計算機仿真技術在水電工程施工中的應用

 

1前言計算機仿真也稱計算機模擬，是借助高速大存貯量數字計算機及相關技術，對復雜的真實系統的運行過程或狀態進行數字化模仿的技木所以也稱為數字仿真，計算機仿真技術應用于水電工程施工近30年，*早于70年代初。修建奧地利施立格混凝土壩時采用了確定性數字模擬技術對纜機澆筑混凝土方案進行優選。實踐明，模擬的饒筑速度和進程與實際施工情況非常吻和。80年代初。我國首先在灘工程大壩施工組織設計中采用該技術，進行了類似范圍從輔助施工組織設計擴展到結構設計維動態顯等；從仿真單的混凝土壩澆筑到仿真土石壩施工截流施工地工程施工等；應用目標從靜態的方案優選發展到動態的實時控制等；從*初把仿真成果僅僅作為種不重要的決策參考，逐漸發展成水電工程尤其是大型水電工程規劃設計和施工管理中不可缺少的技術手段。如水口水電站大壩施工采用了計算機仿真實時控制技術；峽工程期混凝土大現繞筑已開發了功能強大的計算機仿真系統，可以快速評價承包商提交的施工總進度計劃，能夠對技術措施進行定量分析，快速比較多種澆筑方案。對混凝土施工進行各種因素的敏感性分析對工程進度進行實時控制，還可對澆筑過程進行維動態顯等。另外，峽工程大江截流及期圍堰工程施工過程的仿真研宄。基于可視化技術及計算機形像技術多媒體技術等。將大江截流。1期圍堰填筑旌工全過程以動態方式生動逼真地展了出來。目前該研究已擴展到對整個峽工程施工全過程的維動態顯，除此之外，從結構應力分析的角度出發。大壩施工過程應力場。溫度場計算機仿真研宄也悄然興起。并在些工程的設計階段得到應用。效果很好，如大連理工大學開發的沙牌高碾壓混凝土拱埂施工過程計算機仿真系統。可以預計，將施工過程的應力仿真和施工措施仿真相結合同時輔以維動態顯技術的日子即將來臨。這必然為計算機仿真技術在水電工程施工中的應用開辟了更廣闊的空間。

 

2計算機仿真技術簡介計算機仿真技術的核心是按系統工程原理建立真實系會冗機上進行實驗和研宄，按照數學模型的分類。水電工程施工過程計算機仿真模型于離散時間模型，即仿真過程中用某時刻的系統狀態該系統某時段內的狀態，系統狀態變化是非連續的。而是在離散時刻發生突變。如此來。只需按時間順序描述各時間點上的系統狀態就算掌握了系統的動態變化過程。為反映離散時間模型的時間軌跡，需要采用仿真鐘，仿真鐘的推進有兩種法1十用步長法和事件步長法。時間步氏法以某固定單位時間為增量，按時間順序仿真出各時刻的系統狀態，*終步步地刻劃出整個系統的運行過程；事件步長法則以各個事件發生的時間為，量，同樣按時間順序將各事件過程，*早建立的水電工程施工過程仿真模型多是確定性的，這與水電工程施工過程中充斥著隨機和模糊事件的實際情況明顯不符。為此，不少科研技術人員引入了隨機理論和模糊理論。從而使建立的模型能夠更接近真實系統，同時賦予仿真研宄成果更多的意義。如從工期角度評價某施工方案的合理性時，通過計算不僅可以得出該方案*有可能的工期，還可得出按期完工的概率。從而作出方案的風險分析等。

 

此外，按研宄目的不同，模型又分為靜態模型和動態模型。這里靜態模型的仿真過程并非狀態仿真，事實上仍是過程仿真，不過仿真進程必須氣呵成，不能中斷。主要用于方案的評價和比較。而動態仿真可以任意中斷，或將仿真進程按需要分成若干階段，因此可以在方案實施當中。按照實際達到的進程水平修改施工參，以便求出下階段施工的*佳調整方案和進度計劃。從而達到對大壩施工進行實時控制的目的。

 

3計算機仿真技術在不同施工過程中的應用3.1在混凝土壩澆筑施工中的應用大型水電工程混凝土壩澆筑過程仿真研宄的主要目的是解決兩個問是合理配置機械設備妥善安排壩體混凝土注塊的澆筑順序，正確預測澆筑工期；是在施工期間的實時控制。

 

燒筑過程仿真的基本思路是，首先對注塊。投入使用的饒筑。運輸設備分別進行編號。然后，按照給定的澆筑方案所要求的各種約束條件安排注塊的澆筑順序并算出各注塊澆筑施工進程從而算出該方案下的大壩施工工期。重復計算多個方案，得出不同結果。*后經過綜合比較，即可選出*優方案。

 

仿真遵循的目標是在滿足各種約束條件的前提下，安排設備閑置時間*少。而所謂的約束條件有某注塊能否澆筑1起重機工作范圍限制；相鄰起重機工作干擾限制；氣溫條件對澆筑的影響；其他約束條件。如灌漿等。

 

欠壩澆筑系統本質上可以看作是個由起重機為主導的饒筑吊運系統按特定規則分別為各個注塊服務的種特殊的排隊服務系統，系統中不僅要考慮由起重機組成的服務系統中存在的排隊現象還要考慮與之聯系并相互制約與影響的拌和供料。運輸系統之間的配合與相互影響等隨機因素引起部考慮為個完整系統，用蒙特卡羅方法對之進行仿真。

 

3.2在土石壩施工中的應用1石現施工組織設計中需重點解決個問，1土石料場規劃與調度；運輸道路規劃及運輸機械的組織和管理；土石壩填筑過程中各作業環節之間的組織協調及施工進度計劃的制定與實施。針對上述大問可分別建立土石優化調運仿真模型施工運輸仿真模型和土石壩填筑過程仿真模型，再按照者的制約關系集成個完整的土石壩施工仿真系統。

 

建立土石優化調運模型的思路是根據內。外影響因素將大現施工工期劃分為若干時段。在每個時段內確定供料源和受料源。先根據施工組織設計初步方案建立各時段土石線性規劃模型。然后對施工期各時段內的料場綜合編號，再結合施中的實際要求，*終形成總的土石優化調運數學模型。其目標為總調運費用*省而約束條件有①*大可供應量②*大可接受量③堆料場進出料量平衡等。

 

石壩施工運輸系統也屬于隨機排隊服務系統。對這類條統言。0說排隊的模型山這，種在美國出現的專門研究排隊系統的計算機仿真模型。利用運輸系統排隊仿真網絡模型可以解決的問有①計算不同運輸機械配套情況下，多種機械的利用率或忙期概率。通過綜合評價確定*佳機械配套及其相應的運輸生產能力②運輸過程中。道路上的行車密度及相應的概率分布規律。據此可決策多種道路的建設標準③交叉錯車情況及排隊等待情況等。

 

建立土石壩填筑壩面作業子系統仿真模型的思路是。把個土石壩的施工過程離散成若干層，每層的填筑看成項活動，每個區看作個實體，而填鋪過程看作對實體進行服務，從而將土石壩的填筑施工過程抽象為個離散事件動態系統。同樣可以建立排隊網絡模型或循環網絡模型，仿真過程實際上就是確定每填筑層的開始填筑時間和填筑完成時間。通過仿真，可以解決以下問0降雨等環境因素對土石壩施工進度的綜合影響程度②在不同的運輸機械配套及料場調運方案情況下，大壩的上升過程，壩面作業機械的配套及其利用情況④不同上升規劃制約下的大壩填筑過程及進度。

 

根據上述研宄成果，經過綜合比較，可以選擇出以總費用*低為原則的*優施工方案并制定總進度計劃。

 

3.3在隧洞施工中的應用隧洞施工過程是個由鉆孔爆破出渣等多種工序反復循環的過程。由于每道工序的作業時間多是隨機的，每個工作循環都可以產生隨機排隊現象。甩可能在某個儻環作業出現擁塞現象而影響其他的作業。對于這類工程的施工，若采用般網絡模型肘孤來達整個工程的循環施工過程是極其復雜的。同時難以反映施工過程中某些隨機時間因素及其影響。針對這問。70年代美國出現了循環運。行網絡述0押131如1士技術，是解決此類問的*佳選擇。該技術通過模擬工程對象的循環過程和隨機時間。可算出不同資源水平和施工組織情況下循環過程的工期和成本。并找出擁塞點，通過靈敏度分析可以得到合理的機械配套組合及理想的工期成本*優方案，建立隧洞施工循環運行網絡模型的基本思路是首先明確施工過程中有哪些活動以及各活動之間的邏輯關系。活動需哪些初始資源及其數目；然后由模型的組成部分按照節點間的邏輯關系建立起循環運行網絡模型。

 

利用該模型進行隧洞施工過程仿真可得出施工工期機械設備生產率資源閑置等待時間資源利用率施工費用以及找出擁塞點等。從而為決策提供所需的多種信息，3.4在截流施工中的應用截流是施工總進度計劃的控制性工期。向倍受重視。

 

與傳統方法相比。借助計算機仿真方法可以更方便更細致定量程度更高地研宄截流中存在的問，以更高的效率比較更多的截流施工方案。更有效地指揮現場施工。從而降低施工成本和風險。提尚截流的成功率。

 

截流方法中*常用的是平堵和立堵兩種方法。這兩種方法，尤其是立堵法的施工過程計算機仿真在料場規劃與調度交通運輸組織方面與土石壩施工十分類似。與土石壩施工不同的是戧堤填筑，以立堵法為例，其工程量更加集中。施工強度更大。對施工組織的要求更加嚴格，而且，戧堤填筑基本上是水下施工。截流過程中的填筑方量和拋投材料的粒徑受流速變化的制約，方面填筑方量受截流流量影響，另方面，需隨著龍口寬度變化進行所謂流速分區，因此。截流施工的計算機仿真較多地依賴于截流水力計算與河道水文地形。±也吣條件。除此外。可，空土，壩圯筑施1過程的仂以認。

 

4結語計算機仿真技術在水電工程施工中得到了比較成功的應用，收到了較好的經濟效益，并逐漸流行為種趨勢。目前，該技術在設計階段的方案優選方面應用效果較為理想。但在施工期間的實時控制方面。應用效果則不盡如人意。宄其原因。瓶頸主要是現場實時數據的收集整理應用存在較大發揮這方面的功能。但我們有理由相信。隨著計算機技術的不斷發展，系統工程理論的不斷完善。以及信息技術的推廣應用。此項潛力巨大的技術必將為水電工程建設的規劃。設計施工帶來革命忡的進步。