沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真建模与可视化分析

钟登华，陈永兴，常昊天，吴斌平

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真建模与可视化分析

钟登华，陈永兴，常昊天，吴斌平

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真通过计算机模拟来研究和分析坝体的复杂施工过程，为工程设计和施工管理提供了有效的工具．文中对沥青混凝土心墙堆石坝施工系统进行了分解协调，阐述了沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真的基本原理；在综合考虑施工过程中的复杂约束条件下，建立了沥青混凝土心墙堆石坝施工动态仿真的数学逻辑关系模型；基于Unity3D引擎，研发出网络环境下沥青混凝土心墙堆石坝施工过程的三维可视化分析系统．研究成果在某工程实例中进行了具体应用，成果验证了该仿真模型的有效性和技术方法的先进性．

沥青混凝土心墙堆石坝；施工仿真；仿真建模；Unity3D引擎；可视化分析

沥青混凝土心墙就是在堆石坝中间以沥青混凝土作为防渗体的一种特殊的防渗结构形式．沥青混凝土具有很好的防渗性能、较好的塑性和柔性，能适应坝体的沉降变形，对已产生的裂缝还有一定的自愈能力；沥青混凝土防渗心墙具有结构简单、工程量小、施工速度快和防渗性能安全可靠等特点[1]．因此，近年来随着施工的机械化程度和专业化水平越来越高，我国相继建成了一批大、中型沥青混凝土心墙坝(坝高已达到百米以上)．大型沥青混凝土心墙堆石坝工程既具有传统高堆石坝的工程量大、场地布置复杂、施工强度高、机械数量多及受多方面因素的影响和约束等特点[2-4]，又有其特有的施工工艺流程和控制准则(突出表现在心墙的施工)．其整个施工过程具有很强的随机性和不确定性，是一具有时间、空间概念的动态运行体系，这给进度、质量的管理和控制带来了难度[5]．系统仿真技术[6-7]可为解决以上问题提供有效的途径．

大坝施工仿真技术的研究起始于20世纪70年代的美国，随后，国内外学者将循环网络模拟技术应用到了堆石坝施工仿真研究中[8]，开发了一系列的施工仿真软件，对堆石坝施工仿真技术的发展及应用起到很好的推动作用．当前，堆石坝施工仿真理论与方法研究已经从面向设计阶段的进度预测发展到面向施工阶段的实时控制．然而，传统黏土或砾石土心墙堆石坝的施工仿真理论并不能揭示沥青混凝土心墙堆石坝施工过程的内在复杂规律，尤其是传统的仿真模型不能突出沥青混凝土心墙堆石坝施工作业机理方面独有的特点．

因此，针对上述问题，笔者开展了沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真建模和可视化分析研究，编制了相应的仿真计算软件，开发了网络环境下的三维可视化[9-10]分析系统．为施工管理人员提供了有效的辅助分析工具，并为高标准的沥青混凝土心墙堆石坝的建设提供了有力的技术支持．

1 沥青混凝土心墙堆石坝施工系统的分解协调

沥青混凝土心墙堆石坝施工过程是一个从坝料制备、运输到填筑料摊铺、碾压的过程，可据此将沥青混凝土心墙堆石坝的施工系统划分为坝料生产子系统、运输上坝子系统和坝面施工子系统3个子系统，其示意如图1所示．在沥青混凝土心墙堆石坝施工系统中，3个子系统通过装料和卸料这两个工序紧密联系在一起，彼此协调共同构成了沥青混凝土心墙堆石坝施工系统的有机整体．坝料(包括石料和混凝土料)作为流动实体，经历了生产、运输、摊铺到压实的状态变化，这个过程随着工程进展不断反复，直到整个工程施工完成[11-13]．

图1 沥青混凝土心墙堆石坝施工系统示意Fig.1 Schematic diagram of construction system for RDWACC

1) 坝料生产子系统

根据沥青混凝土心墙堆石坝的自身特点，坝料生产子系统又可以分解为：沥青混合料制备系统和石料加工系统．其中，沥青混合料制备系统由人工砂石骨料加工系统、沥青混凝土拌合系统、仓储系统及运行与管理系统4部分组成．石料加工系统负责上坝石料的生产供应，是指在各料源料场制备符合设计要求的各分区坝料的过程．

2) 运输上坝子系统

沥青混凝土心墙堆石坝的运输上坝子系统包括沥青混合料运输上坝和石料运输上坝2部分．沥青混合料运输上坝是指：配有保温装置的汽车在拌合楼取料后，通过规划路线将沥青混合料运输至施工部位后，再通过配有保温转运料斗的装载机将其卸入摊铺机沥青混合料料斗中．石料运输上坝是指：将各种石料从各自料场运输至坝面对应施工分区填筑部位的整个过程．

3) 坝面施工子系统

坝面施工子系统是沥青混凝土心墙堆石坝施工系统中最为复杂、最为关键的部分，对大坝施工进度和质量影响最大，是沥青混凝土心墙堆石坝施工过程中实时控制的重点和难点．坝面施工子系统包括：沥青混合料摊铺碾压系统和石料填筑系统．整个施工系统的结构见图2．

图2 沥青混凝土心墙堆石坝施工系统结构Fig.2 Structural diagram of construction system for RDWACC

2 沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真的基本原理

对于沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真系统，可将其按照离散系统仿真进行研究，仿真时钟的推进是以整体上采用下一事件推进法，配合局部采用固定时间推进法．根据水工沥青混凝土心墙堆石坝的施工特点，参考以往工程的施工经验，假设坝料生产在施工过程中始终能够满足运输上坝子系统及坝面施工子系统的需求，以简化仿真模拟的边界条件．所以，这里只考虑运输过程和坝面施工过程的仿真建模．

沥青混凝土心墙堆石坝施工交通运输系统虽然表面看来场面很宏大，但经过抽象分析，无论是坝体堆石区填筑石料的运输上坝还是心墙沥青混合料的汽车运输，均可以抽象为一个循环或者是其扩展(包括装料服务、重车运行服务、交叉路口服务、卸料服务和空车返回服务)．可以采用循环网络技术，用一个离散事件动态系统网络模型对其描述，用节点来表示车辆在运行过程中的滞留活动，矢线表示车辆的流动方向和各滞留活动发生的次序．模型中不论节点还是矢线都包含所代表的信息．应用自行开发的程序，模型可以直接导入数据库中，形成整体回路节点数据[14]．

坝面施工子系统则可以看做是一个以铺料机、摊铺机和碾压机为“服务台”，以填筑单元为“服务对象”的一个复杂的、多级有限源随机服务系统．以沥青混凝土心墙的坝面施工为例，当沥青混合料入仓后，心墙施工单元层要分别接受摊铺机和碾压机的服务．

针对沥青混凝土心墙坝的施工特点，仿真过程中设置了2条线索，一个是沥青混凝土心墙区的坝料运输与填筑施工，另一个是坝体其他各区(主要指坝壳区)的坝料运输与填筑施工．其中心墙的施工仿真是控制模拟进程的主线，而坝壳区的填筑模拟是控制全过程仿真的副线，在整个计算过程中，主线有着自始至终的控制权，副线是作为主线的约束条件来影响仿真进程推进的．

3 沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真的数学建模

3.1 目标函数和优化模型

沥青混凝土心墙堆石坝施工全过程仿真是以坝体施工工序逻辑关系为基础，综合考虑降雨、严寒、机械配套和施工工艺等制约因素，以坝体施工时需要满足的各种时间、空间限制关系为约束条件，建立沥青混凝土心墙堆石坝施工全过程动态仿真的随机动态数学逻辑模型．其模型结构如下．

状态转移方程为

式中：t为系统总时钟的控制时刻，t=1,2,…,T；i为分区号，i=1,2,…,N，i=1时表示该施工区为沥青混凝土心墙区；H(i,t)为第i区、t时刻的高程；ΔH(i,t)为该区施工厚度．

目标函数如下：fD(X)和fU(X)分别表示工期的目标函数和机械配套设备利用率的目标函数．这里考虑2个优化目标，即工期和机械利用率，其优化模型为

向量X代表不同的施工方案，它的各分量称为决策变量，包括机械配置m、施工工序o和施工控制参数P等．目标是找到向量0X(某一方案)，使多目标函数取得综合最优．意义为不同施工方案下，寻求工期、机械利用率综合协调最优．

3.2 主要约束条件列举

1) 相邻区高差约束

沥青混凝土心墙上升速度受两侧坝壳料填筑的制约，规范要求心墙及过渡料与相邻坝壳料填筑高差不应超过0.8,m，当心墙及过渡料填筑高程超过相邻坝壳料较大时，会造成沥青混凝土上料困难，过渡料损耗增大．因此，当相邻坝壳料填筑进度较慢时，沥青混凝土心墙施工进度将受到较大的影响．

式中：(1)H为心墙在当前面貌下的高程；()HA、H(B)分别为心墙两侧的坝壳料填筑到的高程；Hmax为高差最大允许值，取0.8,m．

2) 钻芯取样对沥青混凝土心墙坝面施工的影响约束

根据规范要求，沥青混凝土心墙每升高2～4,m做一次钻芯取样检测，主要检测密度、空隙率和设计要求的其他各项指标，而钻孔取芯在沥青混凝土心墙温度较高的情况下一般无法取得有效的芯样．从实际情况看，当沥青混凝土心墙表面温度降至与环境气温相差不大并且不超过30,℃时，钻孔取芯才能成功．因而夏季施工时钻孔取芯一般需耽搁3,d，气温较低的情况下最少也需耽搁2,d．

式中：TS(j)为第j心墙施工层可进入开仓状态的时间约束条件；TF(j-1)为j-1层的完成坝面作业时间，且根据系统判断j-1层为钻孔取芯检测节点层；TW为从j-1层施工完毕到沥青混凝土心墙表面温度降至检测温度的等待历时；TL为钻芯取样检测历时．

3) 热量损失对沥青混凝土运输的约束

要使沥青混合料铺面充分压实，必须在碾压时保持适当的温度．沥青混合料的出机口温度是根据碾压温度要求、运输和摊铺过程的热量损失确定的．因此，减少热量损失甚为重要．它与运距、气温、风速、运输机械的容量与保温设施等因素有关．日本《水利沥青工程设计基准》规定，沥青混合料运输中表面温度降低不超过15,℃时，不同气温下允许的运输时间见表1．

表1 沥青混合料允许的运输时间Tab.1 Allowable transportation time for asphalt mixture

式中：Ttru(k,l)为第k号自卸汽车第l次从拌合楼向心墙施工区运输沥青混凝土的仿真历时；(τ)为随气温变化的沥青混凝土允许运输历时，τ根据仿真时钟TIME所处的季节、月份、白天或夜间取值(见表1)．

4 网络环境下施工过程的三维动态可视化分析

基于Unity3D引擎，研发出网络环境下沥青混凝土心墙堆石坝施工过程的三维可视化分析系统，用户可在逼真的虚拟场景中实时查询大坝施工进度(包括实际进度、计划进度和仿真预测进度)及其他枢纽工程施工状况，系统实现框架见图3．具体实现过程如下：

(1) 首先在3,ds Max三维建模软件中创建水电工程中不同类型的实体模型，此模型融合了施工场地总布置相关的所有动态和静态数据，是各种数据可视化的基础；

(2) 基础模型创建完毕后导出为Unity3D引擎可识别的fbx文件，将该文件导入到引擎中，根据交互需要进行必要的脚本编程以实现相应的逻辑控制；

(3) Unity3D引擎完成相关逻辑控制后，发布为一个能够实现动态加载和显示3D模型的Web Player应用；

(4) 网页系统通过加载该应用实现三维可视化的虚拟交互仿真．

图3 系统实现框架Fig.3 Implementation framework of system

5 工程应用实例

位于我国西南地区金沙江上游的某水电站，拦河大坝为碾压式沥青混凝土心墙堆石坝．该电站处于可行性研究阶段，设计最大坝高112,m，坝顶高程2,480,m，坝顶宽度为12,m，坝顶长度473.6,m．沥青混凝土心墙采用垂直式布置型式，沥青混凝土心墙顶部最小厚度0.5,m，底部最大厚度1.5,m．心墙顶部高程为2,478,m，考虑底部防渗需要，对心墙底部进行扩大，扩大区高度为3,m，扩大角度为17°，端部布置成弧形．主要工程量见表2．应用独立研发的沥青混凝土心墙堆石坝施工动态仿真软件，对此工程进行仿真计算，并对其成果进行分析．

表2 某沥青混凝土心墙堆石坝坝体主要工程量Tab.2 Engineering quantity of one RDWACC′s dam body 104,m3

构建其循环网络模型，以工程第3期为例展示，见图4．其中，每个节点都包含自身的属性信息：名称、所属回路、运距等．如此形成每一期、每一回路的网络模型，并将其导入系统数据库中．

图4 工程第3期某循环网络模型Fig.4 Cyclic operation network model of the third phase project

仿真计算得到总工期为21.6个月，月平均填筑强度为35.97×104,m3，月填筑强度最大值为63.87× 104,m3．图5和图6分别为系统输出的工程总体施工强度和心墙的施工强度．

借助网络环境下的施工动态三维可视化分析系统，如图7所示，实现了沥青混凝土心墙堆石坝施工进度的远程分析及实时控制，方便了施工管理人员对大坝施工过程的远程管理．

图5 坝体施工强度Fig.5 Whole construction intensity statistics

图6 心墙施工强度Fig.6 Construction intensity of concrete core

图7 网络环境下施工动态可视化分析系统Fig.7 Dynamic visual analysis system for construction under network environment

6 结 语

针对沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真的理论方法研究为该领域的发展开拓了道路，相应仿真计算软件以及可视化分析系统的研发与应用为沥青混凝土心墙堆石坝施工组织设计提供了先进的施工进度控制分析手段，促进了工程设计和施工管理水平的提升．沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真理论方法研究具有重要的理论意义和实用价值，在我国沥青混凝土心墙堆石坝工程建设中具有广阔的推广应用前景．

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Construction Simulation Modeling and Visual Analysis of Rockfill Dam with Asphalt Concrete Core

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

Construction simulation of rockfill dam with asphalt concrete core(RDWACC)is an advanced technology. It takes advantage of computer simulation to observe and analyze a complex construction operation. It provides a useful tool for construction design and management. The decomposition and coordination of RDWACC′s construction system were carried out，and then the basic theory of construction simulation for RDWACC was described. Considering the complex constraints of construction process，the mathematical logic relation model of construction dynamic simulation of RDWACC was built. Based on the Unity3D engine，the 3D visual analysis system for RDWACC construction under network environment was developed. The research achievements were applied to a practical project，and the results show the efficiency of the simulation models and the advancement of the technical method.

rockfill dam with asphalt concrete core；construction simulation；simulation modeling；Unity3D engine；visual analysis

TV641.4；TP391.9

A

0493-2137(2013)04-0285-06

DOI 10.11784/tdxb20130401

2012-11-27；

2013-01-15.

国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021004)；天津市应用基础及前沿技术研究计划资助项目(12JCZDJC29200).

钟登华（1963— ），男，博士，教授.

钟登华，dzhong@tju.edu.cn.