩類。以自卸汽車直接入倉為主的施工方案主要用于碾壓混凝土倉面的施工，要求倉面排序方案優(yōu)先安排并倉順序施工，以縮小相鄰壩段的高差，形成大平面，方便施工機械在壩體上的活動。但在壩體的某些特殊部位，碾壓混凝土倉面的施工也會存在跳倉的情況，如防汛缺口、灌漿區(qū)、壩內孔洞等部位。以吊罐入倉為主的施工方案主要用于常態(tài)混凝土倉面的施工，要求倉面排序方案優(yōu)先安排跳倉施工，因為常態(tài)混凝土壩必須支模才能形成橫縫，跳倉可以避免橫縫拆模等待時間。

　　與上述兩種施工方案相對應，混凝土壩倉面排序具有并倉順序優(yōu)先和跳倉優(yōu)先兩種導向。所謂導向，即影響倉面排序方案的大方向，是指導倉面排序的總體要求，也可以理解為倉面排序的理想化方向，見圖1。在混凝土壩施工確定倉面排序過程中，首先要滿足導向原則，其次還需綜合考慮倉面施工的具體工序、施工資源的配備情況，以及其他影響倉面排序的限制條件，如清基處理、灌漿、度汛、相鄰壩段高差限制等等。[11]將導向和實際指導原則加入計算機模擬混凝土壩施工過程的系統(tǒng)模型中，對混凝土壩的倉面排序問題進行計算機模擬，所得到的模擬結果會更加接近工程實際。

　　在實際工程中，倉面施工都包含兩個基本過程，即施工準備過程及澆筑施工過程。施工準備過程包括清洗鑿毛、支模（拆模）、綁扎鋼筋等工作內容，澆筑施工過程包括倉面混凝土的澆筑、養(yǎng)護等工作內容。由于這兩個過程所需資源相對獨立，在實際建設工程項目中會專門組建不同的隊伍進行施工，即準備工作隊和澆筑工作隊，每種隊伍的數目根據工程需要設置。其中準備工作隊往往不只一個，或者分成若干小組，同時進行幾個倉面的準備工作。因此，混凝土壩的施工過程是一個多工序多隊伍參與的施工過程。實際施工中，施工人員根據前述由施工方案確定的倉面排序的導向原則和其他限制條件，選擇倉面安排各種隊伍，按工序要求開展流水施工。

　　1.2實際倉面排序的確定

　　混凝土壩施工現場情況非常復雜，工作量變化比較大，受環(huán)境因素影響也比較大。流水施工是一種非常理想的情況，流水施工的節(jié)奏經常會被打亂。為了最大限度地避免窩工現象，必須隨時對預定的不同工序工作隊之間的銜接關系進行調整�；炷�土壩施工的實際倉面排序就是根據前一階段和當前施工進展情況，在對流水計劃進行不斷調整的過程中確定的。其中，對倉面排序影響最大的是不同準備隊伍實際完成倉面準備工作的時間。根據導向原則和其他限制條件，安排不同準備隊伍在不同倉面進行準備工作后，最先完成準備工作的倉面將會優(yōu)先安排澆筑。所以，在多工序多隊伍的施工過程中，根據準備工作完成時間來確定倉面排序方案才是符合工程實際的。以跳倉優(yōu)先導向為例來說明這個問題，見圖1（b）。如果準備隊伍只有一個，則圖中編號所示的計劃順序就會是倉面澆筑的實際排序；如果準備隊伍有三個，則會安排1、2、3號倉面同時進行倉面準備工作。由于各倉面的準備工作完成時間是由準備隊伍的工作效率、準備工作的工程量、環(huán)境風險因素等共同決定的，因此實際完成時間具有隨機性。如此一來，根據各倉面準備工作完成時間確定的倉面排序就有6種可能方案，實際施工中不會只按計劃順序澆筑。

　　2根據倉面準備工作確定倉面排序的模擬方法2.1壩塊選擇的導向原則

　　壩塊選擇的導向原則是施工組織人員對倉面排序問題理想化的主觀意愿表示，是倉面排序的大方向，貫穿整個倉面排序過程。如前所述，依據不同的倉面施工方案，導向原則分為并倉順序優(yōu)先和跳倉優(yōu)先兩種。并倉順序優(yōu)先導向可以是將指定個數的若干個相鄰壩段的壩塊作為一倉進行澆筑，也可以通過對拌合樓拌合能力、混凝土運輸過程、澆筑的層間間隔時間等數據進行模擬，計算出允許澆筑的最大倉面面積，從而確定一個倉面所包含的并倉壩段個數。跳倉優(yōu)先導向的跳倉并不是只有“隔一倉澆一倉”的規(guī)則跳倉一種方式，而是包括本倉與上一倉不相鄰（包括左、右、下三個方向）的所有方式。實際施工中，跳倉排序結果隨機多樣，涵蓋了“隔一倉澆一倉”的規(guī)則跳倉方式。并倉順序優(yōu)先導向在模擬處理中的并倉比較復雜，但在倉面排序上采用順序原則，所以相對簡單。而對于跳倉優(yōu)先，因為倉面排序結果存在隨機變化的特點，因此在模擬處理上比并倉順序優(yōu)先導向遠為復雜。

　　在這里，以跳倉優(yōu)先導向原則為例，對導向原則在壩塊選擇時的作用進行說明，見圖2。假設工程中采用以吊罐入倉為主的施工方案，將跳倉優(yōu)先作為倉面排序的導向原則，準備工作隊伍數量為2，澆筑施工隊伍數量為1。當前，一支準備工作隊伍正在⑥進行作業(yè)，為另一支準備工作隊伍選擇壩塊，可選的已澆壩塊的上部壩塊有①、②、③、④、⑤、⑦。由于受導向原則限制，備選壩塊的左、右、下3個方向不能存在剛剛完成澆筑或正在澆筑的倉面，因此①、②、③均為不符合導向原則的壩塊，而④、⑤、⑥符合跳倉優(yōu)先的導向原則。

　　2.2壩塊選擇的其他限制條件

　　在選擇壩塊進行倉面準備工作時，除導向原則外，還須滿足其他限制條件[15]。

　�。�1）選擇高程較低的倉面優(yōu)先澆筑，盡量使壩體高程平齊上升，形成大平面。

　�。�2）按照壩體澆筑的總體推進方向進行選擇，備選壩塊應在已澆壩塊的附近。這一限制條件指明了壩體施工順序的大方向，但在實際工程中，由于施工方案及環(huán)境因素的影響，有時并不嚴格遵守該原則。同時，在不同施工階段，推進方向會有所不同。

　　（3）相鄰壩段高差限制。在實際工程中，確實存在因某種項目要求，需要對某些壩段進行集中澆筑的情況，但是必須保證其與左右相鄰壩段的高差限制，若超出限值，必須先進行相鄰壩段的澆筑后，方可繼續(xù)澆筑該壩段。

　�。�4）有灌漿、度汛等要求的壩塊滯后澆筑。對于此類壩塊所組成的倉面，在模擬程序中將其倉面開始時間延長至灌漿、度汛結束時間之后。

　�。�5）有特殊要求的壩塊優(yōu)先澆筑�？蔀榇祟悅}面壩塊賦優(yōu)先權，使其倉面開始時間在同等條件下得到較早的時間值，以實現優(yōu)先澆筑的目的。

　　以上選擇壩塊進行倉面準備工作的限制條件共同作用影響著倉面排序方案的確定。在圖2所示實例中，經過上述限制條件的進一步篩選，最終將會選擇④作為進行倉面準備工作的壩塊。在實際工程中，造成倉面排序方案不確定的原因是人為因素和環(huán)境因素對施工過程的影響。在模擬過程中，可以通過賦予準備工作隊伍工作效率某種隨機特性的方式來體現上述因素對模擬結果的影響，因此，最終的倉面排序方案具有隨機性。

　　2.3確定倉面排序的基本流程

　�。�1）由倉面施工方案確定倉面排序的導向（并倉順序優(yōu)先或跳倉優(yōu)先）。

　�。�2）按照導向原則，選出符合條件的若干備選壩塊。

　�。�3）根據壩塊選擇的其他限制條件對備選壩塊進行綜合篩選與考量。若仍存在備選壩塊，則按壩體澆筑推進方向依次選��；若不存在符合各項限制條件的備選壩塊，則模擬系統(tǒng)時間順延至出現可選壩塊的時點，選擇壩塊進行倉面準備工作。

　�。�4）根據準備工作隊伍數量及狀態(tài)、準備工作時間計算參數、壩塊混凝土工程量等數據模擬各壩塊的準備工作完成時間，分別記入各準備工作隊伍的時間序列。

　　（5）從各準備工作隊伍的時間序列中選出最早完成準備工作的壩塊作為將要進行澆筑施工的倉面，從而達到確定倉面施工排序方案的目的。

　　倉面排序的基本流程見圖3。

　　3模擬程序的編寫

　　通過對以上問題的研究和分析，采用VisualBasic語言進行了混凝土壩施工模擬系統(tǒng)的程序設計，模擬的系統(tǒng)模型見圖4[15]。

　　為了確定倉面澆筑順序，首先對各倉面的準備工作時間進行模擬，再以階段性的模擬結果逐步確定最終的倉面排序方案。倉面澆筑排序程序設計流程見圖5。

　　進行倉面準備工作時間模擬時，需要準備相關的詳細信息，包括：各壩塊的清洗鑿毛面積、支立模板面積、鋼筋用量等工程量數據，以及倉面準備工作隊伍的數量。對于清基處理、支（拆）模板、綁扎鋼筋等作工作效率值及其所具備的隨機特性，本文以σ較小的正態(tài)分布處理。此外，各準備工作內容之間還存在著搭接關系，這種搭接關系本身也具備某種隨機特性。在模擬過程中，倉面準備工作時間最終是由工程量、各項工作的實際工作效率以及搭接關系共同決定的，由于其中的工作效率和工作搭接關系都具備隨機特性，因此最終的模擬結果也具備隨機性。

　　模擬得出各壩塊的準備工作完成時間，分別記入各準備工作隊伍的時間序列，記錄的內容包括壩塊編號和準備工作完成時間。模擬系統(tǒng)完成上一倉面的澆筑模擬后，從各準備工作隊伍的時間序列中找出準備工作完成時間最早的未澆壩塊，作為將要進行澆筑模擬的倉面，從而達到制定動態(tài)、隨機的倉面排序方案的目的。4倉面排序示例

　　某水利樞紐建設工程為一等大（Ⅰ）型工程，主要建筑物包括擋水壩、溢流壩、壩后式廠房、開關站等。壩頂高程269.50m，最大壩高94.50m，壩頂全長1068.00m，壩體共分為58個壩段。本次模擬選擇該工程河床壩段的基礎壩塊作為模擬對象，其中共含有13個壩段，各壩塊相鄰且高程相差不大，采用以吊罐入倉為主的施工方案，將跳倉優(yōu)先作為倉面排序的導向。準備隊伍為2個，澆筑隊伍為1個。在給出了各壩塊的清洗鑿毛面積、支立模板面積、鋼筋用量，以及倉面準備工作隊伍工作效率及工序搭接關系的概率分布函數等參數后，可以對該工程進行倉面排序方案的模擬。

　　圖6為運行程序得到的三次不同的模擬結果，數字序號表示倉面澆筑的模擬順序。

　　由模擬結果可以看出，通過對倉面準備工作模擬確定的倉面排序方案符合實際工程中的倉面排序要求，并且具備動態(tài)、隨機性�？捎糜趯�混凝土壩施工過程的多種倉面排序方案的模擬，從而實現多次模擬結果的多方案比較，以獲得優(yōu)化的施工組織設計方案。使用本文模擬程序對實際工程進行模擬，得到的結果與實際相符[15]。模擬過程中，考慮倉面準備工作的工程進度模擬結果發(fā)生了明顯變化，說明倉面施工對于工程進度同樣具有控制作用，因此，采用基于準備工作模擬的混凝土壩倉面排序方法所得到的模擬結果更加符合工程實際。

　　4結語

　　本文針對混凝土壩施工模擬過程中的倉面排序問題，詳細分析了倉面的實際施工過程以及在實際工程中倉面排序方案的具體確定過程。通過對倉面施工過程的研究分析，將倉面準備工作完成時間作為確定倉面排序方案的依據，結合施工過程中選擇壩塊進行倉面準備工作的導向原則及其他限制條件，細化了確定倉面排序方案的基本模擬流程，編寫了相關程序。通過對示例及實際工程的模擬，得到了符合工程實際的動態(tài)、隨機的模擬結果。研究表明，通過對準備工作進行模擬來確定倉面排序的方法是可行的，且更加符合工程實際。在今后進一步的探索與研究中，可考慮將澆筑強度、施工工期等作為優(yōu)化目標，對符合工程實際的倉面排序方案進行進一步的優(yōu)化調整。

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