常昊天，鐘登華，王雙起，陳永興

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

耦合動態(tài)合倉的碾壓混凝土壩施工進度全過程仿真

常昊天，鐘登華，王雙起，陳永興

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

為了提高碾壓混凝土壩施工仿真模型的可信度，以適應其大面積、多壩段合倉澆筑的特點，運用三維實體建模技術、數(shù)據庫技術等，在碾壓混凝土壩施工進度全過程仿真中耦合了動態(tài)合倉的模擬方法，即：在仿真過程中綜合考慮了各項約束條件，實現(xiàn)可澆筑壩塊的動態(tài)選擇與施工倉面的動態(tài)劃分．同時，以VC++為開發(fā)平臺，引入面向對象的仿真建模思想和方法，結合循環(huán)網絡模擬技術以及排隊服務系統(tǒng)建模技術，實現(xiàn)了面向對象的施工動態(tài)仿真和施工過程的一體化仿真，使仿真結果更貼近實際施工．研究成果應用于云南某水電站工程中，為該工程的設計與施工提供了決策依據．

碾壓混凝土壩；施工全過程仿真；動態(tài)合倉；面向對象技術；一體化仿真

碾壓混凝土壩施工工藝的多壩段合倉、連續(xù)、快速澆筑的突出特點使其成為當今壩工界的主要壩型之一．中國在1986年建成的坑口重力壩中開始采用碾壓混凝土筑壩技術，時至今日，我國無論在碾壓混凝土壩的設計、施工還是科研等方面的先進性均處于世界領先水平．起初，碾壓混凝土壩澆筑的進度計劃安排主要是基于工程類比，或是依據資源平均強度采用趨勢外推的進度預測方法，這種傳統(tǒng)的做法缺乏科學性，難以提供及時可靠的決策信息；并且，由于碾壓混凝土壩施工過程是一個復雜的隨機動態(tài)過程，是一個半結構化問題，難以通過數(shù)學解析模型來分析．隨著計算機技術、系統(tǒng)仿真技術的發(fā)展與應用，碾壓混凝土壩施工進度仿真研究為解決此類問題提供了可靠手段[15]．

20世紀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的計算機仿真模型，并應用于龍灘工程；21世紀，鄭家祥[7]將計算機數(shù)字模擬技術成功運用于高碾壓混凝土拱壩施工管理與進度控制領域，采用深度緩沖區(qū)消隱技術對沙牌碾壓混凝土拱壩施工過程進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態(tài)可視化仿真系統(tǒng)，借助地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺顯示大壩澆筑的三維動態(tài)上升過程，且成功應用于金安橋工程中；趙長明等[10]采用面向過程的仿真方法，按照事件的進程對碾壓混凝土壩施工進行了動態(tài)仿真．針對混凝土大面積合倉澆筑問題，趙春菊等[11]建立了基于碾壓混凝土壩體施工過程動態(tài)仿真的倉面規(guī)劃模型，根據壩體上升過程中壩段動態(tài)屬性的實時變化進行倉面規(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，確保仿真模型對原型系統(tǒng)描述的可靠性，提高仿真結果的可信度，已經成為碾壓混凝土壩體施工組織設計和決策管理發(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問題時，大都主要根據機械入倉強度、混凝土初凝時間和碾壓層厚度反算出最大可合倉面積，并據此確定合倉壩段數(shù)，沒有充分反映碾壓混凝土壩的施工工藝特點．近年來，國內有學者通過多次仿真實驗來完成對倉面規(guī)劃方案和施工組織方案的優(yōu)選，但并沒有真正將施工合倉的動態(tài)模擬引入到施工進度的全過程仿真系統(tǒng)當中．針對此問題，本文結合三維實體建模技術和數(shù)據庫技術等，通過系統(tǒng)分析影響壩塊選擇和倉面劃分的各種因素，綜合考慮了各項有關壩體上升、進度控制的原則約束，實現(xiàn)了耦合動態(tài)合倉模擬方法的碾壓混凝土壩施工全過程動態(tài)仿真．

此外，現(xiàn)有的碾壓混凝土壩施工仿真大都采用結構化設計和面向過程的編程方式，這種采用搭積木的方式組成整個系統(tǒng)，忽視了碾壓混凝土壩施工系統(tǒng)內部的聯(lián)系，其結果通常可讀性差，不便維護，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．為解決以上問題，本文在碾壓混凝土壩施工進度的全過程動態(tài)仿真中引入了面向對象的系統(tǒng)仿真技術；碾壓混凝土壩施工系統(tǒng)由混凝土運輸和倉面澆筑兩個子系統(tǒng)組成，以往認為混凝土運輸子系統(tǒng)中不同上壩運輸機械組合的入倉強度近似符合正態(tài)分布，通過可視化界面將根據傳統(tǒng)經驗和工程類比得到的參數(shù)手工輸入到系統(tǒng)中，然后在模擬過程中依據概率統(tǒng)計產生的入倉強度對倉面澆筑子系統(tǒng)進行仿真．本文以循環(huán)網絡模擬技術為基礎，將混凝土運輸和倉面澆筑2個子系統(tǒng)有機地結合起來進行一體化仿真，以各時刻的運輸上壩方量代替近似入倉強度，較逼真地預演了碾壓混凝土壩的施工過程．

1 面向對象的碾壓混凝土壩施工全過程動態(tài)仿真

面向對象仿真的本質并不在于采用了某種面向對象的程序設計語言，而在于它引入了一種新的仿真建模思想和方法，因而有其獨特的一套仿真建模框架體系，它不依賴于任何編程語言[18]．由于面向對象的方法的分析、設計和實現(xiàn)系統(tǒng)的觀點與人們認識世界的思維方式極為一致，因而將它應用于計算機仿真領域增強了仿真研究的客觀性，易于理解，同時又具有可擴展性和可重用性[19]．文中采用面向對象的方法和Visual C++6.0開發(fā)平臺，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 面向對象分析

按照面向對象的軟件開發(fā)步驟，建立碾壓混凝土壩施工全過程動態(tài)仿真模型需要對仿真系統(tǒng)進行面向對象分析(object-oriented analysis，OOA)，即進行識別對象和劃分層級．按照仿真模型屬性，系統(tǒng)模型包括實際映像類模型和支持控制類模型．實際映像類模型是指作為碾壓混凝土壩實際施工過程映像的模型對象，支持控制類模型是指與描述系統(tǒng)結構、支持邏輯關系以及控制仿真過程相關的模型對象．另外，還需定義各個類的屬性和相互之間的操作，設計一個符合規(guī)范的接口，從而實現(xiàn)模型對象之間系統(tǒng)結構和邏輯關系的確定，以及它們之間通過發(fā)送消息進行的交互．

碾壓混凝土壩施工動態(tài)仿真模型的系統(tǒng)分類和層級結構如圖1所示．

1.2 面向對象設計

面向對象設計(object-oriented design，OOD)階段的主要任務是在OOA階段所建立的模型系統(tǒng)的基礎上，綜合考慮有關系統(tǒng)實現(xiàn)的各種因素，完成對象的設計和系統(tǒng)體系的確定，主要包括對象設計和系統(tǒng)設計．對象設計主要是設計每個類特有的屬性結構和行為過程，例如每個屬性的數(shù)據結構和行為的實現(xiàn)算法．系統(tǒng)設計是為了使軟件系統(tǒng)形成邏輯清晰的層次結構．本系統(tǒng)分為模型參數(shù)、方案設計、仿真計算以及成果展示4個大模塊，系統(tǒng)的層次結構如圖2所示．

圖1 模型的系統(tǒng)分類和層級結構示意Fig.1 Classification and hierarchy of the model

圖2 RCCDCSS系統(tǒng)結構示意Fig.2 System structure diagram of RCCDCSS

2 碾壓混凝土壩施工全過程的一體化仿真

碾壓混凝土壩施工由混凝土運輸和倉面澆筑2個子系統(tǒng)組成．混凝土運輸子系統(tǒng)(以其中最主要的自卸汽車直接上壩入倉方案為例)是由裝料、運料、卸料、空返等組成，是循環(huán)的周而復始的運行過程．而循環(huán)網絡模擬技術(simulation technique of cy-clic network)把排隊理論、計算機仿真技術與網絡計劃技術結合起來，正適用于模擬具有循環(huán)特征的建設生產過程．本文采用了上述技術，用一個離散事件動態(tài)系統(tǒng)網絡模型對混凝土運輸上壩過程進行描述，節(jié)點用來表示車輛在運行過程中的滯留活動，矢線表示車輛的流動方向和各滯留活動發(fā)生的次序．另外，碾壓混凝土壩倉面澆筑子系統(tǒng)是一種特殊的、復雜的、多級的隨機有限源排隊服務系統(tǒng)(其中，以澆筑機器為“服務臺”，以施工倉塊為“服務對象”)．由于碾壓混凝土壩多壩段合倉澆筑的特點，系統(tǒng)構建排隊服務規(guī)則時，要充分考慮各澆筑倉位的空間層次關系、混凝土入倉手段和分期分段的施工工序等因素，同時還要結合倉面的規(guī)劃方案來判斷壩段是單獨接受施工機械的澆筑服務，還是等待相鄰壩段合為同一澆筑倉后共同接受服務．

混凝土運輸和倉面澆筑是2個相對獨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輸上壩方量．碾壓混凝土壩施工過程如圖3所示．由圖3可見，混凝土運輸子系統(tǒng)卸料的結束即是倉面澆筑子系統(tǒng)混凝土攤鋪的開始．如果混凝土的運輸入倉強度不能滿足倉面澆筑碾壓的需求，則會延誤倉面的施工；相反，如果倉面澆筑強度達不到運輸?shù)纳蠅畏搅浚瑒t會要求混凝土運輸子系統(tǒng)減少入倉方量．可見，保證兩者的協(xié)調一致是進行碾壓混凝土壩施工過程一體化仿真的關鍵．

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

為了能夠對2個子系統(tǒng)進行一體化仿真，本文采用了最小事件步長時鐘推進法．在程序中設置了2個主導實體：一個是自卸汽車，用來在混凝土運輸子系統(tǒng)中推進仿真時鐘的運行；另一個是各施工倉面上的碾壓鋪層，用來控制壩體的上升．仿真中，當進行倉面混凝土施工時，仿真時鐘的控制權屬于混凝土鋪層；當倉面的施工工藝結束后，控制權被移交給運輸子系統(tǒng)中的汽車實體．控制權在2個主導實體之間交替變換，循環(huán)往復，直至整個仿真過程結束．

3 基于碾壓混凝土壩施工全過程仿真的動態(tài)合倉

碾壓混凝土壩施工工藝的突出特點為多壩段合倉、連續(xù)和快速澆筑．在倉面澆筑子系統(tǒng)中，倉面劃分方案隨著壩體的不斷升高具有動態(tài)變化性和后效性，即每一個澆筑倉位接受澆筑服務后對其他倉位的狀態(tài)和邊界條件會產生影響，每一次澆筑服務完成后，都要重新調整合倉規(guī)劃．優(yōu)化壩段組合，使倉面劃分合理的目的是使大壩施工的各項關鍵指標(包括混凝土澆筑工期、壩體施工強度的均衡度以及澆筑機械的利用率等)達到協(xié)調較優(yōu)[20]．本文在進行碾壓混凝土壩施工全過程進度仿真與動態(tài)優(yōu)化研究過程中綜合考慮各項限制條件的約束，對碾壓混凝土壩的施工倉面進行動態(tài)劃分，即動態(tài)合倉．

3.1 數(shù)據采集與處理(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)、機械參數(shù)、時間參數(shù)和施工參數(shù)．在進行施工仿真的前處理時，獲取形體參數(shù)和體積參數(shù)的方法就是根據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)據結構，構造出壩體的三維精細模型，如圖4所示．利用Rhino VBScript編程工具，以鋪層為基本單元對壩體進行布爾切割后，可以得到各鋪層不同混凝土澆筑區(qū)域的控制點坐標、面積和體積等基礎參數(shù)．仿真所需的其他參數(shù)也可通過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

獲得基礎數(shù)據后，還需要進行進一步的處理，來構造仿真系統(tǒng)的實體對象．本系統(tǒng)采用動態(tài)分層分塊的方法，機械對象是在仿真計算之前構造，而壩塊是在仿真過程中動態(tài)創(chuàng)建的．為了能動態(tài)創(chuàng)建對象，需要將對象的屬性數(shù)據存儲到數(shù)據庫中，鋪層對象的屬性包括編號、類型屬性、起止高程、控制點坐標、混凝土量、入倉澆筑機械、所屬的約束區(qū)類型以及鋪層狀態(tài)等，其數(shù)據分別從屬性參數(shù)和鋪層形體參數(shù)中取得后，存入Microsoft Office Access數(shù)據庫．有了鋪層數(shù)據庫，就可以在仿真中動態(tài)地調用鋪層數(shù)據來構造澆筑壩塊．

3.2 可澆筑壩塊的動態(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．施工過程中的同一時刻面貌下，考慮各種影響因素和限制條件(例如：壩體結構形式、施工機械的種類與利用程度、混凝土間歇時間、廊道施工干擾、金屬結構及設備安裝工程影響、天氣氣候狀況等，且很多因素都是隨機變化的)，只能選擇部分倉塊進行澆筑．在仿真計算過程中，如何確定這些壩塊，并進一步選擇即將澆筑壩塊是大壩混凝土澆筑倉位進度安排的一個重要問題．

然而，整個壩體的壩塊成千上萬，影響因素和限制條件復雜多變，可澆筑壩塊的安排是一項即復雜又困難的工作．根據均衡施工、優(yōu)先選擇低高程壩塊等原則，在計算機仿真程序中構建邏輯判斷模型做可澆筑壩塊的掃描和初選，即進行概括性的施工進程編排，其選擇流程如圖5所示．然后調用內嵌的專家系統(tǒng)(expert system，ES)來調整仿真控制參數(shù)以適應隨機變化的邊界約束，輔助可澆筑壩塊的動態(tài)決策和安排．這樣在滿足控制性計劃和資源合理分配的前提下，既實現(xiàn)了計算機的快速高效處理，又科學地利用了領域內專家的知識和經驗，同時體現(xiàn)了設計施工中決策的靈活性．

3.3 施工倉面的動態(tài)劃分(動態(tài)合倉)

在基于動態(tài)合倉的施工仿真過程中，根據模擬時鐘的當前面貌，動態(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，調用合倉控制模塊進行合倉判斷，決定是否需要添加合倉約束進行合倉等待，具體的動態(tài)合倉流程如圖6所示．當相鄰可澆筑壩段經判斷滿足高差相等或接近、混凝土入倉手段類型相同等條件，且合倉后所需上壩入倉強度小于當前時刻系統(tǒng)剩余供應強度時，則可進行合倉施工．仿真模型系統(tǒng)以各澆筑倉塊為主導實體，以其施工狀態(tài)的循環(huán)變遷為主線，采用下一事件推進法驅動系統(tǒng)狀態(tài)的不斷更新，直至仿真結束．

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態(tài)合倉流程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際澆筑過程，基于動態(tài)合倉的施工仿真需要考慮多項邊界條件的約束．

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

式中：maxS為最大可控倉面面積；P為各時刻對應混凝土運輸子系統(tǒng)中的上壩方量；st為碾壓混凝土的初凝時間；tΔ為輔助作業(yè)時間(例如鋪設冷卻水管)；H為鋪料層厚．同時，倉面劃分面積不能太大，倉面太大運輸機械布置較多，而且要求的混凝土系統(tǒng)的生產強度較大，所以根據工程類比，規(guī)定合倉澆筑面積不超過設定的最大值．

(2) 合倉壩段之間的高差限制．當前面貌下的相鄰的幾個碾壓混凝土壩段只有其高差為零或者在允許范圍之內時，才能合并為同一倉塊共同進行澆筑．

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

(4) 碾壓混凝土入倉方式約束．為了盡量縮短運輸距離和減少運輸時間，從而達到高質、高效的快速施工，壩體施工過程中往往會綜合采用多種混凝土入倉運輸方式，而可合倉壩段的入倉方式必須相同，且可提供足夠的強度．

(5) 碾壓混凝土生產系統(tǒng)設置規(guī)模的限制．相應拌合樓設置的單位時間碾壓混凝土的生產能力是否滿足合倉壩塊澆筑強度的要求，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，施工仿真動態(tài)合倉還要考慮壩體的特殊結構形式、倉塊的澆筑工藝相同與否、其他項施工干擾(例如廠房引水隧洞施工)、導流程序、控制性節(jié)點工期、混凝土溫控以及當?shù)刈匀画h(huán)境因素等．

4 實例應用

云南省某大型水電工程位于瀾滄江上游河段，該梯級為瀾滄江上游河段規(guī)劃7個梯級中的第5個梯級，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464,m，共分20個壩段．

對該碾壓混凝土重力壩的施工全過程進行動態(tài)可視化仿真計算研究，如圖7所示．根據國內外碾壓混凝土壩施工經驗，結合本工程實際條件，壩體碾壓混凝土絕大部分采用自卸汽車入倉至盡可能達到的高程，在形成自卸汽車入倉道路代價太大的部分則采用皮帶機(或自卸汽車)+滿管泄槽+轉壩面汽車方式入倉，并統(tǒng)籌考慮上、下游混凝土系統(tǒng)生產能力平衡綜合及倉面規(guī)劃，碾壓混凝土以下游混凝土系統(tǒng)供應入倉為主，上游混凝土系統(tǒng)為輔供應入倉．

仿真開始時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，仿真計算得到總工期為36個月，至第7年8月底澆筑結束，驗證大壩的汛期擋水高程均能滿足要求．壩體澆筑的最高強度出現(xiàn)在第5年10月，強度值為20.08×104,m3/月，如圖8所示．計算結果符合工程施工規(guī)律，各項指標均符合當前國內外大型工程的實際施工水平．

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

仿真結果表明壩體共被分成了1,002個壩塊，而澆筑壩塊只有564塊，可見有近一半的壩塊進行了合倉澆筑．限于篇幅，僅將部分的施工仿真明細數(shù)據列出．表1為每月月底各壩段的澆筑高程，其中的數(shù)據表示對應壩段在施工期各個月底澆筑到的海拔高程，灰色區(qū)域表示合倉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合倉澆筑到1,450.5,m，從而以簡明直觀的形式展示出大壩碾壓混凝土隨高程變化的合倉情況．表2為各澆筑壩塊的施工信息．

圖8 混凝土澆注強度統(tǒng)計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 語

在碾壓混凝土壩施工進度的全過程動態(tài)仿真中耦合了動態(tài)合倉的模擬方法，提高了仿真計算的靈活性，并通過對實際工程的分析，驗證了基于施工仿真的動態(tài)合倉模型的可靠性，為工程的可行性論證和實際施工提供了論據．從而，對提高碾壓混凝土壩工程設計水平與效率、指導工程的實際施工有著積極的促進作用．

引入面向對象的仿真方法，改進了碾壓混凝土壩施工全過程動態(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)維護和擴展的靈活性；提出把碾壓混凝土壩施工中相對獨立的兩個子系統(tǒng)，即混凝土運輸子系統(tǒng)和倉面澆筑子系統(tǒng)進行統(tǒng)一的一體化仿真，使仿真成果更符合碾壓混凝土壩實際施工的一般規(guī)律．

隨著計算機技術和系統(tǒng)仿真技術的進步，碾壓混凝土壩施工進度仿真的理論研究和推廣應用充滿了廣闊的前景，在水利工程建設中將繼續(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.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2013CB035904)；國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金資助項目(51021004)；天津市應用基礎及前沿技術研究計劃資助項目(12JCZDJC29200)．

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

鐘登華，dzhong@tju.edu.cn.