基于实时监控的高心墙堆石坝施工仿真理论与应用

水利水电技术 第40卷 2009年第8期基于实时监控的高心墙堆石坝施工仿真理论与应用钟登华,张 平(天津大学水利水电工程系,天津 300072)摘 要:文中提出了基于实时监控的高心墙堆石坝施工仿真理论,基于实时监控系统所监控的道路运输与坝面填筑实时的施工方法、数据,通过对系统数据库信息的自动读取,可以实时更新仿真模型参数与边界条件,保证仿真贴近实际施工,实现对施工进度较精确的预测。

研究成果应用于西南某水电工程中,为该工程大坝的现场施工与管理提供技术支持。

关键词:高心墙堆石坝;实时监控;施工仿真中图分类号:T P39119+TV 64114 文献标识码:A 文章编号:1000-0860(2009)08-0103-05Theory and application of construction sim ulation for high core rock-fill dam based on real -tim e m onitoringZ HONG Deng -hua ,Z HANG Ping(D epa rt m en t ofH ydrau lic and H ydroe l ec tric Eng i neer i ng ,T ian ji n U niversity ,T ian ji n 300072,Ch i na)Abstrac t :A theo ry o f construction si m ulati on for h i gh co re rock -fill da m based on the rea-l ti m e mon itoring is put forward here i n 1In acco rdance w ith the rea -l ti m e construc ti on m ethods and da ta o f the transporta ti on syste m and the da m filli ng syste m m onito red by t he rea-l ti m e m on itor i ng system,the para m eters and boundary cond iti ons o f the si m ulation m ode l can be rene w ed to ensure the si m u l a ti on to be m ore c l o se to the actual constructi on and then realize the m ore prec i se pred i ction of t he constructi on progress through the autom ati c reading o f the i nfor m ation from the database o f the system 1T his st udy ach i eve m ent has been app lied to a hydropowe r constructi on pro j ec t i n the Sout hwest Ch i na and a bette r technical suppo rt has been prov i ded for the constructi on and m anage m en t i n site as w e ll 1K ey word s :h i gh co re rock -fill da m;rea -l ti m e mon it o ri ng ;construction si m ulation收稿日期:2009-06-18基金项目:国家杰出青年科学基金(50525927);国家自然科学基金(50879056)。

作者简介:钟登华(1963)),男,江西赣州人,教授,博士生导师。

1 引 言高心墙堆石坝工程量大,施工机械种类、数量繁多,环节复杂;受降雨影响较大。

在设计阶段已普遍采用施工仿真的方法进行方案比选和验证。

然而,大坝施工过程总是具有很强的随机性和不确定性,实际的施工进程与原始的工程计划可能会存在较大差异,因此施工需要不断根据实际已经完成的进度内容来调整后期的计划安排,以贴近实际施工过程。

面向施工阶段的高心墙堆石坝施工仿真是解决以上问题的必然趋势。

但在这方面的研究仍存在着不足,首先,仿真计算以构建仿真模型为基础,仿真模型是由众多的仿真参数支撑的,仿真参数的选取准确性差,会降低仿真结果的可靠性;仿真缺乏实时性,很难在当前的施工面貌基础上,最新的机械配置条件下,实时预测出未来的施工进度,造成仿真难以及时指导现场施工。

为此,基于实时监控的高心墙堆石坝施工仿真是面向施工阶段的施工动态仿真。

依据实际的施工信息,实时更新获得仿真参数,通过动态仿真来进行施工进度的预测和分析,确保进度目标的实现。

开展基钟登华,等M基于实时监控的高心墙堆石坝施工仿真理论与应用于实时监控的高心墙堆石坝施工仿真理论及应用研究,在国内外具有先导性,具有重大的理论和现实意义。

2仿真模型的建立211施工过程分析高心墙堆石坝施工由两个紧密联系的施工子系统构成:运输上坝子系统和坝面填筑子系统。

运输上坝是指土石料的开采运送,即挖、装、运、卸。

坝面填筑是指土石料的铺筑,它是分区、分段、分层、分单元进行的,一般包括铺料、平料、压实、质检等作业。

当有满足降雨等外部约束,相邻区高差、日最大上升高度等内部约束的施工单元可以开始施工时,要求对应的坝料对其进行运送,到坝面上卸料地点后即开始填筑,如图1所示。

图1高心墙堆石坝施工过程示意212仿真模型21211运输上坝仿真模型运输上坝中把运输车辆看成是流动实体,把车辆在运输过程中经过各运输环节需滞留的时间看成是符合某种分布规律的随机变量,把运输过程中的各个环节看成是按照不同服务规则和机制对流动实体进行服务的服务机构,则可以将这个复杂运输系统抽象为一个有限源多级随机服务系统[1~4]。

用一个离散事件动态系统模型对其描述,建立高心墙堆石坝运输上坝系统模型,如图2所示。

21212坝面填筑仿真模型坝面填筑仿真模型的建立以对施工单元模型的建立为中心。

施工单元作为组成大坝形体的基本形体单位,亦是坝体填筑的基本施工单位,实时监控中的基本施工参数也多以施工单元为载体。

施工单元模型的建立实质上是一个信息集成的过程,包括两方面内容:形体信息及施工属性信息。

形体信息包括体积、面积、厚度、前沿长度、高程等;施工属性信息包括图2运输上坝模型示意所属分区、分期,作业方式,运输、装载、碾压设备配置,施工开始时间、结束时间等,如图3所示。

图3施工单元模型施工单元是基本仿真单位。

施工单元还承载着施工进度信息,即预测或实际的填筑开始、结束时间。

当施工单元尚未填筑时,他所表达的是计划或预测的完工情况;完成填筑后,实时监控系统记录下它的实际完工情况,可以成为仿真预测的起始点,并为以后的仿真预测提供实时的、较准确的施工参数。

213仿真的数学逻辑模型综合考虑降雨、作业方式、机械配套和日上升高度限制等约束条件,建立基于实时监控的高心墙堆石坝施工仿真的数学逻辑模型,其结构如下。

目标函数:op t(D,U)。

其中,U=f(D,X),这里D为工期,X为施工方案,U为机械利用率。

意义为不同施工方案下,寻求较优的工期和机械利用率为仿真优化目标。

施工约束条件:S(W,N,I)。

其中,W为外部约束,N为内部约束,I为实时钟登华,等M 基于实时监控的高心墙堆石坝施工仿真理论与应用监控信息[5]。

其中W T =F (p r ),T 为有效工作时间,p r 为降雨概率Q [C,Q 为年运输量,C 为道路承载能力V =g (d ),V 为坝体汛前高程,d 为施工导流NH u -H d [H c ,心墙区相邻区高程差小于规定值(一般要求平起上升)$H [HD,满足日上升高度限制其中,H u 、H d 为上下游相邻区高程;H c 为心墙区域规定高程差;HD 为日上升高度限制值。

I :I t =R t +D t ,t 时刻的实时监控信息I t 是由t 时刻的运输上坝实时监控信息集合R t 与坝面碾压质量实时监控信息集合D t 构成。

主要包括当前施工面貌,平均碾压遍数,机械运行参数等,具体见第214节。

214 实时监控信息的获取仿真模型实际是一系列仿真参数构成的逻辑关系,仿真参数的准确性直接影响仿真成果。

为保证高心墙堆石坝施工仿真的实时性,与实际施工的相对一致性,实时获取实际施工的参数是必然要求。

实时监控系统实时采集并存储大坝施工参数、形象进度、施工强度和施工资源配置等信息,实时掌握施工进度,并为开展施工仿真分析提供数据基础。

实时监控系统利用自动定位技术和无线数传技术监控施工信息,并存储在SQL Server 数据库中。

安装在本地的仿真系统客户端(安装在本地计算机上的高心墙堆石坝仿真系统)应用ADO 1NET (A cti v e X Data Ob ject 1NET)技术远程访问工地服务器上的实时监控系统数据库,读取实时监控系统中自动采集的施工信息到本地仿真数据库中,更新其对应值,并在系统界面中予以更新显示[6]。

实时监控系统主要包括运输上坝实时监控系统和坝面碾压质量实时监控系统,这与施工仿真的结构划分相同,方便了相应数据的读取工作。

如图4所示。

从实时监控系统读取到的信息主要包括:(1)运输上坝信息,上坝路径,道路长度、容量,岔口过车能力,回路完成方量;机械配套、数量,汽车行驶速度、卸料时间、转弯半径,装载机装料时间等。

(2)坝面填筑信息,施工单元平面坐标、面积、高程;施工单元填筑完成与否,机械闲置与否,各区填筑高程;坝面作业方式、工序,碾压遍数,碾压层厚,碾压机行走速度,试坑个数等。

(3)其他参数,日工作时长等。

其中,例如施工单元的面积、填筑时间等基本信息获取后直接可为仿真所用。

汽车、碾压机的行驶时间等在监控系统中分别以分钟、秒采集,将所有数据读到本地仿真数据库后,需对其进行分析处理,转换图4 实时信息数据获取方式成仿真中以分钟为计算单位,并符合均匀分布的随机函数的均值。

3 仿真流程大坝已经完成的部分不再具有不确定性,从实时监控系统读取到这些确定性信息后,更新仿真模型,对剩余的大坝填筑过程进行仿真计算,仿真的执行可以根据实际施工过程中进度预测的需要从任意时刻起始,并到任意时刻终止[7]。

初始状态根据其当前实际施工进度面貌确定(包括已填筑高程、完成的土石方量等)。

程序开始时,系统读取相应的实时施工信息,更新仿真参数,确定当前进度面貌。