Hans Journal of Civil Engineering
Vol.07 No.02(2018), Article ID:24040,6 pages
10.12677/HJCE.2018.72022

Simulation Analysis of Construction of Underground Plant for Wendeng Pumped Storage Project

Yanqun Xu1, Chuanjun Liu1, Xiang Xi2*, Changhai He2, Shaojun Fu2

1Shandong Wendeng Pumped Storage Co., Ltd., Weihai Shandong

2State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan Hubei

Received: Feb. 20th, 2018; accepted: Mar. 6th, 2018; published: Mar. 14th, 2018

ABSTRACT

The obvious characteristics of the caverns of underground plant of pumped-storage power station are large scale, many caverns and many structure types. In order to explore the possibility of shortening the project duration of the Three-dimensional excavation method, taking the Wendeng Pumped Storage Power Station as an example, the whole construction process simulations of underground excavation in sequence plan and two different 3D excavation plans were carried out. The results show that the short-term high input of mechanical equipment can shorten the total construction period and bring significant benefits when technical conditions and the input of machinery are allowed. This study is of great reference significance for similar projects.

Keywords:Pumped Storage Power Station, Underground Plant, Three-Dimensional Excavation, Construction Simulation

文登抽水蓄能电站地下厂房施工仿真分析

徐艳群1,刘传军1,席翔2*,贺昌海2,傅少君2

1山东文登抽水蓄能有限公司,山东 威海

2武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉

收稿日期:2018年2月20日;录用日期:2018年3月6日;发布日期:2018年3月14日

摘 要

抽水蓄能电站地下厂房洞室群具有规模大,洞室多,结构型式多等特点。为探讨立体开挖方法缩短厂房开挖工期的可能性,以文登抽水蓄能电站为例,本文对其地下厂房顺层开挖方案与两种不同的立体开挖方案进行了施工全过程仿真计算。计算结果表明:立体开挖在技术条件和机械投入允许的情况下,短期内的机械设备的高投入可以缩短总工期,从而带来显著的效益,对类似工程具有参考意义。

关键词 :抽水蓄能电站,地下厂房,立体开挖,施工仿真

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1. 序言

水利水电工程地下厂房洞室群施工是一项极其复杂的系统工程,许多因素都会影响其施工进度,合理的开挖方案能够有效的节省工期。近年来,“平面多工序,立体多层次”的施工工艺越来越多地应用于地下厂房的开挖实践中。瀑布沟水电站采用立体施工方案,多个工作面进行洞室开挖,减少了每层支护与开挖的干扰,使其6号机开挖提前46天完成 [1] 。官地水电站采用立体施工组织后,加快了厂房开挖的施工速度,确保了整体施工进度 [2] 。为保证厂房的开挖节点目标,清远抽水蓄能电站提前通过尾水支管进行厂房底层的开挖 [3] 。大朝山水电站采用立体开挖技术方案,不仅将已经拖后的土建工期抢回,而且提前5个月完工,经济效益显著 [4] 。可见,相对于传统的地下厂房的顺层开挖方法,立体开挖方法有着比较显著的优势。但是,立体开挖目前只有实践成果表明其优势,并没有系统详细的理论计算证明。本文根据文登抽水蓄能电站地下厂房的特点,对地下厂房顺层开挖方案和两个立体开挖方案,进行地下厂房系统施工全过程仿真计算研究,从理论计算角度证明立体开挖的优势,为工程施工提供参考。

2. 施工方案

2.1. 工程概况

文登抽水蓄能电站位于山东省威海市文登区界石镇境内。地下厂房系统主要建筑物由主副厂房、主变室、通风机房、母线洞、进厂交通洞、通风洞(包括通风支洞和主变通风支洞)、排烟洞、排风竖井、出线洞、出线竖井、排水廊道(包括上、中、下3层)和地面开关站等组成。

各建筑物的主要控制尺寸:主副厂房(包括主机间、安装场和副厂房)洞室开挖尺寸209.5 × 24.9 × 53 m (长 × 宽 × 高);主变室工程(含主变副厂房)洞室开挖尺寸203.41 × 19.9 × 20.0 m (长 × 宽 × 高);母线洞洞室开挖尺寸40.0 × 8.5 × 11 m (长 × 宽 × 高,6条)。

2.2. 开挖方案

根据工程实际情况,拟定三种可行的开挖方案。

1) 顺层开挖方案:主厂房按七层开挖。顶拱开挖采用中导洞领先、两侧跟进扩挖的方法,开挖高度9.5 m。 II 层开挖层高8.0 m。岩壁吊车梁位于此层,为确保围岩稳定,将该层分为 II 1、 II 2两个开挖区, II 1区为中央开挖区、 II 2区为两侧开挖区, II 1区开挖领先两侧 II 2区至少30 m。 III ~ VI 层采用液压钻机钻孔,沿厂房边线先打预裂孔,中部梯段爆破开挖。厂房 VII 层开挖层高7.0 m,采用三臂液压凿岩台车钻孔,液压平台车辅助人工装药爆破开挖(参见表1)。

2) 立体开挖方案1:主厂房开挖分层同上,开挖顺序:先进行顶拱开挖,然后同时进行第二层和第五层开挖,其他层的开挖同上。

3) 立体开挖方案2:主厂房开挖分层同上。开挖顺序:先进行顶拱开挖,然后开挖第二层。为便于施工出渣,在第二层开挖的同时,将高压引水管从上游边墙延伸至下游边墙部分开挖,将尾水洞从下游边墙延伸至上游边墙部分开挖,将底部施工支洞从厂房左端延伸至厂房右端部分开挖。其他层的开挖同上。

3. 模拟成果分析

仿真就是用模型(物理模型或数学模型)代替实际系统进行实验和研究。随着计算机技术的不断发展,计算机仿真已被广泛应用于各个领域。刘宁通过对两河口心墙堆石坝场内交通运输过程的仿真和优化研究,提高了心墙堆石坝施工组织设计的效率和水平 [5] 。张鹏飞对向家坝工程的土石方平衡调配规划仿真,优化了施工过程中的土石方调配工作,提高了工程质量 [6] 。黄建红对水布垭地下厂房洞室群施工过程的仿真,平衡了洞室群开挖中的强度仿真,降低了洞室开挖的高峰强度 [7] 。由此可见,计算机仿真技术对水电工程有着可靠的指导作用。

本文对文登抽水蓄能电站的研究集网络计划技术、循环仿真随机网络技术、系统仿真技术及三维可视化技术于一体,采用两个层次的建模技术:工序模型和活动模型。应用“仿真时钟”来体现“模拟时间”的运行轨迹,在仿真过程中相应地设置两个仿真钟全程仿真钟和本地仿真钟。

全程仿真钟记录工序模型的仿真运行轨迹,采用事件步长法推进,以事件发生的持续时间为增量,按照持续时间的进展分步对系统的行为进行仿真,直到预定的仿真时间结束或所有时间完成为止,当有模拟工序事件发生时,全程仿真钟保留当时的状态,然后将控制权交给活动模型;本地仿真钟用于活动模型的仿真轨迹,采用事件步长法推进,当活动模型接受到控制权,启动本地仿真钟,事件驱动本地仿真钟的推进,待到仿真事件全部完成为止,关闭本地仿真钟,本地仿真钟归零,将控制权交还工序模型,重新启动全过程仿真钟。最后得到合理工期、施工机械配置、优化的开挖方案 [8] [9] [10] [11] 。

3.1. 顺层开挖方案

顺层开挖施工方案模拟于第1年3月1号开始,第2年12月07日结束,历时约21.23个月,平均月开挖强度1.29万m3。开挖高峰期发生在第2年4月,高峰期最大开挖强度2.5万m3/月。开挖期间内共需投入三臂液压凿岩台车97.4台班、ROC液压钻机201.9台班、手风钻92.9台班、装载机430.2台班以及自卸汽车3011.5台班(表2)。

3.2. 立体开挖方案1

立体开挖方案1模拟于第1年3月1号开始,于第2年10月22日结束,历时约19.73个月,平均月开挖强度1.38万m3。开挖高峰期发生在第1年9月,高峰期最大开挖强度3.47万m3/月。开挖期间内共需投入三臂液压凿岩台车140.0台班、ROC液压钻机164.7台班、手风钻92.9台班、装载机435.0台班以及自卸汽车3045.1台班(表3)。

3.3. 立体开挖方案2

立体开挖方案2模拟于第1年3月1号开始,第2年10月26日结束,历时约19.86个月,平均月

Table 1. The program of plant stratification

表1. 厂房分层方案

Table 2. The simulation duration of stratified excavation in sequence

表2. 顺层开挖方案仿真工期

Table 3. The simulation duration of stereoscopic scheme 1

表3. 立体开挖方案1仿真工期

Table 4. The simulation duration of stereoscopic scheme 2

表4. 立体开挖方案2仿真工期

Figure 1. Comparison of three plans excavate intensity

图1. 三种方案开挖强度对比图

开挖强度1.37万m3。开挖高峰期发生在第1年9月,高峰期最大开挖强度2.84万m3/月。开挖期间内共需投入三臂液压凿岩台车118.5台班、ROC液压钻机183.6台班、手风钻92.9台班、装载机436.3台班以及自卸汽车3053.9台班(表4)。

3.4. 成果比较

顺层开挖方案更多地使用ROC液压钻机,立体开挖方案则使用三臂液压凿岩台车更多;对于装载机和自卸汽车的总投入台班,三种开挖方案基本一致。

相对于顺序开挖方案,立体开挖方案1能节省工期1.5个月,立体开挖方案2能节省工期1.36个月。从开挖强度看,在厂房第二层开挖时(第1年9月至第1年12月中旬),由于立体开挖方案同时进行多个工作面的工作,两种立体开挖方案的高峰期开挖强度均高于顺层开挖方案,同时机械设备的投入也比顺层开挖方案的同期投入多。在其他时段,三种开挖方案的开挖强度和机械设备投入情况总体差距不大(图1)。

4. 结语

通过仿真计算,本文对比了地下厂房顺层开挖与立体开挖的优劣。结果表明立体开挖在技术条件和机械投入允许的情况下,短期内的机械设备的高投入可以缩短总工期,从而带来显著的效益。应该指出的是,是否采用立体开挖方案,还应结合施工过程围岩稳定分析成果等综合确定。

文章引用

徐艳群,刘传军,席 翔,贺昌海,傅少君. 文登抽水蓄能电站地下厂房施工仿真分析
Simulation Analysis of Construction of Underground Plant for Wendeng Pumped Storage Project[J]. 土木工程, 2018, 07(02): 177-182. https://doi.org/10.12677/HJCE.2018.72022

参考文献

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