黃淑娟，張?zhí)扃?域

（南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210006）

0 引言

九鄉(xiāng)河是城東地區(qū)一條重要的排水河道，也是規(guī)劃中秦淮東河分洪工程的入江通道，擔負了城市防洪、排水以及水生態(tài)環(huán)境改善等多種功能，是區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎保障。根據(jù)河道現(xiàn)狀和問題、相關規(guī)劃及區(qū)域發(fā)展需要和緊迫性，統(tǒng)籌考慮局部、整體關系，通過河道拓浚、新建河口閘站、堤防加固及配套建筑物拆改建等，提高九鄉(xiāng)河流域防洪標準，改善九鄉(xiāng)河及東河沿線水環(huán)境，并兼顧滿足秦淮東河分洪要求。九鄉(xiāng)河口閘的主要功能為汛期防洪，非汛期蓄水。閘址應選擇靠近河口位置，可以大大減少閘下長江側堤防長度，縮短防洪戰(zhàn)線；在枯水期可以減少閘下枯水河段的長度，使河道維持一定的景觀水位，大大改善河道景觀及生態(tài)環(huán)境。同時考慮閘下河段的安全及長江河勢的影響，閘門選用雙扉直升門。該類型的閘門尺寸設計直接會影響到閘門整體受力特點及河道水流調節(jié)效果。因此，對該閘門進行設計優(yōu)化具有重要的意義。

通過分析九鄉(xiāng)河及長江水位變化特點，以及九鄉(xiāng)河閘站功能需求，本文采用具有快速搜索的遺傳算法對閘門尺寸進行優(yōu)化搜索，分別搜索不同閘門尺寸對應的啟門力及閉門力，統(tǒng)計各計算結果并搜索出最優(yōu)設計參數(shù)，為工程設計提供參考依據(jù)。

1 GA優(yōu)化搜索方法

遺傳算法（Genetic Algorithm）簡稱GA，是一種具有強大極值搜索功能的優(yōu)化搜索方法[1-2]。相比于常規(guī)試算方法，該方法能夠在已知約束范圍內(nèi)迅速搜索出最優(yōu)限值，并有效避免了不必要的重復工作及非優(yōu)參數(shù)選用風險，使得設計更加科學合理。

1.1 遺傳算法原理

遺傳優(yōu)化算法是一種類似生物遺傳原理的搜索算法。該算法可以同時評估多個滿足約束條件的解，其求解過程不需要求導，故計算原理簡單易懂，適用性廣泛[3-5]。運算過程同樣也具備生物遺傳理論中的遺傳及變異情況，具體運算過程可總結為6個階段，詳見表1，運算流程圖詳見圖1。

圖1 遺傳算法優(yōu)化搜索流程圖

1.2 適應度評價公式

通過遺傳算法的全局尋優(yōu)能力，即可快速且準確地得到所需計算模型的重要參數(shù)，從而使得計算模型為最優(yōu)[6]。該算法通常以某結果的均方差（MSE）作為搜索最優(yōu)參數(shù)的判斷精度，力求搜索過程中的最小均方差為優(yōu)化的目標條件，其中均方差公式如下：

式中：

f（x）—搜索目標計算公式；

y—約束條件；

n—搜索個數(shù)。

2 上下扉門啟、閉門力計算公式

閘門計算中最重要的就是根據(jù)實際工程需要，對不同工況下的閉門力、啟門力進行受力復核。

閉門力FW公式如下：

式中：

Tzd—滾輪摩阻力；

Tzs—側止水摩阻力；

G—扉門自重；

nT—摩阻力安全系數(shù)，一般取1.2；

nG—門重修正系數(shù)，取0.9。

啟門力Fq公式如下：

式中：

Ws—節(jié)間止水所受水柱壓力，kN。

3 節(jié)制閘工程應用

3.1 閘型方案比較

九鄉(xiāng)河口閘位于九鄉(xiāng)河入江口附近，是九鄉(xiāng)河口的控制性口門建筑物，主要功能為：汛期關閘擋長江側洪水，減少高水位對內(nèi)河堤防的浸泡時間，減輕內(nèi)河的防汛壓力；秦淮河流域及九鄉(xiāng)河流域發(fā)生洪水時，作為秦淮河流域的新分洪道之一，九鄉(xiāng)河承擔著分泄秦淮河流域洪水入江的任務；非汛期當長江水位較低時，關閘蓄水，使內(nèi)河保持一定的景觀水位，必要時九鄉(xiāng)河口泵站抽引江水補充內(nèi)河，也可在九鄉(xiāng)河口閘上下水位合適的情況下開閘反向自流引水，以保持九鄉(xiāng)河水位；遠期泵站抽引江水從九鄉(xiāng)河往上游石臼湖流域調水時，須關閉閘門，抬高閘上水位，滿足自流條件[7]。

根據(jù)九鄉(xiāng)河口閘的功能要求，故提出高閘和低閘2個閘型方案，其具體閘型方案比較，詳見表2。

根據(jù)以上2個方案的特點分析，低閘方案無法滿足防洪及九鄉(xiāng)河口泵站遠期向上游石臼湖流域調水的要求，內(nèi)河汛期防汛壓力較大，且蓄水位相對固定，無法靈活調節(jié)。因此，九鄉(xiāng)河口閘必須采用高閘，才能抬高閘上水位，滿足自流條件，故本階段設計選用高閘方案。

3.2 雙扉閘門計算工況

雙扉閘門由上扉門和下扉門2扇門葉組成，一般情況下使用下扉門泄洪，當流域遭遇大洪水時，上下扉門同時提起泄洪。九鄉(xiāng)河口閘主要功能為枯水期保持閘上7.50 m的景觀水位，同時要求非汛期內(nèi)降雨不大時可以自由溢流，無需頻繁啟閉，運行操作方便[8-9]。而雙扉門具有上述功能，即在下扉門門頂設置順流板，實現(xiàn)門頂自由溢流，而一般平板直升門及弧形門則沒有該功能，并且雙扉門技術成熟、運行安全可靠、維修方便、管理簡單、投資相對較省等特點。因此，通過綜合比選，九鄉(xiāng)河閘門選用雙扉門方案。閘門為上、下扉型式，均為定輪閘門。主要用于調蓄內(nèi)河水位、汛期擋長江高水。平時下扉閘門常閉擋內(nèi)河水，上扉閘門常開提至閘墩以上并鎖定，此時下扉門類似常規(guī)的表孔門；汛期上、下扉閘門均常閉，擋長江高水，此時下扉閘門類似潛孔閘門，上扉閘門類似鋼胸墻。計算水位工況詳見表3。

表2 閘型方案比較表

表3 閘孔方案比選

3.3 優(yōu)化搜索模型

本文采用優(yōu)化模型，以閘門孔寬b及門高h為搜索參數(shù)，通過公式（2）和公式（3）計算閘門啟、閉門力作為約束條件。本次優(yōu)化搜索的迭代次數(shù)設置為50代，種群規(guī)模為50個，交叉概率為0.8，變異概率為0.2，個體長度為7。由于九鄉(xiāng)河口閘的設計流量為381 m3/s，本次分析九鄉(xiāng)河口閘站級別確定為1級，其約束條件及搜索范圍需滿足下述不等式：式中：

b—變量單位，m。

搜索優(yōu)化的目標函數(shù)為：

式中：

N—閘門分孔孔數(shù)；

fi—第i孔的啟、閉門力之和，kN。

3.4 優(yōu)化搜索結果

采用遺傳算法進行優(yōu)化搜索過程詳見圖2，搜索結果為：閘門孔寬為8.5 m，門高為11.5 m，公式（5）中目標函數(shù)最小啟門總力為224.4 kN，搜索時間為23.85 s。根據(jù)長江及九鄉(xiāng)河水位變化情況，可知閘門頂高程不應低于11.805 m，經(jīng)計算水閘閘孔凈寬不應小于29.89 m。故綜合優(yōu)化搜索結果及規(guī)范計算約束條件，本次工程選3孔10 m單孔寬閘門，閘頂高程控制在12.0 m。3孔調度相對較靈活，運行方便，閘門寬度小，閘門進出、起吊較方便，檢修條件較好。

圖2 遺傳算法優(yōu)化過程示意圖

同時采用公式（2）、公式（3）對以上設計進行正算校核，閉門力為-88 kN，閘門自重為155 kN，可依靠自重閉門；啟門力為263 kN，選用QPF-2×160 kN閉式卷揚啟閉機，啟閉機容量有冗余。

4 小結

九鄉(xiāng)河口閘位于九鄉(xiāng)河入江口附近，具有擋洪、行洪、蓄水和反向引水的功能，并且需要抬高閘上水位向上游調水，故九鄉(xiāng)河口閘必須采用高閘，才能抬高閘上水位，滿足自流條件。采用遺傳算法進行優(yōu)化搜索過程簡單快捷，搜索時間僅為23.85 s，搜索結果也能夠為設計提供科學的參考依據(jù)。