计算机仿真技术在水电工程施工中的应用

一、前言 
　　计算机仿真也称计算机模拟，是借助高速、大存贮量数字计算机及相关技术，对复杂的真实系统的运行过程或状态进行数字化模仿的技术，所以也称为数字仿真。
　　计算机仿真技术应用于水电工程施工近30年，最早于70年代初，修建奥地利施立格混凝土坝时采用了确定性数字模拟技术对缆机浇筑混凝土方案进行优选，实践表明，模拟的浇筑速度和进程与实际施工情况非常吻和。80年代初，我国首先在二滩工程大坝施工组织设计中采用该技术，进行了类似的研究，效果较好。此后越来越多的水电工程开始应用，应用范围从辅助施工组织设计扩展到结构设计、三维动态显示等；从仿真单一的混凝土坝浇筑到仿真土石坝施工、截流施工、地下工程施工等；应用目标从静态的方案优选发展到动态的实时控制等；从最初把仿真成果仅仅作为一种不重要的决策参考，逐渐发展成水电工程、尤其是大型水电工程规划、设计和施工管理中不可缺少的技术手段。如水口水电站大坝施工采用了计算机仿真实时控制技术；三峡工程二期混凝土大坝浇筑已开发了功能强大的计算机仿真系统，可以快速评价承包商提交的施工总进度计划，能够对技术措施进行定量分析，快速比较多种浇筑方案，对混凝土施工进行各种因素的敏感性分析，对工程进度进行实时控制，还可对浇筑过程进行三维动态显示等。另外，三峡工程大江截流及二期围堰工程施工过程的仿真研究，基于可视化技术及计算机图形、图像技术、多媒体技术等，将大江截流、二期围堰填筑施工全过程以二维动态方式生动逼真地展示了出来。目前该研究已扩展到对整个三峡工程施工全过程的三维动态显示。
　　除此之外，从结构应力分析的角度出发，大坝施工过程应力场、温度场计算机仿真研究也悄然兴起，并在一些工程的设计阶段得到应用，效果很好，如大连理工大学开发的沙牌高碾压混凝土拱坝施工过程计算机仿真系统。可以预计，将施工过程的应力仿真和施工措施仿真相结合同时辅以三维动态显示技术的日子即将来临，这必然为计算机仿真技术在水电工程施工中的应用开辟了更广阔的空间。
二、计算机仿真技术简介
　　计算机仿真技术的核心是按系统工程原理建立真实系统的计算机仿真数学模型，然后利用模型代替真实系统在计算机上进行实验和研究。
　　按照数学模型的分类，水电工程施工过程计算机仿真模型属于离散时间模型，即仿真过程中用某一时刻的系统状态表示该系统某一时段内的状态，系统状态变化是非连续的，而是在离散时刻发生突变，如此一来，只需按时间顺序描述各时间点上的系统状态就算掌握了系统的动态变化过程。为反映离散时间模型的“时间轨迹”，需要采用“仿真钟”。仿真钟的推进有两种方法：时间步长法和事件步长法。时间步长法以某一固定单位时间为增量，按时间顺序仿真出各时刻的系统状态，最终一步步地刻划出整个系统的运行过程；事件步长法则以各个事件发生的时间为增量，同样按时间顺序将各事件的起始状态“串联”起来，最终一步步仿真出系统的动态变化过程。
　　最早建立的水电工程施工过程仿真模型多是确定性的，这与水电工程施工过程中充斥着随机和模糊事件的实际情况明显不符。为此，不少科研、技术人员引入了随机理论和模糊理论，从而使建立的模型能够更接近真实系统，同时赋予仿真研究成果更多的意义。如从工期角度评价某一施工方案的合理性时，通过计算不仅可以得出该方案最有可能的工期，还可得出按期完工的概率，从而作出方案的风险分析等。
　　此外，按研究目的不同，模型又分为静态模型和动态模型。这里“静态”模型的仿真过程并非状态仿真，事实上仍是过程仿真，不过仿真进程必须一气呵成，不能中断，主要用于方案的评价和比较。而动态仿真可以任意中断，或将仿真进程按需要分成若干阶段，因此可以在方案实施当中，按照实际达到的进程水平修改施工参数，以便求出下阶段施工的最佳调整方案和进度计划，从而达到对大坝施工进行实时控制的目的。
三、计算机仿真技术在不同施工过程中的应用
    1．在混凝土坝浇筑施工中的应用
　　大型水电工程混凝土坝浇筑过程仿真研究的主要目的是解决两个问题：一是合理配置机械设备、妥善安排坝体混凝土注块的浇筑顺序，正确预测浇筑工期；二是在施工期间的实时控制。
　　浇筑过程仿真的基本思路是，首先对注块、投入使用的浇筑、运输设备分别进行编号。然后，按照给定的浇筑方案所要求的各种约束条件安排注块的浇筑顺序并算出各注块浇筑施工进程，从而算出该方案下的大坝施工工期。重复计算多个方案，得出不同结果，最后经过综合比较，即可选出最优方案。
　　仿真遵循的目标是：在满足各种约束条件的前提下，安排的全体注块的浇筑顺序和浇筑设备使大坝浇筑工期最紧凑，设备闲置时间最少。而所谓的约束条件有：某注块能否浇筑的时间约束；相邻注块的允许高差限制；相邻注块拆摸条件限制；起重机工作范围限制；相邻起重机工作干扰限制；气温条件对浇筑的影响；其他约束条件，如灌浆等。
　　大坝浇筑系统本质上可以看作是一个由起重机为主导的浇筑吊运系统按特定规则分别为各个注块服务的一种特殊的排队服务系统，系统中不仅要考虑由起重机组成的服务系统中存在的排队现象，还要考虑与之联系并相互制约与影响的拌和、供料、运输系统之间的配合与相互影响等随机因素引起的等待和排队现象，这就需要将拌和楼、运输车辆和起重机全部考虑为一个完整系统，用蒙特卡罗方法对之进行仿真。
    2．在土石坝施工中的应用
　　土石坝施工组织设计中需重点解决三个问题，即：土石料场规划与调度；运输道路规划及运输机械的组织和管理；土石坝填筑过程中各作业环节之间的组织协调及施工进度计划的制定与实施。针对上述三大问题可分别建立土石优化调运仿真模型、施工运输仿真模型和土石坝填筑过程仿真模型，再按照三者的制约关系集成一个完整的土石坝施工仿真系统。
　　建立土石优化调运模型的思路是：根据内、外影响因素将大坝施工工期划分为若干时段，在每个时段内确定供料源和受料源，先根据施工组织设计初步方案建立各时段土石线性规划模型，然后对施工期各时段内的料场综合编号，再结合施工中的实际要求，最终形成总的土石优化调运数学模型。其目标为总调运费用最省，而约束条件有：①最大可供应量；②最大可接受量；③堆料场进出料量平衡等。
　　土石坝施工运输系统也属于随机排队服务系统。对这类系统而言，一般建立排队仿真网络模型（Q-GERT），这是一种在美国出现的专门研究排队系统的计算机仿真模型。利用运输系统排队仿真网络模型可以解决的问题有：①计算不同运输机械配套情况下，多种机械的利用率或忙期概率，通过综合评价确定最佳机械配套及其相应的运输生产能力；②运输过程中，道路上的行车密度及相应的概率分布规律，据此可决策多种道路的建设标准；③交叉错车情况及排队等待情况等。
　　建立土石坝填筑坝面作业子系统仿真模型的思路是，把一个土石坝的施工过程离散成若干层，每一层的填筑看成一项活动，每一个区看作一个实体，而填铺过程看作对实体进行服务，从而将土石坝的填筑施工过程抽象为一个离散事件动态系统，同样可以建立排队网络模型或循环网络模型，仿真过程实际上就是确定每一填筑层的开始填筑时间和填筑完成时间，通过仿真，可以解决以下问题：①降雨等环境因素对土石坝施工进度的综合影响程度；②在不同的运输机械配套及料场调运方案情况下，大坝的上升过程；③坝面作业机械的配套及其利用情况；④不同上升规划制约下的大坝填筑过程及进度。
　　根据上述研究成果，经过综合比较，可以选择出以总费用最低为原则的最优施工方案并制定总进度计划。
    3．在隧洞施工中的应用
　　隧洞施工过程是一个由钻孔、爆破、出渣等多种工序反复循环的过程，由于每道工序的作业时间多是随机的，每个工作循环都可以产生随机排队现象，很可能在某一个循环作业中出现“拥塞”现象而影响其他的作业，对于这类工程的施工，若采用一般网络模型（CPM/PERT）来表达整个工程的循环施工过程是极其复杂的，同时难以反映施工过程中某些随机时间因素及其影响。针对这一问题，70年代美国出现了“循环运行网络”（Cyclic oPErationNetwork）技术，是解决此类问题的最佳选择，该技术通过模拟工程对象的循环过程和随机时间、可算出不同资源水平和施工组织情况下循环过程的工期和成本，并找出拥塞点，通过灵敏度分析可以得到合理的机械配套组合及理想的工期成本最优方案。
　　建立隧洞施工循环运行网络模型的基本思路是：首先明确施工过程中有哪些活动以及各活动之间的逻辑关系、活动需哪些初始资源及其数目；然后由模型的组成部分按照节点间的逻辑关系建立起循环运行网络模型。
　　利用该模型进行隧洞施工过程仿真可得出施工工期、机械设备生产率、资源闲置等待时间、资源利用率、施工费用以及找出拥塞点等，从而为决策提供所需的多种信息。
    4．在截流施工中的应用
　　截流是施工总进度计划的控制性工期，一向倍受重视。与传统方法相比，借助计算机仿真方法可以更方便、更细致、定量程度更高地研究截流中存在的问题，以更高的效率比较更多的截流施工方案，更有效地指挥现场施工，从而降低施工成本和风险，提高截流的成功率。
　　截流方法中最常用的是平堵和立堵两种方法。这两种方法，尤其是立堵法的施工过程计算机仿真在料场规划与调度、交通运输组织方面与土石坝施工十分类似。与土石坝施工不同的是戗堤填筑。以立堵法为例，其工程量更加集中，施工强度更大，对施工组织的要求更加严格，而且，戗堤填筑基本上是水下施工，截流过程中的填筑方量和抛投材料的粒径受流速变化的制约，一方面填筑方量受截流流量影响，另一方面，需随着龙口宽度变化进行所谓“流速分区”，因此，截流施工的计算机仿真较多地依赖于截流水力计算与河道水文、地形、地质条件，除此之外，可借鉴土石坝填筑施工过程的仿真方法。
四、结语
　　计算机仿真技术在水电工程施工中得到了比较成功的应用，收到了较好的经济效益，并逐渐流行为一种趋势。目前，该技术在设计阶段的方案优选方面应用效果较为理想，但在施工期间的实时控制方面，应用效果则不尽如人意。究其原因，“瓶颈”主要是现场实时数据的收集、整理、应用存在较大的困难，仿真中对辅助作业考虑的欠缺，限制了仿真系统充分发挥这方面的功能。但我们有理由相信，随着计算机技术的不断发展，系统工程理论的不断完善、以及信息技术的推广应用，此项潜力巨大的技术必将为水电工程建设的规划、设计、施工带来革命性的进步。