陳廷才，胡 超，徐 盛，周宜紅

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

我國西南地區(qū)水能資源豐富，隨著開發(fā)程度的推進(jìn)，近年來逐步轉(zhuǎn)向地質(zhì)條件復(fù)雜、地震烈度高、自然環(huán)境惡劣、交通極度不便的高海拔地區(qū)。這些地區(qū)受缺氧、高寒、強(qiáng)輻射、高蒸發(fā)、大溫差等特殊氣象因素影響，給筑壩帶來極大干擾。堆石壩能直接利用當(dāng)?shù)夭牧希瑴p少外來物資運(yùn)輸壓力，且適應(yīng)性強(qiáng)、抗震性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，在高海拔地區(qū)修建高壩使特高壩得到更廣泛的應(yīng)用。目前有兩河口(壩高295 m)、雙江口(壩高312 m)、如美(壩高315 m)等一批特高心墻堆石壩正在展開建設(shè)或設(shè)計(jì)工作。

高海拔地區(qū)心墻堆石壩施工條件復(fù)雜。心墻填筑是筑壩施工的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，心墻有效施工時(shí)間短，施工不連續(xù)，強(qiáng)度不均勻，為現(xiàn)場施工進(jìn)度控制和管理帶來挑戰(zhàn)[1-4]。

近年來，為做好工程施工進(jìn)度控制和管理，多采用施工仿真方法對施工進(jìn)度進(jìn)行模擬，如王仁超等[5]運(yùn)用自適應(yīng)控制理論與方法建立了高堆石壩施工過程管理與施工控制模型；程嚴(yán)等[6]根據(jù)流水作業(yè)的基本原理和堆石壩填筑的施工特點(diǎn)，并考慮堆石壩土石方挖運(yùn)對其壩面流水施工的影響，合理確定了壩面流水施工方案；申明亮等[7]系統(tǒng)分析了堆石壩填筑過程中不同分期和分區(qū)施工之間的相互聯(lián)系和制約關(guān)系，建立了具有一定通用性的壩體填筑施工模擬模型；鐘登華等[8-9]通過綜合考慮施工現(xiàn)場各項(xiàng)影響因素，建立了心墻堆石壩倉面施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)控制模型，實(shí)現(xiàn)倉面施工進(jìn)度的事前、事中控制，并結(jié)合系統(tǒng)仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、可視化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，開展了高堆石壩施工仿真與優(yōu)化理論和方法的研究。

然而，上述仿真研究多在施工前開展，仿真參數(shù)的設(shè)定受主觀因素影響較大，未隨填筑過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，難以反映現(xiàn)場施工條件的變化情況。心墻填筑過程不僅受倉面劃分、資源配置、施工方法等內(nèi)部因素影響，也受氣象條件、料場供料、上壩路徑等外部因素影響[10]，且這些因素都是動(dòng)態(tài)變化的，導(dǎo)致仿真預(yù)測過程和結(jié)果均與實(shí)際情況存在一定偏差。因此，需要綜合考慮高海拔地區(qū)的復(fù)雜約束條件，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)，對仿真參數(shù)進(jìn)行全過程的自適應(yīng)調(diào)整，使仿真結(jié)果更貼近工程實(shí)際。

本文通過對心墻填筑過程復(fù)雜約束條件的分析和研究，綜合考慮了土料開采運(yùn)輸過程、高海拔地區(qū)氣象條件，建立了基于自適應(yīng)的高海拔地區(qū)特高心墻堆石壩心墻填筑進(jìn)度仿真模型，工程實(shí)例應(yīng)用表明，本文提出的仿真方法能夠反映施工現(xiàn)場實(shí)際情況，仿真進(jìn)度偏差較小。

1 基于自適應(yīng)的心墻填筑進(jìn)度仿真模型

1.1 料源約束

特高心墻壩施工過程中，心墻填筑往往是多個(gè)料場供料，考慮料場布置、料源質(zhì)量、供應(yīng)方式、供應(yīng)時(shí)序等因素，應(yīng)在滿足工程用料質(zhì)量的同時(shí)，盡量降低經(jīng)濟(jì)成本[11]。復(fù)雜土料場土料開采模型[12-14]可用下式表示：

(1)

式中：Zmin為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，表征最優(yōu)開采方案；n為土料場數(shù)量；m為土料類別數(shù)量；Dij為第i個(gè)土料場第j類土料的開采成本，其與土料場位置、土料場覆蓋層等因素有關(guān)，通常用工時(shí)進(jìn)行描述；Qij為第i個(gè)土料場第j類土料的質(zhì)量效用系數(shù)；Tij為第i個(gè)土料場第j類土料在不同時(shí)間段內(nèi)的時(shí)間效用系數(shù)；ω1、ω2、ω3為人工決策參數(shù)，且ω1+ω2+ω3=1。

1.2 氣象約束

高原地區(qū)氣象條件復(fù)雜多變，心墻填筑受氣象條件影響較大，氣象模擬精度是仿真模擬精度的關(guān)鍵要素之一。本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)[15-17]，對后續(xù)施工過程中降雨和溫度兩要素進(jìn)行預(yù)測，形成每日數(shù)據(jù)，以判斷施工條件。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力，數(shù)學(xué)理論證明3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度逼近任何非線性連續(xù)函數(shù)，故本文采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。歷史氣象數(shù)據(jù)由時(shí)間序列、降水量和溫度組成，首先將時(shí)間序列的起始值置為1，此后以天為單位依次遞增，并使用線性映射函數(shù)將時(shí)間、降水量和溫度值映射到0～1之間。設(shè)處理后的時(shí)間序列為ti，降水量和溫度隨時(shí)間分布序列分別為Pi和Ti，其中，i為序列號，且 1≤i≤k，k為歷史氣象數(shù)據(jù)長度。

利用數(shù)據(jù)序列ti、Pi和Ti構(gòu)造BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出，本文采用錯(cuò)位遞推的方式，對目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)預(yù)測。設(shè)預(yù)測時(shí)間序列長度為l，即共進(jìn)行l(wèi)次數(shù)據(jù)預(yù)測，則第j(1≤j≤l)次預(yù)測時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)為{t1+j,t2+j,…,ti+j,…,tk-1+j}，網(wǎng)絡(luò)輸出數(shù)據(jù)為{P2+j,P3+j,…,Pi+1+j,…,Pk+j}和{T2+j,T3+j,…,Ti+1+j,…,Tk+j}。由網(wǎng)絡(luò)輸入輸出數(shù)據(jù)結(jié)果可知，輸出數(shù)據(jù)相對于輸入數(shù)據(jù)，始終在時(shí)間序列上向后移動(dòng)一位，在預(yù)測過程中，將已預(yù)測數(shù)據(jù)逐漸累加到訓(xùn)練集中，即訓(xùn)練集隨預(yù)測序列j的改變逐步加長。

使用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)預(yù)測，預(yù)測效果如圖1所示。圖1反映了用歸一化后的溫度數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練和測試的效果，由測試結(jié)果可知，本文建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可用于長時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù)的預(yù)測。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型測試結(jié)果

高原氣象條件對倉面施工的影響主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：①當(dāng)降水量達(dá)到0.5 mm時(shí)，倉面停止施工，并根據(jù)實(shí)際降雨情況，在雨停后等待一段時(shí)間才能復(fù)工；②當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，做防護(hù)施工，溫度低于-10℃時(shí)，停止施工，溫度回升后，根據(jù)實(shí)際倉面凍結(jié)情況，等待一段時(shí)間再復(fù)工；③在等待復(fù)工時(shí)段，風(fēng)速會(huì)加快倉面水汽蒸發(fā)，縮短待工時(shí)長。氣象影響填筑施工分析流程如圖2所示(圖中P降水量，T為大氣溫度)。

圖2 氣象因素影響下填筑施工流程

1.3 仿真參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整模型

心墻填筑進(jìn)度仿真模型中包含仿真參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整模型，調(diào)整的參數(shù)為浮動(dòng)性較大的進(jìn)度控制參數(shù)，如機(jī)械配置數(shù)量、料源供給強(qiáng)度等。自適應(yīng)調(diào)整過程的有效時(shí)段是擁有實(shí)際填筑進(jìn)度數(shù)據(jù)的時(shí)段，自適應(yīng)調(diào)整過程以控制心墻實(shí)際填筑進(jìn)度與仿真進(jìn)度的誤差來實(shí)現(xiàn)[18]。仿真參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整模型如下式所示：

(2)

式中：Y為調(diào)整后的參數(shù)；Y0為調(diào)整前的參數(shù)；Ymin、Ymax分別為待調(diào)整參數(shù)的最小限定值和最大限定值；Sf為心墻實(shí)際施工進(jìn)度；Ss為心墻填筑仿真進(jìn)度；η為仿真參數(shù)微調(diào)系數(shù)。

仿真參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整流程如下：①獲取心墻實(shí)際填筑進(jìn)度數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)設(shè)置為模型仿真的預(yù)期進(jìn)度。②初始化仿真參數(shù)，設(shè)置仿真時(shí)間步長。③開始新一個(gè)單位步長內(nèi)的填筑仿真。④該單位步長內(nèi)的填筑仿真結(jié)束后，計(jì)算當(dāng)前仿真進(jìn)度與實(shí)際仿真進(jìn)度(預(yù)期進(jìn)度)的差值，在設(shè)置的允許進(jìn)度誤差范圍內(nèi)，當(dāng)心墻填筑仿真進(jìn)度超前于心墻實(shí)際填筑進(jìn)度，則應(yīng)降低填筑強(qiáng)度，即將控制參數(shù)調(diào)低；當(dāng)心墻填筑仿真進(jìn)度滯后于心墻實(shí)際填筑進(jìn)度，則相應(yīng)提高填筑強(qiáng)度，即將進(jìn)度控制參數(shù)調(diào)高。參數(shù)調(diào)整完畢，將仿真進(jìn)度歸零，以新參數(shù)重新進(jìn)行該單位步長內(nèi)的填筑仿真。當(dāng)心墻填筑仿真進(jìn)度與實(shí)際填筑進(jìn)度相吻合時(shí)，則保持當(dāng)前參數(shù)，進(jìn)入下一單位步長的填筑仿真。⑤重復(fù)③和④，直至心墻仿真進(jìn)度在時(shí)間上超過心墻實(shí)際填筑時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)束參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整過程，保持當(dāng)前仿真參數(shù)，完成心墻填筑進(jìn)度的全過程仿真。

心墻填筑仿真參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整流程如圖3所示。本文建立的仿真參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整模型可以在自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制的作用下，使仿真填筑進(jìn)度與實(shí)際填筑進(jìn)度的偏差始終在允許誤差范圍內(nèi)。

圖3 仿真參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整流程

圖4 心墻填筑進(jìn)度仿真流程

1.4 心墻填筑進(jìn)度仿真流程

心墻填筑進(jìn)度仿真流程如圖4所示。在該流程中，將各約束條件參數(shù)加載到倉面流水作業(yè)過程中。通過求解土料開采模型，獲得初始料源供給參數(shù)；利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)預(yù)測，獲得初始?xì)庀髼l件參數(shù)；通過倉面施工機(jī)械初始參數(shù)的配置和實(shí)際施工進(jìn)度數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，獲得心墻填筑進(jìn)度仿真的全部參數(shù)條件。心墻填筑仿真時(shí)，首先獲取倉面面積和填筑方量，將倉面分為A區(qū)和B區(qū)，分區(qū)進(jìn)行施工資源配置(包括車輛、碾壓設(shè)備等)，再運(yùn)用流水作業(yè)的施工方法進(jìn)行填筑仿真。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

采用構(gòu)建的仿真模型對我國西南地區(qū)某水電站礫石心墻堆石壩心墻填筑進(jìn)度進(jìn)行仿真。該堆石壩最大壩高295 m，壩體總填筑量約4 300萬m3，其中心墻填筑工程量約442萬m3，堆石填筑3 900萬m3。工程施工階段共有5個(gè)料場為心墻填筑提供料源，分別為西地(1、2區(qū))、蘋果園(A、B區(qū))、亞中(A、B、C區(qū))、瓜里(A、B1、B2區(qū))、普巴絨(A、B區(qū))；實(shí)施階段，增加普巴絨C區(qū)土料場。該堆石壩心墻頂寬6 m，頂高程2 874 m，心墻上下游坡均為1∶1.2，心墻底基座頂高程為2 582 m，順河向?qū)挾葹?24 m，心墻施工過程中單倉分層厚度為0.3 m。

據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳?961—2014年實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，工程壩區(qū)多年平均降水量為746.1 mm；雨季(6—10月)降水量為694.2 mm，占全年的93%；歷年最大1日降水量為 70.6 mm。冬季施工主要集中在1月至2月上旬及11月下旬至12月。冬季平均出現(xiàn)0℃以下時(shí)段主要為1：00—11：00。對工程壩區(qū)2018年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合碾壓式土石壩施工停工標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場實(shí)際情況，將低于0℃記為低溫天氣，每10 d統(tǒng)計(jì)一次累計(jì)低溫天數(shù)，低溫天數(shù)和降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 2018年壩區(qū)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 心墻填筑進(jìn)度仿真

本工程涉及5個(gè)土料場，共13個(gè)分區(qū)，每個(gè)區(qū)域土料分為3個(gè)類別，采用料源約束模型對復(fù)雜土料場進(jìn)行土料開采規(guī)劃，結(jié)果如表1所示。由表1可見，各土料場的Ⅰ類土開采度最高，Ⅱ類土次之，Ⅲ類土由于質(zhì)量較差，開采利用程度最低。

表1 復(fù)雜土料場開采規(guī)劃

本工程心墻開始填筑時(shí)間為2016年10月，計(jì)劃竣工時(shí)間為2021年11月。在進(jìn)行心墻填筑進(jìn)度仿真時(shí)，心墻實(shí)際填筑進(jìn)度已過半，因此利用已填筑數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。利用本文建立的仿真模型對心墻填筑全過程進(jìn)行仿真，并與實(shí)際填筑進(jìn)度對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 心墻填筑進(jìn)度仿真結(jié)果對比

由圖6可見，心墻實(shí)際填筑的時(shí)間進(jìn)度已到2020年6月底，實(shí)際填筑高程為2 798 m。在圖6的Ⅰ區(qū)，仿真參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整模型處于成長期，在該時(shí)段內(nèi)，仿真參數(shù)持續(xù)調(diào)整更新，仿真模型的自適應(yīng)時(shí)長為180倉，累計(jì)學(xué)習(xí)次數(shù)為26次，學(xué)習(xí)時(shí)段主要分布在前60倉；在Ⅱ區(qū)，仿真參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整過程趨于穩(wěn)定，幾乎不再進(jìn)行調(diào)整更新；Ⅲ區(qū)為未施工部分，該部分計(jì)劃填筑強(qiáng)度與仿真填筑強(qiáng)度幾乎保持一致。最終仿真模型的竣工時(shí)間為2021年10月8日，計(jì)劃竣工日期為2021年11月18日，二者在時(shí)間進(jìn)度上相差40 d，與實(shí)際的進(jìn)度偏差為2.17%。

由于計(jì)算機(jī)仿真是在絕對理想條件下進(jìn)行的，故仿真施工效率總高于實(shí)際施工效率，隨著仿真模型參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整次數(shù)的增加，該效率差會(huì)更低，保證了仿真進(jìn)度的可靠性。

3 結(jié) 語

本文綜合考慮了心墻堆石壩心墻填筑過程中的倉面施工料源供給、高海拔地區(qū)氣象特征和倉面施工參數(shù)對施工進(jìn)度的影響，在傳統(tǒng)仿真方法的基礎(chǔ)上，基于工程實(shí)際數(shù)據(jù)，建立了土料開采模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)氣象預(yù)測模型，并利用仿真參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整模型進(jìn)行全過程參數(shù)優(yōu)化，以獲得較理想的仿真性能。將本文建立的心墻填筑進(jìn)度仿真模型應(yīng)用于我國西南地區(qū)某礫石心墻堆石壩心墻填筑進(jìn)度管控，仿真結(jié)果與實(shí)際施工進(jìn)度偏差僅為2.17%，相較于傳統(tǒng)仿真方法有明顯的提升。因此，本文提出的高海拔地區(qū)特高心墻壩心墻填筑進(jìn)度仿真模型能夠更加真實(shí)地反映現(xiàn)場實(shí)際填筑進(jìn)度，為現(xiàn)場施工進(jìn)度分析、料源開采規(guī)劃和施工進(jìn)度管理提供技術(shù)支持。