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摘要：引水隧洞施工过程非常复杂，对其施工方案的优化十分必要。在施工过程中，其通风问题直接关系着施工进度，需要通过采用先进理论进行相关分析，制定科学有效的施工方案。本文综合水电工程、地理信息系统以及计算流体力学的理论知识与先进技术，将三维可视化施工仿真技术与CFD 结合，提出了相关的引水隧洞施工优化方案，使施工方案的可靠性与科学合理性有了一定程度的提升。
关键词：引水隧洞；施工方案优化
引言
我们知道，在引水隧洞的施工过程中，其施工方式与施工进度受到很多条件的限制，比如复杂的地质，有限的施工空间，特别是爆破开挖施工中，过程非常复杂，且有随机性，很难依靠数学模型来进行描述，目前一般情况下是根据传统分析计算，不能形成最优施工方案。尤其需要注意的是，在爆破开挖中，其通风问题直接影响着施工进度，同时与施工安全也有紧密联系，所以我们需要进行系统分析研究各种因素，使施工过程中各个环节紧密配合，优化施工方案，在保证施工进度的基础上，能够实现施工过程的经济性与安全性。
在计算流体力学与计算技术快速发展的今天，基于CFD 技术和三维几何结构模型建立引水隧道工程的通风数值模型，能够动态监测风速、风压、CO 和粉尘在引水隧洞内的变化，通过计算得出施工通风散烟与引水隧洞长度的关系，可以对施工通风散烟时间进行优化，同时，将三维可视化施工仿真技术与CFD 结合，能够科学有效的评估施工方案，降低施工风险，能够起到优化引水隧洞施工方案的作用，对指导施工过程有重要意义。
1 国内外研究现状
在水利水电工程施工中，其地下洞室群的施工条件非常复杂，工序较为繁琐。设计施工方案时，需要综合考虑其进度、强度以及施工期间的运输问题，而计算机仿真技术能够将其施工与先进的计算方式有效结合，有效弥补传统的凭借施工经验与模拟分析来进行参数计算与选择的不足，直接将其进行仿真实验，分析施工参数值，优化施工方案，减轻施工方案设计的计算强度，同时，能够有效提高计算时间，保证计算数值的精准。
从上个世纪70年代起，一些发达国家已经开始将该技术运用至施工工程中，但是，在水利工程方面，特别是对洞室群施工动态可视化仿真还没有得到推广。在我国上个世纪80年代，地下洞室群施工动态可视化仿真飞速发展。今天，计算机仿真在大型水电工程规划、设计和施工管理中已成为不可缺少的技术手段。因为水利水电工程施工过程的可视化仿真技术能够全面提高工程设计质量、效率和水平，最大限度地减少设计失误，减少设计人员的工作量，在一定程度上节约成本与人力资源，缩短产品开发周期，有效提高企业的科技实力和综合竞争力。
2引水隧洞施工过程动态仿真与可视化方法
2.1 动态仿真原理与模型
通常情况下，其动态仿真系统有连续性与离散性两种。连续性系统是指系统随时间的推移呈现连续变化。而离散性系统则是在一定的时间点，有跳跃性，间断的变化。在进行施工过程研究时，离散系统能够满足我们的需要，这里，我们把施工系统作为离散系统开展仿真研究。
首先，我们先来了解一下离散仿真的定义，其使用仿真钟体现模拟时间的运行轨迹。我们在进行可视化仿真方程中设置全程仿真钟与本地仿真钟两种，来记录系统模型的仿真运行轨迹。
我们采用时间步长法推进，如图所示。当检测到有“仿真工序开始”事件发生时，全程仿真钟保留当时的状态，然后将控制权交给仿真工序模型，启动本地仿真钟，设置模型初始状态，以工序准备施工的状态作为初始状态，以开始施工的时刻作为本地仿真钟的零点。从该点开始，向前推进一个时间步长，然后对工序模型中的所有节点进行扫描，检测是否有满足条件的活动发生，同时跟踪各种资源的使用情况，一旦发生活动，立即改变系统的状态，统计各种资源的使用时间或空闲时间，直至工序结束，将控制权返回给全程仿真钟，并将本地仿真钟的信息返回给当前，进行保存，继续推进全程仿真钟，循环往复，直到工程结束。接着对所得的仿真结果进行相关的分析与优化，然后输出施工进度计划、施工强度以及资源利用率等结果。
这里需要我们注意的是要合理选去时间步长，其步长越小，那么仿真状态就越接近实际状态，其结果就更为精确，进行施工过程动态可视化仿真中，需要考虑不同层次的需要，分别设置相应的时间步长，来满足其对仿真时间以及精确度的需要。
（2）仿真模型
针对引水隧洞施工全过程的仿真，有两个层次的模型构成，分别是单元模型和工序模型，其中，单元模型组成其工序模型，而所得的工序模型组成了全过程系统模型。我们知道，施工进度，质量、费用都与工序有着紧密的联系，所以在施工过程中对于工序的管理非常重要。工序模型由单元模型按照逻辑关系以及时序排列组成，在施工过程中，其工序模型的建立能够便于人员操作与认识。
整体系统仿真模型由工序模型、矢线和工序属性组成。建立全过程动态可视化仿真模型类需要确定施工过程中，工序间的逻辑关系，然后利用工序模型与矢线进行描述，这里值得注意的是不能出现违反逻辑的表示和相同的编号。而仿真工序模型是由单元模型（也称节点）、矢线和流水单元构成的。根据施工作业及逻辑关系，用矢量线连接个环节的节点，同时运用控制方法，建立能够表示实际施工过程的工序模型。在建立工序模型时，我们需要确定施工工序的逻辑关系以及各种参数。
2.2可视化原理
在引水隧道施工过程中，利用数字化技术访问系统建立的数字地表模型和建筑物等数字实体模型的图形对象，为系统仿真过程动态地提供空间坐标及空间拓扑关系，同时对于二维图像，能够通过内部标识与空间数据库关联获取屏数字模型中真实的三维坐标。通常我们将其可视化过程分为三个阶段：
（1）数据操纵，来进行原始数据的过滤，满足可视化操作，（2）可视化映射能够将数据转化为抽象的可视化对象，（3）绘制，井仿真效果进行可视化的描述。 根据设计方案的需要，建立相应的施工模型，同时进行仿真模拟，将所得数据与模型结合，形成动态的效果。通过仿真成果的的评估分析、反馈，达到优化施工方案的效果。其具体流程如图所示。
首先，建立引水隧洞的三维模型，然后我们利用进度仿真子系统获取施工信息，建立数据库，并实现共享，将整个施工过程存储于图形数据库中动态展示，有助于掌握施工工序间关系，并进行及时的反馈设计，有效改进施工进度合理性。
2.3仿真系统总体结构
引水隧洞施工系统可视化仿真系统是集成Visual C++、VR-Platform 开发而成的。其实现了施工过程的三维可视化。系统主要包括仿真建模、仿真模型生成、仿真计算分析资源均衡优化、静态成果输出和施工过程三维动态可视化分析等模块。仿真建模模块数据库以及模型库。其中仿真真数据库分为施工参数数据库、网络参数数据库以及仿真参数数据库。我们需要注意的是，面向对象的仿真建模直接影响施工进度仿真的结果，其仿真数据库中参数也与仿真结果有着紧密的联系。
3实例说明
3.1施工全过程动态可视化仿真模型
我们这里以某水电站的引水工程施工为例，根据各工序的关联性，开展分析研究工作，对其原有仿真进行一定改进，提高其施工进度的合理性与有效性。
3.2全过程动态可视化仿真成果
通过某水电站引水隧洞工程动态可视化计算，得出其施工工期、施工进度、以及施工强度并利用动态演示系统呈现施工过程。
施工进度计划与关键路线：
我们需要正确选择相应的机械参数，同时，利用分析软件，将施工的通风时间与施工长度的关系式进行分析该引水隧洞，得出900米 引水隧洞循环施工410 次，总工期为184 天。需要 注意的是不同段的循环时间随施工进度有一定的不同。仿真分析得出从明挖区到2#施工支洞1800米引水隧洞双头掘进需要，184 天，工期约为7 个月。
2. 施工强度
引水工程施工洞挖强度值为0.557 万m3/月，需要7 个月时间，从明挖区到2#施工支洞总开挖量是4.099 万m3。
3. 施工面貌
3.3 施工方案优化分析
进行施工过程的通风问题的分析，根据施工设计手册中风量计算公式所得适宜风量、风压的方案为施工通风第一方案。但是需要考虑到施工过程中可能遇到的其他情况造成风量不足，需要制定第二方案，来满足900米最长引水隧洞内施工最小风速要求，这里我们假定第二套方案风量为适宜风量的五分之四。4 结论
综上所述，我们看到在引水隧洞工程施工过程中，传统的施工方案设计已经不能满足实际需要，全过程动态仿真系统将水电工程、系统工程、计算机、地下通风工程和以及计算流体力学很好地融合，探讨了引水隧洞方案优化技术，同时以某水电站引水隧洞工程为实例建立引水隧洞施工系统仿真模型，进行引水隧洞施工仿真与优化，对于提高方案的可靠性与合理性有一定的帮助。在计算机可视化技术不断发展的今天，水利水电工程的可视化设计是发展的必然趋势，我们应进一步探讨研究可视化环境的引水隧洞施工的三维交互分析平台，不断创新，适应生产需要。
参考文献：
[1] 水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册（第二卷）[M].北京：水利电力出版社.1990.
[2] 钟登华，郑家祥，刘东海等.可视化仿真技术及其应用[M].北京：中国水利水电出版社.2002
[3]钟登华.隧洞循环施工过程模拟研究[D].天津大学硕士学位论文，1987.
[4]钟登华.循环随机网络在隧洞施工中的应用[J].土木工程学报， 1994，27（4）：70～74.
[5]钟登华，张伟波，郑家祥.大型地下洞室群施工系统仿真[J].水利学报，2001，（9）：86～91.
关键词：引水隧洞；施工方案优化
引言
我们知道，在引水隧洞的施工过程中，其施工方式与施工进度受到很多条件的限制，比如复杂的地质，有限的施工空间，特别是爆破开挖施工中，过程非常复杂，且有随机性，很难依靠数学模型来进行描述，目前一般情况下是根据传统分析计算，不能形成最优施工方案。尤其需要注意的是，在爆破开挖中，其通风问题直接影响着施工进度，同时与施工安全也有紧密联系，所以我们需要进行系统分析研究各种因素，使施工过程中各个环节紧密配合，优化施工方案，在保证施工进度的基础上，能够实现施工过程的经济性与安全性。
在计算流体力学与计算技术快速发展的今天，基于CFD 技术和三维几何结构模型建立引水隧道工程的通风数值模型，能够动态监测风速、风压、CO 和粉尘在引水隧洞内的变化，通过计算得出施工通风散烟与引水隧洞长度的关系，可以对施工通风散烟时间进行优化，同时，将三维可视化施工仿真技术与CFD 结合，能够科学有效的评估施工方案，降低施工风险，能够起到优化引水隧洞施工方案的作用，对指导施工过程有重要意义。
1 国内外研究现状
在水利水电工程施工中，其地下洞室群的施工条件非常复杂，工序较为繁琐。设计施工方案时，需要综合考虑其进度、强度以及施工期间的运输问题，而计算机仿真技术能够将其施工与先进的计算方式有效结合，有效弥补传统的凭借施工经验与模拟分析来进行参数计算与选择的不足，直接将其进行仿真实验，分析施工参数值，优化施工方案，减轻施工方案设计的计算强度，同时，能够有效提高计算时间，保证计算数值的精准。
从上个世纪70年代起，一些发达国家已经开始将该技术运用至施工工程中，但是，在水利工程方面，特别是对洞室群施工动态可视化仿真还没有得到推广。在我国上个世纪80年代，地下洞室群施工动态可视化仿真飞速发展。今天，计算机仿真在大型水电工程规划、设计和施工管理中已成为不可缺少的技术手段。因为水利水电工程施工过程的可视化仿真技术能够全面提高工程设计质量、效率和水平，最大限度地减少设计失误，减少设计人员的工作量，在一定程度上节约成本与人力资源，缩短产品开发周期，有效提高企业的科技实力和综合竞争力。
2引水隧洞施工过程动态仿真与可视化方法
2.1 动态仿真原理与模型
通常情况下，其动态仿真系统有连续性与离散性两种。连续性系统是指系统随时间的推移呈现连续变化。而离散性系统则是在一定的时间点，有跳跃性，间断的变化。在进行施工过程研究时，离散系统能够满足我们的需要，这里，我们把施工系统作为离散系统开展仿真研究。
首先，我们先来了解一下离散仿真的定义，其使用仿真钟体现模拟时间的运行轨迹。我们在进行可视化仿真方程中设置全程仿真钟与本地仿真钟两种，来记录系统模型的仿真运行轨迹。
我们采用时间步长法推进，如图所示。当检测到有“仿真工序开始”事件发生时，全程仿真钟保留当时的状态，然后将控制权交给仿真工序模型，启动本地仿真钟，设置模型初始状态，以工序准备施工的状态作为初始状态，以开始施工的时刻作为本地仿真钟的零点。从该点开始，向前推进一个时间步长，然后对工序模型中的所有节点进行扫描，检测是否有满足条件的活动发生，同时跟踪各种资源的使用情况，一旦发生活动，立即改变系统的状态，统计各种资源的使用时间或空闲时间，直至工序结束，将控制权返回给全程仿真钟，并将本地仿真钟的信息返回给当前，进行保存，继续推进全程仿真钟，循环往复，直到工程结束。接着对所得的仿真结果进行相关的分析与优化，然后输出施工进度计划、施工强度以及资源利用率等结果。
这里需要我们注意的是要合理选去时间步长，其步长越小，那么仿真状态就越接近实际状态，其结果就更为精确，进行施工过程动态可视化仿真中，需要考虑不同层次的需要，分别设置相应的时间步长，来满足其对仿真时间以及精确度的需要。
（2）仿真模型
针对引水隧洞施工全过程的仿真，有两个层次的模型构成，分别是单元模型和工序模型，其中，单元模型组成其工序模型，而所得的工序模型组成了全过程系统模型。我们知道，施工进度，质量、费用都与工序有着紧密的联系，所以在施工过程中对于工序的管理非常重要。工序模型由单元模型按照逻辑关系以及时序排列组成，在施工过程中，其工序模型的建立能够便于人员操作与认识。
整体系统仿真模型由工序模型、矢线和工序属性组成。建立全过程动态可视化仿真模型类需要确定施工过程中，工序间的逻辑关系，然后利用工序模型与矢线进行描述，这里值得注意的是不能出现违反逻辑的表示和相同的编号。而仿真工序模型是由单元模型（也称节点）、矢线和流水单元构成的。根据施工作业及逻辑关系，用矢量线连接个环节的节点，同时运用控制方法，建立能够表示实际施工过程的工序模型。在建立工序模型时，我们需要确定施工工序的逻辑关系以及各种参数。
2.2可视化原理
在引水隧道施工过程中，利用数字化技术访问系统建立的数字地表模型和建筑物等数字实体模型的图形对象，为系统仿真过程动态地提供空间坐标及空间拓扑关系，同时对于二维图像，能够通过内部标识与空间数据库关联获取屏数字模型中真实的三维坐标。通常我们将其可视化过程分为三个阶段：
（1）数据操纵，来进行原始数据的过滤，满足可视化操作，（2）可视化映射能够将数据转化为抽象的可视化对象，（3）绘制，井仿真效果进行可视化的描述。 根据设计方案的需要，建立相应的施工模型，同时进行仿真模拟，将所得数据与模型结合，形成动态的效果。通过仿真成果的的评估分析、反馈，达到优化施工方案的效果。其具体流程如图所示。
首先，建立引水隧洞的三维模型，然后我们利用进度仿真子系统获取施工信息，建立数据库，并实现共享，将整个施工过程存储于图形数据库中动态展示，有助于掌握施工工序间关系，并进行及时的反馈设计，有效改进施工进度合理性。
2.3仿真系统总体结构
引水隧洞施工系统可视化仿真系统是集成Visual C++、VR-Platform 开发而成的。其实现了施工过程的三维可视化。系统主要包括仿真建模、仿真模型生成、仿真计算分析资源均衡优化、静态成果输出和施工过程三维动态可视化分析等模块。仿真建模模块数据库以及模型库。其中仿真真数据库分为施工参数数据库、网络参数数据库以及仿真参数数据库。我们需要注意的是，面向对象的仿真建模直接影响施工进度仿真的结果，其仿真数据库中参数也与仿真结果有着紧密的联系。
3实例说明
3.1施工全过程动态可视化仿真模型
我们这里以某水电站的引水工程施工为例，根据各工序的关联性，开展分析研究工作，对其原有仿真进行一定改进，提高其施工进度的合理性与有效性。
3.2全过程动态可视化仿真成果
通过某水电站引水隧洞工程动态可视化计算，得出其施工工期、施工进度、以及施工强度并利用动态演示系统呈现施工过程。
施工进度计划与关键路线：
我们需要正确选择相应的机械参数，同时，利用分析软件，将施工的通风时间与施工长度的关系式进行分析该引水隧洞，得出900米 引水隧洞循环施工410 次，总工期为184 天。需要 注意的是不同段的循环时间随施工进度有一定的不同。仿真分析得出从明挖区到2#施工支洞1800米引水隧洞双头掘进需要，184 天，工期约为7 个月。
2. 施工强度
引水工程施工洞挖强度值为0.557 万m3/月，需要7 个月时间，从明挖区到2#施工支洞总开挖量是4.099 万m3。
3. 施工面貌
3.3 施工方案优化分析
进行施工过程的通风问题的分析，根据施工设计手册中风量计算公式所得适宜风量、风压的方案为施工通风第一方案。但是需要考虑到施工过程中可能遇到的其他情况造成风量不足，需要制定第二方案，来满足900米最长引水隧洞内施工最小风速要求，这里我们假定第二套方案风量为适宜风量的五分之四。4 结论
综上所述，我们看到在引水隧洞工程施工过程中，传统的施工方案设计已经不能满足实际需要，全过程动态仿真系统将水电工程、系统工程、计算机、地下通风工程和以及计算流体力学很好地融合，探讨了引水隧洞方案优化技术，同时以某水电站引水隧洞工程为实例建立引水隧洞施工系统仿真模型，进行引水隧洞施工仿真与优化，对于提高方案的可靠性与合理性有一定的帮助。在计算机可视化技术不断发展的今天，水利水电工程的可视化设计是发展的必然趋势，我们应进一步探讨研究可视化环境的引水隧洞施工的三维交互分析平台，不断创新，适应生产需要。
参考文献：
[1] 水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册（第二卷）[M].北京：水利电力出版社.1990.
[2] 钟登华，郑家祥，刘东海等.可视化仿真技术及其应用[M].北京：中国水利水电出版社.2002
[3]钟登华.隧洞循环施工过程模拟研究[D].天津大学硕士学位论文，1987.
[4]钟登华.循环随机网络在隧洞施工中的应用[J].土木工程学报， 1994，27（4）：70～74.
[5]钟登华，张伟波，郑家祥.大型地下洞室群施工系统仿真[J].水利学报，2001，（9）：86～91.