面板堆石坝施工过程可视化仿真分析

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1、1绪论1.1选题的意义面板堆石坝对地基的适应性强，坝体能直接挡水或过水从而简化施工导流程序，枢纽布置紧凑，充分利用当地材料，施工快速。近年来，由于大型特种土石方机械不断问世，新的施工技术的涌现和成熟发展，高强度的土石方开挖、运输、填筑记录不断刷新，面板堆石坝的优势更为突出，面板堆石坝已成为当今水利水电工程的三大主[1][2]流坝型之一。据统计，截至2008年，世界上坝高在30m以上的面板堆石坝已建成308座，在建64座，其中坝高150m以上的有26座，大多数150m以上的高坝是在2000年以后修建的，且以中南美洲

2、及中国和东南亚地区为最多。中国的代表性工[3]程有水布垭（坝高233m）、江坪河（坝高221m）、三板溪（坝高186m）等。施工组织设计与管理是工程建设的重要环节。面板堆石坝施工是一项庞大的系统工程，其自然条件和技术条件复杂，所受的约束和干扰因素多，关系错综复杂，特别是在土石方调配、运输、填筑过程中还会受到一些不确定性因素和随机因素的影响。传统的施工组织设计是根据控制性进度推算出平均上坝强度，再由上坝强度估算机械设备的型号和数量。这种粗线条的勾勒难以全面考虑水文气象的随机性、运输系统的不确定性，比如装载机装料时间

3、、自卸汽车的卸料时间及装载方量，甚至坝面处的卸料点个数往往是非确定值，车辆在各条道路交叉口、装料点及卸料点处均有可能发生排队等待现象；土石方规划往往被理解为“料物平衡”，即开挖填筑料在数量上的、静态的平衡，没能结合施工进度进行动态地考虑；坝体填筑难以深入考虑各相邻区之间的制约，坝面作业各施工工艺之间的协调；对高峰强度的控制未必准确；难以得到全面准确的全过程定量技术指标，因此，仅凭人工编排难以达到工程管理和辅助决策的精度要求，且人工编排一个施工方案就十分繁杂，要想做多方案比较就更加费时费力。因此，如何为如此庞大复杂

4、的工程制定周密、详细的施工计划并实施有效的组织与管理，使工程建设顺利进行并取得良好的经济效果，越来越受到工程管理、技术人员的重视。随着计算机和系统仿真技术的迅速发展，尤其是系统仿真技术在复杂系统运行中的推广应用，使我们有可能在计算机上实现对面板堆石坝的动态施工过程进行仿真试验，预测不同施工方案不同边界条件下的大坝填筑进程，从而得出系统运行的各项定量指标，如每日的填筑方量、高程、机械强度、机械利用率、道路运行情况等，这些数据用传统的粗略施工组织设计方法是难以得到的。计算机仿真能够适应大数据量的[4]复杂仿真，易于通

5、过参数变更和方案修改来进行动态过程研究。仿真技术的应用减轻了技术人员的计算强度，缩短了施工方案的制定时间，提高了施工方案和机械配套1方案定量指标的精度，对工程设计和施工管理起到一定的指导作用。近二十年来，仿[5,6]真技术已经应用于水利水电工程建设的各个阶段（如设计、投标与施工管理）及[7-11]项目的各个部分（导流渡汛、场地布置、地下洞室群的开挖及各种坝型的施工等）。面板堆石坝施工过程仿真是采用离散事件系统仿真的方法模拟既定施工方案（如特定的分期分区方案、机械配置、施工工艺要求等）下的坝体填筑实施过程，它可以得

6、出整个施工过程中土石方的调配流向、道路运行状况、坝面上升过程、资源利用强度等重要施工信息。仿真技术在堆石坝施工过程研究中是一种科学、高效的方法，具有验证系统合理性和优化系统的作用，还可以定量地分析某一参数对设计成果的影响程度，预测施工过程中可能出现的资源冲突现象，便于工程人员制定出更加详尽、周密、合理的施工计划。系统还可以用三维动画的形式同步显示仿真结果，通过数据库查询施工信息，仿真模型也可以为其它的堆石坝工程提供参考。因此，研究和开发面板堆石坝施工过程动态可视化仿真系统具有重要意义。国内计算机仿真技术在面板堆石

7、坝填筑施工过程模拟中的应用始于20世纪80年代，目前已经较为广泛的在各种大型堆石坝工程中获得应用。然而由于面板堆石坝土石方的挖、运、填过程复杂、影响因素众多，目前的仿真模拟成果还存在一定的不足。比如：将土石方调配、运输、填筑三者联合起来考虑的系统较少，目前的堆石坝仿真系统大多数研究其中一个或两个子系统；土石方调配多为静态模型，因为动态模型的建模和求解过程十分繁杂；运输系统的随机性、坝面填筑工序的模拟精度不够、没有考虑不同料性之间的强度协调等。因此，如何更贴近于实际应用，更真实的反映施工过程与施工状态，是目前填筑仿

8、真研究中需要解决的关键问题之一，也是目前堆石坝填筑仿真研究的难点和热点。1.2研究现状1.2.1面板堆石坝传统的施工组织设计编制方法概述坝体填筑规划的主要内容为：①施工分期方案的选择，施工方法的确定②确定各阶段的坝体填筑断面及各坝区料的工程量③根据各阶段坝体填筑的起止时间，计算施工强度④确定坝区施工道路的布置⑤保证施工质量的措施⑥料源挖填平衡⑦施工机[12]械设备和人员组