（水工结构工程专业论文）龙开口水电站碾压混凝土坝大坝浇筑计算机仿真研究.pdf

龙开口水电站碾压混凝土坝 大坝浇筑计算机仿真研究 s t u d y o nc o m p u t e rs i m u l a t i o no f l o n g k a i k o ur o l l e dc o n c r e t ed a m 学科专业：水工结构工程 研究生：张双双 指导教师：王仁超教授、戚蓝教授 天津大学建筑工程学院 二零零八年五月 摘要 碾压混凝土坝施工的特点是大仓面快速连续施工，在碾压混凝土坝的施工 过程中，制约因素很多，大坝混凝土工程量巨大、浇筑工期长、坝体结构复 杂、施工强度高、可浇坝块的确定涉及的因素很多，由于各个环节存在相互协 调、相互影响，同时还受到施工系统所处的环境因素的影响，使得人为安排大 坝浇筑顺序和施工进度处理工作量大，也难以周全地考虑影响大坝是个施工进 度的各种因素，对于多个大坝浇筑方案和机械组合方案的比较优选，更难以做 出及时有效的决策。应用计算机仿真技术为水利水电工程施工过程研究开创了 新的方法。 本文结合领域研究的前沿成果，针对龙开口碾压混凝土坝进行了仿真模拟 研究内容及成果有： ( 1 ) 根据龙开口水电站工程概况，分析了龙开口碾压混凝土坝的施工特性 及主要影响因素。 ( 2 ) 分析、综述系统仿真的基本原理，提出本研究的基本思路与技术路 线。 ( 3 ) 本文采用离散事件系统仿真的理论，用面向对象的方法建立了龙开口 碾压混凝土坝施工过程仿真的模型。该系统同时考虑了常态混凝土的施工特性 及不同坝型的浇筑特点，该系统适合于混凝土重力坝、混凝土拱坝及碾压混凝 土坝施工仿真。 ( 4 ) 根据龙开口大坝施工厂房干扰大、大坝浇筑结构复杂，仓面多等特 点，考虑固结灌浆、孔洞施工以及汽车入仓面貌控制等大坝浇筑控制性条件， 确定了施工模拟参数及边界条件，拟定了多种浇筑方案进行施工仿真模拟，得 出了浇筑强度、浇筑工期、机械利用率及浇筑过程的二维、三维演示等仿真结 果，经过对仿真结果的分析得出了相应的结论为方案优选提供了科学依据。 本文得出的结论有：通过建立的龙开口碾压混凝土坝大坝浇筑计算机模拟 系统对项目方案的模拟结果分析，得出了基本方案的大坝浇筑进程及控制行进 度满足要求，得出龙开口大坝浇筑的两个关键阶段，并给出加快1 4 # 坝段浇筑 进度的方法。 关键词：龙开1 ：2 1 水电站，碾压混凝土坝，施工仿真，方案优选 a b s t r a c t r c cc o n s t r u c t i o ni sc h a r a c t e r i z e db yl a r g ep l a c e da r e af o rr a p i da n dc o n t i n u o u s c o n s t r u c t i o n i nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h e r ea r em a n yc o n s t r a i n t s a si sk n o w nt o a u ，i t sq u a n t i t i e sa r eg r e a t ，a n dp l a c e m e n tp e r i o di sa l s ov e r yl o n g d u r i n gt h ep r o c e s s o fp l a c e m e n t ，t h e r ea r eg r e a ta m o u n ta n dt y p e so fp l a c e m e n tm a c h i n e ，a sw e l l e s p e c i a l l y ，t h ec o n c r e t ew o r k sm a k e sf e a t u r e so fc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，h i g ht e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s ，a n dg r e a tc o n s t r u c t i o ni n t e n s i t y i na d d i t i o n , m a n yf a c t o r sm u s tb e c o n s i d e r e dc a r e f u l l yt od e t e r m i n ew h i c hd a mb l o c kt ob ep l a c e d s oi ti sr e l a t i o na n d c o n d i t i o no fv a r i o u s l yt h o s ef a c t o r sd u r i n gc o n c r e t ed a mc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，w h i c h n o to n l ym a k e su sh a v et r o u b l ew i t hp e r s o n a la r r a n g e m e n to f s e q u e n c eo fp o u r i n ga n d c o n s t r u c t i o na l t e r n a t i v e sb u ta l s on o tt a k ec o m p r e h e n s i v e l yi na c c o u n to fa l lf a c t o r s e f f e c t i n gc o n s t r u c t i o na l t e r n a t i v e s p a r t i c u l a r l yf o rc o m p a r i s o na n do p t i m i z a t i o no f s e v e r a lp o u r i n gp l a n sa n dm a c h i n ec o m b i n e ds c h e m e s ，i ti sm o r ed i f f i c u l tt om a k ea n o p p o r t u n ea n da v a i l a b l ed e c i s i o n a p p l y i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o ni n n o v a t e sa n a p p r o a c hf o rt h ec o n s t r u c t i o nr e s e a r c ho fh y d r a u l i ca n dh y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g b a s e do nt h ef r o n tr e s u l t so f t h ef i e l d ，t h i sp a p e rc a r r yo u ts i m u l a t i o nr e s e a r c ho n l o n g k a i k o ur c cd a r n t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h eo v e r v i e wo fl o n g k a i k o us t a t i o n , t h i sp a p e ra n a l y z e s c o n s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em a i nf a c t o r so ft h el o n g k a i k o ur c cd a m ( 2 ) a n a l y z ea n dd i s s c u s st h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fs i m u l a t i o n p u tf o r w a r d i d e a sa n d p o s s i b l es o l u t i o n s ( 3 ) t h i sp a p e re s t a b l i s h e sc o n c r e t ed a mc o n s t r u c t i o np r o c e s ss i m u l a t i o n m o d e l sb a s e do nd i s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o nt h e o r ya n do b j e c t - o r i e n t e da p p r o a c h t h e s y s t e mc o n s i d e r st h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o no ft h ed a m p o u r i n gc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nc o n v e n t i o n a lc o n c r e t ea n dr o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t e i ti ss u i t a b l ef o rc o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o nf o rc o n c r e t eg r a v i t yd a m , c o n c r e t ea r c hd a m a n dt h er c c 咖 ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb i gi n t e r f e r e n c eo ft h ew o r k s h o p ， c o m p l e xp o u r i n gs t r u c t u r e ，a n dm a n yp l a c e da r e a s t h em o d e lc o n s i d e r sm a n y p o u r i n gc o n t r o l l e dc o n d i t i o n s ， s u c ha sc o n s o l i d a t i o ng r o u t i n g ，h o l e sc o n s t r u c t i o n a n da u t o m o b i l ew a r e h o u s i n gf a c eo ft h ed a mc o n t r o lc t c d e t e r m i n et h es i m u l a t i o n p a r a m c t e r s 雒db o u n d a r y c o n d i t i o n s ，d r a i n sm a n yp o u r i n g s c h e m e st o s n u l a t c c 0 i l s t m c t i o ma “d r a w st h er e s u l t so ft h es t r e n g t ho fp o u r i n g ，p o u r i n gp e r i o d ，t h e u t i l m i o n 。fm c h i l l e r y 觚dp 。晌gp r o c e s so f2 d a n d3 dp r e s e n t a t i o n s 触c r 绷l y z i i l gt h es i m u l a t i o n r e s u l t sf o rt h ec o r r e s p o n d i n gc 。n c l u s i o n s ，i tp r 0 v i d e s a s c i e n t i i cb a s i sf o rs c h e m eo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：l o n 班a i k o uh y d r o p o w e rs t a t i o n ， r o l l e r - c o m p a c t e d d a m ， c o n s n - u e t i o ns i m u l a t i o n ， s c h e m eo p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：疋茁双文双签字同期：铆- 裾年多月 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：吾旋双盈文导师签名： 签字日期：7 ， 孑年f 月 f 1 卜 彩二题 签字f | 期：谚谚年月厂r 第一章绪论 1 1 工程概况 第一章绪论 龙开口水电站位于金沙江中游、云南省大理州与丽江市交界的鹤庆县朵美 乡龙开口村河段上，电站装机规模为1 8 0 0 m w ，是金沙江中游河段规划的第六 个梯级电站。上接金安桥水电站，下邻鲁地拉水电站。电站距昆明、攀枝花和 大理的直线距离分别为2 8 0 k i n 、1 3 0 k i n 和l o o k m ，距鹤庆县县城现有公路里程 约l o o k m ，对外交通公路建成后约6 0 k r n 1 1 。 1 1 1 水工枢纽布置 枢纽工程主要由挡水建筑物、泄洪冲沙建筑物、右岸坝后式引水发电系统 及左右岸灌溉取水口等建筑物组成。其中，拦河大坝为碾压混凝土重力坝，最 大坝高1 19 o o m ，坝顶长度7 9 8 o o m 。泄洪建筑物位于主河床，由5 个溢流表孔 和4 个泄洪中孔组成。引水建筑物布置于泄洪建筑物右侧，由坝式进水口和坝 后背管组成。即大坝从左至右依次为：左岸挡水坝段，泄洪坝段，厂房坝段， 冲沙底孔坝段，右岸挡水坝段。具体布置如下。 拦河大坝坝体共设3 0 条横缝，不设纵缝，坝段划分为： ( 1 ) 1 # 8 8 左岸挡水坝段，总长1 7 0 o o m ，最大坝高9 2 5 0 m ，其中l 撑、 2 群、5 0 8 4 坝段宽2 0 o o m ，3 群、4 撑坝段宽2 5 o o m 。6 撑、7 撑坝段为导流底孔坝段，各 布置有一个1 0 o m x l 4 o m ( 宽高) 的导流底孔。本研究模拟的标段坝体混凝土浇 筑范围为1 群5 群坝段v 1 2 4 9 高程以上、6 # 矽坝段v 1 2 3 5 高程以上和8 群坝段v 1 2 5 0 以上混凝土。 ( 2 ) 2 0 # - 3 1 # 右岸挡水坝段，总长3 0 0 o o m ，最大坝高11 5 o o m ，坝段宽度 2 5 m 。 ( 3 ) 1 0 4 1 2 # 坝段为溢流表孔坝段，全长9 3 o o m ，最大坝高11 9 o o m ，坝段 宽3 1 o o m 。采用5 孔1 3 o m x 2 0 o m 的开敞式溢流表孔泄洪，堰顶高程 1 2 7 8 o o m 。 ( 4 ) 缈、1 3 # 泄洪中孔坝段，分别溢流表孔坝段的左、右两侧，坝段宽 2 4 o m ，最大坝高为l1 0 o m ，坝顶宽2 5 o m 。每坝段布置两孔泄洪中孔，中墩厚 5 0 0 m ，边墩厚4 5 0 m ，坝体基本断面同挡水坝段。 第一章绪论 ( 5 ) 1 9 掌冲砂底孔坝段，坝段宽1 9 o o m ，最大坝高1 1 5 o o m ，坝体基本断面 同非溢流坝段。冲沙底孔尺寸为3 0 m x 5 o m ，孔底高程为1 2 2 4 6 0 m 。 ( 6 ) 1 4 # 1 8 # 厂房坝段，总长1 6 8 o o m ，最大坝高1 1 5 o o m ，坝段宽度 3 3 6 m 。 龙开口水电站本次研究标段混凝土总量约为3 5 6 x1 0 4 m 3 ，其中碾压混凝土 约为2 5 8 x1 0 4 m 3 ，常态混凝土约为9 8x1 0 4 m 3 。 大坝上、下游立视图如图1 一l 所示。 1 1 2 导流程序 龙开口水电站施工导流采用断流围堰、明渠导流的方式，导流程序全过程 如下： ( 1 ) 一期导流：2 0 0 8 年1 月- - - 2 0 0 8 年1 2 月。 本阶段为导流明渠施工期。在导流明渠施工围堰的围护下进行导流明渠、 左岸挡水坝段( 1 群8 撑) 坝基开挖及混凝土浇筑( 其他标段) ，来水由束窄的河 床泄流。 ( 2 ) 二期导流：2 0 0 9 年1 月- - - 2 0 1 0 年1 0 月。 2 0 0 9 年1 月下旬河床截流，来水由导流明渠内的2 个导流底孔下泄。截流 后第一个汛前完成上、下游主围堰施工及厂房临时围堰的拆除，同时进行右岸 挡水坝段、厂房坝段、厂房混凝土浇筑以及溢流坝段、泄洪中孔坝段和5 撑机组 的基础开挖。至2 0 1 0 年1 0 月，由上、下游主围堰挡水，明渠内2 个导流底孔及 其顶部缺口联合泄流。进行河床和右岸大基坑内的大坝和厂房混凝土浇筑。 ( 3 ) 三期导流：2 0 1 0 年1 1 月- - - - 2 0 1 1 年1 1 月。 2 0 1 0 年1 1 月- - 2 0 1 1 年5 月，上、下游主围堰拆除，由大坝临时断面挡水， 导流明渠内的2 个导流底孔泄流，开始浇筑明渠坝段缺口1 2 3 5 o o m 高程以上混 凝土。2 0 11 年汛前，大坝全线浇筑高程不低于1 2 9 2 o o m ，溢流表孔具备泄流条 件，此后由坝体临时断面挡水，由导流底孔、冲沙底孔、泄洪中孔及溢流表孔 联合泄流，坝体度汛标准为全年1 0 0 年遇，洪水流量1 3 4 0 0 m 3 s 。2 0 11 年1 0 月下旬，2 个导流底孔下闸封堵，水库开始蓄水，同年1 1 月底，首台机组投产 发电；2 0 1 3 年4 月底，全部机组投产发电，工程竣工。 2 第一章绪论 隔 刍广、 臼 nl 矗黼 寺 a 8飞 。 8 心卦 8 、 尉 口 。 0 闪 1 - o 。 ， 裔 8 罄 。 旦睁 。 g 、 _ 一 ul 学口 函 ，、 邕q 9 口 t ! = 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日结束，厂房5 群机组的基础开挖于 2 0 0 9 年7 月3 1 日结束。 ( 6 ) 大坝各坝段在2 0 11 年5 月3 1 日前的坝体挡水高程不低于1 2 9 2 o o m ， 溢流坝具备过水条件，冲沙底孔、泄洪中孔及厂房进水口的闸门安装完毕，满 足2 0 1 1 年1 0 0 年一遇的度汛要求。 ( 7 ) 2 0 1 1 年8 月3 1 日坝体全线浇筑至1 3 0 3 o o m 高程，2 0 1 1 年1 0 月下旬 溢流表孔闸门安装完成。 1 1 4 混凝土入仓方案 ( 1 ) 碾压混凝土入仓方案 1 ) 左岸挡水坝段：1 群5 撑坝段v 1 2 5 7 5 高程以下自卸汽车直接入仓：1 撑 妒坝段v1 2 5 7 5 , - - - v1 2 8 5 高程溜槽+ 自卸汽车转运入仓；6 舟7 撑坝段v1 2 5 7 5 以 下溜槽入仓；8 。坝段v 1 2 5 7 5 以下缆机入仓，5 4 8 # 坝段v 1 2 5 7 5 v 1 2 8 5 高程 溜槽入仓。 2 ) 左泄洪中孔坝段：泄洪中孔v1 2 3 4 以下及v1 2 5 1 6 - - v 1 2 6 0 高程范围碾 压混凝土由坝下游和左岸缆机平台公路自卸汽车直接入仓；v1 2 6 0 高程以上由 缆机吊运入仓。 3 ) 溢流坝段：根据高程不同，分别由坝下游、左坝后和左岸缆机供料平台 自卸汽车直接入仓。 4 ) 右泄洪中孔坝段：v1 2 3 4 高程以下由坝下游自卸汽车直接入仓，v 1 2 5 1 6 以上缆机吊运入仓。 5 ) 厂房坝段、冲砂孔坝段及右岸挡水坝段，v1 2 1 8 以下溜槽+ 自卸汽车转 4 第一章绪论 运入仓，v 1 2 1 8 以上自卸汽车直接入仓。 ( 2 ) 常态混凝土入仓方案 除随同碾压混凝土一同浇筑的常态混凝土外，孔洞周边的常态混凝土、泄 洪中孔坝段常态混凝土、厂房坝段v 1 2 8 5 以上常态混凝土、闸墩钢筋混凝土、 左岸x 7 1 2 8 5 以上常态混凝土等由3 台缆机负责入仓浇筑；右岸挡水v 1 2 8 5 以上 混凝土由两台门机负责入仓浇筑；垫层混凝土由自卸汽车转履带吊入仓。 1 1 5 混凝土拌和系统及仓面规划 在左岸布置两座2 6 m 3 和一座2 3 m 3 强制式拌和楼，高峰时段考虑利用业 主左岸系统进行补充。 根据本研究标段投标人采用的碾压混凝土施工方法( 平层铺筑) 和设置的 混凝土拌和系统拌和能力、入仓方案，本标仓面规划为：除招标文件规定的横 缝接缝灌浆形成的仓面外，溢流坝段和右泄洪坝段分为1 0 4 1 1 群坝段和1 2 4 1 3 群 坝段两个仓面，厂房坝段的1 5 # - - - , 1 8 # 坝段分为1 5 # 1 6 # 坝段和l 矽1 8 # 坝段两个 仓面。 1 2 龙开口大坝施工特性分析 根据前面的了解，影响碾压混凝土坝浇筑的主要因素有混凝土拌和系统的 供应规模、混凝土运输入仓方案及混凝土入仓设备的能力、坝面混凝土浇筑作 业机械能力与组织方式或施工方法、环境( 高温、降雨) 因素和灌浆及其他辅 助性工作量等，结合龙开口水电站的工程概况，对龙开口水电站工程施工特性 做以下简要分析： ( 1 ) 仓面设置规划。龙开口水电站电站为坝后式电站，大坝为碾压混凝土 重力坝。因此，根据一般工程经验，坝体和厂房施工之间的干扰问题是施工中 一个重要问题。另外龙开口包括3 1 个坝段，坝顶长度7 9 8 o o m ，河谷宽阔，且 包括厂房坝段、溢流坝段，结构复杂；另由于横缝接缝灌浆，坝体必然要被划 分为若干面积大小不等的仓面。因此，龙开口水电站大坝浇筑具有结构复杂、 仓面多和厂房施工干扰大的特点。 ( 2 ) 混凝土拌和系统。混凝土拌和系统对碾压混凝土坝浇筑的影响体现在 两个方面，一方面是拌和系统的小时生产规模，小时生产规模大小影响仓面施 工方法、分仓大小和浇筑进度；另一方面是月生产混凝土规模，月生产规模影 响混凝土浇筑进度。龙开口右岸拌和系统小时生产规模约7 5 0 m 3 ，根据以往工 程经验月拌和混凝土可达1 8 1 0 4 方左右，再加上右岸系统支援，对于碾压混凝 5 第一章绪论 土最大仓面8 0 0 0 m 2 而言，小时生产规模可以满足要求，因此平层r c c 施工是有 保障的。 ( 3 ) 入仓手段。本标混凝土入仓手段主要为自卸汽车直接入仓和溜槽转自 卸汽车的入仓方案。自卸汽车的入仓能力与混凝土拌和系统规模、入仓口设置 和仓面大小有关；溜槽施工能力主要取决于自卸汽车接驳时间、供料时间。 ( 4 ) 环境因素。龙开口水电站全年最高月平均气温低于2 5 c 左右，适宜 碾压混凝土全年浇筑施工，降雨应是影响龙开口水电站大坝浇筑的重要因素之 一，根据对龙开口气象资料分析，龙开口水电站全年有效施工天数可达3 2 0 余 天。 ( 5 ) 灌浆及其他辅助工作量。影响龙开口水电站浇筑进程的主要是大坝固 接灌浆、仓面间模板拆模时间、自卸汽车通行控制等。由于采用垫层混凝土， 垫层混凝土提前施工，影响浇筑进程的主要是岸坡固接灌浆，而龙开口水电大 坝仓面较多，且每次固接灌浆工程量相对较少，适当安排可以减少固接灌浆对 混凝土浇筑进程的影响。 1 3 研究目的及意义 碾压混凝土坝施工的边界条件复杂且富于变化，由以上分析可知龙开口碾 压混凝土坝大坝浇筑结构复杂、仓面多、厂房施工干扰大的施工特性尤为突 出，人工很难安排浇筑块的浇筑顺序及方案优选。目前在制定混凝土坝施工组 织计划时，传统的方法是凭经验用类比的方法按月升高若干浇筑层和混凝土浇 筑强度等指标来控制施工计划的进程。这种方法由于缺乏系统的定量计算分 析，在论证施工各阶段的筑坝进度以及各混凝土坝段升高过程是否能满足大坝 施工各方面的要求时显得论据不足。因此，有必要采取科学的理论方法和先进 的技术手段，综合考虑影响大坝工程施工进度的各方面因素，合理安排坝块浇 筑顺序，对多个大坝浇筑方案和机械组合方案进行快速的比选和优化，以便及 时有效地辅助大坝施工管理和决策【2 】。 随着计算机仿真技术的发展 3 】【4 】，而利用计算机来仿真大坝混凝土浇筑系 统，可以对大坝混凝土浇筑施工组织设计和施工过程起指导性作用，通过计算 机的准确计算、快速反应与工程技术人员的实际经验相结合，从而使仿真切合 实际，将大坝混凝土浇筑的客观规律和决策者的意图同时表达出来。而且可以 按仿真的实际过程计算一些指标，作为控制系统、设计系统的参考数据，从而 减轻技术人员的计算强度，缩短施工方案的制定时间，提高施工方案和机械配 套方案定量指标的精度，指导工程设计和施工管理。 6 第一章绪论 1 4 计算机模拟技术在水利工程施工管理与控制中的应用 随着计算机科学和系统模拟技术的迅速发展，使得计算机模拟技术广泛应 用于各个领域的复杂过程中。与此同时，计算机模拟技术在水利水电工程施工 中也得到了应用。早先的施工仿真技术主要是循环网络仿真技术，它将排队理 论和计算机仿真技术应用到网络计划技术中，对施工循环过程和随机时间进行 模拟，从而反映施工的循环运行过程，随后，循环网络仿真技术成功地应用于 高层建筑工程、路桥工程、土方运输工程、管道工程、隧洞开挖工程、水利和 港口工程施工中，并逐步发展形成了仿真软件系统c y c l i c o p e r a t i o n n e t w o r k ，即c y c l ( 扑j e 。 在国外，计算机仿真技术应用于混凝土工程施工中，始于2 0 世纪7 0 年代， 1 9 7 3 年d h b a s s g e n 将计算机仿真与循环控制网络结合起来，对土木工程混凝 土运输进行仿真【5 】。同年第十一届国际大坝会议上，d h b a s s g e n 首先结合混凝 土坝提出了坝体浇筑过程仿真，在满足浇筑施工系统的各项边界条件的情况 下，利用计算机仿真技术对浇筑机械进行仿真计算，给出了机械效率、浇筑强 度等各项指标，能基本反映出机械在坝体混凝土浇筑施工中的工作情况。 国内水利工程混凝土施工管理中应用计算机仿真技术始于二十世纪八十年 代初，由天津大学水利水电工程系朱光熙教授【6 】【7 】【8 】【9 】【1 0 】首次采用仿真手段来研 究大坝施工仿真问题，对二滩水电站双曲拱坝混凝土柱状块浇筑采用计算机仿 真，成果符合一般规律【l l 】。二滩水电站中计算机仿真的成功应用，为仿真技术 在国内水利工程中的应用开创了先河，同时也为后期大坝仿真研究奠定了坚实 的理论基础。但由于当时的计算机、仿真技术水平及理论研究所限，使仿真手 段并不直观、灵活，在方案比较方面存在许多缺陷，特别是对于非专家人员来 说要理解和操作仿真程序存在相当的困难1 1 2 1 3 1 4 。此后，国内许多高等院校和 水利工程设计、业主单位对混凝土坝施工计算机仿真进行研究，计算机仿真技 术成为水利工程，特别是大型水利工程旌工规划、施工方案设计不可缺少的技 术手段。 随着计算机仿真在水利水电工程施工应用的范围不断拓宽，天津大学等高 校先后将计算机仿真技术应用于混凝土重力坝和拱坝浇筑、土石坝填筑、地下 厂房系统开挖、地下洞室群开挖、溢洪道开挖等系统中0 5 0 6 1 7 1 1 8 】【1 9 】。天津大学 朱光熙、王仁超教授先后对三峡二期、水口、龙滩、金安桥、溪洛渡等水利工 程大坝混凝土浇筑进行了实时仿真计算，取得了很好的实践经验与实用效果 【2 0 】【2 1 】阎。同时在仿真计算中将数据库引入模拟模型，并将三维动画技术用于混 凝土施工仿真中，实现了混凝土浇筑的三维动态仿真。同时还在三峡大坝二期 7 第一章绪论 混凝土坝施工决策支持系统中将计算机模拟、数据库技术、三维动画技术、面 向对象建模、控制理论结合用于三峡大坝混凝土浇筑过程模拟与控制取得了良 好的效果【2 3 】。另外，天津大学将计算机模拟与地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 结合，开发了地下厂房和隧洞开挖系统模拟可视化演示系 统1 2 4 1 。 计算机仿真在施工中的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浇筑到仿真土石坝填筑施工、导截流施 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种不重要的决策参考，逐渐发展成建筑工程，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。 1 5 本文主要内容 本文主要是通过对龙开口碾压混凝土坝浇筑机理进行系统分析和研究，结 合现代计算机仿真技术、系统分析技术、建模技术、面向对象程序设计与开发 技术等，分析了碾压混凝土坝浇筑施工系统，针对龙开口水电站大坝工程的厂 房和坝的施工干扰大、大坝浇筑具有结构复杂、仓面多的特性，综合考虑各影 响因素，进行了龙开口碾压混凝土坝施工系统仿真建模研究。并根据龙开口大 坝施工特点拟定了基本方案与两个比较方案进行计算机模拟分析，通过龙开口 大坝施工仿真系统对拟定施工方案的仿真，得到了相应的坝块浇筑顺序、机械 利用率、施工浇筑月强度等指标，同时将复杂的施工过程用三维动态画面形象 地描述出来，为全面地掌握复杂施工过程提供了快捷的途径，极大提高了碾压 混凝土坝施工组织设计的现代化水平。 本文共分七章。 第一章为绪论，根据龙开口水电站工程概况、分析其施工特性，论述本文 研究目的与意义、所涉及的主要方法及研究现状。 第二章首先对碾压混凝土坝施工系统进行了分析，阐述了计算机仿真技术 原理及碾压混凝土坝施工仿真建模分析。 第三章介绍本研究施工仿真系统的实现，包括建模技术及施工模拟的实 现。 第四章龙开口大坝施工仿真系统进行了介绍，包括系统构成、界面、功能 等。 第五章根据龙开口水电站大坝的旌工特点，拟定了龙开口大坝浇筑施工仿 真方案，确定了仿真边界条件及模拟参数。 8 第一章绪论 第六章对拟定方案仿真模拟结果进行了分析，得到了相应地结论，并提出 了优化方案的建议。 第七章对全文进行了总结，包括结论与展望等。 9 第二章计算的基本原理及模型 第二章计算的基本原理及模型 2 1 碾压混凝土坝施工系统分析 2 1 1 碾压混凝土施工特性 碾压混凝土坝作为一种新的筑坝方法，愈来愈受到人们的重视。从施工的 角度看，碾压混凝土坝不仅简化了温控措施，而且提供了进行大仓面连续浇筑 快速施工的可能性。碾压混凝土坝综合了混凝土坝运行安全和土石坝施工快速 的特性，具有工期短、造价低等优点，因此发展速度较快。碾压混凝土坝的施 工具有其自身特点： ( 1 ) 料性不同导致的施工特性。碾压混凝上坝在施工过程中，一般有多种 拌和料，最常见的是常态混凝土与碾压混凝土。一方面不同拌和料的生产设备 与运输设备有一定的差别，另一方面在同一水平层面浇筑多种拌和料时，不同 拌和料之间的结合以及施工顺序和工艺的选择比较复杂且存在施工干扰。因 此，多种拌和料的存在决定了碾压混凝土施工组织的复杂性。 ( 2 ) 浇筑仓面划分方式的特性。在浇筑过程中，浇筑仓面积的大小与配套 机械设各的生产能力、气温等多种因素有关。从加快施工进度和便于施工组织 的角度出发，浇筑仓面积应尽可能大；但仓面面积的大小又受到配套机械设备 生产能力、气温和坝体浇筑面貌等诸多因素的制约。因此浇筑仓面的划分在坝 体浇筑过程中是适时变化的。 ( 3 ) 混凝土的铺筑方式的选择也是适时变化的。碾压混凝土的层面结合问 题是影响碾压混凝土坝施工质量的重要因素，在施工中应严格控制层间间隔时 间，因此在工程实践中往往存在浇筑能力与仓面面积的矛盾。为了解决这一矛 盾，充分发挥碾压混凝土快速施工的优势，近年来逐步推广使用了斜层铺筑 法，使得碾压混凝土的铺筑方式多样化。 2 2 系统仿真基本原理 所谓系统仿真是指利用计算机来运行仿真模型，模仿实际系统的运行状态 及随时间的变化过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得到被仿真系统 的输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能， 1 0 第二章计算的基本原理及模型 这个过程被称为系统仿真f 2 】。 系统模拟的优点表现在它不影响和破坏真实系统，同时，能够反映真实系 统的某些行为，与物理实验相比，它具有易改变、成本低的特点，另一方面， 当真实系统的某些因素具有不可实验性时，模拟系统照样可以建立；与解释模 型相比，模拟模型可以考虑众多因素，尤其当这些因素的作用机理非常复杂 时，模拟模型的优越性就更加突出 2 5 1 1 2 6 1 。因此，系统模拟是解决某些复杂系统 的最为有效手段之一。 以下为了体现连贯性，我们简要介绍一下系统模拟的有关概念 1 7 1 ： 2 2 1 连续系统模拟与离散事件系统模拟的基本概念 按照系统状态的变化与时间的关系，可将系统分为连续系统和离散系统。 连续系统是指系统状态随时间程连续性的变化；离散系统是指系统状态仅在离 散的时间点上发生跳跃性的变化。模拟技术应用到这两类系统中就产生连续系 统模拟和离散系统模拟 2 7 1 1 2 8 1 。 研究混凝土坝施工系统模拟时。所关心的是各个时间点上的高程、状态和 各台机械在各时间点上的状态、服务对象、累积浇筑方量等，这些实体的状态 属性受随机时刻产生影响系统变化的“事件”驱动而变化，这些内容所反映的 变量都随时间呈非连续、跳跃性的变化，可以作为离散事件系统进行模拟研 究。 2 2 2 离散事件系统模拟的基本概念 ( 1 ) 实体与主导实体：一个系统边界内部的对象称为实体，如坝体浇筑 块、施工机械等，某个实体状态的改变直接影响整个系统状态的改变，这样的 实体被称为主导实体。例如，大坝浇筑系统中柱状体实体。 ( 2 ) 属性：系统内实体的特性。 ( 3 ) 状态：系统状态是指在不同时间点上对系统实体、属性的描述。 ( 4 ) 活动：导致系统状态发生变化的过程称为活动。 ( 5 ) 事件：指系统状态发生变化的瞬间事变，如系统实体属性值的改变 实体状态的变化、一项活动的开始或结束。 ( 6 ) 时钟；在模拟进行中，用来跟踪模拟时间当前值，并把模拟时间从一 个值推进到下一个值的“机构”或变量。时钟有总时钟和子时钟之分，采用面 向事件的模拟机制时，须对模拟系统设置一个总时钟和对每个实体设置一个子 时钟；采用面向时间的模拟机制时，则只须设置一个系统总时钟。 第二章计算的基本原理及模型 2 2 3 模拟时钟推进方法 在离散系统中，系统状态的变化发生在离散时刻，是状态突变。在这类系 统的模拟中，并不需要详细描述两个离散时刻之间所发生的细节，只需要知道 各个事件的发生时间并按事件发生的顺序描述各时间点上的系统状态，即可掌 握系统的动态变化过程。模拟时钟推进方法有下次事件时间推进法和固定增量 时间推进法( 时间步长法) 两种。 ( 1 ) 下次事件时间推进法：在模拟过程中每一事件发生时即确定下一个事 件发生的时间，同时模拟时钟推进到最临近的将来事件( 第一个事件) 发生的 时间，系统状态发生变化。此时，在系统状态改变的时间点上，第一个事件成 为事实，根据此事件又计算出下一个事件发生的时间，模拟时钟继续推进，系 统状态继续改变。 ( 2 ) 固定增量时间推进法：首先确定模拟时钟每次推进的时钟步长a t ， 时钟每次由t 推进a t 到达t + a t 后就检查一次是否有事件发生，若有事件发 生，相应地改变系统中相关实体的状态，并认为相应事件发生在t + a t 时刻。 这种方法视时钟步长a t 的大小可能会使模拟的信息不很准确或丢失一些发生在 t 至t + t 时段内的信息。但随着计算机性能、计算速度的飞速提高，可以将模 拟时钟步长取得很小，使模拟达到所要求的精度。 在混凝土坝浇筑施工中，采用固定增量时间推进法具有优越性。它可以使 模拟过程统一在一个模拟时钟控制之下，在模拟时钟推进过程中，扫描所有筑 块和机械，若其状态有变化则作为发生的事件记录下来。这种方法可以根据对 模拟过程描绘的详细程度而设置固定时钟步长a t 的大小。 2 3 碾压混凝土坝浇筑仿真原理分析 龙开口坝体混凝土包括常态混凝土和碾压混凝土，除结构和布置上采用常 态混凝土外，坝体内部凡具备碾压条件的部位均采用碾压混凝土。 由于混凝土凝结特性和凝结过程力学特性的影响，为了防止坝体开裂，往 往采用分缝分块浇筑形式施工。而碾压混凝土施工主要是大仓面浇筑，即按相 应的约束条件对坝面进行仓面划分，进行通仓薄层浇筑。无论是常态混凝土还 是碾压混凝土，作为大体积混凝土的坝体，大坝的浇筑过程实际上都可看作是 一个筑块间断、有节奏的上升过程，在这个过程里，混凝土拌和系统将骨料生 产系统生产的骨料和水泥、水以及各种添加材料、掺合材料拌和形成混凝土， 然后通过运输机械运至坝面上，最后坝面上的浇筑机械按照设计要求将混凝土 1 2 第二章计算的基本原理及模型 吊装入仓、铺平振实，形成预定的( 平面上的模板限制的范围和高度上的设计 高度范围) 浇筑块。混凝土坝施工过程除受到结构形式、工艺技术、组织方式 及混凝土供应、浇筑设备能力和效率的影响和制约，还受到施工过程中不确定 性的自然环境因素的影响。从而可以把混凝土坝施工看作一个系统【2 9 】。这个系 统是处在一定的环境之中，具有一定的内部结构。一个碾压混凝土坝浇筑施工 系统可以用以下示意图2 1 来表示。 图2 1 碾压混凝土坝浇筑施工示意图 从图2 1 可看出，碾压混凝土坝施工过程也是一个从混凝土制备、混凝土 运输到混凝土浇筑( 坝面作业) 的过程，可据此将碾压混凝土坝施工系统划分 为混凝土拌和子系统、混凝土运输子系统和混凝土浇筑( 坝面作业) 子系统三 个子系统【3 】。运用随机服务系统的观点来看，可以把设计中的大坝施工系统看 作一个多级服务系统，在这个多级服务系统中，各个环节子系统既可以为它的 下一个环节提供服务，又可以接受上一个环节子系统的服务，在这个多级服务 系统中，所有各级服务综合的服务对象为设计的大坝子系统圈。 在大坝浇筑这个服务系统中，如图2 2 所示，由于各个环节存在相互协 调、相互影响，同时还受到施工系统所处的环境因素的影响【3 0 】，为此我们可以 用系统模拟的方法，模拟系统的行为。并通过模拟了解大坝浇筑过程中的信 息，从而为制定大坝具体浇筑进度计划、实施施工管理与控制提供服务 3 1 】。 影响水电工程大坝浇筑的因素众多，对大坝浇筑各个环节不分主次进行模 拟是不现实的，也是没有必要的。为此，需要在系统分析的基础上对那些不影 响系统状态变化或影响系统状态变化程度很小的因素进行适当的简化，对重点 系统进行构模，而对非重点系统进行一定的假设，简化系统之间的制约关系。 1 3 第二章计算的基本原理及模型 在研究中，我们取大坝浇筑子系统、混凝土运输子系统和混凝土拌和子系统为 研究对象，重点研究大坝上升过程行为。 混凝土浇筑卜卜1 浇筑机械 1r 混凝土 供料线 ji 混凝土拌和r 1 拌和机械 图2 - - 2混凝土坝施工服务系统 2 4 大坝浇筑施