耦合動(dòng)態(tài)合倉(cāng)的碾壓混凝土壩施工進(jìn)度全過(guò)程仿真

常昊天，鐘登華，王雙起，陳永興

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

耦合動(dòng)態(tài)合倉(cāng)的碾壓混凝土壩施工進(jìn)度全過(guò)程仿真

常昊天，鐘登華，王雙起，陳永興

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

為了提高碾壓混凝土壩施工仿真模型的可信度，以適應(yīng)其大面積、多壩段合倉(cāng)澆筑的特點(diǎn)，運(yùn)用三維實(shí)體建模技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，在碾壓混凝土壩施工進(jìn)度全過(guò)程仿真中耦合了動(dòng)態(tài)合倉(cāng)的模擬方法，即：在仿真過(guò)程中綜合考慮了各項(xiàng)約束條件，實(shí)現(xiàn)可澆筑壩塊的動(dòng)態(tài)選擇與施工倉(cāng)面的動(dòng)態(tài)劃分．同時(shí)，以VC++為開發(fā)平臺(tái)，引入面向?qū)ο蟮姆抡娼Ｋ枷牒头椒ǎY(jié)合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)以及排隊(duì)服務(wù)系統(tǒng)建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮氖┕?dòng)態(tài)仿真和施工過(guò)程的一體化仿真，使仿真結(jié)果更貼近實(shí)際施工．研究成果應(yīng)用于云南某水電站工程中，為該工程的設(shè)計(jì)與施工提供了決策依據(jù)．

碾壓混凝土壩；施工全過(guò)程仿真；動(dòng)態(tài)合倉(cāng)；面向?qū)ο蠹夹g(shù)；一體化仿真

碾壓混凝土壩施工工藝的多壩段合倉(cāng)、連續(xù)、快速澆筑的突出特點(diǎn)使其成為當(dāng)今壩工界的主要壩型之一．中國(guó)在1986年建成的坑口重力壩中開始采用碾壓混凝土筑壩技術(shù)，時(shí)至今日，我國(guó)無(wú)論在碾壓混凝土壩的設(shè)計(jì)、施工還是科研等方面的先進(jìn)性均處于世界領(lǐng)先水平．起初，碾壓混凝土壩澆筑的進(jìn)度計(jì)劃安排主要是基于工程類比，或是依據(jù)資源平均強(qiáng)度采用趨勢(shì)外推的進(jìn)度預(yù)測(cè)方法，這種傳統(tǒng)的做法缺乏科學(xué)性，難以提供及時(shí)可靠的決策信息；并且，由于碾壓混凝土壩施工過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程，是一個(gè)半結(jié)構(gòu)化問(wèn)題，難以通過(guò)數(shù)學(xué)解析模型來(lái)分析．隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，碾壓混凝土壩施工進(jìn)度仿真研究為解決此類問(wèn)題提供了可靠手段[15]．

20世紀(jì)90年代，王仁超等[6]借鑒常態(tài)混凝土壩的施工模擬，建立了能夠反映碾壓混凝土壩施工特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)仿真模型，并應(yīng)用于龍灘工程；21世紀(jì)，鄭家祥[7]將計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)成功運(yùn)用于高碾壓混凝土拱壩施工管理與進(jìn)度控制領(lǐng)域，采用深度緩沖區(qū)消隱技術(shù)對(duì)沙牌碾壓混凝土拱壩施工過(guò)程進(jìn)行了真三維仿真模擬；吳康新等[8-9]開發(fā)了碾壓混凝土壩施工三維動(dòng)態(tài)可視化仿真系統(tǒng)，借助地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺(tái)顯示大壩澆筑的三維動(dòng)態(tài)上升過(guò)程，且成功應(yīng)用于金安橋工程中；趙長(zhǎng)明等[10]采用面向過(guò)程的仿真方法，按照事件的進(jìn)程對(duì)碾壓混凝土壩施工進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真．針對(duì)混凝土大面積合倉(cāng)澆筑問(wèn)題，趙春菊等[11]建立了基于碾壓混凝土壩體施工過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真的倉(cāng)面規(guī)劃模型，根據(jù)壩體上升過(guò)程中壩段動(dòng)態(tài)屬性的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行倉(cāng)面規(guī)劃方案的優(yōu)化．如今，如何完善仿真建模理論，提高模型精度，充分反映碾壓混凝土壩的施工工藝特點(diǎn)，確保仿真模型對(duì)原型系統(tǒng)描述的可靠性，提高仿真結(jié)果的可信度，已經(jīng)成為碾壓混凝土壩體施工組織設(shè)計(jì)和決策管理發(fā)展的方向[12-17]．

傳統(tǒng)的仿真分析在處理碾壓混凝土澆筑合倉(cāng)問(wèn)題時(shí)，大都主要根據(jù)機(jī)械入倉(cāng)強(qiáng)度、混凝土初凝時(shí)間和碾壓層厚度反算出最大可合倉(cāng)面積，并據(jù)此確定合倉(cāng)壩段數(shù)，沒(méi)有充分反映碾壓混凝土壩的施工工藝特點(diǎn)．近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有學(xué)者通過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)完成對(duì)倉(cāng)面規(guī)劃方案和施工組織方案的優(yōu)選，但并沒(méi)有真正將施工合倉(cāng)的動(dòng)態(tài)模擬引入到施工進(jìn)度的全過(guò)程仿真系統(tǒng)當(dāng)中．針對(duì)此問(wèn)題，本文結(jié)合三維實(shí)體建模技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，通過(guò)系統(tǒng)分析影響壩塊選擇和倉(cāng)面劃分的各種因素，綜合考慮了各項(xiàng)有關(guān)壩體上升、進(jìn)度控制的原則約束，實(shí)現(xiàn)了耦合動(dòng)態(tài)合倉(cāng)模擬方法的碾壓混凝土壩施工全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真．

此外，現(xiàn)有的碾壓混凝土壩施工仿真大都采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和面向過(guò)程的編程方式，這種采用搭積木的方式組成整個(gè)系統(tǒng)，忽視了碾壓混凝土壩施工系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)系，其結(jié)果通?？勺x性差，不便維護(hù)，尤其是具體工程改變后，系統(tǒng)需要修改或重新開發(fā)，可重用性差．為解決以上問(wèn)題，本文在碾壓混凝土壩施工進(jìn)度的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真中引入了面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)仿真技術(shù)；碾壓混凝土壩施工系統(tǒng)由混凝土運(yùn)輸和倉(cāng)面澆筑兩個(gè)子系統(tǒng)組成，以往認(rèn)為混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)中不同上壩運(yùn)輸機(jī)械組合的入倉(cāng)強(qiáng)度近似符合正態(tài)分布，通過(guò)可視化界面將根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和工程類比得到的參數(shù)手工輸入到系統(tǒng)中，然后在模擬過(guò)程中依據(jù)概率統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生的入倉(cāng)強(qiáng)度對(duì)倉(cāng)面澆筑子系統(tǒng)進(jìn)行仿真．本文以循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，將混凝土運(yùn)輸和倉(cāng)面澆筑2個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行一體化仿真，以各時(shí)刻的運(yùn)輸上壩方量代替近似入倉(cāng)強(qiáng)度，較逼真地預(yù)演了碾壓混凝土壩的施工過(guò)程．

1 面向?qū)ο蟮哪雺夯炷翂问┕と^(guò)程動(dòng)態(tài)仿真

面向?qū)ο蠓抡娴谋举|(zhì)并不在于采用了某種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，而在于它引入了一種新的仿真建模思想和方法，因而有其獨(dú)特的一套仿真建模框架體系，它不依賴于任何編程語(yǔ)言[18]．由于面向?qū)ο蟮姆椒ǖ姆治觥⒃O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的觀點(diǎn)與人們認(rèn)識(shí)世界的思維方式極為一致，因而將它應(yīng)用于計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域增強(qiáng)了仿真研究的客觀性，易于理解，同時(shí)又具有可擴(kuò)展性和可重用性[19]．文中采用面向?qū)ο蟮姆椒ê蚔isual C++6.0開發(fā)平臺(tái)，研發(fā)了碾壓混凝土壩施工仿真系統(tǒng)(roller compacted concrete dam construction simulation software，RCCDCSS)．

1.1 面向?qū)ο蠓治?/p>

按照面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)步驟，建立碾壓混凝土壩施工全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真模型需要對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行面向?qū)ο蠓治?object-oriented analysis，OOA)，即進(jìn)行識(shí)別對(duì)象和劃分層級(jí)．按照仿真模型屬性，系統(tǒng)模型包括實(shí)際映像類模型和支持控制類模型．實(shí)際映像類模型是指作為碾壓混凝土壩實(shí)際施工過(guò)程映像的模型對(duì)象，支持控制類模型是指與描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、支持邏輯關(guān)系以及控制仿真過(guò)程相關(guān)的模型對(duì)象．另外，還需定義各個(gè)類的屬性和相互之間的操作，設(shè)計(jì)一個(gè)符合規(guī)范的接口，從而實(shí)現(xiàn)模型對(duì)象之間系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系的確定，以及它們之間通過(guò)發(fā)送消息進(jìn)行的交互．

碾壓混凝土壩施工動(dòng)態(tài)仿真模型的系統(tǒng)分類和層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示．

1.2 面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)

面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)(object-oriented design，OOD)階段的主要任務(wù)是在OOA階段所建立的模型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合考慮有關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各種因素，完成對(duì)象的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)體系的確定，主要包括對(duì)象設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)．對(duì)象設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)每個(gè)類特有的屬性結(jié)構(gòu)和行為過(guò)程，例如每個(gè)屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和行為的實(shí)現(xiàn)算法．系統(tǒng)設(shè)計(jì)是為了使軟件系統(tǒng)形成邏輯清晰的層次結(jié)構(gòu)．本系統(tǒng)分為模型參數(shù)、方案設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算以及成果展示4個(gè)大模塊，系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示．

圖1 模型的系統(tǒng)分類和層級(jí)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Classification and hierarchy of the model

圖2 RCCDCSS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 System structure diagram of RCCDCSS

2 碾壓混凝土壩施工全過(guò)程的一體化仿真

碾壓混凝土壩施工由混凝土運(yùn)輸和倉(cāng)面澆筑2個(gè)子系統(tǒng)組成．混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)(以其中最主要的自卸汽車直接上壩入倉(cāng)方案為例)是由裝料、運(yùn)料、卸料、空返等組成，是循環(huán)的周而復(fù)始的運(yùn)行過(guò)程．而循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)(simulation technique of cy-clic network)把排隊(duì)理論、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)結(jié)合起來(lái)，正適用于模擬具有循環(huán)特征的建設(shè)生產(chǎn)過(guò)程．本文采用了上述技術(shù)，用一個(gè)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)混凝土運(yùn)輸上壩過(guò)程進(jìn)行描述，節(jié)點(diǎn)用來(lái)表示車輛在運(yùn)行過(guò)程中的滯留活動(dòng)，矢線表示車輛的流動(dòng)方向和各滯留活動(dòng)發(fā)生的次序．另外，碾壓混凝土壩倉(cāng)面澆筑子系統(tǒng)是一種特殊的、復(fù)雜的、多級(jí)的隨機(jī)有限源排隊(duì)服務(wù)系統(tǒng)(其中，以澆筑機(jī)器為“服務(wù)臺(tái)”，以施工倉(cāng)塊為“服務(wù)對(duì)象”)．由于碾壓混凝土壩多壩段合倉(cāng)澆筑的特點(diǎn)，系統(tǒng)構(gòu)建排隊(duì)服務(wù)規(guī)則時(shí)，要充分考慮各澆筑倉(cāng)位的空間層次關(guān)系、混凝土入倉(cāng)手段和分期分段的施工工序等因素，同時(shí)還要結(jié)合倉(cāng)面的規(guī)劃方案來(lái)判斷壩段是單獨(dú)接受施工機(jī)械的澆筑服務(wù)，還是等待相鄰壩段合為同一澆筑倉(cāng)后共同接受服務(wù)．

混凝土運(yùn)輸和倉(cāng)面澆筑是2個(gè)相對(duì)獨(dú)立卻又相互影響和制約的子系統(tǒng)，聯(lián)系兩者的橋梁與紐帶就是混凝土運(yùn)輸上壩方量．碾壓混凝土壩施工過(guò)程如圖3所示．由圖3可見，混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)卸料的結(jié)束即是倉(cāng)面澆筑子系統(tǒng)混凝土攤鋪的開始．如果混凝土的運(yùn)輸入倉(cāng)強(qiáng)度不能滿足倉(cāng)面澆筑碾壓的需求，則會(huì)延誤倉(cāng)面的施工；相反，如果倉(cāng)面澆筑強(qiáng)度達(dá)不到運(yùn)輸?shù)纳蠅畏搅浚瑒t會(huì)要求混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)減少入倉(cāng)方量．可見，保證兩者的協(xié)調(diào)一致是進(jìn)行碾壓混凝土壩施工過(guò)程一體化仿真的關(guān)鍵．

圖3 碾壓混凝土壩施工過(guò)程示意Fig.3 Sketch of construction process for roller compacted concrete dam

為了能夠?qū)?個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行一體化仿真，本文采用了最小事件步長(zhǎng)時(shí)鐘推進(jìn)法．在程序中設(shè)置了2個(gè)主導(dǎo)實(shí)體：一個(gè)是自卸汽車，用來(lái)在混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)中推進(jìn)仿真時(shí)鐘的運(yùn)行；另一個(gè)是各施工倉(cāng)面上的碾壓鋪層，用來(lái)控制壩體的上升．仿真中，當(dāng)進(jìn)行倉(cāng)面混凝土施工時(shí)，仿真時(shí)鐘的控制權(quán)屬于混凝土鋪層；當(dāng)倉(cāng)面的施工工藝結(jié)束后，控制權(quán)被移交給運(yùn)輸子系統(tǒng)中的汽車實(shí)體．控制權(quán)在2個(gè)主導(dǎo)實(shí)體之間交替變換，循環(huán)往復(fù)，直至整個(gè)仿真過(guò)程結(jié)束．

3 基于碾壓混凝土壩施工全過(guò)程仿真的動(dòng)態(tài)合倉(cāng)

碾壓混凝土壩施工工藝的突出特點(diǎn)為多壩段合倉(cāng)、連續(xù)和快速澆筑．在倉(cāng)面澆筑子系統(tǒng)中，倉(cāng)面劃分方案隨著壩體的不斷升高具有動(dòng)態(tài)變化性和后效性，即每一個(gè)澆筑倉(cāng)位接受澆筑服務(wù)后對(duì)其他倉(cāng)位的狀態(tài)和邊界條件會(huì)產(chǎn)生影響，每一次澆筑服務(wù)完成后，都要重新調(diào)整合倉(cāng)規(guī)劃．優(yōu)化壩段組合，使倉(cāng)面劃分合理的目的是使大壩施工的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)(包括混凝土澆筑工期、壩體施工強(qiáng)度的均衡度以及澆筑機(jī)械的利用率等)達(dá)到協(xié)調(diào)較優(yōu)[20]．本文在進(jìn)行碾壓混凝土壩施工全過(guò)程進(jìn)度仿真與動(dòng)態(tài)優(yōu)化研究過(guò)程中綜合考慮各項(xiàng)限制條件的約束，對(duì)碾壓混凝土壩的施工倉(cāng)面進(jìn)行動(dòng)態(tài)劃分，即動(dòng)態(tài)合倉(cāng)．

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理(仿真前處理)

由圖2可知，仿真模型的參數(shù)包括綜合參數(shù)、形體參數(shù)、體積參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、時(shí)間參數(shù)和施工參數(shù)．在進(jìn)行施工仿真的前處理時(shí)，獲取形體參數(shù)和體積參數(shù)的方法就是根據(jù)CAD資料中的地形、壩基開挖、各類型壩段的剖面尺寸和混凝土分區(qū)情況，在三維建模工具Rhino中，利用非均勻有理B樣條(nonuniform rational B-splines，NURBS)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出壩體的三維精細(xì)模型，如圖4所示．利用Rhino VBScript編程工具，以鋪層為基本單元對(duì)壩體進(jìn)行布爾切割后，可以得到各鋪層不同混凝土澆筑區(qū)域的控制點(diǎn)坐標(biāo)、面積和體積等基礎(chǔ)參數(shù)．仿真所需的其他參數(shù)也可通過(guò)可視化界面手工輸入到系統(tǒng)中．

圖4 某碾壓混凝土壩溢流壩段三維模型Fig.4 3D model of a roller compacted concrete dam’s overflow section

獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理，來(lái)構(gòu)造仿真系統(tǒng)的實(shí)體對(duì)象．本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)分層分塊的方法，機(jī)械對(duì)象是在仿真計(jì)算之前構(gòu)造，而壩塊是在仿真過(guò)程中動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的．為了能動(dòng)態(tài)創(chuàng)建對(duì)象，需要將對(duì)象的屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，鋪層對(duì)象的屬性包括編號(hào)、類型屬性、起止高程、控制點(diǎn)坐標(biāo)、混凝土量、入倉(cāng)澆筑機(jī)械、所屬的約束區(qū)類型以及鋪層狀態(tài)等，其數(shù)據(jù)分別從屬性參數(shù)和鋪層形體參數(shù)中取得后，存入Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫(kù)．有了鋪層數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以在仿真中動(dòng)態(tài)地調(diào)用鋪層數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造澆筑壩塊．

3.2 可澆筑壩塊的動(dòng)態(tài)選擇

可澆筑壩塊就是混凝土大壩施工中符合澆筑條件的壩塊．施工過(guò)程中的同一時(shí)刻面貌下，考慮各種影響因素和限制條件(例如：壩體結(jié)構(gòu)形式、施工機(jī)械的種類與利用程度、混凝土間歇時(shí)間、廊道施工干擾、金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備安裝工程影響、天氣氣候狀況等，且很多因素都是隨機(jī)變化的)，只能選擇部分倉(cāng)塊進(jìn)行澆筑．在仿真計(jì)算過(guò)程中，如何確定這些壩塊，并進(jìn)一步選擇即將澆筑壩塊是大壩混凝土澆筑倉(cāng)位進(jìn)度安排的一個(gè)重要問(wèn)題．

然而，整個(gè)壩體的壩塊成千上萬(wàn)，影響因素和限制條件復(fù)雜多變，可澆筑壩塊的安排是一項(xiàng)即復(fù)雜又困難的工作．根據(jù)均衡施工、優(yōu)先選擇低高程壩塊等原則，在計(jì)算機(jī)仿真程序中構(gòu)建邏輯判斷模型做可澆筑壩塊的掃描和初選，即進(jìn)行概括性的施工進(jìn)程編排，其選擇流程如圖5所示．然后調(diào)用內(nèi)嵌的專家系統(tǒng)(expert system，ES)來(lái)調(diào)整仿真控制參數(shù)以適應(yīng)隨機(jī)變化的邊界約束，輔助可澆筑壩塊的動(dòng)態(tài)決策和安排．這樣在滿足控制性計(jì)劃和資源合理分配的前提下，既實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的快速高效處理，又科學(xué)地利用了領(lǐng)域內(nèi)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)體現(xiàn)了設(shè)計(jì)施工中決策的靈活性．

3.3 施工倉(cāng)面的動(dòng)態(tài)劃分(動(dòng)態(tài)合倉(cāng))

在基于動(dòng)態(tài)合倉(cāng)的施工仿真過(guò)程中，根據(jù)模擬時(shí)鐘的當(dāng)前面貌，動(dòng)態(tài)仿真模型首先選定了優(yōu)先值最高的可澆筑壩塊，分別向左右相鄰壩段掃描，調(diào)用合倉(cāng)控制模塊進(jìn)行合倉(cāng)判斷，決定是否需要添加合倉(cāng)約束進(jìn)行合倉(cāng)等待，具體的動(dòng)態(tài)合倉(cāng)流程如圖6所示．當(dāng)相鄰可澆筑壩段經(jīng)判斷滿足高差相等或接近、混凝土入倉(cāng)手段類型相同等條件，且合倉(cāng)后所需上壩入倉(cāng)強(qiáng)度小于當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)剩余供應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，則可進(jìn)行合倉(cāng)施工．仿真模型系統(tǒng)以各澆筑倉(cāng)塊為主導(dǎo)實(shí)體，以其施工狀態(tài)的循環(huán)變遷為主線，采用下一事件推進(jìn)法驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)的不斷更新，直至仿真結(jié)束．

圖5 可澆筑壩塊選擇流程Fig.5 Flow chart of the choice of the dam block which can be poured

圖6 碾壓混凝土壩施工動(dòng)態(tài)合倉(cāng)流程Fig.6 Flow chart of dynamic combination for working units in roller compacted concrete dam construction

為了使仿真模擬更加貼近碾壓混凝土壩的實(shí)際澆筑過(guò)程，基于動(dòng)態(tài)合倉(cāng)的施工仿真需要考慮多項(xiàng)邊界條件的約束．

(1) 入倉(cāng)方式可控制最大倉(cāng)面面積．進(jìn)行碾壓混凝土的合倉(cāng)規(guī)劃，要考慮不同澆筑時(shí)段、不同施工部位、不同高程倉(cāng)面大小，不同季節(jié)不同氣候條件下混凝土的初凝時(shí)間，不同的鋪料層厚等各種因素．推算最大可控合倉(cāng)面積計(jì)算公式為

式中：maxS為最大可控倉(cāng)面面積；P為各時(shí)刻對(duì)應(yīng)混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)中的上壩方量；st為碾壓混凝土的初凝時(shí)間；tΔ為輔助作業(yè)時(shí)間(例如鋪設(shè)冷卻水管)；H為鋪料層厚．同時(shí)，倉(cāng)面劃分面積不能太大，倉(cāng)面太大運(yùn)輸機(jī)械布置較多，而且要求的混凝土系統(tǒng)的生產(chǎn)強(qiáng)度較大，所以根據(jù)工程類比，規(guī)定合倉(cāng)澆筑面積不超過(guò)設(shè)定的最大值．

(2) 合倉(cāng)壩段之間的高差限制．當(dāng)前面貌下的相鄰的幾個(gè)碾壓混凝土壩段只有其高差為零或者在允許范圍之內(nèi)時(shí)，才能合并為同一倉(cāng)塊共同進(jìn)行澆筑．

(3) 合倉(cāng)壩段類型約束．多壩段大面積合倉(cāng)連續(xù)澆筑是碾壓混凝土壩施工工藝的獨(dú)特之處，同為碾壓混凝土壩段才可進(jìn)行合倉(cāng)．

(4) 碾壓混凝土入倉(cāng)方式約束．為了盡量縮短運(yùn)輸距離和減少運(yùn)輸時(shí)間，從而達(dá)到高質(zhì)、高效的快速施工，壩體施工過(guò)程中往往會(huì)綜合采用多種混凝土入倉(cāng)運(yùn)輸方式，而可合倉(cāng)壩段的入倉(cāng)方式必須相同，且可提供足夠的強(qiáng)度．

(5) 碾壓混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)置規(guī)模的限制．相應(yīng)拌合樓設(shè)置的單位時(shí)間碾壓混凝土的生產(chǎn)能力是否滿足合倉(cāng)壩塊澆筑強(qiáng)度的要求，是制約壩體薄層大面積連續(xù)澆筑上升的重要因素之一．

(6) 其他限制因素．除了上文提到的影響因素外，施工仿真動(dòng)態(tài)合倉(cāng)還要考慮壩體的特殊結(jié)構(gòu)形式、倉(cāng)塊的澆筑工藝相同與否、其他項(xiàng)施工干擾(例如廠房引水隧洞施工)、導(dǎo)流程序、控制性節(jié)點(diǎn)工期、混凝土溫控以及當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境因素等．

4 實(shí)例應(yīng)用

云南省某大型水電工程位于瀾滄江上游河段，該梯級(jí)為瀾滄江上游河段規(guī)劃7個(gè)梯級(jí)中的第5個(gè)梯級(jí)，電站以發(fā)電為主，兼顧其他綜合效益．該工程碾壓混凝土重力壩最低建基面高程1,422,m，壩頂高程1,625,m，最大壩高203,m，壩頂長(zhǎng)464,m，共分20個(gè)壩段．

對(duì)該碾壓混凝土重力壩的施工全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化仿真計(jì)算研究，如圖7所示．根據(jù)國(guó)內(nèi)外碾壓混凝土壩施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程實(shí)際條件，壩體碾壓混凝土絕大部分采用自卸汽車入倉(cāng)至盡可能達(dá)到的高程，在形成自卸汽車入倉(cāng)道路代價(jià)太大的部分則采用皮帶機(jī)(或自卸汽車)+滿管泄槽+轉(zhuǎn)壩面汽車方式入倉(cāng)，并統(tǒng)籌考慮上、下游混凝土系統(tǒng)生產(chǎn)能力平衡綜合及倉(cāng)面規(guī)劃，碾壓混凝土以下游混凝土系統(tǒng)供應(yīng)入倉(cāng)為主，上游混凝土系統(tǒng)為輔供應(yīng)入倉(cāng)．

仿真開始時(shí)間為工程開工后的第4年9月1日(用4-9-1表示，以下類似)，大壩的混凝土總量為369.8×104,m3，仿真計(jì)算得到總工期為36個(gè)月，至第7年8月底澆筑結(jié)束，驗(yàn)證大壩的汛期擋水高程均能滿足要求．壩體澆筑的最高強(qiáng)度出現(xiàn)在第5年10月，強(qiáng)度值為20.08×104,m3/月，如圖8所示．計(jì)算結(jié)果符合工程施工規(guī)律，各項(xiàng)指標(biāo)均符合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大型工程的實(shí)際施工水平．

圖7 大壩施工過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)演示Fig.7 3D dynamic demonstration for dam construction processes

仿真結(jié)果表明壩體共被分成了1,002個(gè)壩塊，而澆筑壩塊只有564塊，可見有近一半的壩塊進(jìn)行了合倉(cāng)澆筑．限于篇幅，僅將部分的施工仿真明細(xì)數(shù)據(jù)列出．表1為每月月底各壩段的澆筑高程，其中的數(shù)據(jù)表示對(duì)應(yīng)壩段在施工期各個(gè)月底澆筑到的海拔高程，灰色區(qū)域表示合倉(cāng)澆筑的碾壓混凝土壩塊，例如從第5行可以看出：8#～10#壩段第5年1月從海拔1,441.5,m合倉(cāng)澆筑到1,450.5,m，從而以簡(jiǎn)明直觀的形式展示出大壩碾壓混凝土隨高程變化的合倉(cāng)情況．表2為各澆筑壩塊的施工信息．

圖8 混凝土澆注強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of concrete construction intensity

表1 每月月底各壩段的澆筑高程Tab.1 Elevation of each section at the end of every month m

表2 澆筑壩塊的施工信息Tab.2 Construction information of dam block

5 結(jié) 語(yǔ)

在碾壓混凝土壩施工進(jìn)度的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真中耦合了動(dòng)態(tài)合倉(cāng)的模擬方法，提高了仿真計(jì)算的靈活性，并通過(guò)對(duì)實(shí)際工程的分析，驗(yàn)證了基于施工仿真的動(dòng)態(tài)合倉(cāng)模型的可靠性，為工程的可行性論證和實(shí)際施工提供了論據(jù)．從而，對(duì)提高碾壓混凝土壩工程設(shè)計(jì)水平與效率、指導(dǎo)工程的實(shí)際施工有著積極的促進(jìn)作用．

引入面向?qū)ο蟮姆抡娣椒?，改進(jìn)了碾壓混凝土壩施工全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的建模理論，提高了仿真建模的效率以及系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)展的靈活性；提出把碾壓混凝土壩施工中相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)子系統(tǒng)，即混凝土運(yùn)輸子系統(tǒng)和倉(cāng)面澆筑子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的一體化仿真，使仿真成果更符合碾壓混凝土壩實(shí)際施工的一般規(guī)律．

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的進(jìn)步，碾壓混凝土壩施工進(jìn)度仿真的理論研究和推廣應(yīng)用充滿了廣闊的前景，在水利工程建設(shè)中將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用．

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Schedule Simulation Coupled with Dynamic Combination of Working Units for Roller Compacted Concrete Dam Construction Processes

Chang Haotian，Zhong Denghua，Wang Shuangqi，Chen Yongxing
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

To fit characteristics of large area and multiple sections combination，the simulation for RCC dam constrution processes is brought out，which is coupled with the method of dynamic combination for working units. The precision of simulation modeling has been improved by using the technology of 3D modeling and database. That is，in the process of simulation，various constraint conditions are considered synthetically，and the dynamic choice of the dam block which can be poured and the dynamic division of concrete working units are realized. Besides，based on VC++，the thought and methodology of object-oriented simulation are introduced，the technology of Cyclic Network and Queue Service System are combined，and object-oriented dynamic simulation and construction integration simulation are realized. Therefore，the simulation results are achieved to be close to that of the actual construction. It is successfully applied in a hydroelectric construction in Yunnan province of China，and is helpful for the decision of its design and construction.

roller compacted concrete dam；simulation for construction processes；dynamic combination of working units；object-oriented technology；integration simulation

TV642.2；TP391.9

A

0493-2137(2013)01-0029-09

2011-09-11；

2012-02-23.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB035904)；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51021004)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(12JCZDJC29200)．

常昊天（1986— ），男，博士研究生，changhaotiancai@126.com.

鐘登華，dzhong@tju.edu.cn.