混凝土坝施工模拟研究现状与展望

周厚贵 戴志清 张开广 孙昌忠 曹生荣

（1.中国能源建设集团有限公司，北京 100029；2.中国葛洲坝集团股份有限公司，湖北 宜昌 443002；3.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

由于混凝土坝具有安全可靠、对基础适应性强、便于施工导截流、设计／施工／运行管理经验丰富等优势，特别是碾压混凝土坝具有快速、经济施工的特点，混凝土坝的应用范围和坝体规模日益增加，已在水电站挡水建筑物中占据主导地位［1］.混凝土坝施工是工程建设的实施阶段，施工组织与管理的任务和要求在于按照设计方案，将施工现场的各项工作组织地有条不紊，互相协调，以期用最少的人力、物力和财力，在保证工程质量与施工安全的前提下，按预定的工期，如期或提前完工，投入运转，发挥效益［2－3］.因此，混凝土坝的施工组织与管理成为混凝土坝工程建设中的重要课题.

影响与限制混凝土坝施工的因素有水文气象条件、坝体结构型式、工艺技术水平、施工组织方式及混凝土供应、浇筑设备能力和效率等方面内容［4］.从系统工程的角度，凝土坝的施工组织与管理是一个影响与限制因素多、不确定性因素多、各施工环节关系复杂，牵涉多个部门、使用多种资源、追求多个目标的，高维的、随机的、动态的巨型系统，系统内部结构和系统边界都很复杂.因此，在混凝土坝施工组织与管理的研究中，除施工机械配套等个别问题外，对该系统的研究难以通过解析模型描述，也无法通过物理模型实验分析其中的机理.

由于混凝土坝施工的计算机模拟可以在满足工程设计与施工有效精度的前提下，实现对混凝土坝施工过程的模拟，对施工方案进行验证、分析与评价，且具有成本低廉、速度快、可无限重复、施工方案易于修改等优势，已经成为研究混凝土坝施工组织与管理问题的有效手段与普遍方式.因此，国内外针对混凝土坝施工模拟问题展开了广泛而深入的研究，近年我国的大中型混凝土坝建设中都采用计算机模拟这一手段对其施工组织方案进行模拟研究.混凝土坝施工模拟研究工作对于提高混凝土坝施工组织方案的技术可行性、经济合理性发挥了重要作用.

本文在系统分析混凝土坝施工模拟的研究内容、理论基础、成果形式等的基础上，总结了近年混凝土坝施工模拟的研究工作进展，并指出了混凝土坝施工模拟研究的发展方向，以期为相关工作提供参考和借鉴.

1 混凝土坝施工模拟研究概况

1）混凝土坝施工模拟的研究内容.混凝土坝施工模拟研究工作主要围绕混凝土坝设计阶段的整体施工方案合理性检验、施工方案优选、施工进度计划编制、工期预测与检验、混凝土浇筑机械配套方案优化与合理性检验、施工过程可视化、以及混凝土坝施工管理系统或决策支持系统等问题展开.

2）混凝土坝施工模拟研究的理论基础.混凝土坝施工模拟研究的主要理论基础为离散事件系统建模与仿真理论和面向对象理论［5－6］，研究工作的核心在于基于以上理论建立混凝土坝浇筑施工过程的模拟模型.此外的主要理论基础有：在结果表达上利用可视化技术、GIS理论和方法实现了模拟结果的可视化［7－8］，利用虚拟现实技术建立混凝土坝施工的虚拟场景［9］，利用多目标评判理论与方法［10］、熵理论［11］对模拟结果进行评价与优选.

3）混凝土坝施工模拟研究的成果形式.研究工作的成果反映为工期、机械配套方案、进度计划、混凝土浇筑施工瓶颈、各类统计数值等用于辅助决策的定量化参数，对施工组织方案的定性描述与评价，以及形象化的坝体施工过程三维图形3个方面.

2 混凝土坝施工模拟研究现状分析

自从1973年在第11届国际大坝会议上Jurecha W和Widmann R公布混凝土坝浇筑过程模拟研究成果［12］，1977年 Halpin D H 发表相关研究成果［13］以来，随着其他学科理论和技术的发展，混凝土坝施工模拟的研究工作不断深入和完善［14］.

经过近些年的发展，混凝土坝施工模拟的研究成果颇为丰富.文献［15］是20世纪混凝土坝施工模拟研究工作成果的集中体现，文献［4］和文献［16］则集中反映了新世纪前后混凝土坝施工模拟在可视化技术、系统建模技术等方面的新进展与新成果.

1）不同坝型施工模拟研究.这些研究成果按照混凝土坝的坝型可以划分为混凝土重力坝［17］／混凝土拱坝［18］、碾压混凝土坝重力坝［19］／碾压混凝土拱坝［20］.不同坝型的施工模拟研究并无本质的区别，只是模拟模型中模拟流程与施工参数需要根据不同坝型的特点、施工工艺、施工流程、施工约束与要求确定，其基本原理与思路是一致的.

2）不同模拟方式的研究.从现有研究成果来看，对混凝土坝的施工模拟主要分为两个方面，数值模拟和可视化模拟.数值模拟研究工作侧重于通过建立模拟模型预测工期，验证进度计划的可行性与合理性，机械配套方案的可行性与合理性.可视化模拟则是实现坝体施工过程的三维展现.目前的大部分工作都已实现了两者的有机结合［18，21－22］，即将数值模拟计算的结果反映在三维图形中.在两种模拟方式中，数值模拟是基础与关键，只有在数值模拟结果正确的基础上实现的可视化模拟才是有意义的，当然，可视化模拟增强了数值模拟成果的形象化水平与直观性.

3）模拟模型建模研究.对混凝土坝施工模拟的绝大部分研究工作都是基于离散事件系统建模与仿真理论［5］进行的，其核心工作在于如何将现实中混凝土坝的施工过程转化为施工模拟模型，模型与现实系统的相似性成为模拟结果精度的保证.而混凝土坝施工过程复杂，建模过程必要的简化在所难免.因此，如何在保证模型精度的前提下，合理地简化模型成为模拟模型建模，甚至是混凝土坝施工模拟的关键.因此，在基于离散事件系统建模与仿真理论的混凝土坝施工仿真模型建模中，需要根据模型相似理论［23］，要求所建模型充分反映混凝土坝施工的主要流程、关键环节、主要工艺和施工约束，并采用模型的V＆V技术对模型的有效性进行定性和定量的评价［14，24］.

混凝土坝施工模拟的另一重要理论基础为面向对象理论［6］.在这一建模方法中，将混凝土坝施工的各要素视为属于不同级别的对象，通过对象之间的一系列操作实现对混凝土坝施工过程的模拟［25－26］.基于面向对象理论建模的关键在于实现混凝土坝现实施工系统向“对象”系统的有效映射.

4）模型参数选取问题研究.由于混凝土坝施工过程的有效工作时间、机械生产率、机械故障发生率等参数都具有不确定性和随机性.当模拟模型建立以后，如何选择合适的参数对于模拟结果的精度和有效性同样非常重要.在多数研究工作中［17］，模型中以上参数的选取都是基于概率论，通过设置一定的随机函数，由随机函数产生随机数，最后通过随机数计算有效工作时间、机械故障率等参数.因此，参数选取的重点转化为如何建立反映实际施工过程的随机函数.丰富的历史施工数据统计资料成为建立和验证随机函数有效性的重要基础.文献对模拟模型的参数做了敏感性分析，在不影响模拟结果可行性或合理性的情况下确定了模型参数的可行域.文献则是利用模糊综合评判方法对混凝土坝施工模拟系统运行结果进行评判，对带有随机参数模拟模型的每次计算结果的有效性进行量化评判.

由于以上研究工作都是在混凝土坝设计阶段进行的施工模拟，具体的参数都为理论值或预设值，准确地选取参数成为模拟结果精度的关键.如果是在施工阶段进行的混凝土施工模拟，则可以随着施工过程的推进，根据施工实际参数不断地对有关参数进行修正.

5）混凝土坝可视化模拟研究.单纯的混凝土坝施工过程数值模拟结果缺乏直观性，不易理解，可视化模拟充分利用三维图形展示坝体浇筑过程，已成为混凝土坝模拟不可或缺的重要方面［18，21－22，29］.这一部分研究工作都是基于GIS与计算机图形学的基本原理，其重点在于建立数值模拟与图形仿真之间的接口，实现两者之间的一致性与交互性.

随着可视化更高级形式——虚拟现实技术的出现，混凝土坝施工的虚拟现实工作也随即展开［9，30］.文献应用VRML虚拟现实建模语言及PHP动态网页技术，实现了基于网络三维技术（Web3D）的水电工程施工过程可视化模拟和施工信息的交互式查询；文献采用高效的图形渲染引擎，将复杂的施工过程用逼真的三维动画形象地描述出来，展现出具有真实感的可实时交互的虚拟施工场景.有关混凝土坝施工虚拟现实的研究工作总体上还处于初步阶段，主要围绕施工场景的搭建展开，如何实现真正意义上的混凝土坝施工虚拟现实、实现施工过程的数值模拟与虚拟现实场景的实时互动和交互操作，还有很多工作要做.

6）施工模拟与管理系统研究.混凝土坝施工模拟研究工作本身就在一定的软件环境中进行，软件系统的开发既是混凝土坝施工模拟的工作过程，又是研究成果的一部分，因此，众多研究工作都开发了混凝土坝施工模拟的软件系统［17，19，21，25］.此外，文献［31］将混凝土坝施工中的施工作业、设备维护和生产管理集成为一个统一的管理与决策支持系统，使三峡二期工程的施工质量、施工设备的可利用率、施工生产的效率三者统一起来，实现了施工管理的信息化和决策的最优化.文献［32］提出了混凝土坝施工管理决策支持系统的系统目标、功能要求与设计原则，并用系统模拟的方法作为辅助混凝土坝施工管理决策的实现手段，在此基础上结合三峡二期工程大坝施工建立其总体结构和模型库、数据库.文献［33］建立了基于Multi－Agent的混凝土坝浇筑模拟模型框架.这些系统的开发和应用对于提高混凝土坝施工组织管理和决策的效率和效能发挥了重要作用.

7）混凝土坝施工模拟的其他研究工作.在其他一些研究工作中，基于多种理论和方法、从不同的视角研究混凝土坝施工模拟问题.文献［33］基于Multi－A－gent理论建立混凝土坝浇筑模拟模型框架；文献［34］提出了一种基于戏剧理论的混凝土坝施工可视化模拟框架；文献［35］采用智能设计专家系统的基本原理，建立了碾压混凝土智能并仓模型.此外，在模拟模型建模、算法实现、系统开发方面还有很多创新的成果.

8）混凝土坝施工优化研究工作.如前所述，混凝土坝的施工过程难以通过解析模型描述，同样也得不到理论意义上的最优解.而混凝土坝施工模拟的主要目的之一就是实现对混凝土坝施工过程的优化.

混凝土坝施工的优化研究基本通过这样的方式实现：以混凝土坝施工模拟为基础，通过对不同施工方案的模拟，得到各个施工方案的技术经济指标，由决策者选择技术经济指标均较为理想或满意的方案作为施工方案［17，21］.这个意义上的优化可以理解为从有限个预选施工方案中优选出最优方案.预选施工方案来源于两个方面，一是由模拟模型外部提供的差别较大的若干施工方案；二是针对某个外部提供的已知施工方案，通过对该方案中相关参数的调整，如机械数量、拌和楼生产率等，形成一系列新的施工方案，通过模拟寻找其中的最优方案.

3 混凝土坝施工模拟的发展方向

衡量混凝土坝施工模拟模型研究成果的标准在于模拟结果的精度、可靠性与实用性，评价混凝土坝施工模拟与管理系统的标准在于系统使用的舒适性和直观性.这些标准也就是混凝土坝施工模拟研究工作发展的方向.另外，现阶段混凝土坝的施工模拟主要是针对工程进度、施工机械、施工布置等相关要素的模拟，尚未与坝体应力、温度等关联，工程进度与这些要素的联合模拟将使模拟研究工作的作用更为重大.同时，随着其他学科基础理论的完善与应用的成熟，混凝土坝施工模拟的研究工作也将随之不断推进.因此，从总体上讲，混凝土坝施工模拟研究工作呈现精细化与动态化、智能化、人性化、综合化、最优化的发展趋势，也就是需要进行以下几个问题的研究工作.

1）精细化与动态化：混凝土坝施工阶段的模拟.混凝土坝设计阶段的模拟主要是为制定与评价混凝土坝施工方案服务的，是对混凝土坝施工全过程的一次性模拟，从混凝土坝开始施工一直到完工.而在混凝土坝的施工阶段，混凝土浇筑施工的各项限制与要求不断变化，对模拟结果的时间尺度和空间尺度也有更高的要求.也就是说，混凝土坝施工阶段模拟的限制与约束更多，需要建立更为微观的、与施工实际进度同步推进的模拟模型，需要更高的模拟计算结果精度.因此，如何解决施工阶段的混凝土坝施工模拟，为施工现场管理与决策服务将是混凝土坝施工模拟的新课题.

2）智能化：决策支持系统及专家系统的开发.无任是混凝土坝设计阶段的混凝土浇筑方案制定，还是混凝土坝的施工现场管理，都需要反复对施工方案进行调整、验证、优化.而混凝土坝施工模拟系统的用户为普通的水电工程技术人员，并无计算机系统专业知识，系统需要具备对普通用户的普遍适应性.由于决策支持系统和专家系统具备这方面的优势，即具备一定的智能.因此，决策支持系统或专家系统的开发将是混凝土坝施工模拟的理论成果为广大工程技术人员利用的关键所在.

3）人性化：虚拟现实技术的应用.现有研究工作中的可视化模拟研究工作已经在一定程度上实现了直观、形象的模拟结果，但应该说还没有达到“逼真”的程度.如果可以给工程技术人员和管理人员以“逼真的施工场景、逼真的施工过程”的模拟结果，对于提高混凝土坝施工组织管理与决策的科学性与效率的意义重大.正在发展中的混凝土坝虚拟现实研究工作即可满足以上要求.虚拟现实技术具有沉浸性、逼真性、便于人工交互操作等优势，是工程建设过程的虚拟再现和预演，基于虚拟现实技术的混凝土坝施工模拟研究将是该项工作的一次革新.

4）综合化：施工进度、坝体温度场、坝体应力场等的联合模拟.通常意义上的混凝土坝施工模拟指的是对施工进度和施工过程的模拟，尚未涉及坝体温度、坝体应力等因素.而不同的施工方案和施工过程除对施工进度、施工机械等要素相关外，对于坝体的温度场、坝体应力场也有影响［36－37］.因此，如能将混凝土坝的进度模拟、温度模拟、应力模拟等综合考虑，其模拟结果对指导混凝土坝设计与施工的意义更为重大.

5）最优化：实现对混凝土坝施工过程的优化.目前对混凝土坝施工优化的研究工作尚显不足，基本限于通过对不同施工方案的模拟实现方案的优选，未能产生理论上的最优解.通过解析模型求解整个施工方案的最优解固然不可能或实际上不可能，但对于混凝土坝施工组织与管理中的局部问题，可以通过解析模型寻求最优解.混凝土坝施工组织与管理的最优化问题有：混凝土生产系统施工机械优化配套问题、连续生产机械与间断生产机械的优化配套问题、道路限制下的混凝土运输车辆优化调度问题、成本进度联合优化问题、施工过程混凝土入仓机械优化调度问题等.这些优化问题的研究工作与混凝土坝施工模拟密不可分，也是混凝土坝施工组织与管理中的重要课题.

4 结 语

混凝土坝是当前水电工程枢纽建筑物的主要形式，施工模拟是研究混凝土坝施工组织与管理的有效手段，对于确保混凝土坝施工进度、质量与成本目标的实现发挥了重要作用.如何建立有效的模拟模型，并借助其他学科的理论、方法与技术丰富与完善混凝土坝施工模拟的研究手段、内容与成果将是本课题发展中需要解决的核心问题.相信不断完善和发展的混凝土坝施工模拟研究工作将在混凝土坝的建设中发挥更大的作用.

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