施工仿真模拟在土石坝工程上的应用研究

李玉珠，李 翔，何学仁

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

施工仿真模拟在土石坝工程上的应用研究

李玉珠，李 翔，何学仁

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

文章分析和研究了土石坝的施工理论和实际经验，运用动态顺序随机循环网络模型，采用最小时钟值法推进仿真计算，分阶段实时控制土石坝施工过程的仿真模拟方法。根据土石坝的施工特性，建立了土石坝施工仿真模拟系统，编制了相应的仿真系统软件，并采用本系统对双江口土石坝的施工进度进行了分析研究。

土石坝;施工;仿真模拟;应用研究

1 仿真模拟研究内容

施工仿真模拟的具体研究内容包括：

1）建立整体的实时动态施工仿真模拟模型。

2）模型的基本模块。

①土石方平衡调配规划；② 道路运输系统模拟；③ 坝面施工系统模拟。

3）仿真模拟的主要研究方法和技术路线：

主要研究方法：通过分析土石坝施工过程中料场、道路、坝面作业三个部分的特点以及相互之间的关系，建立土石坝施工过程动态随机循环网络模型，利用排队论中多窗口单队列交叉服务方法和动态随机循环网络技术，选择主导实体扫描法作为模拟仿真方法，使用工程可视化技术实现结果输出。

技术路线：①采用 VISUALC++语言及CATIA图形实现集成的软件技术，将 CATIA3D 图形设计工具作为交互式手段加以集成；②采用统一的时钟推进机制把坝面作业、运输及料场联系起来；③采用最小时钟值法驱动模拟系统的运行[1]。技术路线流程图见图1。

2 仿真模拟系统分析与设计

2.1 系统概述

对填筑料供应系统和运输系统来说，流程为：装料→重行→岔口→重行→卸料→空返→岔口→空返→装料，主导实体是运料机械。

图1 技术路线流程图

对坝面填筑系统来说，流程为：坝面分块→卸料→铺料（洒水）→碾压→取样检查→坝面分块→卸料→铺料（洒水）→碾压→取样检查，主导实体是碾压机械。

这两个循环过程既相互独立又相互制约，在填筑料供应系统和运输系统中，程序由运料机械控制并推进；到达坝面后，程序由碾压机械控制并推进。

2.2 填筑料供应系统

料场模拟程序流程。在车辆到达料场后先确定该车辆所装填筑料种类，然后判断该采区的装车机械是否空闲，此时出现两种情况：如果空闲，则计算装车时间、累计料场供应总量，然后判断此时料场的供应总量是否超过料场可能供应的总量，如超过，且车辆的子时钟值小于相应的料场时钟值，则车辆推进到料场时钟值。相反，则车辆子时钟值累加装车时间向前推进，同时将车辆下一个到达的位置传递出去；如果装车机械繁忙，则首先将车辆子时钟值推进到最先完成装车任务的装车机械时钟值，然后判断是否有等待队列。如没有，则等待队列加一，如有，先判断该车辆是否已经在队列中，如在，则等待队列长度不变，否则，等待队列加一。

2.3 运输道路系统

1）道路系统模型建立。道路系统服务机构中的服务规则是损失制，即车辆到达服务机构，如果有服务员空闲，则接受服务，不用排队等待。如果服务员都在忙，车辆必须等待，接受这一级的服务后，才能到下一级去。准确的讲它的服务规则应该是有条件的损失制。

2）岔口系统模型建立。根据城市交通，为其设置了虚拟红绿灯作为指挥车辆通过的规则。

2.4 坝面填筑系统

2.4.1 基本做法

把坝体的一个填筑过程离散成许多层，每层根据工作段划分原则，再划分为若干块；每个填筑块均有空闲、卸料、碾压、完成四种状态。模拟过程就是确定每一填筑层的每一块的开始填筑时间和填筑完成时间，当该层的所有填筑块完成时，该层填筑完毕。

2.4.2 坝面填筑系统仿真约束条件

1）气象约束。对于降雨和低温停工，认为符合离散型随机变量在区间内的等概率事件。

①模型的前提条件：降雨（或低温）为一随机过程，即降雨（或低温）是随机均匀分布的，且有一定概率，但未来降雨（或低温）天数与历史统计对应月的 平均降雨（或 低温）天 数 应 相 等[3]；月 内日降雨（或低温）相互独立，不同日的降雨（或低温）互不影响,且为均匀随同分布，某日降不同雨量（或低温）的概率也相互独立[3]；不影响施工的降雨（或低温）不考虑。

②模拟计算要点：第一步、根据多年统计结果，得到各雨量级、低温在某月内的概率范围，假设月内各日降雨、低温统计独立，对于特定某日产生一个随机数，根据随机数落入的频率区间认定该日降雨与否、降雨量是多大，是否属于低温停工情况。对整个施工期每天进行判断则可以得到一个气象序列。第二步、将生成的若干个气象序列和确定的气象停工标准结合分析确定气象对大坝填筑的影响，得到每日的停工开始时间、停工结束时间。第三步、施工模拟中推动时钟时，判断当日气象条件的影响。

2）相邻区约束。设本填筑区高程为 HTB，相邻区高程为 HTA，容许相邻最小高差为 MINH，最大高差为 MAXH，则该填筑区相邻区约束条件为：HTB-HTA＞MINH 或 HTB-HTA＜MAXH

2.5 实时三维显示系统

2.5.1 语言选择和开发环境

土石坝仿真程序使用微软公司的 VisualC++ 6.0 开发。

2.5.2 界 面

仿真系统使用 WINDOWS 标准的 MDI风格界面。主要的视图分为输入视图（展现输入相关信息）、主计算视图（展现计算过程）以及成果分析视图（展现土坝仿真的计算成果）。

主视图又被分割成三个区，分别为二维图、信息显示和仿真控制。

2.5.3 程序组织

程序组织采用时钟，在每个时钟事件发生时做一个（或多个）仿真循环。

2.5.4 三维建模和三维显示

CATIA 是一个在机械行业应用比较广泛的软件。CATIA 能满足土石坝三维模型创建的需要，同时也支持微软自动化二次开发。经过长期努力和反复摸索，在 CATIA 提供的自动化和 VC 之间（或 VB），作一个连接，让仿真软件通过接口访问CATIA，可以达到计算坝面面积和反映仿真过程中大坝上升过程的目的。

2.6 仿真系统集成

采用 VISUALC++语言编制仿真软件，使填筑料供应系统、运输道路系统、坝面填筑系统完整的结合在一起，客观反映现场实际施工情况；通过对 CATIA 的二次开发，使仿真结果能够实时、动态、同步反映坝体模拟施工状态（三维）。

3 仿真模拟计算

3.1 模拟计算方案及计算结果分析

该仿真系统研究以西南某电站为依托，该大坝为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程 2510.00m，河床部位心墙底高程 2198.00m，最大坝高 314.00 m。工程所处地区冬季寒冷，雨季降雨较多。

土石坝施工和众多因素密切相关，如碾压厚度、遍数、机械设备配置数（主要为振动碾和汽车）、料场供料强度、道路允许行车速度、天气等。但各因素的影响程度在传统的施工组织设计中很难定量分析判断，笔者利用仿真软件对拟定的若干方案分别对其影响进行分析比较，结果如下：

1）对土石坝施工工期影响最大的因素主要有料场供应强度、设备配置数量（装载设备、运输设备、碾压设备）。

2）对土石坝施工工期影响较大的因素主要有运输车辆通行速度、运输设备的载重量。

3）在仿真模拟过程中对降雨因素予以充分考虑、并采用坝面动态划分等手段平衡强度和进度的情况下，气候因素对土石坝施工工期影响不太大。

4）填筑厚度及碾压遍数变化对大坝填筑工期和填筑强度影响不大；心墙填筑厚度与坝壳料填筑厚度需相互匹配，单提高一个，工期不能加快。

4 结论与建议

1）土石坝施工过程中受料场开采、道路、坝面作业、气候、施工机械、管理方法等诸多不确定因素的影响，反映这一过程的仿真系统复杂而专业。通过系统在某工程可研设计中的应用和计算结果分析，表明该系统考虑了上述诸多影响因素，能够客观地描述土石坝施工过程，计算结果符合施工设计和实际情况，可以为工程的设计和施工提供合理的依据，也可以应用到类似坝型的施工设计和管理中。

2）上述研究为面向对象的土石坝施工仿真系统的开发打下了基础，为从事土石坝施工组织设计、管理的科研人员和工程技术人员，提供了一个平台，并为以后的扩充奠定了基础；可进一步结合施工过程综合数据采集技术、GPS 等质量控制技术，对工程施工过程进行实时进度和质量控制，实现水电站大坝施工的全生命周期的管理。

［1］董淑芳.降雨对土石坝施工过程影响的计算机模拟研究［J］.山东建筑工程学院学报，1996（12）：58-61.

［2］李玉珠.土石坝施工仿真模拟中坝面填筑系统的初步研究［C］.系统工程论文集，2005：105-109.

［3］何学仁，李翔.土石坝施工仿真中运输系统模型的建立及应用［C］.系统工程论文集 2005：313-316.

1002－0624（2014）11－0049－02

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2014-08-19