（水利水电工程专业论文）水布垭混凝土面板堆石坝填筑施工技术方案研究.pdf

摘要 水布垭混凝土面板堆石坝是目前世界在建的最高面板堆石坝。由 于受各种环境因素及内在施工环节相互制约的影响，使大坝的施工 错综复杂。采用传统的方法或经验安排组织施工、选择施工设备带 有一定的局限性。采用计算机模拟方法研究高土石坝施工中的问题， 可以较好地反映各因素作用下土石坝施工过程的动态变化，并得到 定量的结果，以选定合理的施工组织措施，以确保工期和降低工程 造价。 本文通过对面板堆石坝填筑施工系统的系统分析，明确了施工进 度计划、场内交通运输系统情况、料场规划、建筑物开挖旌工、填 筑麓工要求及机械设备等因素之间的相互关系，将施工进度与场内 交通运输系统和坝面填筑系统有机结合起来。在论述了仿真技术原 理的基础上，本文介绍了面向对象的模拟建模方法。面向对象技术 是研究大型复杂系统的先进技术。本文运用面向对象技术建立了场 内交通运输系统和坝面填筑系统模型，分析了两个系统的模拟原理 和模拟方法。 运用计算机模拟技术，根据水布垭工程的施工组织设计资料，对 水布垭工程进行了系统仿真计算。通过对不同方案仿真结果的分析 比较，论证了该工程施工组织设计和进度规划的可行性和合理性， 确定了施工机械优化配置方案，对存在的问题也进行了分析，提出 了一些合理的施工建议。 关键词：计算机仿真系统分析填筑施工面板堆石坝 a b s l r a c i s h u i b u y a c o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a mu n d e rc o n s t r u c t i o nist h e h i g h e s tf a c er o c k f i l l d a mi nt h ew o r l da t p r e s e n t t h ec o n s t r u c t i o no f d a mi s c o m p l i c a t e db e c a u s eo fv a r i o u se n v i r o n m e n t a lf a c t or sa n dt h e i n n e r i n t e r a c t i n g f a c t o r s d u r i n g t h ec o n s t r u c t i o n t h e r ea r es o m e i i m i t a t i o n si nc o n s t r u c t i o na r r a n g e m e n ta n de q u i p m e n ts e l e c t i o nw h e n t h ec o n v e n t i o n a lm e t h o do re x p e r i m e n ti s a d o p t e d h o w e v e ri nc a s e t h a tt h e s i m u l a t i n g m e t h o di s a d o p t e d ，t h ed y n a m i cc h a n g e o ft h e c o n s t r u c t i o no nw h i c ha l lk i n do ff a c t o r sa r ea c t i n gc a nb er e f l e c t e d c l e a r l y a n d q u a n t i f y s o l u t i o nis g a i n e dt h r o u g h w h i c hr e a s o n a b l e m e a s u r e s0 fc o n s t r u c t i o n o r g a n i z a t i o n c a nb ed e t e r m i n e dt oe n s u r e t i m e l yc o m p l e t i o na n dd e c r e a s et h ec o s to ft h ep r o j e c t t h r o u g hs y s t e m a t i ca n a l y s i s o nt h ec o n s t r u c t i o ns y s t e mo ff a c e r o c k f i l ld a m f i l l i n g ，t h e m u t u a l r e l a t i o n s h i p o ft h ef a c t o r so f c o n s t r u c t i o np r o g r e s ss c h e d u l e ，a c c e s sa n dt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m o n s i t e ，q u a r r yp l a n n i n g ，t h er e q u i r e m e n t o fe x c a v a t i o na n d f i l l i n g o f b u i l d i n gs t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a l a n de l e c t r i c a l e q u i p m e n ta r e d e f i n e d c l e a r l y a n dt h ec o n s t r u c t i o n p r o g r e s s ，t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m o ns i t e a n dt h ef i l l i n go fd a mf a c ea r ec o m b i n e d t h em o d e lb u i l d i n gm e t h o d o fo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d o l o g y ( o o m ) a st h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yt o s t u d yl a r g e a n d c o m p l i c a t e ds y s t e m isi n t r o d u c e do nt h e b a s i so f d e m o n s t r a t e dp r i n c i p l eo fs i m u l a t i o n b ya p p l y i n go o mm o d e l s 0 f t r a n s d o r t a t i o n s y s t e mo ns i t ea n d f i l l i n gs y s t e m o fd a mf a c ea r e e s t a b l is h e da n dt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do ft w os y s t e m sa r ea n a l y z e d i nt h i st h e s i s o nt h eb a s i so fc o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o na n dd e s i g nd o c u m e n to f s h u i b u y ap r o j e c ta n db ym e a n s o fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e c a l c u l a t i o no f s y s t e m s i m u l a t i o ni sc a r r i e d o u t b ya n a l y z i n g a n d c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so f d i f f e r e n tp r o p o s a l s ，t h ef e a s i b i l i t y a n dr e a s o n a b i l i t yo fc o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o n a ld e s i g na n dp r o g r e s s s c h e d u l eo ft h i s p r o j e c t i sd e m o n s t r a t e da n do p t i m a la r r a n g e m e n to f t h ee q u i p m e n tisd e t e r m i n e d i na d d i t i o n ，r e a s o n a b l em e a s u r e sa r ep u t f o r w a r dt h r o u g ha n a l y z i n gt h ee x i s t i n gd e f i c i e n c y k e y w o r d s ：c o m p u t e r s i m u l a t i o n ；s y s t e ma n a l y s i s ；r e c l a m a t i o n c o n s t r u c t i o n ；c o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a m 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，除了义l 卜l 特另i i d h 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，也不包含为获得墨盔盘茔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r 明确的说明_ 并表示了谢意。 学位论文作者签名：占l 、黟争签字日期：丑 。3 年月年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘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、汇编以供杏阅和借阅。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 多j 、琦锄虢髅 签字日期：2 奶年月彳日 签字日期：j 却3 年月厂日 嚣“一章糍述 第一章概述 土石坝施工系统是个受多种因索影响、多环节控制的复杂系统，需逃行 周密详细的设计并实施胄效的组织和管理才能达到嶷好的经济效蘸和社会效麓。 涟着藏工羧术的发震，石蓼j 虢薤 = 轰逐步淘高菠襁援纯帮藏互多环节藏兹鬻套 方向发展“。相应地，对土石坝施工的施工进度计划、施工组织管理和控制提出 了更高的要求，对施工的桐关课题需进行更深入的研究。传统的凭经验安排组织 蕤工戆方法选定藏工设蠢鬻萤寿一定熬届蔽性，仅麓褥裂豢畜馈诗性或平均性斡 结采8 。，耐无法满足现代设计和施工的需要，有必要采取更加科学的分析方法和 技术手段，更加科学、系统地反映施工过程，以适应施工需要。 随着魄予计算机技术的发展，袋敬毫子计算枧进行系统的仿真模拟以进行 ：赣豹准确 舂诗_ 手疆褥妥瓿械设备静後纯配置，已为广大设诗、施王肇位广泛接受。 通过计算机模拟这一手段对施工过程进行系统分卡斤和研究，能较好地反映在各种 因素作用下土石坝施工过程的动态变化并得到定量的结果，从而为制定合理的施 工组织措藏、麓王掇辕设器合理毒委、提毫憨工遴发提供依据，遮对于霖证工疆 工期、降低工程造价、掇高旖工质量翮管理水平其有重要的意义“。 t 。t 阏题的提出 土石坝的填筑施工过程主要是幽土石方开挖、存储、运输上坝、填筑压实 及其他辅助作业构成。随着士石坝工糕的大型化，赢土石坝的填筑方量不断增大， 填筑方量觚凡百万方至死千万方，觚嚣孬往土石方静澜运量缀大。在工程工鬻静蔽 制及渡汛的要求下，簏工强度很高。土石坝的填筑料源主要是导流洞、溢洪邋、 地下洞室等建筑物开挖料物以及由开采料场开采的坝料。坝料的开采能力、装运 缝力、凌鬃藤工俘鲎方法等嫠会对大壤黪填羲整工选或影响”。 水电工程般规模巨大、枢纽建筑物多、坝皱多位于高山峡谷之中，丽为 了工程施工进度及经济效益的要求，施工组织设计中往往采用多工种、多工作面 平行、交叉作业，不目的分项工程积不同的料源要求使得料源战数量众多。隧藩 施工视被纯程度静提离，施工通道、公路的标准、麓级也穗应癸袋提高，僵怒由 于受到地形，和自然条件的制约，篪工场地布局紧凑丽狭窄，交通逡输系统的布鼹 更显得极其复杂，道路布置密集，道路间的岔口繁多”。 为瀵麓工程麓工要袋，在大埂凌缓麓藩，运簸工程量大、遮羧车辆数量嘉， 上坝强度齑，工程的施工进度和施工遮输系统的设计与组织番答密切的关系“”。 第一章概述 因此，在施工组织设计中需对施工交通运输的料物调运和管理进行合理的规划和 安排，使之能够保证施工进度按计划实麓。否则，在旌工实旌时，极有可能因道 路设置不合理、料物调配不当、道路行车流量过大、交叉路口车辆阻塞等原因影 n 向整个工程施工的正常进行，甚至延误工期。 水和垭混凝土面板堆石坝坝高2 3 3 米，是世界上已建和在建的最高馄凝土 面板堆石坝“。工程地处高山峡谷地区，两岸岸坡陡峭，左右两岸公路御置困难， 交叉路l _ | 多，行车密度差别较大，对于本工程坝体填筑期间近1 8 0 0 万立方米的 土石开挖出碴运输以及上坝填筑运输，如何进行交通运输的料物调运和管理，将 成为制约本工程施工能否按期完成的关键因素”。 采用常规的研究方法分析，是根据已有的旌工组织设计进度计划推算出各 单项工程的旆工强度和施工机械配套。按各单项工程施工强度计算各种运输车辆 的平均行车流量、平均行车密度、设备利用率等“”“。而实际施工过程是错综 复杂的，由于施工运输的不均匀性和多工作面的施工干扰，施工运输过程中各种 车辆的运行循环时间、装卸料时间等都带有随机性，使道路上的行驶车辆时密时 疏，在某些路段和岔口出现错车、排队等现象，即“瓶颈口”现象。常规的设计 方法由于没有从整体上考虑车辆在行进过程中的相互干扰影响及各单项工作面 车辆汇流进入主干道的行车状况，使得这些指标并不能确切衡量施工运输过程中 各段施工道路的拥挤程度和实时行车状况，难以反映复杂工程的实际施工情况。 运输系统运行状况直接影响到坝体的填筑施工，坝料供应能否满足填筑施 工的需要直接关系到坝体施工的进度。反之，坝体的填筑也影响到运输系统的运 行。坝面面积大小、不同料物的填筑要求、卸料点的多少都会对上坝车辆的运输 造成影响，而由于坝体受地形的影响，不同高程的填筑特性也不同，因此不同填 筑时期和高程的填筑强度差别也较大。施工中，需要及时了解坝体填筑动态，调 节上坝强度，使各时段的施工强度相对平均，降低最大上坝强度，对于降低生产 成本、提高机械利用率、按进度完成施工要求、便于施工管理都有十分重要的意 义。 因此，采取更加科学的分析方法，确切描述施工交通运输系统的实际情况， 即时掌握大坝填筑的动态过程，对施工计划与施工强度进行论证和修订，以保证 工程计划目标的实现是非常有必要的“。针对水布垭工程施工运输的特点，对工 程进行计算机摸拟仿真研究，论证施工组织设计的可行性和合理性是十分必要 的，也是有益的。 蔫牵概述 1 2 系统仿真技术在水利水电工程中应用与发展 系统禳叛( 仿真) 怒近三十年来发展起来秘一门新兴学科“”。麸起稿运丽 于航空、航天、原子反应堆等少数领城，逐渐发展别电力、冶金、机械等一燃主 要工业部f 1 。随着计算桃瓣目趋完善，许多复杂躲模型可噬通过计算桃来进行求 簿，蒡逐步发震为瑷找黪谤算褪菸真按零8 “。诗算瓤薄宾蓑零暴霄诗冀逮度狭、 结果准确、可以解决复杂问题等优点，发展十分迅速，已经成为解决工程项圈组 织和管理的有效工具。”，蕻应用领域已经非常广泛，目前已进步扩大应用于社 会经济、交逶运埝、工程建设、生态环境等令方豫，并基蓥受澍普遍的重税。 2 0 越纪5 。年代中期，g o r l o u g h 、g o o d e 、孙n g 等开始研究交逶仿真，在2 0 世纪7 0 年代，通过一黛仿真实例，讲究了各种各样的交通控制和各种算法。横 撼研究模型主要有：t r a n s 、v t s 、t r a n s y t 、u t c s l 及t r a t 麓”。 美霆靛j o h n 箨l e o n a a r d 予7 0 萃代署始逮霸主石埃藏王系绫髓寞方嚣泌研 究，并在1 9 7 3 年第十一届国际大坝会议上指出，不能单靠增加施工设备柒加 快坝体的盘妪工进度或降低造价，而应潜眼于提高原肖设备的利用帮。他建议在不 霹懿整工阶段采羁不鞫翡设蚕配套。 1 9 7 7 年，h a l p i n 撼出循环两络联论( c y c l o n e ) 8 “。自诧，计算机技术在 工程模拟中的应用飞速发展。国内外科研工作者已将循环网络仿辫技术成功应用 予建筑工程、道路工程、方工程、港珏工程等鲍施至中，并发展彤成了许多戏 功夔蕊囊软俘，鲡i n s i g h t 4 “( k a l k ，1 9 8 0 年) 、暂麓一c y c l 臻e “1 ( i o a n n o u ，1 9 8 9 年) 、m i c r o c y c l o n e ( h a l p i n ，1 9 9 0 年) 以及r e s q u e 8 ”( c h a n g 。1 9 8 7 年) 、d i s c o 啪1 ( h u a n g 等。1 9 9 4 年) s t r o b o s c o p e ”( m a r t i n e z 等，1 9 9 4 年) 等。 莺肉计算瓿摸撅技术痤震子承稳承迄王程藏工过程起蠢8 0 年代中絮”1 。 1 9 8 6 年，天津大学朱光熙教授与成都水利永电勘测设计院首先将计算机模j 茁l 技 术应用于= 滩水电站双曲拱坝浇筑施工模拟。之后繇统仿真在水利水电工程施工 癍是的范围敲褥了缀大的旗宽，在漫凝主重力坝、缝下厂房系统开瞧、坝填筑 以及溢洪邋野挖等系统广泛应焉。镑鼗华教授舞发了e 蘸s 循环嬲络模掇疆痒磷 究了二滩嫩下洞室群开挖。”，王仁超教授将排队网络模型与计算机模拟技术结合 实现了水利水电工程场晦交通运输系统模拟。 8 e 簪 弋寒蔟型年代密蘩，诗葵爨模羧鼓术研究霾凌三令方蘑；一是遂愿 仿真模型嗣语言的研究，如国外开发的g p s s 、s l a m 等通用仿真系统语言；二是 系统模拟模型表示和建立方法研究，如循环网络模拟技术、排队网络模拟技术、 妒g e r t 释v e r t 等方羲懿矮究；三是j c 季系统进暂系绞分耩基础上开发专门的应鼹 系统模撒谣言。我善拳电系统模按技术瘟焉研究魄较编褒于器两个方蟊。 第一章概述 9 0 年代中蠲以来，随蛰计算机技术、数嚣痒技术、软传技术、趣接现实技 术的发展，为计算机模拟带来了新的研究热点和方向。斌汉水利水电大学吴庆明 在龙滩工程碾压混凝土坝仿真计算中将数攒库引入模拟模型；天津大学二e 仁超、 邸整鹗在三蛱大凌二鬟涅凝凌藏工浃簸支跨系统串游诗箕掇模蘩、数据疼技 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浇筑过程模拟与 控制取得了良好的效果。钟髓华教授将计算机模拟与地理信息系统结合g i s 开发 了怒下厂房系绞搂撅可视化演示系统。对承翻工程中交邋运输翊题躲辑究，朱党 熙、孙锡衡结合三峡混凝烦施工对有限源多级服务系统进行了研究，提出了混 凝土拌和楼一汽车一起重机的最优组合方巢：葛晓东廒用随机横拟理论，对地 下澜室群旌工交通运输系统进于亍了模拟研究。；孙国强对石坝交通运输系统进 露了模藏磷究，并进行了蚕象模接8 “；冯惠军磷究了交邋逶簸系统静邋翅经模鍪， 实现了动画模拟。1 ：张立岗研究了基于w i n d o w s 操作系统的一体化交通运输系统 模型“。 近年来计箨撬撰叛技零开发主要基绕数方嚣在予：诗冀投模拟模型、可视 化模拟、智能模拟、面阿对象模拟。 计算机模拟技术现已广泛用于水利水电工程的设计施工，成为施工组织设 计编制魄重要依据。随着计冀枫模拟技术的笈展，计算模拟模型能够更加合理地 救映客蕊实际，模叛结栗曼黼合理，麓工过程与模掇过程雯好圭盘吻合，获悉经对 施工过程的及时、有效的控制成为可能。 i 。3磅究逡容 本文以水砸垭混凝土面板堆石坝的坝体填筑施工系统为研究霞点，结合工 程实瑟；婕援，熏要遘孳亍了以下疆究工俘： l 、从模拟仿真的基本原理出发，介绍了模拟仿冀技术的基本舔理，同时对 面向对象的方法以及在模拟计算中的应用进行了介绍； 2 、针对磷板堆石坝的施工特点，以系统分析的方法对面板堆石坝麓工系统 送行了描述和分据，裙确了施工逶度计巅、场疼交遥遨输系统绩躐、耩场援翻、 建筑物开挖施工、填筑施工要求及机械设备等因素之间的相互关系； 3 、对坝体填筑施工系统的两个子系统：运输系绒j 葶日填筑系统的模拟原理和 模羧方法送行了洋绥叙述； 4 、运用c a d 技术对水布垭面板堆石域工程的交通道路和大坝形体进行了数 据编辑处理，建立了水布垭工程施工场内交通模拟计算模型和坝体填筑模拟计算 模型： 4 第一章概述 5 、依据土石方调配方案和大坝填筑方案，运用建立的水布垭工程模拟计算 模型，进行了施工过程的仿真模拟。研究了工程场内交通情况、机械配置情况和 坝体填筑情况，从交通流量、机械选型、填筑方法等角度论证了现阶段施工组织 设计方案的可行性和合理性。根据现阶段施工组织设计和规划方案，结合水布垭 工程场内交通布置的实际情况，研究可能施工方案，分析道路和岔口的运行情况、 坝面填筑情况，提出机械优化配套方案，指出影响施工的主要因素并提出合理化 建议。 第二章系统仿真技术原理 第二章系统仿真技术原理 系统仿真是根据系统内部的逻辑关系和数学关系，面向系统的实际过程和 系统行为构造系统模型，并在系统模型上间接地对真实系统进行试验研究。系统 仿真并不破坏真实系统本身及其环境条件，可以在不干扰即时系统的情况下比较 各种方案之优劣，从而为系统提供科学可靠的决策依据。应用计算机模拟技术进 行系统仿真，可以模拟复杂系统的运行，解决复杂问题，因而它在许多领域内都 得到了广泛的应用。 2 1 系统仿真基本原理 2 1 1 系统的基本概念 系统是由多个相互依赖、相互作用、共同配合实现预定功能的各个单元所组 成的有机整体。一个工厂、一项工程的施工，一向研究项目，一个计划等都可以 看成是一个系统。一般地说，系统具有以下特性： ( 1 ) 整体性系统是由各个相互联系和彼此影响的部件( 或要素) 结合而 成的。系统是作为一个统一的整体存在着的，各部件的独立机能和相互关系只能 统一和协调于系统的整体中。 ( 2 ) 相关性系统内各部件之间存在着相互联系、相互依存、相互制约的 关系。它们通过特定的关系结合在一起，形成一个具有特定性能的系统。 ( 3 ) 结构性结构性是系统有机联系的反映。本质的联系形成系统发展和 变化的规律，系统的稳定和本质的联系形成了系统的结构。相同部件具有不同的 结构形式时，该系统就会产生不同的功能和效果。系统的层次结构和协调活动是 现实世界中一些大系统所特有的结构性的反映。 ( 4 ) 动态性系统具有与空间及时问阶段有关的活动方式。系统是过程的 集合体。系统在不同参考系中为实现它的目的而采取不同的运动方式。 ( 5 ) 目的性系统活动本身都具有明确的目的。系统各部件就是为实现系 统的既定目标而协调于一个整体之中，并为此进行活动。系统活动的输出响应就 是系统目的性的反映。 ( 6 ) 环境适应性任何一个系统都存在于一定的环境之中，都与外界环境 簿- 章系统仿赛技术藏瑾 进行着物质、熊曩和信息的交换。一个系统要能生存和具有活力，就必须适应外 部环境的变化。或者蜕，能够根据外部环境给予的刺激及时调整和作出响应。 2 。1 2 系统模型 1 、系统模型豹概念 模墅是为了对真实系统逡行研究焉弼来牧集系统鸯关静数据对囊实系统懿 抽浆描述。建立和运行系统模型的目的在于指明系统的主要组成部分以及它们之 间的主要关系，以便人们对系统进行深入的分析和研究。 对模型豹蘩本要求是：模壅戆毪缝要是够洋缨鞠壤确缝表示系统，良镬挺镤 对系统性能又根据的预澳4 ，一般地说，模型的特性必须对应被构模系统的特性。“。 在系统模拟中，我们主臻在分析系统组成结构的基础上，建立系统的数学逻 辑模型，然后转换为计算枕稷序，以便在计箨枫上进雩亍模越实验。 2 、构造耩型 从研究系统的显著特征丌始，然后抽敷化为模型，这个过程称为建模1 。由 于模拟模型是动态的，它对输入的响应能用求研究分析模型所反映的实际系统的 煞筑。在秘造穰羹薅，必矮考虑客褒实舔系统豹多耱震瞧秘系统豹动态砖拯，著 根据具体情况米构造相应的模型。“。 从系统的麟性来看，确定性的系统可以构造成确定性的模拟模型，但也可以 构造残隧祝蛀敬模拟模型寒求鳃。从系统的动态特征餐，连续的系统秘离散静系 统可构造相应的连续型和离敝登模型。但有时为了方便，有些连续系统也可以稳 造成离散型模型来处理，而有些离散系统也可近似地用连续型模型运行。在施工 领域中多数系统属随机性离散系统。 2 1 3 系统仿真 l 、系统仿真瞧定义 系统仿真怒指在不干扰真实系统运行的情况下，为研究系统的性能而构造并 在计算机上运行表示真实系统的模型的一种技术；是建立在控制理论、相似理论、 信息处理技术鞠计算极技术理论基础之上豹，戳计算恚琏秘其德专用镌理效应设冬 为工具、利用系统模型对真实或假定的系统进行实验，并借助予专家经验知识、 统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性的和 实验性的学科。系统仿真的黩的是通过对系统仿真模型的运行过程进彳亍观察和统 计，来掌握系绫模蕉酶萋本褥性，援窭傍粪系统懿竣镶设计参数，实凌对真实系 簿二章系统魏粪接术骧理 统设计的改善馘优化”“。 2 、仿真过程中的基本部分 在仿真逡舒过程中必须色含| 噩下基本部分9 9 ： ( 1 ) 模拟时钟或计时机构。对于动态模型，每当一个事件发生时就需记 下其发生的时问。在模拟程序中，一般都设有专门的控制程序，以便自动地控制 封超。 ( 2 ) 排序机构。在模拟进行中，系统状态变化的每一时刻，就表明r 一个 时间。每一事件发生后，都需要计算并存储该事件的下个时间的发生时刚，每 种攀件都要按发生时闽的蹶序进行摊序，以便依次加以执行。 ( 3 ) 疆瓤涵数。为了梭遣陡耄0 陡禳擞，必须产生稽应的随祝数，当系统申 有多个随机变蘸并服从不同概率分布时，就需要及时士也产生符合一寇规律的随机 变量。因此，随机数发生器和随机变量发生器是模拟过程中不可缺少的组成部分。 ( 4 ) 汇繁统计资秘。在摸熬过程中，宓矮穗累必要兹统计蜜睾墨，良镬在模 拟结束时，能够提供必要的模拟结果。任何模拟程序都应有自动汇熊各种统计资 料的功能。 3 、系统仿真的一般过程 对一个系统进行计算辘仿真，通常拔吸下几个步骤进孳亍。3 ： ( 1 ) 明确系统模拟的目的和任务。根据研究和分析的目的，搞清被模拟系 统的内容，判别问题的性质，明确系统模拟的目的和任务、系统的环境、模拟的 条件、模瓠试疆参数等。 ( 2 ) 系统分析。确定问题的目标函数和系统的变鬣，找出系统的实体、属 怯和活动，以及子系统与总系统的关系等。系统的变量可分为外生变量和内生变 爨。羚生变量攒输入模型豹变量，表明钤灏基素对模型豹影璃。内生变量是模型 内部生成的变蕊，它在模型运行中由模型计算而赋值，包括状态变量和输出变量， 状态变量表明繇统的状态或条件，输出变量指模拟输出结果。实体熬构成系统的 各种要素，属性是各实体的特性，活动是系统发生变化的行为或过程。 ( 3 数爨准备。毫关数据是褐遥穰黧露，确定实俸闯数学关系蠛逻辑关系 的参数和模型输入数据等的依据。数据准备包括：数据的收集与处蠛；数据的统 计与检验：确定各变量的概率分布以及随机数的产生方法等。 ( 4 ) 稳逑模型。要选撵合适豹模拟方法( 时阙步长法、事 譬步长法、活动 扫描法等) ，确定系统的初始状态，按照系统结构和实体间的逻辑关系，构造系 统的数学一逻辑模型；设计予模块和子系统的框图，最后设计出描述整个系统的 模拟逻辑框图。 第二章系统蕊粪技术甄理 ( 5 ) 编制和调试程序。选择适当的计算机语言，将系统的数学逻辑模型 转换为由计算机程序组成的模拟模型。编制的程序应当进行调试性的模拟运行， 以霞验证模型楚否能反映实鞲系统的本质。必要时，应修改模型和调整计算枧程 序。 ( 6 ) 模拟运行。明确模拟输出结果与控制变最问的关系，确定不列的模拟 运行控制变量的组合及运行次数，设定模拟的初始条件，然后输入参数，按试验 条掌 运嚣足够数羹弱摸撂运行，隧便获磐所嚣斡运专亍结巢。 ( 7 ) 模拟结果的分析和辅助决策。通过计算置信l x ：问等，判断模拟结果的 统计特性；依掘既定的目标，选择较优的方案，作出模拟分析结论，向决策者提 擞建议辘助决策。 2 2离散系统仿真 2 2 1 连续系统和离散系统 按照系统捩态静交伲与时闯的关系，霹将系统分为连续系统和蓠散系统。 濂续系统是指累统状态随时间呈连续性的变化，离散系统是指系统状态仅在离散 的时阃点上发生跳跃性的变化。它与连续系统的最主要区别在于：系统状态发生 在蘧视时闯点上。这穆g | 莛菰态变纯戆行为穆为事馋，翻嚣褰教事佟系统一黢郝 具有随机特性，系统的状态变量往往是离散变化的。对这类系统的研究和分析的 主要目标是系统行为的统计性能而不是行为的点轨迹。 仿真技术应用到这两类系统中就产生连续系统仿真弱离教系统仿真。对于 工程施工系统，簖究者关心静是整个麓工过程中工程状态、资源等随时闯的变亿 与发展，且强调描述整个过程中各典型时间段的系统状态变更，反映这些内容的 变量都是随时间星非连续变化的，故工程施工系统仿真可按离散系统仿真来进行 蘑菇究。 2 + 2 2 离散枣件系统模拟 离散事件模拟的基本瑗论方法主要饿括离散事傅仿真的基本概念、基本原 理，仿真模型建立方法、计解结果分析等”。 1 离教事传系统摸拟的基本壤念： 瓣。草系筑仿囊技术厦理 ( 1 ) 实体j 主导实体： 个系统边界内部的列象称为实体，如汽车、装载 机等施工机械，条道路等，某个实体状态的改变直接影响整个系统状态的改变， 这样的实体称为主导实体。例如，运输系统中的汽车，大坝浇筑中躲浇筑柱块。 ( 2 ) 璃健：系统内实体匏特性。 ( 3 ) 状态：系统状态慰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 ) 时鲻：豢系统状态发蔓交托豹瓣阂，蟊系统实俸疆淫蘧黪改变、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，用来跟踪模拟事件当前值，并把模拟时问从一 个德雄进到下一个僮 l 句“钒掇”或变量。时钟有总时镑秘子时镑之分，采羹i 面向 事件的模拟祝制时，须对模拟系统设嚣一个总时钟和对每个实体设灌一个子时 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。 2 模拟时钟推进方法：述在离散系统中，系统状态的变化发生谯离散时刻， 楚羧态突变。在这类系统斡摸羧孛，著不鬻癸详细援透嚣个离鼗瓣蕤之闻葳发生 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备时间点上的 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 避法褥固定增爨时闻雄避法鼹季孛。 ( 1 ) 下次事件时间维遴法：在模秘过程中每一个攀件发生时帮确。定p 一 个事件发生的时间，同时模拟时钟推进到艘邻近的将来事件( 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 躐鸯事实；裰攒瑟事件由诗笺出下一个枣件发生匏时闻，模叛薅镑继续捱逮，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 镑每次峦t 攘遴t 到达t + s t 时弱瑶裁梭查一次是委有事 孛发生，菪有事佟发 生，相应的改变系统中相关实体的状态，并认为相应事件发生在t + t 时刻。这 种方法视时钟步长t 的大小可能会是模拟的信息不很准确或丢失一些发生在t 至t + i 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 时钟步氏取褥缀，l 、，使模毂达到瑟要求的精度。 2 2 3 随机服务系统 随机服务系统理论亦称为排队论，它通过对排队系统研究找出排队系统的概 率统计规律，从而对系统进行优化设计或使系统达到最优运行“。它有三个基本 缀成部分：竣入羧窭过程、撼敬援翼l 、缀努翘列。 0 第一= 章系统仿真技术原理 研究随机服务系统的目的，就是要分析排队系统的运行效率，估计服务质量， 确定系统参数的最优僵，以决定系统结梅是否合理，_ 并研究改进措旌等“。般 的分项籀标有“： ( 1 ) 队长及排队长；队长指系统中的顾客总数：排队长指系统中等待服 务的顾客数，并且满足： 系绞中蹶窖数= 在系凌中等待鼹务弱矮鸯数+ 正在霰黢务颞客数 ( 2 ) 逗留时间及等待时间：逗留时间指一个顾客在系统中的停留时间； 等待时间为一顾客在系统中排队等待的时间。研究后者更有意义。 ( 3 ) 忙期：指媵务规掏连续繁忙时闻。忙髑时闻之和与系统运霉亍时闲瓣 比值为忙瓣概率，它反淤了服务税掏豹工作强度。 本文所研究的是有限源多级循环服务系统，也就是说有限个顾客在系统中循 环运行依次接受多级服务。前一服务机构服务完的顾客作为下一服务机构输入的 鼷窑， l 誊一骚务莰穗黪埝蠢方式终为下一鼹务瓠毒 瓣输入方式。系统中各臻节糖 互依赖，相互制约。 2 3 覆向对象鲍计算枧模拟 2 3 。1 藤囱对象技术 面向对象仿真( o b j e c t o r i e n t e ds i m u a t i o i l ) 是当前仿奥领域较为活跃的 礤究方法之一。它在理沦上突破了传统仿宾方法的概念，根据缀残系统的对象及 其相互怍蠲荚系构造仿真模型，且仿真模型豹对象表示实际系统中相应的实体， 从而拉近了模型与实际系统间的距离，使仿真的思想方法与人们认识客观世界的 自然思维方式相一致。因而，增强了仿真模型的感观性和易理解性，且具有内在 的可扩寥性帮重躅毪，为磅究大鍪复杂系统疆供了辍为方溪豹手段。瑟囱鼹象仿 真是将面向对象技术应用于仿真而形成的一个研究分支“2 。 面向对缘的基本方法学认为：客观世界是由许多各种各样的对象所组成的， 每韩对象部有各自救内臻状态和运动规德，不同瓣黎相互闯鲍俘用积联系就构成 了各种不黼的系统，构成了我们所蕊对的客观邀赛。面囱对象方法苕先由特殊的 事物归纳出其一般特征，即设计类，再从事物一般特征演绎得到特殊事物，即所 谓类的继承。 蟊淘对象认识方法最基本点楚尽可戆静模毅入的愚维方式，丽帮认识方法 第二二章系统傍粪技术骧理 相适应的面向对象技术提供了实现这种认识思维的可能：即可以随整对某个系统 的需求逐步具体的过程而逐步地设计和实现这个系统。应用面向对敷的原则是按 照入们通常的爨维方式建立阉题域妁模型，没计尽可熊魍然的求矮方法。西向对 藏中的概念包括：对象、类、淆惑、方法、继承等。实现蟊向对象系统裁是如俺 设计系统的对象，如何实现对象之间的联系和作用“”。 面向对象方法的几个重要概念为： ( 1 ) 对象：客观世界的实体或类的一个实例称为所研究问题空淄的对象， 在面向对象的程序设计中，对象是具有特殊属性( 数据) 和行为方式( 方法) 的 实体。对象具有模块性、继承牲和类比性、动态连接性、易维护性等特点。 ( 2 ) 类和炎层次：类由方法和数嚣绦成，是关予该类对象毪簇静描述，包 括外部特性和内部实现两个方面。通过炎比，发现对魏间的相似性( 共同属性) 是构成对象类的根据。一个类不是孤立的，它的上层可以有父类，下层可以有子 娄，这样蕹形袋耪垂浚终秘，这静爱次缝携熬重要特点是继承毪。 ( 3 ) 消息和方法：消怠就是通知对象去完成一个允许作用于该对象的机制； 方法则是指允许作用于对象上的各种操作，即通过定义方法来说明对象的功能， 对象闺魏攘互联系是遂过瀵黥寒完藏懿。 ( 4 ) 封装和继承；封凝是信息隐蔽，它将对象行为实现的细节隐蔽在对象 中，对对象的使用者是不可见的；继承是类中的数据和方法的共享机制，通过继 承，予类可以全帮具有父娄( 鼙上一层类) 豹疆淫秘方法。 ( 5 ) 多态性：多态性砖指同一类方法的被利用取决于对象。例如在大坝浇 筑机械生产率计算中，尽管塔带机、缆机、塔机等的生产率计算方法不同，但最 终获唳戆是生产率程塔带瓿、缆机、塔规等震于掘凝运输浇筑丰凡皴这一特征， 幂用多态往，我们就可以不鬻选中的是塔带机、缆辊、塔视，只要铡用运输浇筑 机械类的计算生产率方法就w 以得到生产率。 2 3 。2 传统模羧与面囱对象模掇 抟统的横缀与面匈对象模拟的主要区别在于模型擒造者看待模拟的看法和 构造模掇方法上游不霹。在大多数传统静模撅语言中，降低了使蠲者鹣编程鞠镌 遗模型的复杂性，而另一方谳是模型构遗者受预先定义的模型构造的约束，因此 使用者只能通过把现实系统分解为预定义的节点或分解成参数化的符号或表格 窳建立模型，稳蘧疆范纯豹模掇语言生或璃。执行饩鹞。瑟霭良簿蒙豹攘毅羹逶过 第二章系统仿真技术原理 面向对象语言中类的封装、类的继承和多态特点，其语言包括一预定义的能够处 理一系列操作的对象或类的集合，使用者的任务是根据现实系统去选择、派生或 内部连接这些对象或赋予数据就可描述现实系统。这就减轻了编程的负担，使非 编程人员也能建立模拟模型“3 1 。 传统的面向对象更多是面向过程的，而面向对象模拟更多面向系统的构成 要素及其特性。从系统可扩充性来看，传统的模拟系统大多是预定义元素的个数 增加，而面向对象则允许未预先定义要素加入系统。例如一个简单的汽车运输土 石方问题，传统模拟面向的是装车、重行、卸车、空返过程，可以设计为实体汽 车循序经过4 环节：而面向对象则面向的是汽车、道路、装载机械、卸车点，当 选择汽车和道路两个对象后，则自动产生行走而无须指明重行还是空返，因为重 行和空返取决于土石方对象是否被选择。 图2 一l汽车运输循环过程示意图 面向对象的思想最早起源于模拟领域。随着面向对象技术的不断发展和完 善，在建模和模拟的不同阶段，如：模拟建模、模拟实验、动画输出等，面向对 象的方法都己获得了应用。特别是利用面向对象的方法建立各种复杂系统模型， 它大大改善了建模环境，提高了建模的效率”。面向对象技术由于采用对象、类 和继承等概念，使其开发的系统具有可重用性及系统可扩充、可移植、易维护性 等特点“。由于面向对象技术的应用，使得模拟仿真技术也有很大的发展，发展 起了面向对象模拟“，面向对象的模拟模型构造“7 ”1 ，一体化模拟、动画模拟等 先进的模拟技术与模拟方法“。面向对象模拟的研究和开发从8 0 年代中期有了 显著的增长。在模拟开发的不同领域，如：多媒体图形模拟、分布式交互模拟、 多用户三维应用等，应用面向对象显示出其许多优点来”。 第三章面板堆石坝施r 系统分析与模拟原理 第三章面板堆石坝旌工系统分析与模拟原理 3 1 面板堆石坝施工系统分析 3 1 1 面板堆石坝坝体施工特点 面板堆石坝施工一般包括坝基开挖和处理、坝料丌采、垫层料制各、趾板丌挖等 施工准备过程，坝体填筑施工同时进行垫层料坡面的碾压与防护施工，在坝体填筑到 一定高程或全部填筑完成后进行面板浇筑。面板堆石坝坝体填筑是面板坝的主要分期 工程。现代面板坝都采用薄层碾压法填筑，坝体填筑的施工过程包括坝料装车一坝料 运输一铺料、洒水一碾压一质量检查。其施工有以下特点1 2 j ： 1 、填筑方量大，填筑强度高。面板坝主要由堆石料构成，断面简单，各工序干 扰少，施工场面大。因施工期渡汛需要，往往要求在一个或两个枯水期坝体达到渡汛 挡水高程，因此必须高强度填筑。为保证坝面稳定的填筑强度，关键在于有稳定的料 源调配和与其相适应的运输条件。 2 、采用大型设备机械化施工。机械化施工是实现高强度填筑的前提条件。目前 国内面板坝施工一般采用2 8 m 3 挖掘机或装载机、2 0 4 5 t 自卸汽车、1 0 1 8 t 振动碾、 6 0 3 2 0 k w 推土机，这些机械构成了面板坝的主要施工设备系列。为充分发挥机械效 率，应重视各种机械的选型和配套使其在容量和数量上相互适应，如采用大容量的 自卸汽车运输坝料，就应用大型挖装机械与之配套。 3 、堆石坝体可以根据施：i 二需要在平面和立面上进行分期填筑，除要求面板后 2 0 “3 0 m 内的垫层、过渡层和部分主堆石平起外，这一范围以外的堆石体可以在任何部 位留下施工缝。由于堆石体填筑的灵活性，为争取更多的有效填筑工期、降低施工高 峰强度、加快施工速度创造了条件。例如，可以在不具备全面填筑的条件下，提前填 筑下游部分或两岸部分坝体；可以为利用枢纽建筑物的开挖料直接上坝提供工作面， 减少二次倒运工作量；可以为施工期渡汛挡水需要抢筑临时断面，汛期则可继续填筑； 便于分期建设、分期蓄水、提前受益。 4 、堆石填筑受气候的影响较少，冬雨季一般都可以施工，只有当降大雨影响机 械操作时或坝面积雪时才考虑停工，这一特点为争取较多的工作只创造了条件。 3 1 2 面板堆石坝施工系统描述 面板坝的施工过程是分层进行的，每一层的施工过程都是由石料装车一车辆运输 第三章面板堆彳_ i _ 坝施一i ：系统分擀与模拟原理 一卸料铺料一石料碾压等施工环节构成的一个循玮过程，在这个德环过程中按照各个 环疆之翊静关系，可将整个壤俸藏工系统分簿为运埝上凌子系统秘瑷瑟填羲予系统秀 个子系统。这两个子系统既具有相互的独立性，又有相互协调的密切关系。 运输上坝子系统指的是土石料的开采运输，即挖、装、运、卸，其主要施工机械 为大型装载礁配鱼卸汽车。在蠢板堆覆坝涟工中璞瓣运输是主要坯节之一 2 1 。缎蠹填 筑和坝料的供应是控制遴度的关键。褥坝料供应是决定投资的关键。根据国内工程资 料分析，堆石坝的运输费用约占面板坝整个建设费用的5 5 6 2 。因此，装运机械 的类型数量和上坝道路的合理布置十分熏要。坝体堆石料以优先制魇符合设计要求的 建簸秘殍挖辩为主，不是部分壹辩场牙采裁各。建鬣物孬挖辩中，主要寿溢浚遴、导 流洞、放空洞、地下厂房等建筑物的开挖料。各料源的开采时段与填筑应尽可能地与 开挖同步，使料物直接上坝，以减少丌挖料的中转和废弃，实现就近取料、高料高用， 练短运距，洚低造玲。对无法壹接上竣麓玎挖糕