李玉珠，李 翔，何學仁

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

施工仿真模擬在土石壩工程上的應(yīng)用研究

李玉珠，李 翔，何學仁

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

文章分析和研究了土石壩的施工理論和實際經(jīng)驗，運用動態(tài)順序隨機循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型，采用最小時鐘值法推進仿真計算，分階段實時控制土石壩施工過程的仿真模擬方法。根據(jù)土石壩的施工特性，建立了土石壩施工仿真模擬系統(tǒng)，編制了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)軟件，并采用本系統(tǒng)對雙江口土石壩的施工進度進行了分析研究。

土石壩;施工;仿真模擬;應(yīng)用研究

1 仿真模擬研究內(nèi)容

施工仿真模擬的具體研究內(nèi)容包括：

1）建立整體的實時動態(tài)施工仿真模擬模型。

2）模型的基本模塊。

①土石方平衡調(diào)配規(guī)劃；② 道路運輸系統(tǒng)模擬；③ 壩面施工系統(tǒng)模擬。

3）仿真模擬的主要研究方法和技術(shù)路線：

主要研究方法：通過分析土石壩施工過程中料場、道路、壩面作業(yè)三個部分的特點以及相互之間的關(guān)系，建立土石壩施工過程動態(tài)隨機循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型，利用排隊論中多窗口單隊列交叉服務(wù)方法和動態(tài)隨機循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，選擇主導(dǎo)實體掃描法作為模擬仿真方法，使用工程可視化技術(shù)實現(xiàn)結(jié)果輸出。

技術(shù)路線：①采用 VISUALC++語言及CATIA圖形實現(xiàn)集成的軟件技術(shù)，將 CATIA3D 圖形設(shè)計工具作為交互式手段加以集成；②采用統(tǒng)一的時鐘推進機制把壩面作業(yè)、運輸及料場聯(lián)系起來；③采用最小時鐘值法驅(qū)動模擬系統(tǒng)的運行[1]。技術(shù)路線流程圖見圖1。

2 仿真模擬系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概述

對填筑料供應(yīng)系統(tǒng)和運輸系統(tǒng)來說，流程為：裝料→重行→岔口→重行→卸料→空返→岔口→空返→裝料，主導(dǎo)實體是運料機械。

圖1 技術(shù)路線流程圖

對壩面填筑系統(tǒng)來說，流程為：壩面分塊→卸料→鋪料（灑水）→碾壓→取樣檢查→壩面分塊→卸料→鋪料（灑水）→碾壓→取樣檢查，主導(dǎo)實體是碾壓機械。

這兩個循環(huán)過程既相互獨立又相互制約，在填筑料供應(yīng)系統(tǒng)和運輸系統(tǒng)中，程序由運料機械控制并推進；到達壩面后，程序由碾壓機械控制并推進。

2.2 填筑料供應(yīng)系統(tǒng)

料場模擬程序流程。在車輛到達料場后先確定該車輛所裝填筑料種類，然后判斷該采區(qū)的裝車機械是否空閑，此時出現(xiàn)兩種情況：如果空閑，則計算裝車時間、累計料場供應(yīng)總量，然后判斷此時料場的供應(yīng)總量是否超過料場可能供應(yīng)的總量，如超過，且車輛的子時鐘值小于相應(yīng)的料場時鐘值，則車輛推進到料場時鐘值。相反，則車輛子時鐘值累加裝車時間向前推進，同時將車輛下一個到達的位置傳遞出去；如果裝車機械繁忙，則首先將車輛子時鐘值推進到最先完成裝車任務(wù)的裝車機械時鐘值，然后判斷是否有等待隊列。如沒有，則等待隊列加一，如有，先判斷該車輛是否已經(jīng)在隊列中，如在，則等待隊列長度不變，否則，等待隊列加一。

2.3 運輸?shù)缆废到y(tǒng)

1）道路系統(tǒng)模型建立。道路系統(tǒng)服務(wù)機構(gòu)中的服務(wù)規(guī)則是損失制，即車輛到達服務(wù)機構(gòu)，如果有服務(wù)員空閑，則接受服務(wù)，不用排隊等待。如果服務(wù)員都在忙，車輛必須等待，接受這一級的服務(wù)后，才能到下一級去。準確的講它的服務(wù)規(guī)則應(yīng)該是有條件的損失制。

2）岔口系統(tǒng)模型建立。根據(jù)城市交通，為其設(shè)置了虛擬紅綠燈作為指揮車輛通過的規(guī)則。

2.4 壩面填筑系統(tǒng)

2.4.1 基本做法

把壩體的一個填筑過程離散成許多層，每層根據(jù)工作段劃分原則，再劃分為若干塊；每個填筑塊均有空閑、卸料、碾壓、完成四種狀態(tài)。模擬過程就是確定每一填筑層的每一塊的開始填筑時間和填筑完成時間，當該層的所有填筑塊完成時，該層填筑完畢。

2.4.2 壩面填筑系統(tǒng)仿真約束條件

1）氣象約束。對于降雨和低溫停工，認為符合離散型隨機變量在區(qū)間內(nèi)的等概率事件。

①模型的前提條件：降雨（或低溫）為一隨機過程，即降雨（或低溫）是隨機均勻分布的，且有一定概率，但未來降雨（或低溫）天數(shù)與歷史統(tǒng)計對應(yīng)月的 平均降雨（或 低溫）天 數(shù) 應(yīng) 相 等[3]；月 內(nèi)日降雨（或低溫）相互獨立，不同日的降雨（或低溫）互不影響,且為均勻隨同分布，某日降不同雨量（或低溫）的概率也相互獨立[3]；不影響施工的降雨（或低溫）不考慮。

②模擬計算要點：第一步、根據(jù)多年統(tǒng)計結(jié)果，得到各雨量級、低溫在某月內(nèi)的概率范圍，假設(shè)月內(nèi)各日降雨、低溫統(tǒng)計獨立，對于特定某日產(chǎn)生一個隨機數(shù)，根據(jù)隨機數(shù)落入的頻率區(qū)間認定該日降雨與否、降雨量是多大，是否屬于低溫停工情況。對整個施工期每天進行判斷則可以得到一個氣象序列。第二步、將生成的若干個氣象序列和確定的氣象停工標準結(jié)合分析確定氣象對大壩填筑的影響，得到每日的停工開始時間、停工結(jié)束時間。第三步、施工模擬中推動時鐘時，判斷當日氣象條件的影響。

2）相鄰區(qū)約束。設(shè)本填筑區(qū)高程為 HTB，相鄰區(qū)高程為 HTA，容許相鄰最小高差為 MINH，最大高差為 MAXH，則該填筑區(qū)相鄰區(qū)約束條件為：HTB-HTA＞MINH 或 HTB-HTA＜MAXH

2.5 實時三維顯示系統(tǒng)

2.5.1 語言選擇和開發(fā)環(huán)境

土石壩仿真程序使用微軟公司的 VisualC++ 6.0 開發(fā)。

2.5.2 界 面

仿真系統(tǒng)使用 WINDOWS 標準的 MDI風格界面。主要的視圖分為輸入視圖（展現(xiàn)輸入相關(guān)信息）、主計算視圖（展現(xiàn)計算過程）以及成果分析視圖（展現(xiàn)土壩仿真的計算成果）。

主視圖又被分割成三個區(qū)，分別為二維圖、信息顯示和仿真控制。

2.5.3 程序組織

程序組織采用時鐘，在每個時鐘事件發(fā)生時做一個（或多個）仿真循環(huán)。

2.5.4 三維建模和三維顯示

CATIA 是一個在機械行業(yè)應(yīng)用比較廣泛的軟件。CATIA 能滿足土石壩三維模型創(chuàng)建的需要，同時也支持微軟自動化二次開發(fā)。經(jīng)過長期努力和反復(fù)摸索，在 CATIA 提供的自動化和 VC 之間（或 VB），作一個連接，讓仿真軟件通過接口訪問CATIA，可以達到計算壩面面積和反映仿真過程中大壩上升過程的目的。

2.6 仿真系統(tǒng)集成

采用 VISUALC++語言編制仿真軟件，使填筑料供應(yīng)系統(tǒng)、運輸?shù)缆废到y(tǒng)、壩面填筑系統(tǒng)完整的結(jié)合在一起，客觀反映現(xiàn)場實際施工情況；通過對 CATIA 的二次開發(fā)，使仿真結(jié)果能夠?qū)崟r、動態(tài)、同步反映壩體模擬施工狀態(tài)（三維）。

3 仿真模擬計算

3.1 模擬計算方案及計算結(jié)果分析

該仿真系統(tǒng)研究以西南某電站為依托，該大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程 2510.00m，河床部位心墻底高程 2198.00m，最大壩高 314.00 m。工程所處地區(qū)冬季寒冷，雨季降雨較多。

土石壩施工和眾多因素密切相關(guān)，如碾壓厚度、遍數(shù)、機械設(shè)備配置數(shù)（主要為振動碾和汽車）、料場供料強度、道路允許行車速度、天氣等。但各因素的影響程度在傳統(tǒng)的施工組織設(shè)計中很難定量分析判斷，筆者利用仿真軟件對擬定的若干方案分別對其影響進行分析比較，結(jié)果如下：

1）對土石壩施工工期影響最大的因素主要有料場供應(yīng)強度、設(shè)備配置數(shù)量（裝載設(shè)備、運輸設(shè)備、碾壓設(shè)備）。

2）對土石壩施工工期影響較大的因素主要有運輸車輛通行速度、運輸設(shè)備的載重量。

3）在仿真模擬過程中對降雨因素予以充分考慮、并采用壩面動態(tài)劃分等手段平衡強度和進度的情況下，氣候因素對土石壩施工工期影響不太大。

4）填筑厚度及碾壓遍數(shù)變化對大壩填筑工期和填筑強度影響不大；心墻填筑厚度與壩殼料填筑厚度需相互匹配，單提高一個，工期不能加快。

4 結(jié)論與建議

1）土石壩施工過程中受料場開采、道路、壩面作業(yè)、氣候、施工機械、管理方法等諸多不確定因素的影響，反映這一過程的仿真系統(tǒng)復(fù)雜而專業(yè)。通過系統(tǒng)在某工程可研設(shè)計中的應(yīng)用和計算結(jié)果分析，表明該系統(tǒng)考慮了上述諸多影響因素，能夠客觀地描述土石壩施工過程，計算結(jié)果符合施工設(shè)計和實際情況，可以為工程的設(shè)計和施工提供合理的依據(jù)，也可以應(yīng)用到類似壩型的施工設(shè)計和管理中。

2）上述研究為面向?qū)ο蟮耐潦瘔问┕し抡嫦到y(tǒng)的開發(fā)打下了基礎(chǔ)，為從事土石壩施工組織設(shè)計、管理的科研人員和工程技術(shù)人員，提供了一個平臺，并為以后的擴充奠定了基礎(chǔ)；可進一步結(jié)合施工過程綜合數(shù)據(jù)采集技術(shù)、GPS 等質(zhì)量控制技術(shù)，對工程施工過程進行實時進度和質(zhì)量控制，實現(xiàn)水電站大壩施工的全生命周期的管理。

［1］董淑芳.降雨對土石壩施工過程影響的計算機模擬研究［J］.山東建筑工程學院學報，1996（12）：58-61.

［2］李玉珠.土石壩施工仿真模擬中壩面填筑系統(tǒng)的初步研究［C］.系統(tǒng)工程論文集，2005：105-109.

［3］何學仁，李翔.土石壩施工仿真中運輸系統(tǒng)模型的建立及應(yīng)用［C］.系統(tǒng)工程論文集 2005：313-316.

1002－0624（2014）11－0049－02

TV641

A

2014-08-19