[12-11 16:59:29] 来源：http://www.tmgc8.com 水利水电 阅读：3951次
水利水电工程建设是控制国民经济命脉的基础性设施建设。近些年来随着二滩、小浪底、三峡、“南水北调”等大型水利水电工程相继兴建并投入运行，我国在水利水电建设方面取得了新的进展，积累了丰富的设计和施工经验，但同时依然存在一些技术难题，如研究和改进特大地下洞室群高混凝土坝、高土石坝的施工组织设计与管理、提高质量、节省投资、缩短工期等都是富有挑战性的难题。不少在建和待建的水利水电枢纽工程规模巨大，工程具体施工中因素千变万化，随着计算机技术的发展，可以借助计算机仿真技术分析进度变化带来的影响并进行实时动态调整，为水利水电工程建设提供了一个新的分析平台。
1 计算机仿真技术简介
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用过程或状态进行数字化模仿的技术，所以也称为数字仿真。计算机仿真为水利水电施工过程研究开创了新的方法，使水电施工和现代化的计算手段结合在一起，使施工参数分析和选择从仅凭施工经验确定进入到施工过程仿真试验、施工参数数值分析、施工方案优化比较等科学领域，从而大大减少了技术人员的计算强度，缩短了施工方案选择和机械配套的计算时间，提高了计算精确度和准确度。
2 仿真技术在水利水电工程施工设计中的应用
2.1 传统方法难以处理的问题
(1)坝体混凝土浇筑施工
一是合理配置机械设备、妥善安排坝体混凝土浇筑块的浇筑顺序，正确预测浇筑工期；二是施工期间的实时控制；三是浇筑机械的生产率和利用率的确定。
以往，在制定和论证坝体混凝土浇筑方案和施工进度时，常用类比法，即根据国内外同等类型工程，按坝体月上升高度、混凝土浇筑高峰强度等指标来拟定施工进度和总工期。在进行机械设备选型配套时，按其平均生产能力进行配备，对机械设备和综合机械设备生产能力在施工中出现的随机性作简化处理，按机械的平均生产能力确定各施工机械的数量，再在此基础上增加一定的备用容量。实践证明，这种粗线条的勾勒和简化处理，在一些中小型工程和大型工程初步进度分析中有一定价值，但精度不高。而且一个合理的施工方案和机械配套方案，常常需要通过众多方案的比较、参数的反复调整和修改才能产生，工作量很大，特别是在大坝仓位很多的情况下，若采用传统的手工方法对大坝进行分仓、分层安排浇筑计划，则更加繁琐，甚至无法做到。
(2)导截流和围堰工程施工
在兴建水利枢纽过程中，导截流是施工总进度计划中的控制性环节之一，截流的成败，将直接影响整个工程的全局，因此一向倍受重视。导截流设计是经济性和安全性之间的一种最佳选择，往往由于复杂的自然因素影响或决策变动等原因，需要反复修改和调整；另一方面，水电建设市场的竞争环境又要求投标者高效率、准确的编制施工组织设计，以取得投标承包的最佳结果。显然，传统的计算方法很难满足这一要求。
(3)地下工程施工
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(cmp/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的某些随机时间因素及其影响。
地下厂房系统施工开挖量大，施工强度高，施工条件复杂，是一个极其复杂的过程。由于工序的作业时间的随机性，容易产生随机排队现象而影响其他作业；由于地下洞室系统纵横交错，布置密集，高差大，施工通道少，使得各工序配合与相互干扰错综复杂；在安排各个洞室施工先后顺序及隧洞施工顺序时，需要考虑对工程的总工期、围岩稳定、通风散烟条件、施工强度以及交通运输等问题的影响。各个洞室施工在时间、空间上的逻辑关系复杂，传统横道图难以直观地揭示其复杂的时空关系。因而仅靠设计人员采用传统的方法分析计算，难以确定合理的施工机械设备配套方案、制定合理的施工进度计划和施工组织设计方案，难以全面、快速、准确地掌握施工全过程。
2.2 应用仿真技术解决问题
(1)坝体混凝土浇筑施工
坝体混凝土浇筑过程仿真的基本思路是：首先对浇筑块、投入使用的浇筑和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，并算出各浇筑块浇筑施工进程，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。www.tmgc8.com
近几年国内相关设计人员结合现代水电工程技术和计算机技术的发展，根据具体工程为实例，开发出了一系列混凝土坝施工实时动态仿真系统程序。混凝土坝的施工工种多、工程量大，施工关系复杂、控制因素多，施工设备类型繁多，通过对混凝土施工与计算的调研分析，将常规混凝土坝浇筑的门塔机、缆机和皮带机浇筑机械与碾压混凝土坝的汽车入仓、皮带机两类施工机械，归为离散型服务和连续型服务两种浇筑仿真模型。以混凝土生产、混凝土水平运输、混凝土浇筑、混凝土振捣压实四个环节作为仿真主体，对不同季节不同结构部位区别对待，同时考虑混凝土浇筑辅助作业、金属结构安装、灌浆工程等，可满足不同坝型、不同混凝土品种、不同浇筑方式、不同大坝施工机械的仿真需要，可以实现以任一时刻为起点、任意时段的混凝土坝施工的动态仿真计算。
这些程序设计多采用大众熟悉的应用软件，仿真计算成果采用现在常用的软件输出，程序设计采用开放式人机对话模式，具有了较高的可操作性和实用性。根据混凝土坝的施工特点，实时动态仿真系统主要具备以下主要功能：
①工程量计算
②计算机跳仓选块
③多种施工机械组合配套
④方案与设备比较
⑤进度表达
⑥图形处理。仿真系统充分考虑了多种影响条件，实践证明计算结果与实际发生量吻合较好，具有良好的实用性，特别是针对多种机械组合的综合模型建立、实时三维图形显示以及与常用进度软件的数据接口等方面，具备一定的通用性。
(2)导截流和围堰工程施工
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导截流中存在的问题。以更高的效率，分析论证更多的导截流施工方案，更有效地指挥现场施工，从而降低了施工成本和风险，提高了截流的成功率和导流方案的合理性。
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相似。与土石坝不同的是戗堤填筑。以立堵法为例，工程量更加集中，施工强度更大，对机械设备配置的要求更高，施工组织更加严格，而且戗堤基本上是水下施工，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的影响；另一方面，需随着龙口宽度的变化进行所谓的“流速分区”，因此截流施工的计算机仿真较多的依赖于截流水利计算与河道水文、地形、地质条件，模拟截流施工的进程，预测截流水力学参数的变化，确定各分区抛投材料的类型、尺寸和数量，能够为决策机构提供及时、可靠的依据。
计算机仿真技术辅助设计在导截流和围堰工程方面的应用，长期处于空白状态。三峡工程率先利用先进的计算机技术，建立起大江截流及二期围堰工程的三维实体模型，并进行了三维仿真模拟，使实际施工之前，就能迅速、精确、直观地看到工程采取的措施所产生的结果，从而，对不同的方案进行对比研究，为大江截流的正确决策提供了强有力的技术支持。
(3)地下工程施工
地下工程施工过程仿真的基本思路是：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，活动需要哪些初始资源及数目；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的网络模型。
以隧洞工程施工为例，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、施工费用及找出拥塞点等，从而为决策提出所需的多种信息。
基于地下厂房系统施工问题，提出了复杂地下厂房施工系统可视化仿真理论方法，并研制开发了相应的计算机软件ESAS。通过地下洞室群施工全过程动态仿真，可以对施工过程进行定量计算与分析，进行多方案的比较和优化，直到得出满意方案。
采用计算机仿真技术，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。
3 计算机仿真技术发展的若干方向
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合。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仿真技术，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、三维应力场和温度场等；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，逐渐发展成大中型水电工程规划、设计和施工管理中不可缺少的技术手段。如三峡工程大坝二期混凝土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。www.tmgc8.com
除此之外，从结构应力和温度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水工中的应用开辟了更广阔的空间。
4 结语
水电工程计算机仿真技术可以作为一种解释手段、说明或论证整个系统和方案的运行情况，同时也可以作为一种分析手段，分析系统和方案关键组成部分的相互联系、相互之间的影响情况等，以便合理确定系统和方案的关键组成部分；仿真成果还可以作为设计准绳去综合分析、评价所建议的决策措施，又可以作为一种预测方法去预测未来的发展状况。
因而，计算机仿真技术又可以看作是一种特殊的实验手段，它以现实系统和方案的映象和模型及相应的人工环境为依据，在不破坏、不影响原系统和方案宏观决策方向的前提下具备了安全、快速并能进行多方案选择的优点，这些优点既可以解决混凝土施工、地下工程施工、导截流施工、高边坡开挖施工等难于建立精确的解析数学模型这一难题，同时也能准确描述其中各种因素的相互制约关系，分析、预测出制约施工的关键因素。因而，采用计算机仿真技术来描述和预测整个施工设计方案的全过程是十分必要和可行的。
参考文献
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