陳 艷

(敦煌市水利事務中心，甘肅 敦煌 620982)

行蓄洪區(qū)作為我國重要的防洪建設工程，在防御洪水中，起到了削峰與行洪的作用，對控制流域內的水情與工情具有直接影響[1]。現(xiàn)階段，我國大部分行蓄洪區(qū)建設狀況良好，具有完善的水利管理制度與規(guī)程，為水庫的泄洪能力起到了保障[2]。水閘作為行蓄洪區(qū)中的重要組成部分，主要負責對大壩、泄洪洞、行蓄洪區(qū)封閉水工建筑物孔口，調節(jié)其過流流量與水位[3]。在行蓄洪區(qū)與水利工程協(xié)同發(fā)展的趨勢下，對于水閘控制質量與效率的要求逐漸升高。通常情況下，水閘結構由啟閉設備、錨固構件以及活動部件3個部分共同組成，各個結構部件之間緊密關聯(lián)，具有良好的使用性能[4]。在水閘啟閉過程中，受到過流流量的影響，閘門會出現(xiàn)不同程度的振動，需要采用科學合理的水閘控制方法，對其進行控制，避免閘門振動量級較大，對相鄰水工建筑物造成破壞[5]。然而，傳統(tǒng)的行蓄洪區(qū)水閘控制方法在應用過程中存在一定的不足，主要體現(xiàn)在底緣型式選擇不夠合理，破壞了底緣水流狀態(tài)[6]。當閘門的垂直動水壓力較大時，無法在快速時間內對過流流量以及動水壓力做出精確計算，并制定相應解決方案截斷水流，相對來說，較不適用于水動力較大的行蓄洪區(qū)[7]。

改進Apriori算法能夠有效地改善上述問題，通過數(shù)據挖掘與數(shù)據分析的原理，對行蓄洪區(qū)的水流情況作出計算，并制定對應的防洪方案[8]。

為解決上述方法的不足，本文在傳統(tǒng)行蓄洪區(qū)水閘控制方法的基礎上，引入改進Apriori算法，提出了一種新的水閘控制方法，為提高行蓄洪區(qū)的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展提供保障。

1 行蓄洪區(qū)水閘控制方法設計

1.1 建立水閘結構分析模型

本文設計的行蓄洪區(qū)水閘控制方法中，首先，需要對水閘結構進行全方位、全過程的分析，獲取水閘結構的各項特征數(shù)據信息。科學合理的水閘結構分析模型，對獲取水閘結構特征數(shù)據信息具有重要的意義，因此，本文結合相互作用分析原理，建立了水閘結構計算模型。首先，對行蓄洪區(qū)的基底反力分布情況與分布規(guī)律做出深入分析，提取行蓄洪區(qū)基底的地質條件與對應的水閘結構形式。依據半無限大彈性地基理論，計算行蓄洪區(qū)在受到力的作用時，基底地基的沉陷值，計算公式為：

(1)

式中，ψij—行蓄洪區(qū)基底地基受力作用下的沉陷值；L—行蓄洪區(qū)地基土層的厚度；Ea—行蓄洪區(qū)基底地基的壓縮模量；ri—行蓄洪區(qū)在荷載作用下，水閘單元的寬度；pi—行蓄洪區(qū)在荷載作用下，水閘單元的長度。

將獲取到的行蓄洪區(qū)地基沉陷值作為模型的輸入層，輸入到模型結構中，設定模型中，行蓄洪區(qū)地基為線彈性體，平面彈性體的受力作用較均勻，單位力作用在模型中的半平面邊界上，對水閘的運行狀況不會產生較大影響[9]。

依據半解析法原理，將水閘桿系結構與行蓄洪區(qū)平面地基劃分為模型中的兩個子結構，采用有限單元法，獲取水閘上部結構的單位位移，結合行蓄洪區(qū)地基與水閘接觸面之間的平衡條件，得出水閘結構的位移與內力變化。

1.2 基于改進Apriori算法計算水閘動力作用荷載

在上述水閘結構分析模型建立結束后，獲取到行蓄洪區(qū)受到外力作用時，基底地基的沉陷值，在此基礎上，采用改進Apriori算法，計算行蓄洪區(qū)水閘動力作用荷載，為水閘的高效控制提供數(shù)據支持。

改進Apriori算法具有較強的數(shù)據處理能力，能夠獲取水閘控制中所需數(shù)據之間的關聯(lián)性，提高水閘控制的質量與效率。水閘的動力作用荷載包括水閘閘門的自重、水閘閘門底緣上托力、水閘埋件摩阻力等共同組成[10]。首先，采用改進Apriori算法，計算水閘平面閘門的啟閉力，計算公式分別為：

Fa=q1(M1+M2)-n2P+G1

(2)

Fb=n2P+P1+W1+P2-(M1+M2)

(3)

Fc=q1(M1+M2)+P2+n2P+P1+W1

(4)

式中，F(xiàn)a、Fb、Fc—行蓄洪區(qū)水閘閘門的閉門力、持住力與啟門力；q1—水閘閘門的摩阻力安全系數(shù)；M1—水閘閘門的支撐摩阻力；M2—水閘閘門的止水摩擦力；n2—水閘閘門閉門時的自重修正系數(shù)；P—水閘閘門自重；G1—水閘閘門底緣上托力；P1—行蓄洪區(qū)水閘加重塊重量；W1—作用于水閘閘門的水柱壓力；P2—水閘閘門受到的下吸力。

通過計算，獲取到行蓄洪區(qū)水閘平面閘門的啟閉力，反映水閘的動力作用荷載，在此基礎上，得出水閘水平方向的動水壓力。

1.3 設計行蓄洪區(qū)水閘控制中心

基于行蓄洪區(qū)水閘動力作用荷載計算結束后，獲取到水閘水平方向的動水壓力，在此基礎上，為了實現(xiàn)水閘高精度控制的目標，本文在行蓄洪區(qū)設置了水閘控制中心，通過控制中心，根據行蓄洪區(qū)內水位的實際變化情況，對水閘進行遠程控制。根據行蓄洪區(qū)水位的動態(tài)變化及各個閘門布設位置情況，設置水閘控制中心所在位置，避免控制中心距離水閘閘門較遠，超出能夠控制的范圍。在控制中心合理布設計算機，保證計算機的使用性能，通過計算機上的遠程控制功能，實時監(jiān)控行蓄洪區(qū)內的變化情況。

設定水閘閘門的開度標準值與顯示值，將計算機與水閘控制柜連接，通過計算機，進入水閘操控界面，進入編輯模式，結合行蓄洪區(qū)過流流量與動水壓力的變化規(guī)律，不斷修正水閘閘門開度標準值。在水閘閘門周圍安裝雷達水位計，將水位計一端與計算機數(shù)據采集終端連接在一起，保證控制中心能夠實時獲取行蓄洪區(qū)內水位的動態(tài)數(shù)據，通過控制中心的顯示屏，檢查水閘的運行模式與啟閉狀態(tài)是否符合行蓄洪區(qū)水位變化的需求，實時調整水閘的運行模式，實現(xiàn)行蓄洪區(qū)水閘高精度、全過程控制的目標。

2 實驗分析

綜合上述內容，為本文設計的行蓄洪區(qū)水閘控制方法的整體流程。在此基礎上，為了進一步驗證本文設計的改進Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法的可行性，進行了如下文所示的實驗。本次實驗選取某地區(qū)X行蓄洪區(qū)為研究目標，該行蓄洪區(qū)水閘位于近軌道區(qū)，水閘為3孔水閘，每個孔的凈寬約為2.95m，底板厚度約為1.25m，水閘所在墩厚為1.00m，高程為2.55m。水閘閘室內的垂直水流向寬為10.25m，順水流向長為6.87m。水閘閘門尺寸約為5.4m×5.8m，水閘橫梁自上向下的編號依次為A1、A2、A3、A4，水閘閘門結構示意圖，如圖1所示。

圖1 X行蓄洪區(qū)水閘閘門結構示意圖

如圖1所示，水閘閘門豎梁自左向右編號依次為B1、B2、B3，水閘采用電弧焊的焊接方式，在長期使用下，水閘的使用性能與使用壽命顯著下降。當前，該行蓄洪區(qū)水閘采用手動化控制的方式，控制效率與質量得不到保障，無法根據行蓄洪區(qū)水位的動態(tài)變化，及時作出相應的操控動作，缺乏智能化與自動化的控制功能。將上述本文設計的改進Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法應用到X行蓄洪區(qū)中。首先，采用有限元分析模型，深入分析水閘閘門允許的最大應力，在初始應力的基礎上，獲取X行蓄洪區(qū)水閘閘門各個位置的應力情況，見表1。

表1水閘閘門各個位置應力情況 單位：MPa

由表1可知，為X行蓄洪區(qū)水閘閘門各個位置的應力情況，在此基礎上，計算行蓄洪區(qū)的河道沖擊力，公式為：

Fa=Sρv2

(5)

式中，F(xiàn)a—行蓄洪區(qū)河道沖擊力；S—行蓄洪區(qū)河道水面積；ρ—行蓄洪區(qū)河道水密度；v—行蓄洪區(qū)河道水流流速。通過計算，獲取X行蓄洪區(qū)的河道沖擊力，根據河道沖擊力，判斷水閘閘門控制的最大應力是否符合要求。設置水閘的使用功能，根據水閘上下游流量與水流流速的動態(tài)變化，調節(jié)行蓄洪區(qū)水位，實現(xiàn)行蓄洪區(qū)水閘控制的目標。

為了更加直觀地驗證本文設計的行蓄洪區(qū)水閘控制方法的可行性，采用對比分析的實驗方法，將上述本文設計的改進Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法，與傳統(tǒng)的浮筒式水閘控制方法進行對比，設置實驗次數(shù)為6次，利用有限元分析模型與MATLAB分析測定，測定兩種方法應用后，水閘構件的等效應力與位移變化，對比結果見表2。

表2 兩種控制方法水閘構件等效應力與位移變化對比

根據表2的對比結果可知，在兩種行蓄洪區(qū)水閘控制方法中，本文設計的改進Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法，其應用后水閘的等效應力較大，水閘閘門位移較小，較傳統(tǒng)控制方法相比，水閘構件連接的穩(wěn)固性較高。在此基礎上，在水閘閘門相對開度不斷增長的趨勢下，對比兩種控制方法的水閘閘門面板中心時均壓力的變化情況，如圖2所示。

圖2 兩種方法閘門面板時均壓力對比

如圖2的對比結果可知，本文設計的改進Apriori算法的行蓄洪區(qū)水閘控制方法，較傳統(tǒng)控制方法相比，其閘門面板中心時均壓力在閘門相對開度的增長下呈現(xiàn)大幅度下降趨勢，更加符合行蓄洪區(qū)靜水壓力的分布趨勢，可行性較高。

3 結語

綜上所述，為了改善傳統(tǒng)行蓄洪區(qū)水閘控制方法的不足，本文在傳統(tǒng)水閘控制方法的基礎上，引入改進Apriori算法，提出了一種新的行蓄洪區(qū)水閘控制方法。通過本文的研究，有效地提升了水閘的控制效率與質量，使水閘閘門的等效應力得到了顯著提升，符合行蓄洪區(qū)靜水壓力的分布趨勢與水閘控制的需求，對我國水利工程與行蓄洪區(qū)的協(xié)同發(fā)展具有重要研究意義。