混凝土壩施工模擬研究現(xiàn)狀與展望

周厚貴 戴志清 張開廣 孫昌忠 曹生榮

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100029；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司，湖北 宜昌 443002；3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

由于混凝土壩具有安全可靠、對(duì)基礎(chǔ)適應(yīng)性強(qiáng)、便于施工導(dǎo)截流、設(shè)計(jì)／施工／運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)豐富等優(yōu)勢(shì)，特別是碾壓混凝土壩具有快速、經(jīng)濟(jì)施工的特點(diǎn)，混凝土壩的應(yīng)用范圍和壩體規(guī)模日益增加，已在水電站擋水建筑物中占據(jù)主導(dǎo)地位［1］.混凝土壩施工是工程建設(shè)的實(shí)施階段，施工組織與管理的任務(wù)和要求在于按照設(shè)計(jì)方案，將施工現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)工作組織地有條不紊，互相協(xié)調(diào)，以期用最少的人力、物力和財(cái)力，在保證工程質(zhì)量與施工安全的前提下，按預(yù)定的工期，如期或提前完工，投入運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)揮效益［2－3］.因此，混凝土壩的施工組織與管理成為混凝土壩工程建設(shè)中的重要課題.

影響與限制混凝土壩施工的因素有水文氣象條件、壩體結(jié)構(gòu)型式、工藝技術(shù)水平、施工組織方式及混凝土供應(yīng)、澆筑設(shè)備能力和效率等方面內(nèi)容［4］.從系統(tǒng)工程的角度，凝土壩的施工組織與管理是一個(gè)影響與限制因素多、不確定性因素多、各施工環(huán)節(jié)關(guān)系復(fù)雜，牽涉多個(gè)部門、使用多種資源、追求多個(gè)目標(biāo)的，高維的、隨機(jī)的、動(dòng)態(tài)的巨型系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)邊界都很復(fù)雜.因此，在混凝土壩施工組織與管理的研究中，除施工機(jī)械配套等個(gè)別問題外，對(duì)該系統(tǒng)的研究難以通過解析模型描述，也無(wú)法通過物理模型實(shí)驗(yàn)分析其中的機(jī)理.

由于混凝土壩施工的計(jì)算機(jī)模擬可以在滿足工程設(shè)計(jì)與施工有效精度的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土壩施工過程的模擬，對(duì)施工方案進(jìn)行驗(yàn)證、分析與評(píng)價(jià)，且具有成本低廉、速度快、可無(wú)限重復(fù)、施工方案易于修改等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為研究混凝土壩施工組織與管理問題的有效手段與普遍方式.因此，國(guó)內(nèi)外針對(duì)混凝土壩施工模擬問題展開了廣泛而深入的研究，近年我國(guó)的大中型混凝土壩建設(shè)中都采用計(jì)算機(jī)模擬這一手段對(duì)其施工組織方案進(jìn)行模擬研究.混凝土壩施工模擬研究工作對(duì)于提高混凝土壩施工組織方案的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性發(fā)揮了重要作用.

本文在系統(tǒng)分析混凝土壩施工模擬的研究?jī)?nèi)容、理論基礎(chǔ)、成果形式等的基礎(chǔ)上，總結(jié)了近年混凝土壩施工模擬的研究工作進(jìn)展，并指出了混凝土壩施工模擬研究的發(fā)展方向，以期為相關(guān)工作提供參考和借鑒.

1 混凝土壩施工模擬研究概況

1）混凝土壩施工模擬的研究?jī)?nèi)容.混凝土壩施工模擬研究工作主要圍繞混凝土壩設(shè)計(jì)階段的整體施工方案合理性檢驗(yàn)、施工方案優(yōu)選、施工進(jìn)度計(jì)劃編制、工期預(yù)測(cè)與檢驗(yàn)、混凝土澆筑機(jī)械配套方案優(yōu)化與合理性檢驗(yàn)、施工過程可視化、以及混凝土壩施工管理系統(tǒng)或決策支持系統(tǒng)等問題展開.

2）混凝土壩施工模擬研究的理論基礎(chǔ).混凝土壩施工模擬研究的主要理論基礎(chǔ)為離散事件系統(tǒng)建模與仿真理論和面向?qū)ο罄碚摚?－6］，研究工作的核心在于基于以上理論建立混凝土壩澆筑施工過程的模擬模型.此外的主要理論基礎(chǔ)有：在結(jié)果表達(dá)上利用可視化技術(shù)、GIS理論和方法實(shí)現(xiàn)了模擬結(jié)果的可視化［7－8］，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立混凝土壩施工的虛擬場(chǎng)景［9］，利用多目標(biāo)評(píng)判理論與方法［10］、熵理論［11］對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)與優(yōu)選.

3）混凝土壩施工模擬研究的成果形式.研究工作的成果反映為工期、機(jī)械配套方案、進(jìn)度計(jì)劃、混凝土澆筑施工瓶頸、各類統(tǒng)計(jì)數(shù)值等用于輔助決策的定量化參數(shù)，對(duì)施工組織方案的定性描述與評(píng)價(jià)，以及形象化的壩體施工過程三維圖形3個(gè)方面.

2 混凝土壩施工模擬研究現(xiàn)狀分析

自從1973年在第11屆國(guó)際大壩會(huì)議上Jurecha W和Widmann R公布混凝土壩澆筑過程模擬研究成果［12］，1977年 Halpin D H 發(fā)表相關(guān)研究成果［13］以來(lái)，隨著其他學(xué)科理論和技術(shù)的發(fā)展，混凝土壩施工模擬的研究工作不斷深入和完善［14］.

經(jīng)過近些年的發(fā)展，混凝土壩施工模擬的研究成果頗為豐富.文獻(xiàn)［15］是20世紀(jì)混凝土壩施工模擬研究工作成果的集中體現(xiàn)，文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［16］則集中反映了新世紀(jì)前后混凝土壩施工模擬在可視化技術(shù)、系統(tǒng)建模技術(shù)等方面的新進(jìn)展與新成果.

1）不同壩型施工模擬研究.這些研究成果按照混凝土壩的壩型可以劃分為混凝土重力壩［17］／混凝土拱壩［18］、碾壓混凝土壩重力壩［19］／碾壓混凝土拱壩［20］.不同壩型的施工模擬研究并無(wú)本質(zhì)的區(qū)別，只是模擬模型中模擬流程與施工參數(shù)需要根據(jù)不同壩型的特點(diǎn)、施工工藝、施工流程、施工約束與要求確定，其基本原理與思路是一致的.

2）不同模擬方式的研究.從現(xiàn)有研究成果來(lái)看，對(duì)混凝土壩的施工模擬主要分為兩個(gè)方面，數(shù)值模擬和可視化模擬.數(shù)值模擬研究工作側(cè)重于通過建立模擬模型預(yù)測(cè)工期，驗(yàn)證進(jìn)度計(jì)劃的可行性與合理性，機(jī)械配套方案的可行性與合理性.可視化模擬則是實(shí)現(xiàn)壩體施工過程的三維展現(xiàn).目前的大部分工作都已實(shí)現(xiàn)了兩者的有機(jī)結(jié)合［18，21－22］，即將數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果反映在三維圖形中.在兩種模擬方式中，數(shù)值模擬是基礎(chǔ)與關(guān)鍵，只有在數(shù)值模擬結(jié)果正確的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的可視化模擬才是有意義的，當(dāng)然，可視化模擬增強(qiáng)了數(shù)值模擬成果的形象化水平與直觀性.

3）模擬模型建模研究.對(duì)混凝土壩施工模擬的絕大部分研究工作都是基于離散事件系統(tǒng)建模與仿真理論［5］進(jìn)行的，其核心工作在于如何將現(xiàn)實(shí)中混凝土壩的施工過程轉(zhuǎn)化為施工模擬模型，模型與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的相似性成為模擬結(jié)果精度的保證.而混凝土壩施工過程復(fù)雜，建模過程必要的簡(jiǎn)化在所難免.因此，如何在保證模型精度的前提下，合理地簡(jiǎn)化模型成為模擬模型建模，甚至是混凝土壩施工模擬的關(guān)鍵.因此，在基于離散事件系統(tǒng)建模與仿真理論的混凝土壩施工仿真模型建模中，需要根據(jù)模型相似理論［23］，要求所建模型充分反映混凝土壩施工的主要流程、關(guān)鍵環(huán)節(jié)、主要工藝和施工約束，并采用模型的V＆V技術(shù)對(duì)模型的有效性進(jìn)行定性和定量的評(píng)價(jià)［14，24］.

混凝土壩施工模擬的另一重要理論基礎(chǔ)為面向?qū)ο罄碚摚?］.在這一建模方法中，將混凝土壩施工的各要素視為屬于不同級(jí)別的對(duì)象，通過對(duì)象之間的一系列操作實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土壩施工過程的模擬［25－26］.基于面向?qū)ο罄碚摻５年P(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)混凝土壩現(xiàn)實(shí)施工系統(tǒng)向“對(duì)象”系統(tǒng)的有效映射.

4）模型參數(shù)選取問題研究.由于混凝土壩施工過程的有效工作時(shí)間、機(jī)械生產(chǎn)率、機(jī)械故障發(fā)生率等參數(shù)都具有不確定性和隨機(jī)性.當(dāng)模擬模型建立以后，如何選擇合適的參數(shù)對(duì)于模擬結(jié)果的精度和有效性同樣非常重要.在多數(shù)研究工作中［17］，模型中以上參數(shù)的選取都是基于概率論，通過設(shè)置一定的隨機(jī)函數(shù)，由隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，最后通過隨機(jī)數(shù)計(jì)算有效工作時(shí)間、機(jī)械故障率等參數(shù).因此，參數(shù)選取的重點(diǎn)轉(zhuǎn)化為如何建立反映實(shí)際施工過程的隨機(jī)函數(shù).豐富的歷史施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料成為建立和驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)有效性的重要基礎(chǔ).文獻(xiàn)對(duì)模擬模型的參數(shù)做了敏感性分析，在不影響模擬結(jié)果可行性或合理性的情況下確定了模型參數(shù)的可行域.文獻(xiàn)則是利用模糊綜合評(píng)判方法對(duì)混凝土壩施工模擬系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，對(duì)帶有隨機(jī)參數(shù)模擬模型的每次計(jì)算結(jié)果的有效性進(jìn)行量化評(píng)判.

由于以上研究工作都是在混凝土壩設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的施工模擬，具體的參數(shù)都為理論值或預(yù)設(shè)值，準(zhǔn)確地選取參數(shù)成為模擬結(jié)果精度的關(guān)鍵.如果是在施工階段進(jìn)行的混凝土施工模擬，則可以隨著施工過程的推進(jìn)，根據(jù)施工實(shí)際參數(shù)不斷地對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正.

5）混凝土壩可視化模擬研究.單純的混凝土壩施工過程數(shù)值模擬結(jié)果缺乏直觀性，不易理解，可視化模擬充分利用三維圖形展示壩體澆筑過程，已成為混凝土壩模擬不可或缺的重要方面［18，21－22，29］.這一部分研究工作都是基于GIS與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理，其重點(diǎn)在于建立數(shù)值模擬與圖形仿真之間的接口，實(shí)現(xiàn)兩者之間的一致性與交互性.

隨著可視化更高級(jí)形式——虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，混凝土壩施工的虛擬現(xiàn)實(shí)工作也隨即展開［9，30］.文獻(xiàn)應(yīng)用VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言及PHP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)（Web3D）的水電工程施工過程可視化模擬和施工信息的交互式查詢；文獻(xiàn)采用高效的圖形渲染引擎，將復(fù)雜的施工過程用逼真的三維動(dòng)畫形象地描述出來(lái)，展現(xiàn)出具有真實(shí)感的可實(shí)時(shí)交互的虛擬施工場(chǎng)景.有關(guān)混凝土壩施工虛擬現(xiàn)實(shí)的研究工作總體上還處于初步階段，主要圍繞施工場(chǎng)景的搭建展開，如何實(shí)現(xiàn)真正意義上的混凝土壩施工虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)現(xiàn)施工過程的數(shù)值模擬與虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)互動(dòng)和交互操作，還有很多工作要做.

6）施工模擬與管理系統(tǒng)研究.混凝土壩施工模擬研究工作本身就在一定的軟件環(huán)境中進(jìn)行，軟件系統(tǒng)的開發(fā)既是混凝土壩施工模擬的工作過程，又是研究成果的一部分，因此，眾多研究工作都開發(fā)了混凝土壩施工模擬的軟件系統(tǒng)［17，19，21，25］.此外，文獻(xiàn)［31］將混凝土壩施工中的施工作業(yè)、設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)管理集成為一個(gè)統(tǒng)一的管理與決策支持系統(tǒng)，使三峽二期工程的施工質(zhì)量、施工設(shè)備的可利用率、施工生產(chǎn)的效率三者統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了施工管理的信息化和決策的最優(yōu)化.文獻(xiàn)［32］提出了混凝土壩施工管理決策支持系統(tǒng)的系統(tǒng)目標(biāo)、功能要求與設(shè)計(jì)原則，并用系統(tǒng)模擬的方法作為輔助混凝土壩施工管理決策的實(shí)現(xiàn)手段，在此基礎(chǔ)上結(jié)合三峽二期工程大壩施工建立其總體結(jié)構(gòu)和模型庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù).文獻(xiàn)［33］建立了基于Multi－Agent的混凝土壩澆筑模擬模型框架.這些系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用對(duì)于提高混凝土壩施工組織管理和決策的效率和效能發(fā)揮了重要作用.

7）混凝土壩施工模擬的其他研究工作.在其他一些研究工作中，基于多種理論和方法、從不同的視角研究混凝土壩施工模擬問題.文獻(xiàn)［33］基于Multi－A－gent理論建立混凝土壩澆筑模擬模型框架；文獻(xiàn)［34］提出了一種基于戲劇理論的混凝土壩施工可視化模擬框架；文獻(xiàn)［35］采用智能設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的基本原理，建立了碾壓混凝土智能并倉(cāng)模型.此外，在模擬模型建模、算法實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)開發(fā)方面還有很多創(chuàng)新的成果.

8）混凝土壩施工優(yōu)化研究工作.如前所述，混凝土壩的施工過程難以通過解析模型描述，同樣也得不到理論意義上的最優(yōu)解.而混凝土壩施工模擬的主要目的之一就是實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土壩施工過程的優(yōu)化.

混凝土壩施工的優(yōu)化研究基本通過這樣的方式實(shí)現(xiàn)：以混凝土壩施工模擬為基礎(chǔ)，通過對(duì)不同施工方案的模擬，得到各個(gè)施工方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，由決策者選擇技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均較為理想或滿意的方案作為施工方案［17，21］.這個(gè)意義上的優(yōu)化可以理解為從有限個(gè)預(yù)選施工方案中優(yōu)選出最優(yōu)方案.預(yù)選施工方案來(lái)源于兩個(gè)方面，一是由模擬模型外部提供的差別較大的若干施工方案；二是針對(duì)某個(gè)外部提供的已知施工方案，通過對(duì)該方案中相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，如機(jī)械數(shù)量、拌和樓生產(chǎn)率等，形成一系列新的施工方案，通過模擬尋找其中的最優(yōu)方案.

3 混凝土壩施工模擬的發(fā)展方向

衡量混凝土壩施工模擬模型研究成果的標(biāo)準(zhǔn)在于模擬結(jié)果的精度、可靠性與實(shí)用性，評(píng)價(jià)混凝土壩施工模擬與管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)在于系統(tǒng)使用的舒適性和直觀性.這些標(biāo)準(zhǔn)也就是混凝土壩施工模擬研究工作發(fā)展的方向.另外，現(xiàn)階段混凝土壩的施工模擬主要是針對(duì)工程進(jìn)度、施工機(jī)械、施工布置等相關(guān)要素的模擬，尚未與壩體應(yīng)力、溫度等關(guān)聯(lián)，工程進(jìn)度與這些要素的聯(lián)合模擬將使模擬研究工作的作用更為重大.同時(shí)，隨著其他學(xué)科基礎(chǔ)理論的完善與應(yīng)用的成熟，混凝土壩施工模擬的研究工作也將隨之不斷推進(jìn).因此，從總體上講，混凝土壩施工模擬研究工作呈現(xiàn)精細(xì)化與動(dòng)態(tài)化、智能化、人性化、綜合化、最優(yōu)化的發(fā)展趨勢(shì)，也就是需要進(jìn)行以下幾個(gè)問題的研究工作.

1）精細(xì)化與動(dòng)態(tài)化：混凝土壩施工階段的模擬.混凝土壩設(shè)計(jì)階段的模擬主要是為制定與評(píng)價(jià)混凝土壩施工方案服務(wù)的，是對(duì)混凝土壩施工全過程的一次性模擬，從混凝土壩開始施工一直到完工.而在混凝土壩的施工階段，混凝土澆筑施工的各項(xiàng)限制與要求不斷變化，對(duì)模擬結(jié)果的時(shí)間尺度和空間尺度也有更高的要求.也就是說，混凝土壩施工階段模擬的限制與約束更多，需要建立更為微觀的、與施工實(shí)際進(jìn)度同步推進(jìn)的模擬模型，需要更高的模擬計(jì)算結(jié)果精度.因此，如何解決施工階段的混凝土壩施工模擬，為施工現(xiàn)場(chǎng)管理與決策服務(wù)將是混凝土壩施工模擬的新課題.

2）智能化：決策支持系統(tǒng)及專家系統(tǒng)的開發(fā).無(wú)任是混凝土壩設(shè)計(jì)階段的混凝土澆筑方案制定，還是混凝土壩的施工現(xiàn)場(chǎng)管理，都需要反復(fù)對(duì)施工方案進(jìn)行調(diào)整、驗(yàn)證、優(yōu)化.而混凝土壩施工模擬系統(tǒng)的用戶為普通的水電工程技術(shù)人員，并無(wú)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)，系統(tǒng)需要具備對(duì)普通用戶的普遍適應(yīng)性.由于決策支持系統(tǒng)和專家系統(tǒng)具備這方面的優(yōu)勢(shì)，即具備一定的智能.因此，決策支持系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)的開發(fā)將是混凝土壩施工模擬的理論成果為廣大工程技術(shù)人員利用的關(guān)鍵所在.

3）人性化：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用.現(xiàn)有研究工作中的可視化模擬研究工作已經(jīng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了直觀、形象的模擬結(jié)果，但應(yīng)該說還沒有達(dá)到“逼真”的程度.如果可以給工程技術(shù)人員和管理人員以“逼真的施工場(chǎng)景、逼真的施工過程”的模擬結(jié)果，對(duì)于提高混凝土壩施工組織管理與決策的科學(xué)性與效率的意義重大.正在發(fā)展中的混凝土壩虛擬現(xiàn)實(shí)研究工作即可滿足以上要求.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、逼真性、便于人工交互操作等優(yōu)勢(shì)，是工程建設(shè)過程的虛擬再現(xiàn)和預(yù)演，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的混凝土壩施工模擬研究將是該項(xiàng)工作的一次革新.

4）綜合化：施工進(jìn)度、壩體溫度場(chǎng)、壩體應(yīng)力場(chǎng)等的聯(lián)合模擬.通常意義上的混凝土壩施工模擬指的是對(duì)施工進(jìn)度和施工過程的模擬，尚未涉及壩體溫度、壩體應(yīng)力等因素.而不同的施工方案和施工過程除對(duì)施工進(jìn)度、施工機(jī)械等要素相關(guān)外，對(duì)于壩體的溫度場(chǎng)、壩體應(yīng)力場(chǎng)也有影響［36－37］.因此，如能將混凝土壩的進(jìn)度模擬、溫度模擬、應(yīng)力模擬等綜合考慮，其模擬結(jié)果對(duì)指導(dǎo)混凝土壩設(shè)計(jì)與施工的意義更為重大.

5）最優(yōu)化：實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土壩施工過程的優(yōu)化.目前對(duì)混凝土壩施工優(yōu)化的研究工作尚顯不足，基本限于通過對(duì)不同施工方案的模擬實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)選，未能產(chǎn)生理論上的最優(yōu)解.通過解析模型求解整個(gè)施工方案的最優(yōu)解固然不可能或?qū)嶋H上不可能，但對(duì)于混凝土壩施工組織與管理中的局部問題，可以通過解析模型尋求最優(yōu)解.混凝土壩施工組織與管理的最優(yōu)化問題有：混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)施工機(jī)械優(yōu)化配套問題、連續(xù)生產(chǎn)機(jī)械與間斷生產(chǎn)機(jī)械的優(yōu)化配套問題、道路限制下的混凝土運(yùn)輸車輛優(yōu)化調(diào)度問題、成本進(jìn)度聯(lián)合優(yōu)化問題、施工過程混凝土入倉(cāng)機(jī)械優(yōu)化調(diào)度問題等.這些優(yōu)化問題的研究工作與混凝土壩施工模擬密不可分，也是混凝土壩施工組織與管理中的重要課題.

4 結(jié) 語(yǔ)

混凝土壩是當(dāng)前水電工程樞紐建筑物的主要形式，施工模擬是研究混凝土壩施工組織與管理的有效手段，對(duì)于確?；炷翂问┕みM(jìn)度、質(zhì)量與成本目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮了重要作用.如何建立有效的模擬模型，并借助其他學(xué)科的理論、方法與技術(shù)豐富與完善混凝土壩施工模擬的研究手段、內(nèi)容與成果將是本課題發(fā)展中需要解決的核心問題.相信不斷完善和發(fā)展的混凝土壩施工模擬研究工作將在混凝土壩的建設(shè)中發(fā)揮更大的作用.

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