两河口水电工程场内交通仿真分析研究

曹驾云,刘宁,宋祺弢

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.天津大学，天津 300072)

1 前 言

堆石坝工程规模和工程量庞大，坝址区河谷狭窄，枢纽建筑物布置紧凑；工程规划使用的料场多，位置分散；水工建筑物开挖边坡高，出渣难度大；分项工程众多，施工时段集中。导致场内运输机械种类及数量繁多、运输量大、强度高，对场内交通提出了较高的要求。因此，在施工高峰期若不对场内交通运输系统进行合理的规划与组织安排，极易造成场内交通的堵塞，甚至造成车辆停滞、道路损坏及工期延误等重大损失。

在研究堆石坝施工场内交通问题时，以往是根据已有的施工组织设计进度安排推算出运输强度，由运输强度来选择相应的机械设备，再由此得出各种相应的指标，如道路的平均行车密度、机械设备利用率等。实际的施工过程是错综复杂的，施工过程中含有很多不确定因素，并且场内交通运输系统中各种车辆的行驶速度、装载机装料时间、装载方量、运输机械的卸料时间及坝面处的卸料点个数，甚至降雨停工天数等往往都是非确定值，而且车辆在装料点、卸料点及各条道路岔口处均有可能发生排队等待现象，而采用常规方法难以全面考虑以上不确定因素。

随着计算机和系统仿真技术的迅速发展，尤其是系统仿真[1-2]技术在复杂系统运行中的推广应用，使我们有可能在计算机上实现对心墙堆石坝场内交通运输的动态过程进行仿真试验，可预测不同交通运输方案下包含各分项工程在内的场内交通各项定量指标。计算机仿真可适应于较大数据量的复杂仿真，并易于进行参数修改以实现多方案对比。因此，在堆石坝的设计和施工阶段应用计算机仿真技术对场内交通进行方案优选与仿真分析具有十分重要的意义[3-5]。

2 工程概况

两河口水电工程位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，是高坝大库型的巨型电站。坝址控制流域面积约6.57万km2，多年平均流量670m3/s，年径流量209亿m3，水库正常蓄水位2 865.0m，相应库容101.54亿m3，调节库容65.6亿m3，具有多年调节性能，对雅砻江、金沙江下游乃至长江的梯级电站都具有显著的补偿作用[6]。

本工程为一等大(1)型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要建筑物为1级建筑物，永久性次要建筑物为3级建筑物，临时建筑物为3级建筑物。挡水建筑物为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程2 875.00m，最大坝高295m，坝顶宽度16.00m。

2.1 场内交通主要设施规划布置

主要场内交通线路包括：左岸下游干线公路、坝区左右岸低线公路、坝区左右岸高线公路、坝区左右岸上游高低连接线、石料场开采运输道路、土料场开采运输道路。两河口水电工程场内交通布置如图1所示。

场内交通道路总长约117.7km(隧洞66.2km)，其中永久道路约24.5km(隧洞20.4 km)；临时公路约93.2km(隧洞46.2km)。

图1 两河口水电工程场内交通布置示意

2.2 主要分项工程施工方案

两河口水电工程施工历时11年。工程项目包括初期导流工程、大坝工程、左岸泄水建筑物工程及引水发电系统工程。

(1)初期导流工程包括1号、2号导流洞工程、供水洞工程及上、下游围堰填筑；

(2)大坝工程包括坝肩开挖、基坑开挖、坝体填筑，从第一年9月至第十年12月，历时112个月，大坝分期示意如图2所示；

(3)左岸泄水建筑物工程包括进口开挖、出口开挖、出口雾化边坡处理工程、放空洞、深孔泄洪洞、竖井旋流泄洪洞、洞式溢洪道工程及3号、5号导流洞工程；

(4)引水发电工程包括引水系统、厂房系统、尾水系统及开关站的开挖。

部分分项工程施工进度如表1所示。

3 场内交通仿真

3.1 场内交通运输系统概述

两河口水电工程施工具有以下特点：

(1) 坝址区河谷狭窄；

图2 大坝分期示意

工程项目名称工程量/万m3施工进度引水系统进水口明挖(2 875高程以上)133第二年1月～第二年11月坝顶以下坝肩开挖188第二年8月～第三年10月坝基开挖64.7第三年12月～第四年4月大坝填筑4 144.1第四年5月～第十年12月深孔泄洪洞洞身开挖38.3第六年1月～第七年5月放空洞进口混凝土浇筑23.3第六年5月～第八年6月

(2) 枢纽建筑物布置紧凑；

(3) 工程规模和工程量大；

(4) 工程规划使用的土石料场多，位置分散；

(5) 工程规划的主要石料场大多位于坝址上游，石料的上下游调运，对坝体填筑强度和场内交通运输均有一定的不利影响；

(6) 枢纽工程区开挖边坡高，出渣难度大。

由此可见，两河口水电工程施工场内交通影响因素众多、关系复杂，它直接影响和控制着工程总的施工进度。场内交通运输过程是由运输设备装渣、运渣、卸渣、空返等一系列特定运输环节所构成的一个闭合循环过程。在此过程中，各开挖工作面的汽车经装渣后，沿途经过若干道路交叉口并汇合从其它开挖工作面而来的运输车辆，到达各自不同的卸渣场，卸渣完毕即返回至原先工作面的装载机前等待装渣。这个过程循环往复进行，每一次都是前一次的重复。

场内交通运输系统调运料物是为了满足各分项工程在施工过程中对料物的需求，料物在场内交通运输系统中的运输状态与施工进度计划、运输路径、料场及所属分项工程施工特性有关。施工进度计划决定了料物的流向、方量以及调运时段等；运输回路是料物调运的行车路线；料场是料物的起止站或中转站，在空间和时间上协调施工进度和料物调运的开展；所属分项工程施工特性阐释了料物为明挖料还是洞挖料等。料物的流量和流向应满足施工进度计划的要求，这由处理料物的施工机械配套来保证。施工机械包括挖掘机械、装料机械、卸料机械、运输机械等。运输道路中流动的主要是料物运输车辆；施工机械的配套是指装卸机械与运输车辆等之间的匹配关系。

堆石坝场内交通运输过程及其影响因素如图3所示。场内交通运输系统是由一系列特定运输环节所构成的一个循环闭合过程。该系统在运行中，将受到诸多因素的影响，如场内交通条件、施工进度等。

图3 场内交通运输过程及其影响因素示意

具有循环作业特征的施工项目常见于水利水电工程中，如隧洞的开挖、大坝的填筑、场内交通运输等，因此循环网络技术在水利水电工程中得到了很好的推广和应用。

循环网络模拟技术(CYCLONE)是把排队理论、计算机仿真技术与网络计划技术结合起来的一种网络技术。它将整个施工过程看作是流水单元的动态流动过程，并充分表达为完成一项工程任务的各种资源是如何相互结合和相互作用的。通过计算机对工程对象的循环施工过程及随机时间特性的仿真运算，不但可以使得所设计的系统更接近于实际，而且能计算出在不同的资源水平和施工组织状态下的工期、费用以及循环时间、闲置时间、生产率和资源利用率等指标，并洞察与预测系统在不同条件下的反映、找出拥塞点。通过灵敏度分析及方案综合评价，还可以获得最佳的机械配套和各资源的合理配置以及理想的工期-费用方案，实现均衡生产，最大限度地减少闲置时间，充分利用资源和提高生产率，从而可对管理策略作出预先的估计，为设计与施工管理部门提供决策信息[7-10]。

3.2 堆石坝场内交通仿真程序设计

采用最小事件步长法对场内交通运输系统进行仿真。程序中设置汽车作为推进仿真时钟的运行的实体。对施工全过程场内交通进行仿真，仿真的边界条件不发生变化，且最重要的是确定各分项工程所包含的运输回路状态，进而反映出场内交通运输的状态。运输回路状态主要由4个参数确定：时间、机械配置、运输路径和运输方量。其中运输方量指装料点通过道路运输的最大土石方量，如果累计上坝方量超过该值，则道路运料工作结束。运输回路的控制参数完全可以反映各分项工程的施工进度。因此，仿真程序开始的边界条件主要是由运输回路参数来确定。

程序开始时，首先根据各回路的汽车数量将汽车按回路进行编号，并使各汽车均在装载机前等待。当车辆装料完毕，其子时钟值向前推进并改变其状态，重新扫描系统，找出具有最小子时钟值的汽车号及其所在回路，据此时汽车所在状态确定其应进行的下一活动，计算该活动的持续时间，更新其子时钟值，主导实体即到下一个活动，其状态亦随之发生变化。重新扫描系统，搜索具有最小子时钟值的实体，并推进仿真时钟。如此循环以上过程，直至所有回路均达到预定状态。

4 两河口水电工程场内交通仿真分析

4.1 仿真建模及参数选择

装载、运输机械设备的配套考虑了5种组合情况，其相应的参数如表2所示。在本工程中，土料开采料运输、心墙掺和料运输及混凝土砂石料运输采用3m3～20t配套组合；非大坝工程开挖料运输采用3m3～20t及4m3～25t配套组合；反滤料运输采用胶带机～20t配套组合；过渡料运输及堆石料运输采用5.5m3～45t配套组合；混凝土成品料运输采用拌合楼～20t罐车配套组合。仿真计算中，自卸汽车的行车速度，以及道路技术标准，取自DLT5397-2007《水电工程施工组织设计规范》。

施工过程中受到降雨、气温等自然条件影响和制约较大，依据坝址附近降雨、气温资料，月有效施工天数如表3所示。日有效施工时间为20h。

表2 装运机械配套参数

表3 月有效施工天数

按照两河口施工总布置图中施工道路的布置情况，结合各分项工程土石料流向，建立了与各分项工程施工道路相对应的循环网络模型。5号导流洞施工的部分循环网络模型如图4所示。

图4 5号导流洞工程施工部分循环网络模型

4.2 仿真成果分析

对两河口水电工程场内交通模型进行仿真计算，得到各分项工程机械配置方案、道路行车密度、各分项工程运输强度、岔口排队情况等成果。

4.2.1 各分项工程机械配置方案

运输机械的配套优化就是在不同机械配置的条件下，通过仿真来模拟场内交通运输过程，并统计施工进度和各种施工机械的利用比率，将通过计划进度与计算得到的施工进度的比较进行机械配套方案的调整。初期导流工程机械配置方案如表4所示。

4.2.2 道路行车密度

道路以岔口为节点分割成路段。在仿真过程中，路段做为道路节点的最小单元，这样成果能更精确地反映场内交通状况。通过成果反映出，仅有306号/4路段及3号/8路段这两条路段发生行车密度大于85次/h的情况，306号/4路段某时段行车密度情况如图5所示。

表4 大坝工程机械配置方案

4.2.3 各分项工程运输强度

通过仿真计算，得到分项工程运输强度统计图，比较真实的模拟了实际施工过程，可为施工组织设计提供参考。

如图6为大坝填筑时期运输强度统计图，最大月运量发生在第六年10月，为98.3万m3/月。12月与1月为冬季施工期，白天施工，晚上对坝体进行养护而停止施工，因此每年12月与1月的月施工强度较小。

图5 306号/4路段行车密度

图6 大坝工程运输强度统计

4.2.4 岔口排队情况

由各岔口的排队等待情况仿真结果，所有岔口中日等待时间均小于10min，排队等待概率(按时间统计)均小于1%，排队等待概率(按过车次数统计)均小于10%。因此，在整个场内交通运输过程中，各岔口发生排队等待的情况较少。C4号/5岔口第四年10月至第五年5月排队等待情况如表5所示。

表5 C4号/5岔口第四年10月至第五年5月排队等待情况

4.2.5 两河口水电工程场内交通三维动态可视化分析系统

借助可视化仿真技术建立三维地形模型，并实现可交互的两河口水电工程场内交通三维动态可视化分析。

图7、图8为系统界面，更详细的动态演示过程见三维动态可视化分析系统。

图7 坝址俯瞰 图8 1号临时桥

5 结 语

本文以两河口水电工程场内交通为例，结合系统仿真及循环网络技术，对堆石坝场内交通过程进行仿真与优化研究，该方法提高了堆石坝施工组织设计的效率和水平，其详尽的仿真成果提高了施工运输方案和机械配套方案定量指标的精度，对工程设计和施工管理都起到一定的指导作用。

参考文献：

[1] Mason S J，Hill R R，Monch L，et al.Simulation-based sustainable mannfaturing system design[C].Proceedings of the 2008.

[2] Ying-chun Wang,Da-yong Li,Ying-hong Peng,Li-guang Zhu.Computational modeling and control system of continuous casting process[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007,33(1-2).

[3] 两河口水电站可研报告9施工组织设计[R].中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2009.

[4] Caliper Corporation.Trans Modeler User's Guide[R].Caliper Corporation，Newton，MA，2006.

[5] Caliper Corporation.Routing and logistics with TransCAD4.7-transportation GIS software user's guide[Z].America：Caliper Corporation，2006.

[6] 耿彦斌 ,张雪莲.关于我国交通仿真技术发展战略的思考[J].现代交通技术，2010，7(4):71-75.

[7] 孙锡衡，钟登华.循环网络技术[J].中国水利学会施工委员会系统工程学组，1988(6)：7-12.

[8] Halpin DW.CYCLONE-A method for modeling job site processes.J.Constr.Div[R].ASCE,1977,103(3):489-499.

[9] Chang，D.RESQUE.Ph.D.thesis.University of Michigan[R].Ann Arbor,Mich. 1987.

[10] Martinez J.and Ioannou,P.G.General purpose simulation with stroboscope.Proc[R].Winter Simulation Conf,1994.