瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真建模與可視化分析

鐘登華，陳永興，常昊天，吳斌平

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真建模與可視化分析

鐘登華，陳永興，常昊天，吳斌平

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)研究和分析壩體的復(fù)雜施工過(guò)程，為工程設(shè)計(jì)和施工管理提供了有效的工具．文中對(duì)瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)進(jìn)行了分解協(xié)調(diào)，闡述了瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真的基本原理；在綜合考慮施工過(guò)程中的復(fù)雜約束條件下，建立了瀝青混凝土心墻堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系模型；基于Unity3D引擎，研發(fā)出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下瀝青混凝土心墻堆石壩施工過(guò)程的三維可視化分析系統(tǒng)．研究成果在某工程實(shí)例中進(jìn)行了具體應(yīng)用，成果驗(yàn)證了該仿真模型的有效性和技術(shù)方法的先進(jìn)性．

瀝青混凝土心墻堆石壩；施工仿真；仿真建模；Unity3D引擎；可視化分析

瀝青混凝土心墻就是在堆石壩中間以瀝青混凝土作為防滲體的一種特殊的防滲結(jié)構(gòu)形式．瀝青混凝土具有很好的防滲性能、較好的塑性和柔性，能適應(yīng)壩體的沉降變形，對(duì)已產(chǎn)生的裂縫還有一定的自愈能力；瀝青混凝土防滲心墻具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程量小、施工速度快和防滲性能安全可靠等特點(diǎn)[1]．因此，近年來(lái)隨著施工的機(jī)械化程度和專業(yè)化水平越來(lái)越高，我國(guó)相繼建成了一批大、中型瀝青混凝土心墻壩(壩高已達(dá)到百米以上)．大型瀝青混凝土心墻堆石壩工程既具有傳統(tǒng)高堆石壩的工程量大、場(chǎng)地布置復(fù)雜、施工強(qiáng)度高、機(jī)械數(shù)量多及受多方面因素的影響和約束等特點(diǎn)[2-4]，又有其特有的施工工藝流程和控制準(zhǔn)則(突出表現(xiàn)在心墻的施工)．其整個(gè)施工過(guò)程具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性，是一具有時(shí)間、空間概念的動(dòng)態(tài)運(yùn)行體系，這給進(jìn)度、質(zhì)量的管理和控制帶來(lái)了難度[5]．系統(tǒng)仿真技術(shù)[6-7]可為解決以上問(wèn)題提供有效的途徑．

大壩施工仿真技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)70年代的美國(guó)，隨后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)應(yīng)用到了堆石壩施工仿真研究中[8]，開發(fā)了一系列的施工仿真軟件，對(duì)堆石壩施工仿真技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用起到很好的推動(dòng)作用．當(dāng)前，堆石壩施工仿真理論與方法研究已經(jīng)從面向設(shè)計(jì)階段的進(jìn)度預(yù)測(cè)發(fā)展到面向施工階段的實(shí)時(shí)控制．然而，傳統(tǒng)黏土或礫石土心墻堆石壩的施工仿真理論并不能揭示瀝青混凝土心墻堆石壩施工過(guò)程的內(nèi)在復(fù)雜規(guī)律，尤其是傳統(tǒng)的仿真模型不能突出瀝青混凝土心墻堆石壩施工作業(yè)機(jī)理方面獨(dú)有的特點(diǎn)．

因此，針對(duì)上述問(wèn)題，筆者開展了瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真建模和可視化分析研究，編制了相應(yīng)的仿真計(jì)算軟件，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的三維可視化[9-10]分析系統(tǒng)．為施工管理人員提供了有效的輔助分析工具，并為高標(biāo)準(zhǔn)的瀝青混凝土心墻堆石壩的建設(shè)提供了有力的技術(shù)支持．

1 瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)的分解協(xié)調(diào)

瀝青混凝土心墻堆石壩施工過(guò)程是一個(gè)從壩料制備、運(yùn)輸?shù)教钪蠑備?、碾壓的過(guò)程，可據(jù)此將瀝青混凝土心墻堆石壩的施工系統(tǒng)劃分為壩料生產(chǎn)子系統(tǒng)、運(yùn)輸上壩子系統(tǒng)和壩面施工子系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)，其示意如圖1所示．在瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)中，3個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)裝料和卸料這兩個(gè)工序緊密聯(lián)系在一起，彼此協(xié)調(diào)共同構(gòu)成了瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)的有機(jī)整體．壩料(包括石料和混凝土料)作為流動(dòng)實(shí)體，經(jīng)歷了生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪到壓實(shí)的狀態(tài)變化，這個(gè)過(guò)程隨著工程進(jìn)展不斷反復(fù)，直到整個(gè)工程施工完成[11-13]．

圖1 瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of construction system for RDWACC

1) 壩料生產(chǎn)子系統(tǒng)

根據(jù)瀝青混凝土心墻堆石壩的自身特點(diǎn)，壩料生產(chǎn)子系統(tǒng)又可以分解為：瀝青混合料制備系統(tǒng)和石料加工系統(tǒng)．其中，瀝青混合料制備系統(tǒng)由人工砂石骨料加工系統(tǒng)、瀝青混凝土拌合系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)及運(yùn)行與管理系統(tǒng)4部分組成．石料加工系統(tǒng)負(fù)責(zé)上壩石料的生產(chǎn)供應(yīng)，是指在各料源料場(chǎng)制備符合設(shè)計(jì)要求的各分區(qū)壩料的過(guò)程．

2) 運(yùn)輸上壩子系統(tǒng)

瀝青混凝土心墻堆石壩的運(yùn)輸上壩子系統(tǒng)包括瀝青混合料運(yùn)輸上壩和石料運(yùn)輸上壩2部分．瀝青混合料運(yùn)輸上壩是指：配有保溫裝置的汽車在拌合樓取料后，通過(guò)規(guī)劃路線將瀝青混合料運(yùn)輸至施工部位后，再通過(guò)配有保溫轉(zhuǎn)運(yùn)料斗的裝載機(jī)將其卸入攤鋪機(jī)瀝青混合料料斗中．石料運(yùn)輸上壩是指：將各種石料從各自料場(chǎng)運(yùn)輸至壩面對(duì)應(yīng)施工分區(qū)填筑部位的整個(gè)過(guò)程．

3) 壩面施工子系統(tǒng)

壩面施工子系統(tǒng)是瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)中最為復(fù)雜、最為關(guān)鍵的部分，對(duì)大壩施工進(jìn)度和質(zhì)量影響最大，是瀝青混凝土心墻堆石壩施工過(guò)程中實(shí)時(shí)控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)．壩面施工子系統(tǒng)包括：瀝青混合料攤鋪碾壓系統(tǒng)和石料填筑系統(tǒng)．整個(gè)施工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2．

圖2 瀝青混凝土心墻堆石壩施工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of construction system for RDWACC

2 瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真的基本原理

對(duì)于瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真系統(tǒng)，可將其按照離散系統(tǒng)仿真進(jìn)行研究，仿真時(shí)鐘的推進(jìn)是以整體上采用下一事件推進(jìn)法，配合局部采用固定時(shí)間推進(jìn)法．根據(jù)水工瀝青混凝土心墻堆石壩的施工特點(diǎn)，參考以往工程的施工經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)壩料生產(chǎn)在施工過(guò)程中始終能夠滿足運(yùn)輸上壩子系統(tǒng)及壩面施工子系統(tǒng)的需求，以簡(jiǎn)化仿真模擬的邊界條件．所以，這里只考慮運(yùn)輸過(guò)程和壩面施工過(guò)程的仿真建模．

瀝青混凝土心墻堆石壩施工交通運(yùn)輸系統(tǒng)雖然表面看來(lái)場(chǎng)面很宏大，但經(jīng)過(guò)抽象分析，無(wú)論是壩體堆石區(qū)填筑石料的運(yùn)輸上壩還是心墻瀝青混合料的汽車運(yùn)輸，均可以抽象為一個(gè)循環(huán)或者是其擴(kuò)展(包括裝料服務(wù)、重車運(yùn)行服務(wù)、交叉路口服務(wù)、卸料服務(wù)和空車返回服務(wù))．可以采用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用一個(gè)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)其描述，用節(jié)點(diǎn)來(lái)表示車輛在運(yùn)行過(guò)程中的滯留活動(dòng)，矢線表示車輛的流動(dòng)方向和各滯留活動(dòng)發(fā)生的次序．模型中不論節(jié)點(diǎn)還是矢線都包含所代表的信息．應(yīng)用自行開發(fā)的程序，模型可以直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成整體回路節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)[14]．

壩面施工子系統(tǒng)則可以看做是一個(gè)以鋪料機(jī)、攤鋪機(jī)和碾壓機(jī)為“服務(wù)臺(tái)”，以填筑單元為“服務(wù)對(duì)象”的一個(gè)復(fù)雜的、多級(jí)有限源隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)．以瀝青混凝土心墻的壩面施工為例，當(dāng)瀝青混合料入倉(cāng)后，心墻施工單元層要分別接受攤鋪機(jī)和碾壓機(jī)的服務(wù)．

針對(duì)瀝青混凝土心墻壩的施工特點(diǎn)，仿真過(guò)程中設(shè)置了2條線索，一個(gè)是瀝青混凝土心墻區(qū)的壩料運(yùn)輸與填筑施工，另一個(gè)是壩體其他各區(qū)(主要指壩殼區(qū))的壩料運(yùn)輸與填筑施工．其中心墻的施工仿真是控制模擬進(jìn)程的主線，而壩殼區(qū)的填筑模擬是控制全過(guò)程仿真的副線，在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，主線有著自始至終的控制權(quán)，副線是作為主線的約束條件來(lái)影響仿真進(jìn)程推進(jìn)的．

3 瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真的數(shù)學(xué)建模

3.1 目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化模型

瀝青混凝土心墻堆石壩施工全過(guò)程仿真是以壩體施工工序邏輯關(guān)系為基礎(chǔ)，綜合考慮降雨、嚴(yán)寒、機(jī)械配套和施工工藝等制約因素，以壩體施工時(shí)需要滿足的各種時(shí)間、空間限制關(guān)系為約束條件，建立瀝青混凝土心墻堆石壩施工全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真的隨機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)邏輯模型．其模型結(jié)構(gòu)如下．

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為

式中：t為系統(tǒng)總時(shí)鐘的控制時(shí)刻，t=1,2,…,T；i為分區(qū)號(hào)，i=1,2,…,N，i=1時(shí)表示該施工區(qū)為瀝青混凝土心墻區(qū)；H(i,t)為第i區(qū)、t時(shí)刻的高程；ΔH(i,t)為該區(qū)施工厚度．

目標(biāo)函數(shù)如下：fD(X)和fU(X)分別表示工期的目標(biāo)函數(shù)和機(jī)械配套設(shè)備利用率的目標(biāo)函數(shù)．這里考慮2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，即工期和機(jī)械利用率，其優(yōu)化模型為

向量X代表不同的施工方案，它的各分量稱為決策變量，包括機(jī)械配置m、施工工序o和施工控制參數(shù)P等．目標(biāo)是找到向量0X(某一方案)，使多目標(biāo)函數(shù)取得綜合最優(yōu)．意義為不同施工方案下，尋求工期、機(jī)械利用率綜合協(xié)調(diào)最優(yōu)．

3.2 主要約束條件列舉

1) 相鄰區(qū)高差約束

瀝青混凝土心墻上升速度受兩側(cè)壩殼料填筑的制約，規(guī)范要求心墻及過(guò)渡料與相鄰壩殼料填筑高差不應(yīng)超過(guò)0.8,m，當(dāng)心墻及過(guò)渡料填筑高程超過(guò)相鄰壩殼料較大時(shí)，會(huì)造成瀝青混凝土上料困難，過(guò)渡料損耗增大．因此，當(dāng)相鄰壩殼料填筑進(jìn)度較慢時(shí)，瀝青混凝土心墻施工進(jìn)度將受到較大的影響．

式中：(1)H為心墻在當(dāng)前面貌下的高程；()HA、H(B)分別為心墻兩側(cè)的壩殼料填筑到的高程；Hmax為高差最大允許值，取0.8,m．

2) 鉆芯取樣對(duì)瀝青混凝土心墻壩面施工的影響約束

根據(jù)規(guī)范要求，瀝青混凝土心墻每升高2～4,m做一次鉆芯取樣檢測(cè)，主要檢測(cè)密度、空隙率和設(shè)計(jì)要求的其他各項(xiàng)指標(biāo)，而鉆孔取芯在瀝青混凝土心墻溫度較高的情況下一般無(wú)法取得有效的芯樣．從實(shí)際情況看，當(dāng)瀝青混凝土心墻表面溫度降至與環(huán)境氣溫相差不大并且不超過(guò)30,℃時(shí)，鉆孔取芯才能成功．因而夏季施工時(shí)鉆孔取芯一般需耽擱3,d，氣溫較低的情況下最少也需耽擱2,d．

式中：TS(j)為第j心墻施工層可進(jìn)入開倉(cāng)狀態(tài)的時(shí)間約束條件；TF(j-1)為j-1層的完成壩面作業(yè)時(shí)間，且根據(jù)系統(tǒng)判斷j-1層為鉆孔取芯檢測(cè)節(jié)點(diǎn)層；TW為從j-1層施工完畢到瀝青混凝土心墻表面溫度降至檢測(cè)溫度的等待歷時(shí)；TL為鉆芯取樣檢測(cè)歷時(shí)．

3) 熱量損失對(duì)瀝青混凝土運(yùn)輸?shù)募s束

要使瀝青混合料鋪面充分壓實(shí)，必須在碾壓時(shí)保持適當(dāng)?shù)臏囟龋疄r青混合料的出機(jī)口溫度是根據(jù)碾壓溫度要求、運(yùn)輸和攤鋪過(guò)程的熱量損失確定的．因此，減少熱量損失甚為重要．它與運(yùn)距、氣溫、風(fēng)速、運(yùn)輸機(jī)械的容量與保溫設(shè)施等因素有關(guān)．日本《水利瀝青工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》規(guī)定，瀝青混合料運(yùn)輸中表面溫度降低不超過(guò)15,℃時(shí)，不同氣溫下允許的運(yùn)輸時(shí)間見(jiàn)表1．

表1 瀝青混合料允許的運(yùn)輸時(shí)間Tab.1 Allowable transportation time for asphalt mixture

式中：Ttru(k,l)為第k號(hào)自卸汽車第l次從拌合樓向心墻施工區(qū)運(yùn)輸瀝青混凝土的仿真歷時(shí)；(τ)為隨氣溫變化的瀝青混凝土允許運(yùn)輸歷時(shí)，τ根據(jù)仿真時(shí)鐘TIME所處的季節(jié)、月份、白天或夜間取值(見(jiàn)表1)．

4 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下施工過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)可視化分析

基于Unity3D引擎，研發(fā)出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下瀝青混凝土心墻堆石壩施工過(guò)程的三維可視化分析系統(tǒng)，用戶可在逼真的虛擬場(chǎng)景中實(shí)時(shí)查詢大壩施工進(jìn)度(包括實(shí)際進(jìn)度、計(jì)劃進(jìn)度和仿真預(yù)測(cè)進(jìn)度)及其他樞紐工程施工狀況，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架見(jiàn)圖3．具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1) 首先在3,ds Max三維建模軟件中創(chuàng)建水電工程中不同類型的實(shí)體模型，此模型融合了施工場(chǎng)地總布置相關(guān)的所有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)，是各種數(shù)據(jù)可視化的基礎(chǔ)；

(2) 基礎(chǔ)模型創(chuàng)建完畢后導(dǎo)出為Unity3D引擎可識(shí)別的fbx文件，將該文件導(dǎo)入到引擎中，根據(jù)交互需要進(jìn)行必要的腳本編程以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯控制；

(3) Unity3D引擎完成相關(guān)邏輯控制后，發(fā)布為一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)加載和顯示3D模型的Web Player應(yīng)用；

(4) 網(wǎng)頁(yè)系統(tǒng)通過(guò)加載該應(yīng)用實(shí)現(xiàn)三維可視化的虛擬交互仿真．

圖3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架Fig.3 Implementation framework of system

5 工程應(yīng)用實(shí)例

位于我國(guó)西南地區(qū)金沙江上游的某水電站，攔河大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩．該電站處于可行性研究階段，設(shè)計(jì)最大壩高112,m，壩頂高程2,480,m，壩頂寬度為12,m，壩頂長(zhǎng)度473.6,m．瀝青混凝土心墻采用垂直式布置型式，瀝青混凝土心墻頂部最小厚度0.5,m，底部最大厚度1.5,m．心墻頂部高程為2,478,m，考慮底部防滲需要，對(duì)心墻底部進(jìn)行擴(kuò)大，擴(kuò)大區(qū)高度為3,m，擴(kuò)大角度為17°，端部布置成弧形．主要工程量見(jiàn)表2．應(yīng)用獨(dú)立研發(fā)的瀝青混凝土心墻堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真軟件，對(duì)此工程進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)其成果進(jìn)行分析．

表2 某瀝青混凝土心墻堆石壩壩體主要工程量Tab.2 Engineering quantity of one RDWACC′s dam body 104,m3

構(gòu)建其循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型，以工程第3期為例展示，見(jiàn)圖4．其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含自身的屬性信息：名稱、所屬回路、運(yùn)距等．如此形成每一期、每一回路的網(wǎng)絡(luò)模型，并將其導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中．

圖4 工程第3期某循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Cyclic operation network model of the third phase project

仿真計(jì)算得到總工期為21.6個(gè)月，月平均填筑強(qiáng)度為35.97×104,m3，月填筑強(qiáng)度最大值為63.87× 104,m3．圖5和圖6分別為系統(tǒng)輸出的工程總體施工強(qiáng)度和心墻的施工強(qiáng)度．

借助網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的施工動(dòng)態(tài)三維可視化分析系統(tǒng)，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)了瀝青混凝土心墻堆石壩施工進(jìn)度的遠(yuǎn)程分析及實(shí)時(shí)控制，方便了施工管理人員對(duì)大壩施工過(guò)程的遠(yuǎn)程管理．

圖5 壩體施工強(qiáng)度Fig.5 Whole construction intensity statistics

圖6 心墻施工強(qiáng)度Fig.6 Construction intensity of concrete core

圖7 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下施工動(dòng)態(tài)可視化分析系統(tǒng)Fig.7 Dynamic visual analysis system for construction under network environment

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真的理論方法研究為該領(lǐng)域的發(fā)展開拓了道路，相應(yīng)仿真計(jì)算軟件以及可視化分析系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用為瀝青混凝土心墻堆石壩施工組織設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的施工進(jìn)度控制分析手段，促進(jìn)了工程設(shè)計(jì)和施工管理水平的提升．瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真理論方法研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，在我國(guó)瀝青混凝土心墻堆石壩工程建設(shè)中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景．

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Construction Simulation Modeling and Visual Analysis of Rockfill Dam with Asphalt Concrete Core

Zhong Denghua，Chen Yongxing，Chang Haotian，Wu Binping
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Construction simulation of rockfill dam with asphalt concrete core(RDWACC)is an advanced technology. It takes advantage of computer simulation to observe and analyze a complex construction operation. It provides a useful tool for construction design and management. The decomposition and coordination of RDWACC′s construction system were carried out，and then the basic theory of construction simulation for RDWACC was described. Considering the complex constraints of construction process，the mathematical logic relation model of construction dynamic simulation of RDWACC was built. Based on the Unity3D engine，the 3D visual analysis system for RDWACC construction under network environment was developed. The research achievements were applied to a practical project，and the results show the efficiency of the simulation models and the advancement of the technical method.

rockfill dam with asphalt concrete core；construction simulation；simulation modeling；Unity3D engine；visual analysis

TV641.4；TP391.9

A

0493-2137(2013)04-0285-06

DOI 10.11784/tdxb20130401

2012-11-27；

2013-01-15.

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51021004)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(12JCZDJC29200).

鐘登華（1963— ），男，博士，教授.

鐘登華，dzhong@tju.edu.cn.