曹駕云,劉寧,宋祺弢

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.天津大學，天津 300072)

1 前 言

堆石壩工程規(guī)模和工程量龐大，壩址區(qū)河谷狹窄，樞紐建筑物布置緊湊；工程規(guī)劃使用的料場多，位置分散；水工建筑物開挖邊坡高，出渣難度大；分項工程眾多，施工時段集中。導致場內運輸機械種類及數量繁多、運輸量大、強度高，對場內交通提出了較高的要求。因此，在施工高峰期若不對場內交通運輸系統(tǒng)進行合理的規(guī)劃與組織安排，極易造成場內交通的堵塞，甚至造成車輛停滯、道路損壞及工期延誤等重大損失。

在研究堆石壩施工場內交通問題時，以往是根據已有的施工組織設計進度安排推算出運輸強度，由運輸強度來選擇相應的機械設備，再由此得出各種相應的指標，如道路的平均行車密度、機械設備利用率等。實際的施工過程是錯綜復雜的，施工過程中含有很多不確定因素，并且場內交通運輸系統(tǒng)中各種車輛的行駛速度、裝載機裝料時間、裝載方量、運輸機械的卸料時間及壩面處的卸料點個數，甚至降雨停工天數等往往都是非確定值，而且車輛在裝料點、卸料點及各條道路岔口處均有可能發(fā)生排隊等待現象，而采用常規(guī)方法難以全面考慮以上不確定因素。

隨著計算機和系統(tǒng)仿真技術的迅速發(fā)展，尤其是系統(tǒng)仿真[1-2]技術在復雜系統(tǒng)運行中的推廣應用，使我們有可能在計算機上實現對心墻堆石壩場內交通運輸的動態(tài)過程進行仿真試驗，可預測不同交通運輸方案下包含各分項工程在內的場內交通各項定量指標。計算機仿真可適應于較大數據量的復雜仿真，并易于進行參數修改以實現多方案對比。因此，在堆石壩的設計和施工階段應用計算機仿真技術對場內交通進行方案優(yōu)選與仿真分析具有十分重要的意義[3-5]。

2 工程概況

兩河口水電工程位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上，是高壩大庫型的巨型電站。壩址控制流域面積約6.57萬km2，多年平均流量670m3/s，年徑流量209億m3，水庫正常蓄水位2 865.0m，相應庫容101.54億m3，調節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調節(jié)性能，對雅礱江、金沙江下游乃至長江的梯級電站都具有顯著的補償作用[6]。

本工程為一等大(1)型工程，擋水、泄洪、引水及發(fā)電等永久性主要建筑物為1級建筑物，永久性次要建筑物為3級建筑物，臨時建筑物為3級建筑物。擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程2 875.00m，最大壩高295m，壩頂寬度16.00m。

2.1 場內交通主要設施規(guī)劃布置

主要場內交通線路包括：左岸下游干線公路、壩區(qū)左右岸低線公路、壩區(qū)左右岸高線公路、壩區(qū)左右岸上游高低連接線、石料場開采運輸道路、土料場開采運輸道路。兩河口水電工程場內交通布置如圖1所示。

場內交通道路總長約117.7km(隧洞66.2km)，其中永久道路約24.5km(隧洞20.4 km)；臨時公路約93.2km(隧洞46.2km)。

圖1 兩河口水電工程場內交通布置示意

2.2 主要分項工程施工方案

兩河口水電工程施工歷時11年。工程項目包括初期導流工程、大壩工程、左岸泄水建筑物工程及引水發(fā)電系統(tǒng)工程。

(1)初期導流工程包括1號、2號導流洞工程、供水洞工程及上、下游圍堰填筑；

(2)大壩工程包括壩肩開挖、基坑開挖、壩體填筑，從第一年9月至第十年12月，歷時112個月，大壩分期示意如圖2所示；

(3)左岸泄水建筑物工程包括進口開挖、出口開挖、出口霧化邊坡處理工程、放空洞、深孔泄洪洞、豎井旋流泄洪洞、洞式溢洪道工程及3號、5號導流洞工程；

(4)引水發(fā)電工程包括引水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)及開關站的開挖。

部分分項工程施工進度如表1所示。

3 場內交通仿真

3.1 場內交通運輸系統(tǒng)概述

兩河口水電工程施工具有以下特點：

(1) 壩址區(qū)河谷狹窄；

圖2 大壩分期示意

工程項目名稱工程量/萬m3施工進度引水系統(tǒng)進水口明挖(2 875高程以上)133第二年1月～第二年11月壩頂以下壩肩開挖188第二年8月～第三年10月壩基開挖64.7第三年12月～第四年4月大壩填筑4 144.1第四年5月～第十年12月深孔泄洪洞洞身開挖38.3第六年1月～第七年5月放空洞進口混凝土澆筑23.3第六年5月～第八年6月

(2) 樞紐建筑物布置緊湊；

(3) 工程規(guī)模和工程量大；

(4) 工程規(guī)劃使用的土石料場多，位置分散；

(5) 工程規(guī)劃的主要石料場大多位于壩址上游，石料的上下游調運，對壩體填筑強度和場內交通運輸均有一定的不利影響；

(6) 樞紐工程區(qū)開挖邊坡高，出渣難度大。

由此可見，兩河口水電工程施工場內交通影響因素眾多、關系復雜，它直接影響和控制著工程總的施工進度。場內交通運輸過程是由運輸設備裝渣、運渣、卸渣、空返等一系列特定運輸環(huán)節(jié)所構成的一個閉合循環(huán)過程。在此過程中，各開挖工作面的汽車經裝渣后，沿途經過若干道路交叉口并匯合從其它開挖工作面而來的運輸車輛，到達各自不同的卸渣場，卸渣完畢即返回至原先工作面的裝載機前等待裝渣。這個過程循環(huán)往復進行，每一次都是前一次的重復。

場內交通運輸系統(tǒng)調運料物是為了滿足各分項工程在施工過程中對料物的需求，料物在場內交通運輸系統(tǒng)中的運輸狀態(tài)與施工進度計劃、運輸路徑、料場及所屬分項工程施工特性有關。施工進度計劃決定了料物的流向、方量以及調運時段等；運輸回路是料物調運的行車路線；料場是料物的起止站或中轉站，在空間和時間上協(xié)調施工進度和料物調運的開展；所屬分項工程施工特性闡釋了料物為明挖料還是洞挖料等。料物的流量和流向應滿足施工進度計劃的要求，這由處理料物的施工機械配套來保證。施工機械包括挖掘機械、裝料機械、卸料機械、運輸機械等。運輸道路中流動的主要是料物運輸車輛；施工機械的配套是指裝卸機械與運輸車輛等之間的匹配關系。

堆石壩場內交通運輸過程及其影響因素如圖3所示。場內交通運輸系統(tǒng)是由一系列特定運輸環(huán)節(jié)所構成的一個循環(huán)閉合過程。該系統(tǒng)在運行中，將受到諸多因素的影響，如場內交通條件、施工進度等。

圖3 場內交通運輸過程及其影響因素示意

具有循環(huán)作業(yè)特征的施工項目常見于水利水電工程中，如隧洞的開挖、大壩的填筑、場內交通運輸等，因此循環(huán)網絡技術在水利水電工程中得到了很好的推廣和應用。

循環(huán)網絡模擬技術(CYCLONE)是把排隊理論、計算機仿真技術與網絡計劃技術結合起來的一種網絡技術。它將整個施工過程看作是流水單元的動態(tài)流動過程，并充分表達為完成一項工程任務的各種資源是如何相互結合和相互作用的。通過計算機對工程對象的循環(huán)施工過程及隨機時間特性的仿真運算，不但可以使得所設計的系統(tǒng)更接近于實際，而且能計算出在不同的資源水平和施工組織狀態(tài)下的工期、費用以及循環(huán)時間、閑置時間、生產率和資源利用率等指標，并洞察與預測系統(tǒng)在不同條件下的反映、找出擁塞點。通過靈敏度分析及方案綜合評價，還可以獲得最佳的機械配套和各資源的合理配置以及理想的工期-費用方案，實現均衡生產，最大限度地減少閑置時間，充分利用資源和提高生產率，從而可對管理策略作出預先的估計，為設計與施工管理部門提供決策信息[7-10]。

3.2 堆石壩場內交通仿真程序設計

采用最小事件步長法對場內交通運輸系統(tǒng)進行仿真。程序中設置汽車作為推進仿真時鐘的運行的實體。對施工全過程場內交通進行仿真，仿真的邊界條件不發(fā)生變化，且最重要的是確定各分項工程所包含的運輸回路狀態(tài)，進而反映出場內交通運輸的狀態(tài)。運輸回路狀態(tài)主要由4個參數確定：時間、機械配置、運輸路徑和運輸方量。其中運輸方量指裝料點通過道路運輸的最大土石方量，如果累計上壩方量超過該值，則道路運料工作結束。運輸回路的控制參數完全可以反映各分項工程的施工進度。因此，仿真程序開始的邊界條件主要是由運輸回路參數來確定。

程序開始時，首先根據各回路的汽車數量將汽車按回路進行編號，并使各汽車均在裝載機前等待。當車輛裝料完畢，其子時鐘值向前推進并改變其狀態(tài)，重新掃描系統(tǒng)，找出具有最小子時鐘值的汽車號及其所在回路，據此時汽車所在狀態(tài)確定其應進行的下一活動，計算該活動的持續(xù)時間，更新其子時鐘值，主導實體即到下一個活動，其狀態(tài)亦隨之發(fā)生變化。重新掃描系統(tǒng)，搜索具有最小子時鐘值的實體，并推進仿真時鐘。如此循環(huán)以上過程，直至所有回路均達到預定狀態(tài)。

4 兩河口水電工程場內交通仿真分析

4.1 仿真建模及參數選擇

裝載、運輸機械設備的配套考慮了5種組合情況，其相應的參數如表2所示。在本工程中，土料開采料運輸、心墻摻和料運輸及混凝土砂石料運輸采用3m3～20t配套組合；非大壩工程開挖料運輸采用3m3～20t及4m3～25t配套組合；反濾料運輸采用膠帶機～20t配套組合；過渡料運輸及堆石料運輸采用5.5m3～45t配套組合；混凝土成品料運輸采用拌合樓～20t罐車配套組合。仿真計算中，自卸汽車的行車速度，以及道路技術標準，取自DLT5397-2007《水電工程施工組織設計規(guī)范》。

施工過程中受到降雨、氣溫等自然條件影響和制約較大，依據壩址附近降雨、氣溫資料，月有效施工天數如表3所示。日有效施工時間為20h。

表2 裝運機械配套參數

表3 月有效施工天數

按照兩河口施工總布置圖中施工道路的布置情況，結合各分項工程土石料流向，建立了與各分項工程施工道路相對應的循環(huán)網絡模型。5號導流洞施工的部分循環(huán)網絡模型如圖4所示。

圖4 5號導流洞工程施工部分循環(huán)網絡模型

4.2 仿真成果分析

對兩河口水電工程場內交通模型進行仿真計算，得到各分項工程機械配置方案、道路行車密度、各分項工程運輸強度、岔口排隊情況等成果。

4.2.1 各分項工程機械配置方案

運輸機械的配套優(yōu)化就是在不同機械配置的條件下，通過仿真來模擬場內交通運輸過程，并統(tǒng)計施工進度和各種施工機械的利用比率，將通過計劃進度與計算得到的施工進度的比較進行機械配套方案的調整。初期導流工程機械配置方案如表4所示。

4.2.2 道路行車密度

道路以岔口為節(jié)點分割成路段。在仿真過程中，路段做為道路節(jié)點的最小單元，這樣成果能更精確地反映場內交通狀況。通過成果反映出，僅有306號/4路段及3號/8路段這兩條路段發(fā)生行車密度大于85次/h的情況，306號/4路段某時段行車密度情況如圖5所示。

表4 大壩工程機械配置方案

4.2.3 各分項工程運輸強度

通過仿真計算，得到分項工程運輸強度統(tǒng)計圖，比較真實的模擬了實際施工過程，可為施工組織設計提供參考。

如圖6為大壩填筑時期運輸強度統(tǒng)計圖，最大月運量發(fā)生在第六年10月，為98.3萬m3/月。12月與1月為冬季施工期，白天施工，晚上對壩體進行養(yǎng)護而停止施工，因此每年12月與1月的月施工強度較小。

圖5 306號/4路段行車密度

圖6 大壩工程運輸強度統(tǒng)計

4.2.4 岔口排隊情況

由各岔口的排隊等待情況仿真結果，所有岔口中日等待時間均小于10min，排隊等待概率(按時間統(tǒng)計)均小于1%，排隊等待概率(按過車次數統(tǒng)計)均小于10%。因此，在整個場內交通運輸過程中，各岔口發(fā)生排隊等待的情況較少。C4號/5岔口第四年10月至第五年5月排隊等待情況如表5所示。

表5 C4號/5岔口第四年10月至第五年5月排隊等待情況

4.2.5 兩河口水電工程場內交通三維動態(tài)可視化分析系統(tǒng)

借助可視化仿真技術建立三維地形模型，并實現可交互的兩河口水電工程場內交通三維動態(tài)可視化分析。

圖7、圖8為系統(tǒng)界面，更詳細的動態(tài)演示過程見三維動態(tài)可視化分析系統(tǒng)。

圖7 壩址俯瞰 圖8 1號臨時橋

5 結 語

本文以兩河口水電工程場內交通為例，結合系統(tǒng)仿真及循環(huán)網絡技術，對堆石壩場內交通過程進行仿真與優(yōu)化研究，該方法提高了堆石壩施工組織設計的效率和水平，其詳盡的仿真成果提高了施工運輸方案和機械配套方案定量指標的精度，對工程設計和施工管理都起到一定的指導作用。

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