摘  要：东庄水利枢纽拱坝坝高226m，地质条件较复杂，施工难度较大，对影响坝体快速施工的资源配置、浇筑过程等因素精细研究，建立优化模型是非常必要的。为了提高混凝土高拱坝施工仿真的运用效果，并为该方面的软件开发及工程应用提供有益借鉴，结合东庄混凝土拱坝进行实例分析，对动态仿真与实时控制的合理性进行验证。相关成果可供类似工程混凝土浇筑施工借鉴。

关键词：高拱坝;施工全过程;动态仿真;东庄

陕西省东庄水利枢纽工程位于泾河干流最后一个峡谷段出口以上29km处，是国务院批复的《黄河流域综合规划》、《黄河流域防洪规划》、《渭河流域重点治理规划》、《关中—天水经济区发展规划》中的重要防洪、水沙调控和水源工程，是渭河防洪减淤体系的重要组成部分，是黄河水沙调控体系的重要支流水库，也是黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施以来第一座开工建设的大型节点水库。工程开发任务为：以防洪减淤为主，兼顾供水、发电及改善生态等综合利用。水库总库容32.76亿m3，挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，最大坝高230m，顶拱拱冠梁厚度为12m，底拱拱冠梁厚度为50m。

混凝土高拱坝施工过程是一个从混凝土制备、混凝土运输到混凝土浇筑的过程，施工进度控制是为了保证工期目标的实现而进行的一系列工作的循环过程。施工进度实时控制通常与仿真计算相结合，通过进度仿真计算基于当前施工面貌预测仿真工期和施工强度，分析当前实际施工进度偏差，提出后续施工建议并重新编排施工进度计划。

1 离散系统仿真基本概念

系统是由彼此相互依赖、相互作用的诸多要素构成的，其功能为完成共同的目标服务。系统仿真就是通过构建能够代表其原型系统的相似模型，并在计算机上运行该模型，以达到研究原型系统随时间变化的行为和状态的目的。它是建立在相似理论、控制理论、系统科学、计算机技术基础上的试验性学科。离散事件系统仿真就是通过构建离散事件系统仿真模型，并借助计算机来运行该模型，以达到研究该离散事件系统在不同条件下随时间变化在各离散时间点上，其系统行为和状态的变化情况。离散事件系统仿真作为系统仿真，其具有以下基本要素，即：

（1）实体：一个系统边界内部对象称为实体，如坝体浇筑块、施工机械等。

（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：在仿真进行时，用来跟踪仿真时间当前值，并把时间从一个值推进到下一个值的“机构”或变量。

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。在这类系统的仿真中，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。仿真时钟推进方法有下一事件推进法和固定时间推进法两种。

（1）下一事件推进法：在仿真过程中是利用每一事件的发生与结束来推动时钟前进的，即某一时刻事件开始发生时钟打开，当事件结束时钟关闭，在下一次事件发生前（即时间打开前）系统处于等待状态，而每一次时钟的推进都将使系统的状态发生变化。随着事件的不断发生，时钟的不断推进，整个系统不断改变状态，直至系统运行结束。

（2）固定时间推进法：首先确定仿真时钟每次推进的始终步长t，时钟每次由t推进t到达t+t后就检查是否有事件发生，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+t时刻。这种方法若时钟步长t过大可能会使仿真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。

系统仿真由于可靠性和经济性等特点，被广泛应用于航天航空、军事、工业、工程施工等领域中。同时这些应用也大大促进仿真技术本身的发展，面向对象的仿真采用面向对象的理论和技术，以使人易于理解的形式构造现实系统的仿真模型，有利于提高仿真软件设计的安全性和可靠性。系统仿真与可视化、多媒体技术的结合，使得仿真结果的表达更加直观形象，而虚拟现实技术在仿真中的应用以及仿真智能化研究，使建模与仿真环境发生了质的飞跃。

2 高拱坝施工全过程仿真流程

高拱坝施工全过程动态仿真以一天为仿真步长，首先判断该天是否已到仿真终止时间，是则仿真结束，否则继续判断该天是否可以施工，不施工则不进行坝块选择和浇筑作业，如果施工则产生台班事件，一天被分为2个或3个台班，在每个台班里，扫描所有机械，为空闲的机械设备选择合适的浇筑坝块。选择机械的原则是找最早空闲的机械，为此需要对浇筑机械设置模拟时钟，并按时钟进行排序。选择坝块的原则是对某一台机械在其工作范围内选择最适宜的可浇块进行浇筑。所谓最适宜的可浇块在一般情况下是指某机械范围内满足当前大坝施工一切要求和约束条件的高程最低的坝块。在有特殊施工要求的坝段，亦可考虑安排特殊坝段进行浇筑。在仿真进程中某时刻没有可用机械或有机械但没有可浇块，则仿真时钟继续推进，仿真进入下一个循环，台班浇筑完毕后，统计台班内的混凝土浇筑量等数据。按此步骤反复进行仿真直到仿真结束，最终将所有坝块浇到既定高程。

3 高拱坝施工系统的时钟推进

拱坝施工仿真系统是一个离散事件系统。在离散事件系统仿真中，仿真时钟是一个非常重要的变量，其记录系统各事件发生的时间，是系统行为和状态描述的基础。离散事件系统仿真时钟的推进往往采用下一事件推进法或固定时间推进法，在高拱坝施工仿真系统当中，仿真时钟的推进是以下一事件推进法为主，辅以固定时间推进法。在仿真时钟的推进过程中，事件发生时刻的确定是最为重要且复杂的活动，直接影响到仿真时钟的推进，以及事件的描述问题，在该研究当中，事件发生的时刻、活动持续的时间以及仿真时钟与日历时间的转换等计算问题是研究的重要内容，系统需要准确地描述仿真过程中事件发生的时间以及事件活动持续的时间等，是个复杂的动态系统仿真问题。为了能够更好地适应该仿真研究的要求，需要对该仿真时钟的推进问题进行系统地解析。高拱坝施工系统的作业时间分为有效工作时间、辅助作业时间及无效工作时间。高拱坝施工仿真时钟的推进过程，其具体步骤如下图所示。首先在参数初始化阶段建立长系列的仿真时钟轴线，以天为时间段，以秒为单位，仿真时钟将在此轴线上按事件法进行推进，其每个循环推进步骤为：

（1）扫描空闲浇筑机械，以时钟最小者为优先选择对象；

（2）在机械控制范围内选择满足条件的坝块；

（3）判断能否找到满足条件的浇筑块，找不到则该机械强行间歇，返回（1）；

（4）根据坝块大小及空间位置，判断是否需要多台机械同时作业，如果需要，则进行合作浇筑机械的选择活动；

5 结语

随着设计要求的不断提高及计算机软件硬件技术的不断发展，数字化、可视化、智能化成为未来施工组织设计发展的一个重要方向。高拱坝施工全过程动态仿真通过描述高拱坝施工过程中复杂的施工逻辑关系，并采用定量分析方法来优化设计方案，为工程设计、管理与决策提供了科学有效的分析手段，高拱坝施工全过程动态仿真与面向对象技术、人工智能以及虚拟现实技术相结合，并应用于施工现场，必将带来更大的经济效益和社会效益，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]水电  2006  国际研讨会 钟登华 天津大学 高拱坝施工全过程动态仿真研究。