鐘登華，陳永興，常昊天，吳斌平

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真建模與可視化分析

鐘登華，陳永興，常昊天，吳斌平

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真通過計算機(jī)模擬來研究和分析壩體的復(fù)雜施工過程，為工程設(shè)計和施工管理提供了有效的工具．文中對瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)進(jìn)行了分解協(xié)調(diào)，闡述了瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真的基本原理；在綜合考慮施工過程中的復(fù)雜約束條件下，建立了瀝青混凝土心墻堆石壩施工動態(tài)仿真的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系模型；基于Unity3D引擎，研發(fā)出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下瀝青混凝土心墻堆石壩施工過程的三維可視化分析系統(tǒng)．研究成果在某工程實例中進(jìn)行了具體應(yīng)用，成果驗證了該仿真模型的有效性和技術(shù)方法的先進(jìn)性．

瀝青混凝土心墻堆石壩；施工仿真；仿真建模；Unity3D引擎；可視化分析

瀝青混凝土心墻就是在堆石壩中間以瀝青混凝土作為防滲體的一種特殊的防滲結(jié)構(gòu)形式．瀝青混凝土具有很好的防滲性能、較好的塑性和柔性，能適應(yīng)壩體的沉降變形，對已產(chǎn)生的裂縫還有一定的自愈能力；瀝青混凝土防滲心墻具有結(jié)構(gòu)簡單、工程量小、施工速度快和防滲性能安全可靠等特點[1]．因此，近年來隨著施工的機(jī)械化程度和專業(yè)化水平越來越高，我國相繼建成了一批大、中型瀝青混凝土心墻壩(壩高已達(dá)到百米以上)．大型瀝青混凝土心墻堆石壩工程既具有傳統(tǒng)高堆石壩的工程量大、場地布置復(fù)雜、施工強(qiáng)度高、機(jī)械數(shù)量多及受多方面因素的影響和約束等特點[2-4]，又有其特有的施工工藝流程和控制準(zhǔn)則(突出表現(xiàn)在心墻的施工)．其整個施工過程具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性，是一具有時間、空間概念的動態(tài)運行體系，這給進(jìn)度、質(zhì)量的管理和控制帶來了難度[5]．系統(tǒng)仿真技術(shù)[6-7]可為解決以上問題提供有效的途徑．

大壩施工仿真技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)70年代的美國，隨后，國內(nèi)外學(xué)者將循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)應(yīng)用到了堆石壩施工仿真研究中[8]，開發(fā)了一系列的施工仿真軟件，對堆石壩施工仿真技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用起到很好的推動作用．當(dāng)前，堆石壩施工仿真理論與方法研究已經(jīng)從面向設(shè)計階段的進(jìn)度預(yù)測發(fā)展到面向施工階段的實時控制．然而，傳統(tǒng)黏土或礫石土心墻堆石壩的施工仿真理論并不能揭示瀝青混凝土心墻堆石壩施工過程的內(nèi)在復(fù)雜規(guī)律，尤其是傳統(tǒng)的仿真模型不能突出瀝青混凝土心墻堆石壩施工作業(yè)機(jī)理方面獨有的特點．

因此，針對上述問題，筆者開展了瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真建模和可視化分析研究，編制了相應(yīng)的仿真計算軟件，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的三維可視化[9-10]分析系統(tǒng)．為施工管理人員提供了有效的輔助分析工具，并為高標(biāo)準(zhǔn)的瀝青混凝土心墻堆石壩的建設(shè)提供了有力的技術(shù)支持．

1 瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)的分解協(xié)調(diào)

瀝青混凝土心墻堆石壩施工過程是一個從壩料制備、運輸?shù)教钪蠑備仭⒛雺旱倪^程，可據(jù)此將瀝青混凝土心墻堆石壩的施工系統(tǒng)劃分為壩料生產(chǎn)子系統(tǒng)、運輸上壩子系統(tǒng)和壩面施工子系統(tǒng)3個子系統(tǒng)，其示意如圖1所示．在瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)中，3個子系統(tǒng)通過裝料和卸料這兩個工序緊密聯(lián)系在一起，彼此協(xié)調(diào)共同構(gòu)成了瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)的有機(jī)整體．壩料(包括石料和混凝土料)作為流動實體，經(jīng)歷了生產(chǎn)、運輸、攤鋪到壓實的狀態(tài)變化，這個過程隨著工程進(jìn)展不斷反復(fù)，直到整個工程施工完成[11-13]．

圖1 瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of construction system for RDWACC

1) 壩料生產(chǎn)子系統(tǒng)

根據(jù)瀝青混凝土心墻堆石壩的自身特點，壩料生產(chǎn)子系統(tǒng)又可以分解為：瀝青混合料制備系統(tǒng)和石料加工系統(tǒng)．其中，瀝青混合料制備系統(tǒng)由人工砂石骨料加工系統(tǒng)、瀝青混凝土拌合系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)及運行與管理系統(tǒng)4部分組成．石料加工系統(tǒng)負(fù)責(zé)上壩石料的生產(chǎn)供應(yīng)，是指在各料源料場制備符合設(shè)計要求的各分區(qū)壩料的過程．

2) 運輸上壩子系統(tǒng)

瀝青混凝土心墻堆石壩的運輸上壩子系統(tǒng)包括瀝青混合料運輸上壩和石料運輸上壩2部分．瀝青混合料運輸上壩是指：配有保溫裝置的汽車在拌合樓取料后，通過規(guī)劃路線將瀝青混合料運輸至施工部位后，再通過配有保溫轉(zhuǎn)運料斗的裝載機(jī)將其卸入攤鋪機(jī)瀝青混合料料斗中．石料運輸上壩是指：將各種石料從各自料場運輸至壩面對應(yīng)施工分區(qū)填筑部位的整個過程．

3) 壩面施工子系統(tǒng)

壩面施工子系統(tǒng)是瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)中最為復(fù)雜、最為關(guān)鍵的部分，對大壩施工進(jìn)度和質(zhì)量影響最大，是瀝青混凝土心墻堆石壩施工過程中實時控制的重點和難點．壩面施工子系統(tǒng)包括：瀝青混合料攤鋪碾壓系統(tǒng)和石料填筑系統(tǒng)．整個施工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2．

圖2 瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of construction system for RDWACC

2 瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真的基本原理

對于瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真系統(tǒng)，可將其按照離散系統(tǒng)仿真進(jìn)行研究，仿真時鐘的推進(jìn)是以整體上采用下一事件推進(jìn)法，配合局部采用固定時間推進(jìn)法．根據(jù)水工瀝青混凝土心墻堆石壩的施工特點，參考以往工程的施工經(jīng)驗，假設(shè)壩料生產(chǎn)在施工過程中始終能夠滿足運輸上壩子系統(tǒng)及壩面施工子系統(tǒng)的需求，以簡化仿真模擬的邊界條件．所以，這里只考慮運輸過程和壩面施工過程的仿真建模．

瀝青混凝土心墻堆石壩施工交通運輸系統(tǒng)雖然表面看來場面很宏大，但經(jīng)過抽象分析，無論是壩體堆石區(qū)填筑石料的運輸上壩還是心墻瀝青混合料的汽車運輸，均可以抽象為一個循環(huán)或者是其擴(kuò)展(包括裝料服務(wù)、重車運行服務(wù)、交叉路口服務(wù)、卸料服務(wù)和空車返回服務(wù))．可以采用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用一個離散事件動態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型對其描述，用節(jié)點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．模型中不論節(jié)點還是矢線都包含所代表的信息．應(yīng)用自行開發(fā)的程序，模型可以直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，形成整體回路節(jié)點數(shù)據(jù)[14]．

壩面施工子系統(tǒng)則可以看做是一個以鋪料機(jī)、攤鋪機(jī)和碾壓機(jī)為“服務(wù)臺”，以填筑單元為“服務(wù)對象”的一個復(fù)雜的、多級有限源隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)．以瀝青混凝土心墻的壩面施工為例，當(dāng)瀝青混合料入倉后，心墻施工單元層要分別接受攤鋪機(jī)和碾壓機(jī)的服務(wù)．

針對瀝青混凝土心墻壩的施工特點，仿真過程中設(shè)置了2條線索，一個是瀝青混凝土心墻區(qū)的壩料運輸與填筑施工，另一個是壩體其他各區(qū)(主要指壩殼區(qū))的壩料運輸與填筑施工．其中心墻的施工仿真是控制模擬進(jìn)程的主線，而壩殼區(qū)的填筑模擬是控制全過程仿真的副線，在整個計算過程中，主線有著自始至終的控制權(quán)，副線是作為主線的約束條件來影響仿真進(jìn)程推進(jìn)的．

3 瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真的數(shù)學(xué)建模

3.1 目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化模型

瀝青混凝土心墻堆石壩施工全過程仿真是以壩體施工工序邏輯關(guān)系為基礎(chǔ)，綜合考慮降雨、嚴(yán)寒、機(jī)械配套和施工工藝等制約因素，以壩體施工時需要滿足的各種時間、空間限制關(guān)系為約束條件，建立瀝青混凝土心墻堆石壩施工全過程動態(tài)仿真的隨機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)邏輯模型．其模型結(jié)構(gòu)如下．

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為

式中：t為系統(tǒng)總時鐘的控制時刻，t=1,2,…,T；i為分區(qū)號，i=1,2,…,N，i=1時表示該施工區(qū)為瀝青混凝土心墻區(qū)；H(i,t)為第i區(qū)、t時刻的高程；ΔH(i,t)為該區(qū)施工厚度．

目標(biāo)函數(shù)如下：fD(X)和fU(X)分別表示工期的目標(biāo)函數(shù)和機(jī)械配套設(shè)備利用率的目標(biāo)函數(shù)．這里考慮2個優(yōu)化目標(biāo)，即工期和機(jī)械利用率，其優(yōu)化模型為

向量X代表不同的施工方案，它的各分量稱為決策變量，包括機(jī)械配置m、施工工序o和施工控制參數(shù)P等．目標(biāo)是找到向量0X(某一方案)，使多目標(biāo)函數(shù)取得綜合最優(yōu)．意義為不同施工方案下，尋求工期、機(jī)械利用率綜合協(xié)調(diào)最優(yōu)．

3.2 主要約束條件列舉

1) 相鄰區(qū)高差約束

瀝青混凝土心墻上升速度受兩側(cè)壩殼料填筑的制約，規(guī)范要求心墻及過渡料與相鄰壩殼料填筑高差不應(yīng)超過0.8,m，當(dāng)心墻及過渡料填筑高程超過相鄰壩殼料較大時，會造成瀝青混凝土上料困難，過渡料損耗增大．因此，當(dāng)相鄰壩殼料填筑進(jìn)度較慢時，瀝青混凝土心墻施工進(jìn)度將受到較大的影響．

式中：(1)H為心墻在當(dāng)前面貌下的高程；()HA、H(B)分別為心墻兩側(cè)的壩殼料填筑到的高程；Hmax為高差最大允許值，取0.8,m．

2) 鉆芯取樣對瀝青混凝土心墻壩面施工的影響約束

根據(jù)規(guī)范要求，瀝青混凝土心墻每升高2～4,m做一次鉆芯取樣檢測，主要檢測密度、空隙率和設(shè)計要求的其他各項指標(biāo)，而鉆孔取芯在瀝青混凝土心墻溫度較高的情況下一般無法取得有效的芯樣．從實際情況看，當(dāng)瀝青混凝土心墻表面溫度降至與環(huán)境氣溫相差不大并且不超過30,℃時，鉆孔取芯才能成功．因而夏季施工時鉆孔取芯一般需耽擱3,d，氣溫較低的情況下最少也需耽擱2,d．

式中：TS(j)為第j心墻施工層可進(jìn)入開倉狀態(tài)的時間約束條件；TF(j-1)為j-1層的完成壩面作業(yè)時間，且根據(jù)系統(tǒng)判斷j-1層為鉆孔取芯檢測節(jié)點層；TW為從j-1層施工完畢到瀝青混凝土心墻表面溫度降至檢測溫度的等待歷時；TL為鉆芯取樣檢測歷時．

3) 熱量損失對瀝青混凝土運輸?shù)募s束

要使瀝青混合料鋪面充分壓實，必須在碾壓時保持適當(dāng)?shù)臏囟龋疄r青混合料的出機(jī)口溫度是根據(jù)碾壓溫度要求、運輸和攤鋪過程的熱量損失確定的．因此，減少熱量損失甚為重要．它與運距、氣溫、風(fēng)速、運輸機(jī)械的容量與保溫設(shè)施等因素有關(guān)．日本《水利瀝青工程設(shè)計基準(zhǔn)》規(guī)定，瀝青混合料運輸中表面溫度降低不超過15,℃時，不同氣溫下允許的運輸時間見表1．

表1 瀝青混合料允許的運輸時間Tab.1 Allowable transportation time for asphalt mixture

式中：Ttru(k,l)為第k號自卸汽車第l次從拌合樓向心墻施工區(qū)運輸瀝青混凝土的仿真歷時；(τ)為隨氣溫變化的瀝青混凝土允許運輸歷時，τ根據(jù)仿真時鐘TIME所處的季節(jié)、月份、白天或夜間取值(見表1)．

4 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下施工過程的三維動態(tài)可視化分析

基于Unity3D引擎，研發(fā)出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下瀝青混凝土心墻堆石壩施工過程的三維可視化分析系統(tǒng)，用戶可在逼真的虛擬場景中實時查詢大壩施工進(jìn)度(包括實際進(jìn)度、計劃進(jìn)度和仿真預(yù)測進(jìn)度)及其他樞紐工程施工狀況，系統(tǒng)實現(xiàn)框架見圖3．具體實現(xiàn)過程如下：

(1) 首先在3,ds Max三維建模軟件中創(chuàng)建水電工程中不同類型的實體模型，此模型融合了施工場地總布置相關(guān)的所有動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)，是各種數(shù)據(jù)可視化的基礎(chǔ)；

(2) 基礎(chǔ)模型創(chuàng)建完畢后導(dǎo)出為Unity3D引擎可識別的fbx文件，將該文件導(dǎo)入到引擎中，根據(jù)交互需要進(jìn)行必要的腳本編程以實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯控制；

(3) Unity3D引擎完成相關(guān)邏輯控制后，發(fā)布為一個能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)加載和顯示3D模型的Web Player應(yīng)用；

(4) 網(wǎng)頁系統(tǒng)通過加載該應(yīng)用實現(xiàn)三維可視化的虛擬交互仿真．

圖3 系統(tǒng)實現(xiàn)框架Fig.3 Implementation framework of system

5 工程應(yīng)用實例

位于我國西南地區(qū)金沙江上游的某水電站，攔河大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩．該電站處于可行性研究階段，設(shè)計最大壩高112,m，壩頂高程2,480,m，壩頂寬度為12,m，壩頂長度473.6,m．瀝青混凝土心墻采用垂直式布置型式，瀝青混凝土心墻頂部最小厚度0.5,m，底部最大厚度1.5,m．心墻頂部高程為2,478,m，考慮底部防滲需要，對心墻底部進(jìn)行擴(kuò)大，擴(kuò)大區(qū)高度為3,m，擴(kuò)大角度為17°，端部布置成弧形．主要工程量見表2．應(yīng)用獨立研發(fā)的瀝青混凝土心墻堆石壩施工動態(tài)仿真軟件，對此工程進(jìn)行仿真計算，并對其成果進(jìn)行分析．

表2 某瀝青混凝土心墻堆石壩壩體主要工程量Tab.2 Engineering quantity of one RDWACC′s dam body 104,m3

構(gòu)建其循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型，以工程第3期為例展示，見圖4．其中，每個節(jié)點都包含自身的屬性信息：名稱、所屬回路、運距等．如此形成每一期、每一回路的網(wǎng)絡(luò)模型，并將其導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中．

圖4 工程第3期某循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Cyclic operation network model of the third phase project

仿真計算得到總工期為21.6個月，月平均填筑強(qiáng)度為35.97×104,m3，月填筑強(qiáng)度最大值為63.87× 104,m3．圖5和圖6分別為系統(tǒng)輸出的工程總體施工強(qiáng)度和心墻的施工強(qiáng)度．

借助網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的施工動態(tài)三維可視化分析系統(tǒng)，如圖7所示，實現(xiàn)了瀝青混凝土心墻堆石壩施工進(jìn)度的遠(yuǎn)程分析及實時控制，方便了施工管理人員對大壩施工過程的遠(yuǎn)程管理．

圖5 壩體施工強(qiáng)度Fig.5 Whole construction intensity statistics

圖6 心墻施工強(qiáng)度Fig.6 Construction intensity of concrete core

圖7 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下施工動態(tài)可視化分析系統(tǒng)Fig.7 Dynamic visual analysis system for construction under network environment

6 結(jié) 語

針對瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真的理論方法研究為該領(lǐng)域的發(fā)展開拓了道路，相應(yīng)仿真計算軟件以及可視化分析系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用為瀝青混凝土心墻堆石壩施工組織設(shè)計提供了先進(jìn)的施工進(jìn)度控制分析手段，促進(jìn)了工程設(shè)計和施工管理水平的提升．瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真理論方法研究具有重要的理論意義和實用價值，在我國瀝青混凝土心墻堆石壩工程建設(shè)中具有廣闊的推廣應(yīng)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.

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項目(51021004)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計劃資助項目(12JCZDJC29200).

鐘登華（1963— ），男，博士，教授.

鐘登華，dzhong@tju.edu.cn.