杜榮祥，鐘登華，關(guān)?濤，胡?煒，王乾偉

?

考慮倉面實(shí)時(shí)監(jiān)控厚度影響的堆石壩倉面施工仿真

杜榮祥，鐘登華，關(guān)?濤，胡?煒，王乾偉

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

傳統(tǒng)大壩施工仿真將倉面碾壓施工簡化為單一的、確定的過程，主要通過調(diào)整機(jī)械配置以達(dá)到較為理想的施工進(jìn)度．然而實(shí)際施工過程受到多種因素影響，例如碾壓機(jī)的行駛狀態(tài)和鋪料、壓實(shí)厚度等參數(shù)，均難以用設(shè)計(jì)階段的施工參數(shù)進(jìn)行仿真過程描述．基于此，本文提出了考慮倉面實(shí)時(shí)監(jiān)控厚度影響的堆石壩倉面施工仿真方法．首先，對(duì)倉面實(shí)時(shí)監(jiān)控獲取的碾壓機(jī)施工參數(shù)和倉面鋪料厚度進(jìn)行分析，獲得其參數(shù)分布規(guī)律，作為仿真施工參數(shù)，并結(jié)合離散時(shí)間仿真方法和改進(jìn)的Monte Carlo隨機(jī)抽樣方法建立了心墻堆石壩倉面施工仿真模型；其次，建立了碾壓參數(shù)與壓實(shí)厚度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并根據(jù)仿真中倉面模擬的鋪料厚度和碾壓情況得出仿真中倉面的壓實(shí)厚度；最后，建立基于倉面厚度影響的堆石壩倉面施工仿真的數(shù)學(xué)模型，并以中國西南某在建心墻堆石壩為例，進(jìn)行施工仿真．仿真結(jié)果表明，本方法與實(shí)際施工進(jìn)度偏差為3.59%,，與傳統(tǒng)施工仿真偏差為7.90%,，二者相比，本方法能夠更加真實(shí)地反映現(xiàn)場實(shí)際施工進(jìn)度，通過對(duì)比分析，不考慮倉面厚度會(huì)對(duì)施工進(jìn)度造成4.90%,的影響，因此倉面厚度對(duì)施工進(jìn)度造成的影響不可忽視．本文提出的優(yōu)化仿真模型能夠?yàn)楝F(xiàn)場施工進(jìn)度分析、工程決策和施工管理提供技術(shù)支持．

心墻堆石壩；施工仿真；實(shí)時(shí)監(jiān)控；碾壓參數(shù)；倉面厚度

心墻堆石壩具有就地取材、便于大型土石方機(jī)械施工等優(yōu)勢，且具有造價(jià)低、施工速度快等特點(diǎn)，因而成為一種非常具有競爭力的壩型[1]．由于心墻堆石壩具有建設(shè)周期長、工程量巨大、施工過程復(fù)雜和資源消耗巨大等特點(diǎn)，給施工進(jìn)度的分析和控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)．在傳統(tǒng)的心墻堆石壩施工仿真研究中，通常采用固定的倉面壓實(shí)厚度對(duì)大壩施工進(jìn)度進(jìn)行仿真分析，一般取為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)厚度．但是，在施工過程中不同倉面壓實(shí)厚度通常會(huì)有一定差異，一般會(huì)控制在一個(gè)壓實(shí)厚度合格的區(qū)間內(nèi)，而現(xiàn)有的心墻堆石壩施工仿真研究無法對(duì)倉面壓實(shí)厚度的影響進(jìn)行有效考慮和分析，進(jìn)而無法準(zhǔn)確反映大壩施工進(jìn)度．此外，在施工仿真中，對(duì)于碾壓機(jī)施工參數(shù)采用隨機(jī)抽樣的方式進(jìn)行模擬，在施工過程中，考慮機(jī)械施工參數(shù)在相鄰時(shí)刻之間不能突變，而是逐漸變化，但是抽樣過程中未能有效考慮施工參數(shù)在相鄰時(shí)刻之間的影響關(guān)系，在仿真中存在施工機(jī)械參數(shù)的模擬不符合實(shí)際機(jī)械施工規(guī)律的情況，從而影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性．因此，在心墻堆石壩施工仿真過程中，有必要考慮倉面壓實(shí)厚度和機(jī)械施工參數(shù)的抽樣方法，從而使得施工仿真能更加符合工程實(shí)際．

仿真技術(shù)的發(fā)展可追溯至1977年，以Halpin[2]提出的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為開端，通過在網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)中應(yīng)用模擬技術(shù)和排隊(duì)理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)施工過程和隨機(jī)時(shí)間的模擬，從而對(duì)循環(huán)施工的運(yùn)行過程進(jìn)行反映．該方法成為工程建設(shè)中應(yīng)用最早和最廣泛的仿真技術(shù)．以此為基礎(chǔ)，國外研究學(xué)者對(duì)施工仿真技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并獲得了許多有效的研究成果，如：INSIGHT[3]、RESQUE[4]、UM-CYCLONE[5]、Micro-CYCLONE[6]、ABC[7]、Vitascope[8]、HK-CONSIM[9]、SDESA[10]．此外，許多學(xué)者還在簡化離散時(shí)間仿真[11]、可視化仿真[12]、基于虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的仿真[13]、基于貝葉斯分析的仿真[14]等方面進(jìn)行了研究．

堆石壩施工仿真方面，鐘登華、胡程順等[15]利用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立仿真模型，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)了堆石壩施工仿真系統(tǒng)．鐘登華、趙晨生等[16]通過分析大壩體型參數(shù)，把倉面整合成填筑單元，作為仿真單位進(jìn)行研究，并以此對(duì)心墻堆石壩倉面碾壓過程進(jìn)行了精細(xì)化分析．鐘登華、張琴婭等[17]基于CATIA開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了堆石壩施工仿真過程的3D動(dòng)態(tài)表達(dá)和4D模型的遠(yuǎn)程交互．鐘登華、陳永興等[18]針對(duì)瀝青混凝土心墻堆石壩特點(diǎn)，建立了心墻堆石壩施工仿真模型，并在某工程中得到成功應(yīng)用．

隨著數(shù)字大壩技術(shù)的提出[19]，實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)與施工仿真技術(shù)得到了有效結(jié)合，并使得施工仿真技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展．鐘登華、常昊天等[20]應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、可視化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，開展了高堆石壩施工仿真與優(yōu)化的理論方法與技術(shù)研究．劉寧等[21]通過分析實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，提出了監(jiān)控與預(yù)測信息對(duì)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的影響機(jī)制．鐘登華、常峻等[22]將實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與施工仿真參數(shù)對(duì)比，分析實(shí)際施工進(jìn)度出現(xiàn)偏差的原因并提出施工建議．張念木[23]提出了基于實(shí)時(shí)監(jiān)控的面板堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真模型，根據(jù)實(shí)際施工信息，實(shí)時(shí)獲取并更新仿真參數(shù)，對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真預(yù)測．

綜上所述，現(xiàn)有的心墻堆石壩施工仿真技術(shù)缺乏倉面壓實(shí)厚度對(duì)施工進(jìn)度的影響分析，無法揭示倉面壓實(shí)厚度對(duì)施工進(jìn)度的影響；同時(shí)，缺少對(duì)施工仿真中抽樣方法的研究，從而無法對(duì)碾壓機(jī)的施工過程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬和分析．

基于當(dāng)前研究現(xiàn)狀，本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上做出如下2方面的改進(jìn)．

(1)基于現(xiàn)場實(shí)測倉面平倉厚度數(shù)據(jù)，對(duì)施工仿真模型中倉面平倉厚度進(jìn)行模擬，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測碾壓施工參數(shù)和壓實(shí)厚度數(shù)據(jù)，建立倉面壓實(shí)厚度回歸分析模型，揭示碾壓參數(shù)與倉面平倉、壓實(shí)厚度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉面壓實(shí)厚度的分析，從而分析倉面壓實(shí)厚度對(duì)施工仿真結(jié)果的影響．

(2)通過分析現(xiàn)場實(shí)測碾壓機(jī)施工信息，揭示碾壓機(jī)各項(xiàng)施工參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，并以此作為施工仿真參數(shù)，同時(shí)考慮相鄰時(shí)刻間碾壓施工參數(shù)之間的相互影響，對(duì)施工參數(shù)抽樣方法進(jìn)行改進(jìn)，從而減少相鄰時(shí)刻施工參數(shù)的突變情況，使得仿真模型更加符合實(shí)際施工過程．

1?模型框架

基于倉面施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)碾壓施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并研究碾壓施工參數(shù)與倉面平倉、壓實(shí)厚度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系．在此基礎(chǔ)上建立考慮倉面實(shí)時(shí)監(jiān)控厚度影響的堆石壩倉面施工仿真模型．該模型聯(lián)合采用離散事件和離散時(shí)間仿真原理[10]，通過應(yīng)用改進(jìn)線性同余發(fā)生器(LCG)的Monte Carlo抽樣方法，對(duì)心墻堆石壩倉面施工過程進(jìn)行仿真分析．通過仿真計(jì)算，得到包括倉面施工時(shí)間、倉面壓實(shí)厚度、碾壓機(jī)配置及機(jī)械效率在內(nèi)的仿真結(jié)果，同時(shí)揭示倉面厚度對(duì)大壩填筑進(jìn)度的影響．模型框架如圖1所示．

圖1?仿真模型框架

2?考慮倉面實(shí)際厚度影響的堆石壩倉面施工仿真模型

2.1?數(shù)學(xué)模型

心墻堆石壩倉面施工是在施工條件、施工工藝和施工參數(shù)共同作用下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，同時(shí)，倉面厚度的控制直接決定了倉面填筑數(shù)量，從而對(duì)大壩填筑進(jìn)度造成影響，心墻堆石壩填筑過程則是隨著倉面不斷填筑而高度不斷增加的過程，施工仿真數(shù)學(xué)模型如圖2所示．

圖2?施工仿真數(shù)學(xué)模型

2.2?仿真流程

仿真開始時(shí)，首先輸入仿真參數(shù)(包括仿真?zhèn)}面邊界、碾壓機(jī)數(shù)量、碾壓工藝、碾壓機(jī)限速、碾壓遍數(shù)、倉面碾壓遍數(shù)達(dá)標(biāo)比例控制標(biāo)準(zhǔn)和倉面壓實(shí)厚度控制標(biāo)準(zhǔn)等)，初始化仿真模型．根據(jù)仿真參數(shù)確定倉面碾壓工藝，并生成倉面隨機(jī)平倉厚度；隨后開始倉面碾壓，以固定時(shí)間間隔(1,s)推進(jìn)仿真時(shí)鐘，產(chǎn)生隨機(jī)碾壓速度和偏轉(zhuǎn)角，計(jì)算碾壓機(jī)坐標(biāo)位置．根據(jù)條帶碾壓遍數(shù)確定是否轉(zhuǎn)換條帶，若不轉(zhuǎn)換條帶，則正常推進(jìn)仿真時(shí)鐘，若轉(zhuǎn)換條帶，則以最大偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行碾壓條帶轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)判斷碾壓機(jī)位置，當(dāng)達(dá)到條帶搭接(或錯(cuò)距)寬度后，完成條帶轉(zhuǎn)換，并按施工參數(shù)規(guī)律產(chǎn)生碾壓偏轉(zhuǎn)角．當(dāng)倉面初碾完成后，計(jì)算倉面碾壓遍數(shù)達(dá)標(biāo)比例，若滿足控制要求，則倉面碾壓完成，若不滿足控制要求，則計(jì)算相應(yīng)補(bǔ)碾時(shí)間，并按照離散事件仿真原理，直接將仿真時(shí)鐘按照相應(yīng)時(shí)間步長推進(jìn)．倉面碾壓完成后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律計(jì)算出倉面的壓實(shí)厚度，并更新仿真參數(shù)，進(jìn)行下一倉面仿真，直至所有倉面碾壓完畢，仿真流程如圖3所示．

圖3 考慮倉面實(shí)際厚度影響的堆石壩倉面施工仿真流程

2.3?仿真參數(shù)計(jì)算方法

在施工仿真模型中，通過對(duì)現(xiàn)場碾壓機(jī)實(shí)際施工參數(shù)進(jìn)行分析，獲得不同施工參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，并更新到施工仿真模型中．現(xiàn)場實(shí)際施工數(shù)據(jù)的獲取依托于心墻堆石壩倉面施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，該技術(shù)通過聯(lián)合采用GPS、GPRS 和PDA 技術(shù)以及碾壓過程信息實(shí)時(shí)自動(dòng)采集技術(shù)和碾壓過程可視化監(jiān)控的圖形算法等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)倉面碾壓施工過程中碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、行車速度、激振力等碾壓參數(shù)進(jìn)行全過程、精細(xì)化、在線實(shí)時(shí)監(jiān)控[20]．

仿真模型中，倉面施工過程主要體現(xiàn)為碾壓機(jī)在碾壓速度、碾壓機(jī)偏轉(zhuǎn)角、搭接(或錯(cuò)距)寬度參數(shù)的隨機(jī)偏差對(duì)倉面施工進(jìn)度的影響；大壩施工過程主要體現(xiàn)為倉面厚度的隨機(jī)偏差對(duì)大壩整體施工進(jìn)度的影響，本文在研究上述施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)仿真過程進(jìn)行分析．

2.3.1碾壓遍數(shù)

1) 碾壓遍數(shù)計(jì)算方法

圖4?碾壓遍數(shù)計(jì)算示意

2) 碾壓遍數(shù)達(dá)標(biāo)率計(jì)算

心墻堆石壩主要通過對(duì)土石料進(jìn)行碾壓，從而達(dá)到密實(shí)的效果，碾壓遍數(shù)作為重要的質(zhì)量控制指標(biāo)，可通過倉面碾壓遍數(shù)達(dá)標(biāo)比例來反映．

(1)

2.3.2?倉面壓實(shí)厚度

1) 倉面平倉厚度的選擇和計(jì)算規(guī)則

根據(jù)心墻堆石壩倉面施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中獲取的倉面平倉厚度實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)倉面內(nèi)平倉厚度分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)單個(gè)倉面內(nèi)的平倉厚度分布情況進(jìn)行模擬；同時(shí)，對(duì)多個(gè)倉面的平均平倉厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真中多倉面平均厚度的模擬．

2) 倉面仿真壓實(shí)厚度計(jì)算

仿真開始時(shí)，根據(jù)倉面平倉厚度分析規(guī)律，在網(wǎng)格中生成隨機(jī)平倉厚度，同時(shí)，建立碾壓遍數(shù)、平倉厚度與壓實(shí)厚度間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，隨著仿真時(shí)鐘的推進(jìn)，網(wǎng)格碾壓遍數(shù)不斷變化，相應(yīng)壓實(shí)厚度也發(fā)生變化，當(dāng)碾壓結(jié)束后，得到網(wǎng)格的壓實(shí)厚度．

?(2)

?(3)

?(4)

2.3.3?碾壓歷時(shí)

在倉面碾壓施工仿真過程中，隨著仿真時(shí)鐘不斷推進(jìn)，倉面碾壓完成區(qū)域不斷增大，當(dāng)碾壓機(jī)將全部倉面碾壓完成時(shí)，仿真結(jié)束，對(duì)應(yīng)得出碾壓歷時(shí)，不同碾壓方式對(duì)應(yīng)不同碾壓歷時(shí)．

1) 搭接碾壓

?(5)

?(6)

2) 錯(cuò)距碾壓

?(7)

?(8)

3) 補(bǔ)碾歷時(shí)

2.4?改進(jìn)Monte Carlo抽樣方法

Monte Carlo方法的基本思想是：為了求解某些數(shù)學(xué)問題，首先建立一個(gè)概率模型或隨機(jī)過程，使它的參數(shù)等于問題的解，然后通過對(duì)模型或者過程的觀察或者抽樣試驗(yàn)來計(jì)算所求參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，最后給出所求解的近似值．

在心墻堆石壩施工仿真研究中，Monte Carlo方法作為一種成熟而有效的方法得到了廣泛應(yīng)用，但是抽樣過程中可能會(huì)存在相鄰時(shí)刻樣本數(shù)值差異過大的情況，從而導(dǎo)致仿真過程中碾壓機(jī)施工參數(shù)發(fā)生突變，造成仿真參數(shù)與實(shí)際施工參數(shù)不符．因此在抽樣時(shí)本文對(duì)線性同余發(fā)生器進(jìn)行改進(jìn)，以減小相鄰時(shí)刻抽樣樣本間的差異，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行抽樣模擬．

線性同余發(fā)生器(LCG)作為目前應(yīng)用最廣泛的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器之一，由Lehmer在1951年提出．此方法利用數(shù)論中同余運(yùn)算來產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，故稱為同余發(fā)生器．LCG方法的一般遞推公式為

?(9)

?(10)

?(11)

3?工程實(shí)例

本研究以中國西南地區(qū)某心墻堆石壩為例(圖5所示)，建立考慮倉面實(shí)際厚度影響的堆石壩倉面施工仿真模型，大壩壩高240,m，填筑方量3,435.32×104,m3，其中心墻料429.16×104,m3．本研究選擇Ⅲ期心墻區(qū)為研究對(duì)象，填筑高程區(qū)間為1,447.0,m～1,530.5,m，對(duì)倉面碾壓過程進(jìn)行仿真分析．

圖5?工程概況

3.1?仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)施工設(shè)計(jì)方案，心墻區(qū)采用后卸式25,t自卸汽車后退法卸料，T180推土機(jī)平倉，土料的壓實(shí)采用20,t振動(dòng)凸塊碾進(jìn)退錯(cuò)距法碾壓，錯(cuò)車方式為“進(jìn)錯(cuò)退不錯(cuò)”，錯(cuò)距寬度30,cm．碾壓遍數(shù)為(2＋8)遍(靜壓2遍，振動(dòng)8遍)，碾壓遍數(shù)達(dá)標(biāo)比例控制值為95%,．每層壓實(shí)厚度控制在0.3,m以下，碾壓最大限速為2.9,km/h．

基于倉面碾壓實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析結(jié)果，系統(tǒng)中對(duì)各施工仿真參數(shù)規(guī)定如下．

1) 平倉厚度

單倉平倉厚度．以2,m×2,m為間隔，對(duì)單個(gè)倉面內(nèi)平倉厚度情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明倉面內(nèi)平倉厚度服從正態(tài)分布．經(jīng)多個(gè)倉面平倉厚度統(tǒng)計(jì)分析，歸納出不同倉面平均平倉厚度下對(duì)應(yīng)的倉面平倉厚度標(biāo)準(zhǔn)差，如表1所示，當(dāng)仿真中倉面平均平倉厚度確定后，以此表中的對(duì)應(yīng)規(guī)則對(duì)仿真中倉面內(nèi)平倉厚度進(jìn)行模擬．

圖6?平倉厚度概率分布擬合曲線

表1?倉面平倉厚度均值和標(biāo)準(zhǔn)差

Tab.1 Mean value and standard deviation of spreading thickness

2) 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)厚度統(tǒng)計(jì)規(guī)律

倉面不同碾壓遍數(shù)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)厚度通過現(xiàn)場實(shí)測得出，進(jìn)行多樣本測量計(jì)算后，統(tǒng)計(jì)碾壓遍數(shù)、平倉厚度與壓實(shí)厚度間的回歸關(guān)系，如圖7所示．

圖7?碾壓遍數(shù)與壓實(shí)厚度關(guān)系

通過分析發(fā)現(xiàn)，心墻區(qū)碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度基本滿足對(duì)數(shù)關(guān)系

?(12)

3) 碾壓速度

4) 碾壓機(jī)偏轉(zhuǎn)角

碾壓機(jī)偏轉(zhuǎn)角相對(duì)離散，難以用經(jīng)典分布曲線擬合，采用離散概率密度函數(shù)進(jìn)行描述，即

?(13)

5) 錯(cuò)距偏差距離

各參數(shù)分布函數(shù)如圖8所示．

圖8?各仿真參數(shù)擬合曲線

將上述仿真參數(shù)代入施工仿真模型中，進(jìn)行仿真計(jì)算．結(jié)果分析如下．

3.2?仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證模型的合理性，仿真成果分別與傳統(tǒng)仿真、實(shí)際進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比．同時(shí)，為了說明倉面壓實(shí)厚度對(duì)施工仿真的影響，應(yīng)用傳統(tǒng)的施工仿真模型對(duì)該填筑分期進(jìn)行了仿真分析和對(duì)比．

3.2.1?仿真模型驗(yàn)證

將上述統(tǒng)計(jì)參數(shù)作為仿真初始參數(shù)，對(duì)該工程Ⅲ期心墻區(qū)進(jìn)行仿真分析．仿真結(jié)果與傳統(tǒng)仿真結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際施工情況對(duì)比如表2所示．

表2?施工仿真結(jié)果對(duì)比

Tab.2?Comparison of three construction schemes

通過對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，填筑時(shí)間段為2013-11-16—2014-05-18，除去天氣等客觀因素導(dǎo)致不能施工的天數(shù)外，共計(jì)施工177,d，按每天工作時(shí)間為20,h計(jì)，折合填筑歷時(shí)3,540,h，現(xiàn)場共投入11臺(tái)凸塊碾壓機(jī)進(jìn)行該時(shí)段填筑．

對(duì)于碾壓機(jī)利用率的計(jì)算，認(rèn)為碾壓機(jī)在進(jìn)行心墻碾壓作業(yè)時(shí)，行駛速度介于0.8,km/h和3.0,km/h之間時(shí)即為正常施工狀態(tài)，對(duì)應(yīng)占統(tǒng)計(jì)樣本時(shí)長的比值為碾壓機(jī)利用率．通過對(duì)現(xiàn)場11臺(tái)碾壓機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后求得碾壓機(jī)利用率均值為68.74%,．

傳統(tǒng)仿真方法中，仿真的輸入?yún)?shù)以工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方案為主要參考，仿真工期3,880,h，按每天工作20,h計(jì)，共計(jì)耗時(shí)194,d，碾壓機(jī)配置7臺(tái)，機(jī)械利用率高達(dá)99.80%,．

在本研究提出的施工仿真模型中，仿真工期為170,d，需投入9臺(tái)碾壓機(jī)，平均機(jī)械利用率87.10%.

通過3種方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際施工方案耗時(shí)6個(gè)月，而設(shè)計(jì)方案為7個(gè)月，工期縮短的原因主要是施工現(xiàn)場加大資源投入．傳統(tǒng)仿真方案，施工歷時(shí)較長，且機(jī)械利用率高，該方案可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際施工中，機(jī)械故障率高，無法保證現(xiàn)場施工進(jìn)度．本研究方案以現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)作為仿真輸入?yún)?shù)，仿真結(jié)果更加貼合實(shí)際．

3種方案的月填筑方量和月填筑高程對(duì)比如圖9所示．通過對(duì)比分析可知，本文提出的仿真方法，月填筑強(qiáng)度介于實(shí)際方案和傳統(tǒng)仿真方案之間，填筑強(qiáng)度更加均衡，月上升高度也更均勻．其中，第4月為2013年春節(jié)，由于部分施工人員休假，第4、5月份實(shí)際施工強(qiáng)度比前后時(shí)段有明顯降低，從而導(dǎo)致實(shí)際月方量呈現(xiàn)出與仿真結(jié)果不同的雙峰變化趨勢，這也是導(dǎo)致本文提出的模型仿真進(jìn)度與實(shí)際施工進(jìn)度有所偏差的主要原因．

圖9?3種施工方案對(duì)比

3.2.2?倉面厚度對(duì)施工仿真結(jié)果影響分析

采用本研究中仿真程序，按照規(guī)范設(shè)計(jì)倉面厚度對(duì)Ⅲ期心墻區(qū)施工過程進(jìn)行仿真分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示．通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)每層按照0.3,m厚度進(jìn)行施工，工期縮短了149,h，進(jìn)度提高了4.9%,，碾壓機(jī)機(jī)械利用率有所下降．

表3?不同倉面厚度方案仿真對(duì)比

Tab.2 Comparison of construction schemes regardless of the influence of storehouse thickness

通過上述兩組對(duì)比結(jié)果可以看出，本文提出的考慮倉面實(shí)際厚度影響的堆石壩倉面施工仿真模型得到的施工仿真結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場施工過程；且本研究也說明了倉面厚度可對(duì)心墻堆石壩施工進(jìn)度造成不可忽略的影響，需要在施工仿真模型中進(jìn)行有效考慮和分析．

4?結(jié)?語

壩面碾壓過程作為心墻堆石壩施工過程中重要的進(jìn)度控制環(huán)節(jié)，同時(shí)，實(shí)際施工過程中存在諸多主、客觀因素，給建設(shè)者施工進(jìn)度管理帶來影響．本文綜合考慮了碾壓施工參數(shù)和倉面厚度對(duì)施工進(jìn)度的影響，建立了考慮倉面實(shí)際厚度影響的堆石壩倉面施工仿真模型，對(duì)倉面仿真進(jìn)行精細(xì)化仿真分析．與傳統(tǒng)仿真相比，本文基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，通過改進(jìn)的Monte Carlo隨機(jī)抽樣方法，對(duì)碾壓機(jī)施工隨機(jī)參數(shù)的模擬機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化；同時(shí)，通過隨機(jī)模擬的平倉厚度，并建立碾壓遍數(shù)與碾壓厚度預(yù)測模型，仿真得到倉面的壓實(shí)厚度．仿真模型應(yīng)用于中國西南某心墻堆石壩項(xiàng)目中，以Ⅲ期心墻區(qū)為分析對(duì)象，分別用傳統(tǒng)施工仿真方法和考慮倉面實(shí)際厚度影響的堆石壩倉面施工仿真方法進(jìn)行計(jì)算，從與實(shí)際結(jié)果比較看出，本模型的仿真結(jié)果工期(與實(shí)際偏差3.95%,)比傳統(tǒng)仿真(與實(shí)際偏差7.90%,)更符合實(shí)際，碾壓機(jī)械數(shù)量和設(shè)備利用率更加合理．此外，通過對(duì)不同倉面厚度的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，施工仿真進(jìn)度的差異達(dá)4.9%,，可對(duì)施工進(jìn)度造成不可忽略的影響．因此，本文提出的施工仿真模型能夠更加真實(shí)反映現(xiàn)場實(shí)際施工情況，為現(xiàn)場施工進(jìn)度分析、工程決策和施工管理提供了技術(shù)支持．

［1］ 牛景太. 高碾壓混凝土壩層間應(yīng)力研究[D]. 烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

Niu Jingtai. Study on the Stress of RCC Gravity Dam with Layered Structure[D]. Urumchi：Xinjiang Agricultural University，2006(in Chinese).

［2］ Halpin D W. CYCLONE：Method for modeling of job site processes[J].，1977，103(3)：489-499.

［3］ Paulson B C Jr. Interactive graphics for simulating construction operations[J].，1978，104(1)：69-76.

［4］ Chang D Y. RESQUE：A resource based simulation system for construction process planning[D]. Ann Arbor，Michigan：University of Michigan，1986.

［5］ Ioannou Photios G.’[M]. Ann Arbor，Michigan：Department of Civil Engineering，University of Michigan，1989.

［6］ Halpin W.’[M]. West Lafayette，Indian，Division of Construction Engineering and Management，Purdue University，1990.

［7］ Shi J J. Activity-based construction(ABC)modeling and simulation method[J].，1999，125(5)：354-360.

［8］ Kamat V R，Martinez J C. Validating complex construction simulation models using 3D visualization[J].，2003，43(4)：455-467.

［9］ Lu M，Anson M，Tang S L，et al. HKCONSIM：A practical simulation solution to planning concrete plant operations in Hong Kong[J].，2003，129(5)：547-554.

［10］ Lu M. Simplified discrete-event simulation approach for construction simulation[J].，2003，129(5)：537-546.

［11］ Zhong Denghua，Li Jingru，Zhu Huirong，et al. Geographic information system-based visual simulation methodology and its application in concrete dam construction processes[J].，2004，130(5)：742-750.

［12］ Huang T，Kong C W，Guo H L，et al. A virtual prototyping system for simulating construction processes[J].，2007，16(5)：576-585.

［13］ Chung T H，Mohamed Y，Abourizk S. Bayesian updating application into simulation in the North Edmonton Sanitary Trunk Tunnel Project[J].，2006，132(8)：882-894.

［14］ Akhavian R，Behzadan A H. Knowledge-based simulation modeling of construction fleet operations using multimodal-process data mining[J].，2013，139(11)：04013021.

［15］ 鐘登華，胡程順，張?靜. 高土石壩施工計(jì)算機(jī)一體化仿真[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，37(10)：872-877.

Zhong Denghua，Hu Chengshun，Zhang Jing. Computer integration simulation for high rockfill dam construction[J].，2004，37(10)：872-877(in Chinese).

［16］ 鐘登華，趙晨生，張?平. 高心墻堆石壩壩面碾壓施工仿真理論與應(yīng)用[J]. 中國工程科學(xué)，2011，13(12)：28-32.

Zhong Denghua，Zhao Chensheng，Zhang Ping. Theory and application of construction simulation for roller compaction of high core rock-fill dam[J].，2011，13(12)：28-32(in Chinese).

［17］ 鐘登華，張琴婭，杜榮祥，等. 基于CATIA的心墻堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2015，48(12)：1118-1125.

Zhong Denghua，Zhang Qinya，Du Rongxiang，et al. Dynamic construction simulation of core rock-fill dam based on CATIA platform[J].：，2015，48(12)：1118-1125(in Chinese).

［18］ 鐘登華，陳永興，常昊天，等. 瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真建模與可視化分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2013，46(4)：285-290.

Zhong Denghua，Chen Yongxing，Chang Haotian，et al. Construction simulation modeling and visual analysis of rockfill dam with asphalt concrete core[J].：，2013，46(4)：285-290(in Chinese).

［19］ 鐘登華，劉東海，崔?博. 高心墻堆石壩碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用[J]. 中國科學(xué)，2011，41(8)：1027-1034.

Zhong Denghua，Liu Donghai，Cui Bo. Real-time compaction quality monitoring of high core rockfill dam [J].，2011，41(8)：1027-1034(in Chinese).

［20］ 鐘登華，常昊天，劉?寧. 高堆石壩施工過程的仿真與優(yōu)化[J]. 水力學(xué)報(bào)，2013，44(7)：863-872.

Zhong Denghua，Chang Haotian，Liu Ning. Simulation and optimization of high rock-filled dam construction operations[J].，2013，44(7)：863-872(in Chinese).

［21］ 劉?寧，佟大威，崔?博. 基于監(jiān)控與預(yù)測信息的摻礫土心墻堆石壩施工動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2014，26(2)：323-331.

Liu Ning，Tong Dawei，Cui Bo. Study on construction dynamic simulation system for gravelly soil core rock-fill dam based on monitor and forecast information[J].，2014，26(2)：323-331(in Chinese).

［22］ 鐘登華，常?峻，任炳昱，等. 基于實(shí)時(shí)監(jiān)控的高堆石壩施工進(jìn)度影響因素研究[J]. 水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2014，33(3)：239-252.

Zhong Denghua，Chang Jun，Ren Bingyu，et al. Study on influencing factors of construction progress of high rock-fill dam based on real-time monitoring[J].，2014，33(3)：239-252(in Chinese).

［23］ 張念木. 基于實(shí)時(shí)監(jiān)控的面板堆石壩施工工期-質(zhì)量-成本綜合優(yōu)化研究[D]. 天津：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，2014.

Zhang Nianmu. Research on Concrete Facing Rockfill Dam Construction Time-Quality-Cost Comprehensive Optimization Based on Real-Time Monitoring[D]. Tianjin：School of Civil Engineering，Tianjin University，2014(in Chinese).

(責(zé)任編輯：王新英)

Simulation Method of Rockfill Dam Based on Influence of Storehouse Thickness of Digital Monitoring

Du Rongxiang，Zhong Denghua，Guan Tao，Hu Wei，Wang Qianwei

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In traditional construction simulation of rockfill dam，the storehouse construction was simplified as a single and predetermined process．Mechanical allocation was adjusted to reach the desired schedule．But the construction process was influenced by various factors，such as rolling state，spreading elevation and rolling elevation，which is difficult to be simulated by the construction parameters of the design phase．In view of such condition，a simulation method of rockfill dam is proposed in this article based on the parameters of the digital monitoring method．First，the rolling parameters and storehouse thickness based on the digital monitoring model were analyzed，the regularities of distributions were achieved，which served as parameters of the simulation model．Secondly，the relationship between the rolling passes and the rolling thickness was established，based on which the rolling thickness of the storehouse was gained after the simulation．Finally，taking a core rockfill dam under construction in southwest China as a case study，the simulation method of rockfill dam based on the influence of storehouse thickness was built．The result shown that compared with the real process，the progress deviation calculated by the simulation proposed by this article was 3.59%,，which is less than the result of the traditional construction simulation model(7.90%,)．The two methods being compared，the simulation model proposed by this article can reflect the real process more accurately．What's more，regardless of the influence of storehouse thickness，the progress deviation was 4.90%, more than considering the influence of storehouse thickness，which illustrated the importance of storehouse thickness on construction progress．By using the optimization model proposed in this article，technical support for construction progress analysis and construction management can be gained.

core rockfill dam；construction simulation；digital monitoring；rolling parameters；storehouse thickness

10.11784/tdxbz201611056

TV512

A

0493-2137(2018)04-0348-09

2016-11-25；

2017-12-16.

杜榮祥（1990—），男，博士研究生，dorx@163.com.Email：m_bigm@tju.edu.cn

關(guān)?濤，guantao0831@163.com.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51439005，51339003)．

the National Natural Science Foundation of China(No.,51439005 and No.,51339003)．