高拱坝混凝土浇筑行为及动态优化施工过程仿真研究

刘 超，尹习双，刘 全

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

1 前 言

施工过程计算机仿真是通过建立数学模型，在计算机上模拟被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数学模型的运行过程的研究，对系统的结构、功能和行为的分析，来估计和推断实际系统的真实参数和性能。水利水电工程是一项复杂的系统工程，一般工程规模庞大，技术和自然条件复杂，其施工过程中不仅内部各种因素之间、各子系统之间以及子系统与总系统之间相互制约，需要协调，并且还受诸多外部因素影响。因此，对施工过程进行研究时应用解析法较为困难，多采用计算机仿真方法。通过对实际系统的模拟，可以获得有价值系统的参数，增进对实际工程的了解，为施工组织设计提供依据；同时，可减轻技术人员的计算强度，缩短方案制定周期。甚至可以通过修改参数获取大量对比方案，对不同方案进行仿真试验，预测不同施工方案的执行结果，通过方案比较确定出一个较优方案[1]。由于计算机施工过程仿真的这些优点，其在水利水电工程中的应用越来越广泛。从20世纪80年代二滩、鲁布格工程中进行资源优化仿真开始，施工仿真在我国水电工程中应用逐渐广泛，应用面从大型工程到中小型工程，从高校科学研究与技术开发普及到各大设计单位的生产设计，从单一的过程仿真技术到与相关学科交融。钟登华等将GIS技术引入，实现基于GIS的可视化仿真[2-3]。周宜红等将动态思想引入仿真，推进了动态仿真研究[4]。Adenso-Diaz等将动态仿真优化方法引入煤矿开采的道路优化过程，并应用到具体工程中[5]。国内外学者将CAD与仿真技术结合提出针对施工进度的4D CAD设计技术[2,6，7]，是施工管理科学发展的新方向。

高拱坝因其显著的技术、经济特点，在已建和在建的水电工程中占有相当的比例。高拱坝一般使用缆机浇筑常态混凝土，施工工艺复杂，干扰因素多，施工工期等施工系统参数是拱坝施工组织设计的重点。自20世纪80年代以来，我国的水电工程研究者对拱坝施工问题进行了广泛而深入的研究，王仁超等将随机排队理论引入混凝土坝浇筑顺序优化中取得一定的进展[8]；钟登华等将三维动态可视化仿真引入混凝土坝施工，是可视化技术的发展热点[9]；Shi将实时决策与资源分配思想引入，建立了计算机仿真模型，并应用于ABC仿真系统[10]；周宜红等将人工智能引入混凝土施工仿真，研究了仿真的行为原则[11]；胡志根等在多种混凝土浇筑施工顺序决策模型的优选决策中做了很多工作[12]。但是，针对混凝土浇筑施工工艺的仿真与优化研究相对较少。本文致力于建立混凝土施工工艺过程的动态仿真模型，以较为真实的仿真施工工艺，使仿真成果更具真实性。

2 高拱坝施工系统分析

2.1 高拱坝施工系统分解(见图1)

高拱坝施工系统可以分解为多个子系统：混凝土子系统，浇筑仓子系统，大坝施工外界影响子系统，大坝施工浇筑行为描述子系统。混凝土子系统包括：混凝土生产、混凝土运输(水平、垂直运输)和混凝土仓面作业等部分；浇筑仓子系统包括：大坝体形描述和大坝特殊部位描述等部分；大坝施工外界影响子系统包括：气候和导流等部分；大坝施工浇筑行为子系统包括：可用机械、可浇仓位系统和正在浇筑的仓位等部分。它们从各个方面反映了施工系统的特征。其间有着各种各样的联系，对应着客观的施工系统的各种联系。

图1 高拱坝施工系统分解

2.2 高拱坝混凝土浇筑行为分析

我国已建和在建的高拱坝(200m以上)，使用缆机施工的占多数，缆机类型和主要参数见表1。

表1 我国的高拱坝缆机类型及主要参数

由表1可见，缆机是目前大部分拱坝施工的主要机械。因此，本文以具有代表性的全缆机施工的拱坝为主要研究对象。

一般的混凝土浇筑系统仿真认为，混凝土浇筑行为就是浇筑机械对浇筑仓的服务行为，该服务行为就是混凝土入仓的过程。为了真实地反映混凝土浇筑机械的行为，仅仅反映浇筑机械与浇筑仓之间的关系是不够的，如缆机活动空间受到轨道和其他缆机的限制，因此其运行边界是动态的，其关系也没有显式的服务与被服务关系，而且，某一缆机的移动可能还会对其他缆机的位置造成影响(避让)，导致服务定义边界的模糊，为仿真建模与实现带来困难。同时，一般的服务模型假设一旦开始服务，服务台和客户就静态地绑定到一起，直到服务完成(多数服务系统也的确是这样)。但是，缆机是高度机动的机械，为了快速施工，对浇筑仓的服务模式不是一成不变的，缆机可能在中途加入或者退出对特定的浇筑仓的浇筑服务。即，缆机对浇筑仓的服务模式实际上是多对多(M∶N)的，一对多(N∶1)模式是简化考虑。显然，需要提出一个新的仿真模型来反映这样的施工特性。

2.3 高混凝土拱坝施工仿真模型

2.3.1 一般施工仿真模型

一般认为，水电工程的施工系统是离散事件系统，采用离散事件仿真的基本方法来建立仿真模型。一些文献[5]使用服务系统来抽象仿真系统对象之间的关系，运用排队论的基本思想来理解施工系统中的服务问题。

随着仿真粒度的细化，仿真系统特征的以服务系统为代表的模型在应用中也遇到了一些问题：(1)对于缆机作业的一些重要细节反映不够，难以保证仿真成果的合理性；(2)服务的静态关联难以达到优化要求。一般服务系统假设客户和服务台之间的关系在服务过程中是确定不变的，即在服务进行中，服务台和客户之间的关联是静态的。以上模型假设与客观情况不符，是过强的要求，很多的优化要求都需要在服务过程中动态调整服务台与客户之间的关系。因此，高拱坝施工仿真需要针对以上两个问题改进现有的基于服务系统的仿真模型。

对于上述两个问题可以概括如下：(1)缆机施工活动的后效性，或者机械活动的相互影响；(2)服务模式需要扩展。因此，使用虚拟活动技术和机械动态调整两个技术来对应解决，具体说明如下。

参考缆机施工一般原则，假设施工缆机在缆机轨道上是不动的，其位置也不受到其他施工缆机的影响；而空闲缆机在轨道的有效范围内是可以任意活动的(同轨道缆机显然不能跨越)。准备施工的缆机为了达到指定仓位的上方可能需要“挤开”其他空闲缆机，同时保证缆机之间的安全距离。这是一个动态控制的问题。缆机位置系统的状态变化来自于有浇筑任务的缆机移动事件，随之出现相关缆机状态的变化事件。处理触发事件方法有两类：循环检测和递归处理。递归处理算法结构简练，但是对算法的抽象程度要求较高，调试的难度也较大，因此我们使用循环检测处理，检测调整后的系统中是否有不符合要求的对象状态，如有就触发冲突处理事件，如全部达标或者无解则退出。循环检测处理缆机安全距离的方法的算法框图见图2。

图2 循环检测处理缆机安全距离的方法的算法框图

对于扩展服务模式的需求，针对当前的缆机混凝土施工实况，一般一台缆机在服务过程中最多服务两个仓位。由于调度困难，服务更多的仓位在实际施工中几乎无法使用，因此服务模式的问题从多对多(M∶N)简化为多对2(N∶2)。对于同时施工的多个缆机组合，没有必要多台缆机同时服务两个仓，在特定的时间只要一台缆机同时服务两个仓就足以反映前面提到的优化问题了，因此问题从多对2(N∶2)简化为一对2(1∶2)，即一台缆机同时服务两个仓。这也是与一般服务模型不同之处。典型服务模型中的服务台一般是不可再分的服务单元。

一个服务台同时服务两个客户需要一个基础、解决两个主要问题。一个基础是具体执行中仿真粒度需要进一步缩小，具体为混凝土浇筑罐级别。需要解决的问题是：开始条件和负载均衡。

由于涉及两个仓位，定义A仓位的原有机械施工能力为QA，浇筑仓需求强度为NA，定义B仓位的原有机械施工能力为QB，浇筑仓需求强度为NB，定义Q与N的差为W，那么如果同时存在两个仓位：

WA=QA-NA>0

WB=QB-NB<0

WA+WB>0

由上述条件可知，B仓位的机械配置不满足施工需求，如果有A仓位缆机可以覆盖B仓位，经过优化调整后，将A仓位的机械剩余能力转移到B仓位，B仓位就可以进行浇筑。满足这样条件的系统状态就可以进入一个服务台同时服务两个客户的状态。

负载均衡是控制实施过程的策略，确定服务台为每个客户服务的具体数量。显然每个客户的基本需求要得到满足，多余的服务能力根据某种特定的原则分给两个客户。目前使用的负载均衡原则是客户需求的加权平均。定义加权算子DA、DB为：

DA=NA/(NA+NB)

DB=NB/(NA+NB)

客户得到的服务强度为：

PA=NA+DA(WA+WB)

PB=NB+DB(WA+WB)

开始控制和负载均衡是一个服务台服务两个客户模型的主要问题，模型中还包括执行过程中的客户转换和执行完成后的资源回收策略，相对较为简单，不再赘述。

将缆机施工仿真的粒度设定在混凝土罐级，因此缆机不再是混凝土施工中的最小服务量单元。但是由于混凝土罐本身不是独立的施工单位，因此浇筑仓决策施工还是以缆机为基本活动单元进行。以上就是以缆机为单位的浇筑仓施工决策，以混凝土浇筑罐为单元的浇筑仓施工。图3为本文采用的高拱坝施工模型图。

图3 高拱坝施工模型

2.3.2 高拱坝施工面向对象系统分析

根据以上分析结合一般服务理论，使用面向对象分析方法将高拱坝施工模型转换为程序实现使用的类继承图、类关系图和系统状态时序图等。图4为施工仿真中使用的类继承和类间主要关系图。

进行进一步的分析后，即可使用某种面向对象的编程语言实现[13]。

图4 拱坝施工仿真的类继承和关系

2.4 高拱坝施工计算机仿真功能模块划分

对上述模型还要设定其初始条件和边界条件，内容包括：大坝总体描述、大坝的坐标系统和体形方程、分缝方式、仓面容积统计、孔洞和特殊部分参数、混凝土初凝时间和有效工作日、缆机布置方案、缆机主要运行参数、同层缆机的安全距离、混凝土供料线、混凝土供应强度、浇筑层厚及间歇时间、基础灌浆的设定、浇筑仓立模、高差控制和施工进度要求等。如此多的施工参数需要相应的前处理模块来管理，以数据库为信息载体，以填表的形式输入参数，并进行初级的参数合理性检测。

上述模型在计算的同时得到以浇筑顺序表和混凝土小时生产强度表为主的计算数据。由于常态混凝土施工分层较薄，因此在一般浇筑顺序表中会得到数以千计的浇筑顺序记录。通过这些数据可以统计出施工总工期，分月大坝施工强度、进度，施工机械的施工强度、利用率，混凝土供料线的供应强度和老混凝土比例统计等施工系统参数。该部分功能在施工仿真后处理模块中实现。为了更好地处理上述参数，一般采用可视化方法将施工参数可视化。同时，为了便于查询，引入基于可视化的交互式查询技术，为施工方案特性的分析提供便利。

高拱坝混凝土浇筑行为及动态优化施工过程仿真软件的模块组成见图5。

图5 高拱坝混凝土浇筑行为及动态优化施工过程仿真软件的模块组成

3 工程案例

3.1 概 述

某水电工程由混凝土双曲拱坝、二道坝及水垫塘、引水发电系统和永久泄洪洞等建筑物组成。工程枢纽建筑物规模宏大，两岸引水发电系统采用地下厂房型式，电站总装机容量达12 000MW。土石方开挖总量超过5 000万m3，混凝土浇筑总量超过1 300万m3。拱坝坝高280m，在双层缆机平台布置5台缆机。坝体混凝土工程量达739万m3，最大浇筑仓面面积约1 700m2，预计高峰浇筑强度超过20万m3/月，需妥善解决混凝土供应和垂直运输入仓问题。双层缆机平台中的低平台基本可以覆盖整个坝体，配置2台缆机；高平台完全覆盖整个坝体，布置台3台缆机。5台高速平移式缆机浇筑大坝，施工中存在较大干扰，必须合理组织、妥善安排。大坝进度计划制订、导流规划设计和缆机数量的选择等施工系统关键性问题，需要详细的施工系统预测资料，因此采用上述模型进行大坝施工仿真，对比不同方案下的施工参数，为施工方案的优选提供依据。

3.2 方案说明

大坝底部拱圈厚度在70m左右，经过初步计算，底部浇筑块平层浇筑需要3台以上的缆机才能满足入仓强度需求；而大坝顶部宽度为13m，1台缆机即可满足其入仓强度。很显然在大坝的中部的很多部位，存在需要2.5个浇筑单位才能满足入仓强度的地方，这样配置5台缆机的方案需要优化才能同时浇筑两个仓位。图6是仿真计算得到的仓位浇筑需求缆机数量分布图。

图中需要3台缆机浇筑的仓位和需要2台缆机浇筑的仓位区域有所重叠，原因是冬季施工的仓位混凝土初凝时间较长，入仓强度可以比夏季低，因此夏季需要3台缆机浇筑的仓位，冬季可能只需要2台就可以了。

与仿真优化模型有关的主要工程参数与方案参数见表2。

针对上述拱坝，拟定一个应用动态优化施工算法的优化方案和一个未使用该算法的方案进行比较。

3.3 仿真结果与分析

图6 仓位浇筑需求缆机数量分布

参 数取 值参 数取 值坝高280.0m缆机台数5大坝坝段总数34.0高平台缆机数3大坝底部高程550.0m高台缆机跨度1 100m大坝顶部高程830.0m高台缆机控制高程范围550～830m大坝孔洞总数24低平台缆机数2大坝浇筑仓总数约2 700低台缆机跨度920m底拱中心厚度68.0m低台缆机控制高程范围550～750m顶拱中心厚度13.0m拌和系统生产强度500.0m3/h最大浇筑块容积约4 800m3高高程供料线高程827.0m最小浇筑仓容积63.0m3低高程供料线高程730.0m大坝混凝土总量8 370×103m3底部块平层浇筑缆机台数要求>3大坝设计总工期60月顶部块平层浇筑缆机台数要求<1

注：1)大坝浇筑仓总数由于不同的计算方案有不同的分层高度，总数在2 700左右。

2)最大浇筑块容积受到分仓面积和分仓高度的影响在4 800m3左右。

根据上述方案的参数进行仿真，得到其特征与系统参数。两个方案的施工月累计浇筑强度见图7。根据仿真数据可以看出，优化方案在施工高峰期间，施工强度较为均衡，波动较小，在第15月到50月近三年的施工时间中，可行方案的月浇筑强度的均方差为4.9×103m3，优化方案的月浇筑强度的均方差为4.4×103m3，可见优化方案的确较优，与直观观察一致。同时可以看到，在工程刚刚开始的前15个月中，优化方案与可行方案的月强度指标是一样的，这是因为在大坝的底部区域，仓面面积巨大，缆机的循环时间又较长，因此此时缆机的空闲时间较少。本文的方法主要是针对缆机富余浇筑能力的优化利用，所以缆机没有空闲，就没有多少优化的可能。到了大坝中部这样的优势才凸现出来。类似的，在大坝顶部浇筑仓较小，一般一台缆机即可达到入仓强度要求，没有优化的必要。因此两方案的强度曲线尾部同样比较相似。

由于缆机数量较多，趋势基本相同，因此使用缆机分月浇筑强度统计的最大值和最小值进行比较。从图8中可以看出，优化方案的各任务较为均衡，充分利用了各台缆机的生产能力；而可行方案的缆机，同一时段有缆机月累计浇筑达到15×103m3，而有的几乎没有参与施工。可见，在机械均衡利用方面，优化模型也体现出其优化作用。

优化方案对于施工系统资源的充分利用还体现在混凝土小时上坝强度的累计历时上。混凝土小时上坝强度的累计历时是混凝土生产系统在大坝施工过程中，在特定的生产混凝土生产强度区间上的时间累计，对于特定的生产系统，显然希望生产系统的生产任务较为饱和。从图9可见，优化方案的强度高峰较为靠后，超过400m3/h生产强度的高强度生产历时累计明显高于可行方案；相应的中强度历时累计时间明显低于可行方案；而在低强度生产时段统计，由于大坝总是存在一些边角块，面积、体积较小，对应混凝土生产强度较低，可行方案、优化方案差别不大。

可行方案、优化方案系统仿真结果比较见表3。

优化方案的总工期较短，同时最高月强度、单机最高浇筑强度和缆机最高混凝土浇筑利用率都较低。可见，使用优化浇筑工艺可以缩短浇筑工期，均衡机械设备的利用率，有更多时间参与辅助作业充分利用机械设备，优化施工程序。通过提高小时浇筑强度、充分利用缆机的运行时间，均衡了分月混凝土浇筑强度，缩短了总工期，为项目的机械选型、机械配置，运行方式提供了参考。

图7 施工月浇筑强度

图8 缆机分月浇筑强度统计

图9 混凝土小时上坝强度累计历时

方 案总工期/月最高月强度/m3·月-1单机最高月强度/m3·月-1最高小时强度/m3·h-1缆机浇筑最高利用率/%可行方案6020.14.9148866.5优化方案5919.34.4750059.1

4 结 论

本文针对常态混凝土高拱坝的缆机施工行为进行深入研究，以排队论的思想为基础，结合动态优化的思想，进一步缩小过程仿真粒度，从缆机浇筑行为方面优化高拱坝缆机施工工艺，并按照优化方法进行仿真建模，计算得到施工方案特征参数。仿真计算表明，针对缆机浇筑行为的动态优化算法在施工工期、施工强度和缆机浇筑利用率等方面取得了优化的效果，更加接近工程实际，可为高拱坝施工机械快速选型、优化配置和运行方式提供参考。

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