（水利工程专业论文）糯扎渡水电站心墙堆石坝土石方调运及坝体填筑进度分析.pdf

中文摘要 高堆石坝的施工规划重点是进行河道水流控制、施工程序、坝料供应、上坝方式及 布置和坝面作业( 施工工艺) 等分析研究。近年来，随着施工仿真技术在水电工程建设 中的推广应用，对高堆石坝建设过程中的料物调配、坝体填筑施工分区优化、坝面作业 等参数进行施工过程的仿真研究，为论证坝体施工工期的可行性、优化资源配置提供了 系统、科学依据。 本文结合糯扎渡水电站对高堆石坝施工规划的重点研究内容( 料源开采、施工道路 布置、坝体施工分区及施工顺序、坝面作业规划、施工道路运输能力和料物调配等) 进 行较为全面细致的分析，采用基于粒子群和蚂蚁算法，建立了大坝填筑土石方调运优化 系统模型，模型包括约束条件( 建筑物开挖量、采料场可开采量、渣场存取容量及平衡 条件、道路运输条件、施工进度要求、坝面作业强度约束、上坝口运输强度约束、实际 填筑中断面形式特点以及防洪渡汛及进度计划要求的高程约束) 和目标函数( 在满足各 种约束条件的情况下，以各期填筑强度的均衡度最好作为优化目标) 两部分，通过计算 分析和优化，确定合理的大坝填筑土石方调运方案，论证坝体施工工期的可行性。 关键词：糯扎渡高心墙堆石坝粒子群和蚂蚁算法土石方调运优化系统 a b s t r a c t e m p h a s i so nc o n s t r u c t i o np l a n n i n go fh i g hr o c k f i l ld a ml i e si nr e s e a r c ha n da n a l y s i so f r i v e rf l o wc o n t r o l ，c o n s t r u c t i o np r o g r a m ，m a t e r i a ls u p p l y , t r a n s p o r t a t i o nm o d ea n dl a y o u tt o d a m ，d a ma r e aw o r k ，e t c i nr e c e n taf e wy e a r s ，w i t hs t i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw i d e l ya p p l i e dt o h y d r o p o w e rs t a t i o nc o n s t r u c t i o n ，s t i m u l a t i o ns t u d y o na l l o c a t i o no fm a t e r i a l s ，z o n a l o p t i m i z a t i o no fd a mf i l l i n gc o n s t r u c t i o na n dd a mf a c ew o r ks u p p l ys c i e n t i f i cb a s i sf o rd a m c o n s t r u c t i o np e r i o df e a s i b i l i t ya n do p t i m i z a t i o no fr e s o u r c ec o n f i g u r a t i o n b a s e do nt h ec a s eo fh i g hc l a yc o r er o c kf i l ld a mf o rn u o z h a d uh y d r o p o w e rs t a t i o n ， i m p o r t a n tp a r to fc o n s t r u c t i o np l a n n i n go nh i g hr o c kf i ud a m i ss t u d i e di nt h i sp a p e r r e s e a r c h e m p h a s i so nd a mc o n s t r u c t i o np l a n n i n gi sc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f ，m a t e r i a le x p l o i t a t i o n ， c o n s t r u c t i o nr o a dl a y o u t ，d a mc o n s t r u c t i o np a r t i t i o na n dc o n s t r u c t i o ns e q u e n c e ，a r r a n g e m e n t s f o rc o n s t r u c t i o nw o r k i n ga r e a ，t r a n s p o r t a t i o nc a p a c i t yo fc o n s t r u c t i o nr o a d ，a l l o c a t i o no f m a t e r i a l s ，e t c b a s e do np a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o na n da n ta l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n ， o p t i m i z a t i o ns y s t e mm o d e lo fe a r t h r o c kt r a n s p o r t a t i o nc a l lb u i l t t h i sm o d e lc o n s i s t so f c o n s t r a i n tc o n d i t i o na n do b je c tf u n c t i o n ；i na d d i t i o n ，c o n s t r a i n tc o n d i t i o nc o n s i s t so fb u i l d i n g e x c a v a t i o nv o l u m e ，w o r k a b l er e s e r v e so fq u a r r ya r e a , a c c e s sc a p a b i l i t ya n de q u i l i b r i u m c o n d i t i o no fs t o c k p i l ea r e a ，r o a dt r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o n ，c o n s t r u c t i o ns c h e d u l i n g r e q u i r e m e n t s ，d a ma r e aw o r ki n t e n s i t y , t r a n s p o r t a t i o nt od a m ，f i l l i n gs e c t i o nf e a t u r ea n df l o o d c o n t r o la l t i t u d e ；e q u i l i b r i u md e g r e eo ff i l l i n gi n t e n s i t yo na l ls t a g e sh a db e t t e rs e r v ea so b j e c t f u n c t i o nu n d e ra l lc o n s t r a i n te o n d i t i o n s w ec a nn o td e t e r m i n er e a s o n a b l ee a r t h - r o c k t r a n s p o r t a t i o ns c h e m eo fd a mf i l l i n gb u td e m o n s t r a t ef e a s i b i l i t yo fd a m c o n s t r u c t i o np e r i o d t h r o u g hc a l c u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：n u o z h a d u ；h i g hc l a yc o r er o c kf i l ld a m ；p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na n d a n ta l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n ；o p t i m i z a t i o ns y s t e mo fe a r t h r o c kt r a n s p o r t a t i o n 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 了文中特别加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 不包含为获得墨洼态鲎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了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：娥 签字日期：乙一歹 年。扩月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权盈 垃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、汇编以供查阅和借阅。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：籼 导师签名： 夕专云 签字日期：函弦1 ) 年口f 月9 日签字日期：州年d 驴月，。日 第一章绪论 1 1问题的提出 第一章绪论 1 1 1 堆石坝的发展 堆石坝是上世纪6 0 年代后期在国际上重新兴起的新坝型，以石渣、卵石、 爆破石料为主要材料堆筑的坝体，其安全性、经济性、适应性好的特点，受到工 程界的普遍重视，是当前水利水电工程中推广的三大新型坝型之一，在水利工程 中占有重要地位。 自本世纪5 0 年代以来，随着振动碾压等施工技术的发展，能用碾压甚至薄 层碾压堆石代替原来的高抛填筑，堆石密实度增加、稳定性提高、沉降减少，石 料的选用范围大为放宽，风化石料照样可以修筑高坝等许多优点已为坝工建设界 所公认。因此，碾压式堆石坝得到了迅速发展，目前己成为坝工建设中的一种重 要坝型，建设的数量和高度在许多坝工发达国家中己超过混凝土坝。已建的天生 桥一级面板堆石坝，坝高1 7 8 m ，水布桠面板堆石坝高达2 3 3 m ，小浪底心墙堆石 坝坝高也在1 5 0 m 以上。近年来拟建或在建中的糯扎渡水电站、瀑布沟水电站、 三板溪水电站、苗家坝水电站等都将坝高在1 8 0 m 2 6 5 m 的超高超大型心墙或面 板堆石坝作为推荐坝型1 1 ，以及规划中高3 0 5 m 的古水水电站心墙堆石坝和高约 3 4 0 m 的其宗水电站心墙堆石坝，代表着高堆石坝的发展趋势。 1 1 2 高堆石坝施工规划的重点 高堆石坝施工规划的重点是在河道水流控制、坝料供应规划、上坝方式和上 坝道路布置规划、坝面作业( 施工工艺) 规划等方面进行细致的研究。近年来， 随着施工仿真技术在水电工程建设中的推广应用，对高堆石坝建设过程中的料物 调配、坝体填筑施工分区优化、坝面作业等参数进行研究，为论证坝体施工工期 的可行性、优化资源配置提供了系统、科学的依据。 ( 1 ) 河道水流控制 高心墙堆石坝的初期导流基本上都采用土石围堰一次断流、导流隧洞全年导 流方式，混凝土面板堆石坝的初期导流需要进行坝面过水度汛的方案比较，中、 后期主要采用未完建坝体临时断面挡水度汛、导流隧洞和泄洪洞联合泄流的导流 方式。对于当地材料坝来说，其中、后期导流标准较高，施工导流标准的选择一 般以标准、规范为基础，结合工程类比，经技术经济比较确定，对于大型和巨型 工程采用风险分析方法进行导流标准的分析论证，中、后期泄流建筑物的选择和 布置是施工导流设计的重点和难点。 第一章绪论 ( 2 ) 坝料供应规划 从料场开采及加工运输、枢纽永久建筑物开挖料物利用、渣场堆存和取用、 坝体分期分区填筑及土石方调运规划，是高堆石坝施工规划的基础。需建立土石 方调运模型，以总体运输和堆存费用最小为目标。选择运输路径，描述料场、渣 场和上坝需求等方面宏观层次上的动态变化，科学设计土石方流向和土石方调运 方案。 ( 3 ) 上坝方式和上坝道路布置规划 运用计算机仿真技术建立场内交通运输模拟系统，在系统中对车辆排队规 则、岔口通行、车辆问距控制、速度选取等进行详细分析，保证了建立模型的真 实性；最终可向用户提供整个施工期间各条道路的通行利用情况，在各个时段每 条道路的通行利用情况，各个岔口的汽车排队等待情况，上坝口运输流量，各运 输、建筑物开挖、大坝填筑机械的初始配备情况以及土石流运输情况的平面动画 实时演示等；根据计算结果从道路通行量、岔口排队信息等方面论证土石流规划 的可行性，并对其中可能存在的问题提出解决办法。土石坝施工运输系统属于随 机排队服务系统，对这类系统而言，一般建立排队仿真网络模型( q g e r t ) 。 ( 4 ) 坝面作业( 施工工艺) 规划 土石坝填筑作业工序繁多，各工序采用的施工机械种类各异，通常根据作业 面的大小选用分段流水作业方式或顺序作业方式，以减少各工序之间的干扰。心 墙区包含土料( 掺砾土料) 、反滤料、细石料和附带坝壳料等多种材料，不同填 筑材料有不同的铺填厚度和施工工艺，且相邻的料物之间必须按照一定的顺序进 行填筑。施工机械的型号选择、主要机械的使用量和布置，也涉及到坝面作业的 强度大小。因此，应该根据各期填筑面的尺寸大小、各种材料的填筑工艺、填筑 顺序、机械等计算各期的能够达到的填筑强度( 以下简称可达强度) ，拟定坝体 各期规划强度。 1 1 3 问题的提出 项目可研阶段的工程施工总工期为1 1 5 年( 1 3 8 个月) ，其中准备工程工期约 3 年( 3 4 个月) ，主体工程工期约5 5 年( 6 9 个月) ，完建工期约3 年( 3 5 个月) ；第 一台机组发电工期约8 5 年( 1 0 3 个月) 。工程筹建期为3 年；2 0 0 4 年1 月糯扎渡 水电站开始筹建工作后，将筹建期由可研阶段3 年调整为2 年。在导流洞开工前 云南华能澜沧江水电有限公司将工程建设计划调整为2 0 0 6 年1 月导流洞主洞开 工、2 0 0 7 年1 1 月工程截流，即工程准备期由可研阶段3 年调整为2 年 2 1 。 2 0 0 6 年3 月云南华能澜沧江水电有限公司要求昆明院研究主体工程施工期 提前一年的可行性，开展2 0 1 2 年首批机组投产发电方案的研究工作。即“工程 2 第一章绪论 建设计划为2 0 0 6 年1 月导流洞主洞开工、2 0 0 7 年1 1 月工程截流、2 0 1 2 年7 月 首台( 批) 机组投产发电，2 0 1 5 年6 月工程全部结束。施工总工期为1 1 4 个月 ( 9 5 年) ，其中施工准备期2 2 个月，主体工程施工期5 7 个月，工程完建期3 5 个月”施工总进度计划的可行性【z j 。 1 1 4 土石方调运的重要性 土石方调运问题是指堆石坝施工过程中，在道路布置和运输强度约束条件 下，在协调填筑、开挖各项施工进度的前提下，进行开挖、填筑、中转、弃渣、 料场开采等各种土石方调配活动的综合平衡，以期提高开挖料的直接利用，减少 开采、弃渣、转运等几个环节的工作量，降低生产成本，加快施工进度，缩短工 期，实现堆石坝快速经济施工的目的。该问题是堆石坝施工中关系全局的核心问 题，牵涉到施工装备的配置、道路系统的布置、施工场地的征用、施工进度的协 调等诸多方面。 土石方调运与运输道路布置和工程施工进度计划密切相关、相互制约。施工 进度计划决定着土石方调运的调运方向、调运方量和调运时间，施工道路布置情 况决定着土石方调运的可选择路线方案，同时土石方调运也反作用于运输道路布 置和施工进度计划。水电工程多处于高山峡谷地区，运输道路布置困难、修筑费 用高，并且随着施工机械化水平的提高，对施工道路布置提出了更高的要求。据 国内工程资料分析，堆石坝的料物运输费用约占大坝填筑工程费用的6 0 ，物料 的供应是控制施工进度的关键。因此，做好料物调运工作，对于优化道路布置， 保证工程的施工进度，降低工程建设费用等都有着重要的意义。 土石方调配平衡问题是堆石坝施工的核心问题，牵涉到工程的总体布置、施 工装备的配置、道路系统的布置及道路标准选择、施工场地的征用、施工进度的 协调等诸多方面，直接影响工程施工进度、投资和质量三大目标的实现。成功解 决土石方调配平衡问题对于堆石坝这一坝型的推广运用也具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 - 1 国内外高堆石坝建设概况 国外已建高堆石坝为原苏联于上世纪九十年代建成的罗贡水电站心墙堆石 坝( 高3 3 5 m ) 、努列克水电站心墙堆石坝( 高3 0 0 m ) 和哥斯达黎加的博鲁卡心 墙堆石坝( b o r u c a ，高2 6 7 m ) 。近十年来，除亚洲和非洲外，国外的高坝建设没 有明显的发展和提高。 在国内，随着大型高效施工机械的应用、施工技术的进步和水电工程建设水 平的提高，高强度坝料运输和填筑施工问题得以解决，高堆石坝建设取得了长足 第一章绪论 发展。特别是在交通运输不便、经济不发达地区，如金沙江、澜沧江、怒江、雅 砻江、大渡河和黄河上游以及西藏的雅鲁藏布江等地区，地形、地质条件复杂、 洪水流量大，施工条件复杂。混凝土坝方案存在外来物资运输量大、造价高的缺 点，特别是坝高在2 0 0 m 以上时，当缺乏布置混凝土拱坝的条件而采用混凝土重 力坝时，随坝体高度增加混凝土量显著增大，经济指标较当地材料坝差，因此都 倾向于采用当地材料坝。 我国从1 9 8 5 年开始用现代技术修建混凝土面板堆石坝，已有2 0 年的实践经 验。通过引进、消化、吸收、再创新，已在我国水利水电工程中得到广泛应用。 至2 0 0 4 年底已建和在建的混凝土面板堆石坝共1 5 0 座以上，其中坝高超过1 0 0 m 的有3 7 座，其中已建成的天生桥一级( 1 7 8 m ) 、洪家渡( 1 7 9 5 m ) 、三板溪( 1 8 5 5 m ) 和水布垭( 2 3 3 m ) ，均为世界高面板堆石坝。我国在水电建设实践中注重研发， 筑坝技术有所创新和发展，在已建高面板堆石坝的经验基础上，目前基本具备向 2 5 0 m - - , 3 0 0 m 面板堆石坝发展的技术储备条件，开展相关的科研工作【n j 。但尚未 掌握3 0 0 m 级高面板堆石坝的工程特性、关键技术和运行特点，缺乏工程实践和 经验，距应用建设还有相当一段距离。 粘土心墙堆石坝方案的建设历史悠久，又具有成熟的建设经验。从上世纪 7 0 年代建成的鲁布革心墙堆石坝( 高1 0 3 8 m ，坝体填筑量约2 1 5 1 0 4 m 3 ) i 到 2 0 0 0 年建成的小浪底斜心墙堆石坝( 高1 5 4 m ，坝体填筑量约5 1 0 0 1 0 4 m 3 ) ，以 及在建的糯扎渡心墙堆石坝( 高2 6 1 5 m ，坝体填筑量约3 4 0 0 x1 0 4 m 3 ) ，以及规 划中的古水水电站心墙堆石坝( 高3 0 5 m ) 和其宗水电站心墙堆石坝( 高约3 4 0 m ) ， 代表着高堆石坝的发展趋势。粘土心墙堆石坝方案同时又具有体积大、占用耕地 多、对环境和水土保持易造成不利影响等缺点，有的工程在近坝区甚至没有可用 的防渗土料，对粘土心墙堆石坝的发展产生一定的制约作用。 1 2 2 传统的规划方法及存在的问题 以往料物调运的研究成果中，对于料场选择和优化布置问题做了较多研究， 而很少涉及料场供料规划的问题。解决料物调运问题主要有传统的定性分析方法 和系统工程的规划方法。随着计算机技术的发展，近来计算机模拟技术在料物调 运问题中得到了迅速发展。 在研究堆石坝土石方调运问题时，常规的方法是定性的分析方法，选择的原 则是：直接上坝率最高、中转率最低、周转率适中。一些单纯考虑堆石坝料物调 配的成果，通过定性分析场地规划与料性匹配，建立料物调配的数学模型( 匹配 矩阵等1 ，在此基础上结合开挖、填筑进度，利用料物平衡的优化原则进行物料 上坝次序的选择，把握料物调配系统的详细特征，在一定程度上达到系统优化的 目的。 4 第一章绪论 定性分析方法只能凭借经验作粗线条的规划和调配，无法对料物调运规划的 成果进行比较优选，并且存在一些考虑不周而影响工程进度计划和投资的现象。 目前有一些成果试图利用系统的观点和优化决策方法分析土石方调运系统 组成、各要素之问的相互关系和系统目标，采用经济指标建立了系统的线性优化 模型，通过解大规模线形规划求解。这种模型考虑了土石方平衡约束、中转场和 弃渣场约束等施工约束条件，在一定程度上实现了优化调配，土石方调配的成果 理论上较优。 仅就目前数学规划的优化方法来说，数学模型很少考虑堆石坝施工动态过程 中各料场上坝道路变化情况，也没有考虑运输强度的约束和均衡利用运输机械等 各方面限制。堆石坝物料调运系统具有自身特点，堆石坝一般采用运输车辆直接 上坝，在两岸根据坝体分期要求等布置多层上坝道路和交通洞，此外在坝体下游 布置“之”字型上坝道路。随着坝体高度的上升，引起主要上坝道路的变化，对 不同料场运输路线选择和料物运距等都有很大的影响。采用定量的方法，把料场 供料道路的变化反映为运距的改变，定量的计算由于二次倒运造成的往返运距和 装卸车费用，对于实现料物调运的理论优化和综合评价料物调运的成果等都有重 要的意义。 1 2 3 计算机模拟方法及存在的问题 堆石坝料物调运优化为我们提供了施工期内上石流向、数量和时间，理论上 照此执行不仅技术上合理并且理论上最优。但实际上由于各方面的原因，在实际 施工过程中和我们进行土石坝施工模拟时就会发现，土石方优化调运的结果在技 术上存在一些微观上的不可行之处。在进行优化调度时存在下列一些问题： ( 1 ) 数学规划模型的复杂度。虽然今天计算机的飞速发展，计算机的存储 量及计算速度己相当惊人，复杂目标函数和大量非线性约束的数学规划问题也有 计算程序和比较成熟的计算软件。但即使在今天，如果时段划分的过多也可能会 导致计算机无法求解的情况，并且数学模型过于复杂必然会导致初始资料需求的 增多，降低模型的使用范围。数学模型复杂到一定程度，将很难保证模型的真实 性 ( 2 ) 数学规划不能解决所有问题。运输系统是一个动态的、随机的复杂过 程，车辆在运输过程中存在着很多随机因素，如：在料场、卸料点的装卸车时间 和排队等待时间、在道路上的行车时速和在岔口的错车等待时间等。由于上述随 机性，运输车辆在供料场和卸料场会出现排队等待的情况。水电工程场内道路布 置受地形条件影响大，道路布置密集、道路交叉点多。岔口处同时有多个方向的 车辆通过时，就会发生并发和冲突，并且在一些地段会形成运输“瓶颈问题”， “瓶颈问题”是影响运输系统顺利运行的关键。传统的解析方法只能计算平均的 第一章绪论 性能指标，可以说是一种确定性的分析方法，不能很好的解决运输问题。 ( 3 ) 在土石方调运时，不要一味地、片面地追求最优化，而应考虑施工组 织设计及其实施的方便。譬如，数学规划调运所获得结果中有：某时段从某料场 在半年时间调运石方0 5 万方，虽然这一结果最优，但调运0 5 万方与施工组织 管理造成的麻烦相比是很不合算的。类似问题需要在建立数学模型和模型优化结 果验证时多加考虑。 随着计算机模拟技术在大坝施工模拟中的广泛应用，近来计算机模拟技术在 物料调运系统的模拟取得了一系列的成果。一些成果借助循环网络技术提出了应 用系统工程中关于排队论和计算机模拟技术来研究分析施工运输系统的方法。认 为施工运输系统是一个一系列特定运输环节所构成的一个循环过程，这个过程循 环往复，每一次都是前一次的重复。在这里把运输车辆看成是运输系统中流动实 体，也就是“顾客”，他经过的各运输环节是按照不同服务规则和机制对“顾客” 进行服务的服务机构。如此假定将运输系统抽象为一个有限源( 车辆的数量是有 限的) 多级服务系统；有一些改进的成果提出用动态随机循环网络模拟方法对堆 石坝施工运输系统进行模拟。这种方法是在普通随机循环网络方法的基础上，通 过在构造模型的节点中增设函数功能，用来描述工作面、资源、工作历时等施工 参数随施工进度的变化；在控制节点中可根据函数值对局部网络的运行状态进行 控制，这些改进使得构造的模型能够更好地描述实际工程施工的动态变化情况。 目前的一些研究成果用排队论和循环网络技术模拟了施工过程中料物调运 的主要环节。这些成果为特定工程提供了有参考价值的参数，是施工组织设计的 重要依据。但现有的成果由于缺乏标准的建模方法，难以精确描述运输系统的动 态过程，并且建立的模型通用性较差，对于不同的工程都要花费大量的时间构造 模型。正是建模的复杂性和大量的时间要求，制约了模拟技术作为有效设计支持 工具的应用，目前只有大型水电工程用模拟方法对场内运输问题进行验证。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题依托糯扎渡水电站施工总工期论证专题报告的编制，论证主体工 程的关键项目( 上游围堰及大坝工程) 施工期为5 7 个月( 围堰及坝体填筑施工 工期为5 3 个月) 的施工进度实现的可能性。 对糯扎渡水电站粘土心墙堆石坝的施工进度分析论证思路如下： ( 1 ) 在原施工规划的基础上，进一步分析论证坝面施工强度、上坝运输能 力、存渣场回采上坝强度、石料场开采强度、防渗土料供应能力，确保各料区的 料物开采、加工运输和坝面作业施工的强度。 ( 2 ) 建立基于蚂蚁和粒子群优化算法的土石方调运优化系统，利用智能优 6 第一章绪论 化算法，优化各施工参数，并对坝体填筑施工强度进行分析论证。 ( 3 ) 采用概率型网络模型进行糯扎渡粘土心墙堆石坝施工工期实现可能性 进行分析和工期风险评价。 堆石坝的士石方调配过程是一项复杂的系统工程，既需要借助于专家及工程 技术人员的知识和经验，将数学模型和知识模型很好的结合起来，也需要运用计 算机仿真技术对土石方调配的交通运输过程进行模拟验证，从而才能设计出安全 可靠、经济合理、易于生产组织与管理的土石方调配方案。针对糯扎渡工程施工 土石方规划、场内交通运输、溢洪道开挖和大坝填筑等进行仿真系统研究，为了 保证计算成果的可靠性，对各系统进行了细致的分析，在系统分析的基础上，建 立理论模型，进行了多方案的计算和比较，并对最终计算和方案比较的结果进行 了总结分析。 针对目前本课题研究存在的一些问题，本文基于蚂蚁和粒子群优化算法，提 出了一种土石方调运优化方法和框架。该方法与线性规划方法相比，具有可以考 虑实际工程中非线性约束、便于随机模糊分析等优点。通过在糯扎渡工程土石方 调运中应用的以及与线性规划方法结果比较表明，本文提出的方法是可行的。随 着施工仿真技术在水电工程建设中的推广应用，对高堆石坝建设过程中的料物调 配、坝体填筑施工分区优化、坝面作业等参数进行研究，论证坝体施工工期的可 行性，为优化资源配置提供系统、科学依据。 7 第二章糯扎渡心墙堆石坝施工概况 2 1 工程概况 第二章糯扎渡心墙堆石坝施工概况 2 1 1 地理位置及对外交通 糯扎渡水电站位于云南省思茅市和澜沧县交界处的澜沧江下游干流上，是澜 沧江中下游河段八个梯级规划的第五级。电站距上游大朝山水电站河道距离 2 1 5 k m ，距下游景洪水电站河道距离1 0 2 k m 。现有思( 茅) 澜( 沧) 公路通过 坝址左岸，坝址距思茅市9 8 k m ，距澜沧县7 6 k m 。 2 1 2 枢纽布置 糯扎渡水电站工程属大( 1 ) 型一等工程，永久性主要水工建筑物为一级建 筑物。工程以发电为主兼有防洪、灌溉、养殖和旅游等综合利用效益，水库具有 多年调节性能。该工程由心墙堆石坝、左岸溢洪道、左岸泄洪隧洞、右岸泄洪隧 洞、左岸地下式引水发电系统及导流工程等建筑物组成。水库库容为2 3 7 0 3 1 0 8 m 3 ，电站装机容量5 8 5 0 m w ( 9x6 5 0 m w ) 。 心墙堆石坝坝顶长6 3 0 0 6 m ，坝顶宽1 8 m ，坝顶高程为8 2 1 5 m ，最大坝高为 2 6 1 5 m 。上游坝坡坡度为1 ：1 9 ，下游坝坡坡度为1 ：1 8 。上游堆石坝壳6 1 5 0 m 7 5 0 0 m 高程靠心墙侧内部区域设置为堆石料i i 区，其外部为堆石料i 区；下游 堆石坝壳6 3 1 0 m 一7 6 0 0 m 高程范围靠心墙侧内部区域设置为堆石料i i 区，其外部 为水平宽度2 2 6 m 的堆石料i 区；心墙分为两个区，以7 2 0 m 高程为界，以下采 用掺砾料，以上则采用不掺砾的混合土料。 2 1 3 水文气象 澜沧江发源于我国青海省境内，流经西藏自治区、云南省，从南阿河口出境 后流经老挝、泰国、柬埔寨、越南等国，最后流入太平洋，全长4 5 0 0 k m ，流域 面积7 9 5 0 0 k m 2 。径流以降水补给为主，融雪补给只占少量。径流内洪水主要由 暴雨形成，最大洪水一般出现在7 月8 月，洪水过程线以多峰型为主，其特点 是峰高量大，历时较长。坝址段多年平均流量为1 7 4 0 m 3 s ，多年最大流量为 1 3 9 0 0 m 3 s ，多年最小流量为3 8 8 m 3 s 。 枢纽施工区属亚热带气候，旱雨季分明。多年平均气温2 1 7 ，极端最高气 温4 0 7 ，极端最低气温1 0 。c ；多年平均降水量1 0 4 7 6 m m ；多年平均蒸发量 1 4 3 2 9 m m ；多年平均风速1 5 m s ，最大风速2 7 3 m s ；多年平均相对湿度7 6 ； 多年平均日照时数1 9 5 9 9 h ；多年平均水温1 8 8 。c ，极端最高水温2 5 ，极端最 低水温1 2 。 第二章糯扎渡心墙堆石坝施工概况 2 1 4 有效施工天数 根据施工规范要求，结合工程区气象条件分析：坝体堆石料、细石料和反滤 料可全年施工；心墙防渗料按砾质掺合土料及混合土料的施工时段为每年9 月 1 6 日次年5 月3 1 日，每年6 月1b 9 月1 5 日属雨季停工，总停工时间为 3 5 个月。土料场开采和掺砾作业按粘土料填筑确定有效天数，施工时段为每年 1 0 月1 6 日次年5 月1 5 日，每年5 月1 6 日次年1 0 月1 5 日属雨季停工，总 停工时间为5 个月。 2 。1 。5 天然建材 ( 1 ) 石料 白莫箐石料场位于坝址上游右岸，至坝址公路长7 5 k m 。石料场可开采总 面积为1 0 2 k m 2 ，分布高程7 2 5 m - - 9 2 5 m ，地形坡度1 2 。 - - 1 5 。石料场 为角砾岩、花岗岩，岩石呈厚层块状，致密、坚硬，湿抗压强度平均值分别为 1 1 8 6 m p a 和8 5 m p a - 1 0 1 4 m p a ，可采储量约5 5 0 0 1 0 4 m 3 ( 其中角砾岩占3 9 ， 花岗岩占6 1 ) 。 ( 2 ) 土料 本工程的土料场为位于坝址上游1 4 k m 的农场士料场。土料场主采区可采储 量约6 3 0 1 0 4 m 3 ，主采备用料区可采储量约3 0 5 1 0 4 m 3 ，主采区和主采备用料 区总储量约9 3 5 1 0 4 m 3 ，为需要量5 2 8 9 2 1 0 4 m 3 的1 7 7 倍。 2 1 6 施工导流 工程的导流规划为：初期导流采用河床一次断流、土石围堰挡水、l # 、2 # 、 3 撑、4 撑导流隧洞泄流、主体工程全年施工的导流方式。 初期( 2 0 0 8 年6 月- - - 2 0 1 0 年5 月) 导流标准为5 0 年一遇的全年洪水，相应 的流量为1 7 4 0 0 m 3 s ；中期( 2 0 1 0 年6 月- 2 0 1 1 年1 0 月) 导流采用坝体临时断 面挡水，泄水建筑物为初期所设的1 撑、2 群、3 # 、4 撑、5 # 导流隧洞，中期导流标准 为2 0 0 年一遇的全年洪水，相应的流量为2 2 0 0 0 m 3 s ；导流隧洞下闸封堵后，后 期( 2 0 1 2 年6 月2 0 1 2 年1 0 月) 导流为坝体临时断面挡水，利用右岸泄洪隧洞 和溢洪道临时断面泄流，后期导流设计标准为5 0 0 年一遇的全年洪水，相应的流 量为2 5 1 0 0 m 3 s ，校核标准为1 0 0 0 年一遇的全年洪水，相应的流量为2 7 5 0 0 m 3 s 。 2 2 工程进展状况 2 0 0 4 年4 月开始糯扎渡水电站工程筹建工作，目前筹建期主要控制项目思 澜库区淹没改线公路、糯扎渡大桥、左、右岸坝顶公路、火烧寨沟和勘界河排水 9 第二章糯扎渡心墙堆石坝施工概况 洞、左、右岸上游中线公路等已基本按计划全部完成 2 1 。 2 0 0 6 年1 月准备期内的i 标、i i 标工程( 左右岸导流洞、泄洪洞工 程) 已开工，目前正抓紧施工；2 0 0 6 年7 月标( 溢洪道、电站进水口 工程) 完成招标，目前承包商已进场作施工准备；v 标( 引水发电系统 工程) 正进行招标工作，计划2 0 0 7 年1 月开工；标( 大坝、圉堰工程) 正进行招标文件编制，计划2 0 0 7 年3 月进行招标工作【z j 。 2 3 工程施工进度控制 ( 1 ) 工程节点工期控制 根据云南华能澜沧江水电有限公司要求，昆明院编制糯扎渡水电站施工总 工期论证专题报告，糯扎渡水电站按照2 0 0 7 年1 1 月工程截流，2 0 1 2 年7 月首 台( 批) 机组发电，2 0 1 5 年6 月工程全部结束的工期目标，进行进度计划的调 整，对准备期和主体工程施工期的关键项目施工方案和施工强度指标进行综合分 析，论证其工期目标实现的可能性【2 】。 本工程总工期进度计划在可研工期提前一年截流的基础上，主体工程施工期 计划再提前一年，施工总工期为1 1 4 个月( 9 5 年) ，其中施工准备期2 2 个月( 可 研为3 4 个月) ，主体工程施工期5 7 个月( 可研为6 9 个月) ，工程完建期仍为可 研的3 5 个月。 ( 2 ) 关键项目分析 通过对重点对工程准备期、主体工程施工期处于关键线路上的l # 、2 8 、3 8 导 流洞、围堰及大坝、引水发电系统等控制性项目工程的施工进度安排的可行性进 行分析、论证。根据工程项目建筑物规模和特性，通过分析，控制工期的关键项 目是上游围堰和坝体的施- r - t ： j 。 1 0 第三章基于粒子群和蚂蚁算法的土石方调运模犁 第三章基于粒子群和蚂蚁算法的土石方调运模型 3 1 粒子群算法 3 1 1 粒子群算法的特点 粒子群优化( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 算法是由k e 皿e d y 和 e b e r h a r t 于1 9 9 5 年提出的一种优化算法。算法源于对鸟群觅食行为的研究。研 究者发现鸟群在飞行过程中经常会突然改变方向、散开、聚集，其行为不可预测， 但其整体总保持一致性，个体与个体问也保持着最适宜的距离。通过对类似生物 群体行为的研究发现，通过个体与个体、个体与群体间相互作用、相互影响的行 为，群体进化和发展获得了一种较好的导向，这也是p s o 算法形成的基础【5 j 1 6 j 。 p s o 算法和遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 类似，也是一种基于迭代 的优化工具，系统初始化为一组随机解，通过某种方式迭代寻找最优解。但p s o 没有，g a 的“选择”、“交叉”、“变异”算子，编码方式也较g a 简单。由于p s o 算法容易理解、易于实现，所以p s o 算法发展很快。在函数优化、系统控制、 神经网络训练等领域得到广泛应用i ，j 。 3 1 2 粒子群算法的基本原理 可以设想这样一个场景：一群鸟在随机搜索食物，在这个区域里只有一块食 物。所有的鸟都不知道食物在那里。但是他们知道当前的位置离食物还有多远。 那么找到食物的最优策略是什么呢。最简单有效的就是搜寻目前离食物最近的鸟 的周围区域。 与优化问题相对应，在空中飞行的一只觅食的“鸟”，就是p s o 算法中优 化问题的解空间中的一个解。“食物”就是优化问题的最优解。“鸟”与“食物” 之间的距离远近就相当于粒子当前位置与最优位置的差距。粒子的概念是一个理 想的物质，它只有速度和加速度用于本身状态的调整，没有质量和体积。“群” ( s w a r m ) 的概念来自于人工生命。 p s o 算法中每个粒子即解空间中的一个解，它根据自己的飞行经验和同伴 的飞行经验来调整自己的飞行。每个粒子在飞行过程所经历过的最好位置，就是 粒子本身找到的最优解。整个群体所经历过的最好位置，就是整个群体目前找到 的最优解。前者叫做个体极值( p b e s t ) ，后者叫做全局极值( g b e s t ) 。每个粒子都 通过上述两个极值不断更新自己，从而产生新一代群体。实际操作中通过由优化 问题所决定的适应度函数值( f i t n e s s v a l u e ) 来评价粒子的“好坏”程度。显然， 第三章基于粒子群和蚂蚁算法的土石方调运模型 每个粒子的行为就是种追随着当前的最优粒子在解空间中搜索【8 】 9 1 。 假设粒子的群体规模为n ，则第f ( f - l ，2 ，n ) 个粒子的位置可表示为x i ， 它所经历过的“最好”位置记为p b e s t i ，它的速度用v f 表示，群体中“最好” 粒子的位置的索引号用g 表示。粒子i 根据下面公式来更新自己速度和位置： = w 屹+ q r l ( p , d - x , a 夕+ 乞乃屯) ，= + ( 3 1 ) 其中c j 、c 2 为常数，称为学习因子；r a n d0 和r a n d ( ) 是 o ，1 】上的随机 数，w 惯性权重。公式由三部分组成，第一部分是粒子当前速度，说明粒子此 前状态对当前的影响；第二部分是自身性能的延续，是粒子根据自身最优状况对 自身的取舍；第三部分为群体认知，表示群体中最优粒子与该粒子的信息交换。 三个部分共同决定了粒子的空间搜索能力。第一部分起到平衡全局和局部搜索的 能力。第二部分使粒子有了足够强的全局搜索能力，避免局部极小。第三部分体 现了粒子问的信息共享。在这三部的共同作用下粒子才能有效的到达最好位置。 另外，粒子在不断根据速度调整自己的位置时，还要受到最大速度( v m a x ) 的限制。当1 ，超过v m a x 时将被限定为v m a x 。 3 。1 。3 粒子群算法的计算流程 综合以上说明，下面给出基本p s o 算法的算法流程： 初始化粒子群，包括群体规模，每个粒子的位置和速度； 计算每个粒子的适应度值； 对每个粒子，用它的适应度值和个体极值p b e s t 比较，如果较好，则替 换p b e s t ； 对每个粒子，用它的适应度值和全局极值g b e s t 比较，如果较好，则替 换g b e s t ； 根据公式( 3 1 ) 更新粒子的速度和位置； 如满足结束条件( 误差足够好或到达最大循环次数) 退出，否贝, u n n 剑1 0 1 。 3 2 蚂蚁算法 3 2 1 蚂蚁算法的特点 蚂蚁算法( a n ta l g o r i t h m ) 是d o r i g om a c r o 等人通过模拟自然界蚂蚁寻找最优 路径的行为，提出的一种基于种群的启发式仿生进化算法。自然界蚂蚁运动时， 会在路径上遗留下一种被称作信息素的分泌物，其他蚂蚁能感知路径上信息素的 强度并倾向于向信息素强度较高的路径移动。通过信息素的引导，整个蚁群以最 大概率选择或者按照轮盘法选择最优路径并按照某种修正规则更新条路径上的 第三章基于粒子群和蚂蚁算法的土石方调运模型 信息素，从而达到正反馈的效果，使结果不断优化，最终找到最优路径【1 1 】【1 2 1 。 3 - 2 2 蚂蚁算法的基本原理 可通过下图解释蚂蚁算法的基本原理：蚂蚁在a 、b 之间绕过障碍物c d 往返 运动，a 、b 之间有两条可选路径a c b 和a d b ，a d b 比a c b 短。在初始时刻，蚁 群从a 出发，路径a c b 和a d b 上均无信息素存在，每只蚂蚁以相同的概率选择 a c b 和a d b ，如图3 1 ( a ) ；当选择a d b 的蚂蚁到达b 点并开始返回时，选择a c b 的蚂蚁还在从a i j b 的途中，因此b d 上的信息素强度大于b c 上的信息素强度，此 时返回的蚂蚁倾向于选择b d a ，当选择a c b 的蚂蚁到达b 点时，b d 上增加了返 回的蚂蚁留下的信息素，b d 上信息素浓度仍然 = k b c 大，因此这些蚂蚁又将以较 大的概率选择b d a 返回，如图3 i ( b ) ；随着时间的推移，a b d ( d b a ) 上的信息 素越来越大，往返于a d b 的蚂蚁越来越多，最终所有蚂蚁都将选择最短路a d b ( 如图3 1 ( c ) ，从而找到蚁穴和食物之间最佳路径【3 1 。 or 参 膏。t 专 膏 j 擘 摹 p 一静- 。脚幡l _ t 中 零 l j 套戢穴 、一 ( a ) 最初均匀选择 以伸 蕾 毛 【】日簟 jt _精 _ - - _ l 善 c 蚊穴 ( b ) 倾向于最短路 ( c ) 全部选择最短路 图3 1 蚂蚁选择去向示意图 m 图3 2 蚂蚁算法原理示意图 1 3 a l 韧 i 嗥翱0 麓 污、 粕，r 费 第三章基于粒子群和蚂蚁算法的土石方调运模型 3 3 基于粒子群和蚂蚁算法的土石方调运模型 土石方平衡调配的主要工作就是在满足各种约束条件的情况下，确定在不同 施工时期土石方的流向和相应的调运量，以获取最为经济的调运方案。由于约束 条件众多，关系复杂，各维变量取值没有明确的上下界，直接采用p s o 算法十 分困难。结合蚂蚁算法思想，本文提出求解土石方调运问题的算法如下： 步骤1 ：设置算法参数。包括粒子数n p ，粒子运动速度上下限，迭代次数 n c ，惯性权重，学习因子等。 步骤2 ：初始化粒子群。各粒子的维