許 斌

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000)

混凝土重力壩是一種常見的剛性壩，其主要使用混凝土澆筑，重量較大，可有效承載泥沙壓力和靜水推力，依靠自重及摩擦力維持壩體的穩(wěn)定性[1]?；炷林亓尉哂休^高的可靠性，其建設(shè)難度較低，經(jīng)濟(jì)效益強(qiáng)，滿足大部分水利工程需求[2]。研究表明，我國最早的混凝土重力壩修建于20世紀(jì)后期，目前，我國登記在冊(cè)的大型混凝土重力壩突破了40座，原有的重力壩筑壩技術(shù)也越來越完善[3]，目前已經(jīng)成為有代表性的大型壩體之一。受混凝土重力壩的建設(shè)條件影響，其建設(shè)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，容易出現(xiàn)滲流等安全事故[4]，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此需要對(duì)混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

事實(shí)上，在混凝土重力壩筑壩過程中需要使用多層相對(duì)較薄的混凝土進(jìn)行連續(xù)碾壓，不斷形成大面積的施工縫，影響壩體的穩(wěn)定性[5]，導(dǎo)致壩體產(chǎn)生滲流事故。除此之外，混凝土重力壩的層狀結(jié)構(gòu)的可靠性偏低，且隨著壩體的升高[6]，層狀結(jié)構(gòu)的滲漏風(fēng)險(xiǎn)逐漸增加。然而，大部分混凝土重力壩都設(shè)置在高山等區(qū)域，存在較復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，壩基滲流場(chǎng)問題格外突出。若能有效地優(yōu)化現(xiàn)有的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)，進(jìn)行筑壩模擬，優(yōu)化施工細(xì)節(jié)[7]，能大幅度降低壩基滲漏風(fēng)險(xiǎn)，提高施工安全性。相關(guān)研究人員針對(duì)混凝土重力壩特點(diǎn)提出了幾種常規(guī)的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，但大部分技術(shù)得到的滲流量計(jì)算值與模擬值相差過大，不符合目前的使用要求，因此，本文基于貪心算法，設(shè)計(jì)全新的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化方法。

1 混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)貪心算法參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 生成混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化反演流程

為了有效地獲取重力壩壩基滲流場(chǎng)的實(shí)際滲流狀態(tài)，提高參數(shù)優(yōu)化的合理性，本文設(shè)計(jì)的方法生成了滬寧圖重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化反演流程。事實(shí)上，不同的混凝土重力壩的時(shí)空、空間變異性不同[8]，參數(shù)隨機(jī)差也不一致，可以根據(jù)貝葉斯原理進(jìn)行參數(shù)反演生成有效的反演流程。首先，可以根據(jù)獲取的重力壩信息進(jìn)行有效推斷，生成反演概率密度函數(shù)p(θ|y)：

(1)

式中，p(θ)—先驗(yàn)概率密度；p(y|θ)—后驗(yàn)概率密度，dθ—?dú)w一化常數(shù)。根據(jù)上述公式可以獲取有效的似然函數(shù)[9]，進(jìn)行介紹分解，完成貝葉斯統(tǒng)計(jì)。

針對(duì)目前的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)反演問題，需要預(yù)設(shè)一個(gè)初始的參數(shù)模型，此時(shí)的反演映射關(guān)系式：

G(m)=d

(2)

式中，G—正演模型；m—模型參數(shù)；d—觀測(cè)的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)。本文利用貝葉斯反演法獲取了非線性參數(shù)數(shù)值，進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)，此時(shí)生成的反演流程如圖1所示。

圖1 壩基滲流場(chǎng)參數(shù)反演流程

由圖1可知，根據(jù)上述的滲流場(chǎng)參數(shù)反演流程可以分析參數(shù)優(yōu)化關(guān)鍵，進(jìn)行采樣比較，獲取參數(shù)的優(yōu)化分布關(guān)系。

不同觀測(cè)點(diǎn)的隨機(jī)性對(duì)最終的滲流反演結(jié)果都存在不同的影響，因此，本文根據(jù)滲流參數(shù)的實(shí)際分布狀態(tài)結(jié)合盲數(shù)理論生成了滲流盲數(shù)函數(shù)，計(jì)算了反演均值方差，確定了反演的可信度。此時(shí)，可以將待反演的滲流場(chǎng)參數(shù)作為盲數(shù)，確定了盲數(shù)先驗(yàn)表達(dá)式，將其帶入滲流正演流程中，輸出最終的反演結(jié)果，確定其與參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系。反演完成后，可以確定不同參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間，降低參數(shù)優(yōu)化的難度。

1.2 基于貪心算法構(gòu)建滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬模型

混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)內(nèi)部的參數(shù)始終在進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化，因此，在參數(shù)優(yōu)化過程中，必須將不同尺度的數(shù)據(jù)源進(jìn)行有機(jī)整合。貪心算法是一種求解方法，其可以針對(duì)模擬問題選取最優(yōu)策略，得出整體的最優(yōu)解，該算法的基本要素為貪婪選擇和最優(yōu)子結(jié)構(gòu)，即獲取一個(gè)初始解，將其逐步接近目標(biāo)，從而生成解集候選組合，完成擴(kuò)充求解，因此，其可以把滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化分割成不同的子問題，獲取一個(gè)整體最優(yōu)解，與參數(shù)優(yōu)化的要求相符，因此，本文基于貪心算法構(gòu)建了有效的滲流場(chǎng)參數(shù)數(shù)值模擬模型。首先需要根據(jù)參數(shù)的權(quán)重相似度距離計(jì)算參數(shù)的擬合度J(C)：

(3)

式中，J(cj)—外部相異度，針對(duì)上述得到的擬合度，可以使用貪心算法進(jìn)行分配，獲取的剩余參數(shù)隊(duì)列關(guān)系Y：

Y={Y1，Y2，…，YN}

(4)

式中，Y1，Y2，…，YN—不同的參數(shù)序列，根據(jù)上述的貪心算法模型后，可以使用達(dá)西定律進(jìn)行簡化處理，將不同尺度的數(shù)據(jù)源進(jìn)行隨機(jī)整合，完成3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。

此時(shí)可以使用NURBS-TIN-Brep混合混凝土重力壩滲流場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行三維精細(xì)建模，即將各類地質(zhì)構(gòu)造作為相應(yīng)的地質(zhì)單元，進(jìn)行重組，此時(shí)可以完成布爾切割運(yùn)算，將不同的構(gòu)造體作為地質(zhì)單元整體，生成符合相應(yīng)拓?fù)潢P(guān)系的閉合實(shí)體邊界，連接不同的邊界點(diǎn)，此時(shí)的建模過程如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬建模過程圖

由圖2可知，根據(jù)上述的數(shù)值模擬過程圖可以進(jìn)行地質(zhì)曲面擬合，此時(shí)得到的參數(shù)節(jié)點(diǎn)矢量如下：

(5)

式中，m—最小二乘參數(shù)；n—控制點(diǎn)權(quán)重；p—求解參數(shù)，使用上述構(gòu)建的滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬模型可以有效地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化求解，提高最終的參數(shù)優(yōu)化精度。

1.3 進(jìn)行混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化多目標(biāo)求解

混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化的復(fù)雜性較高，僅根據(jù)單參數(shù)無法進(jìn)行求解，因此，本文設(shè)計(jì)的參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化求解。即根據(jù)不同壩基滲流場(chǎng)參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行了分析，得到了多目標(biāo)近似優(yōu)化關(guān)系式，其次考慮不同參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，生成多目標(biāo)求解子集，實(shí)現(xiàn)壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化，多目標(biāo)求解框架如圖3所示。

圖3 壩基滲流場(chǎng)多目標(biāo)求解框架

由圖3可知，根據(jù)上述的多目標(biāo)求解框架，可以生成多目標(biāo)優(yōu)化問題，設(shè)置多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，即在保證不同參數(shù)不存在重疊關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行尋優(yōu)求解，注意處理不同子目標(biāo)之間的互相沖突關(guān)系，從而得出最終的滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。

2 實(shí)例分析

2.1 概況及準(zhǔn)備

針對(duì)混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化實(shí)例分析要求，本文選取G混凝土重力壩工程進(jìn)行了實(shí)例分析。已知G混凝土重力壩工程位于我國某江的中游段，屬于大中型水電工程，壩體水庫蓄水水位為1135m，死水位為1122m，裝機(jī)容量為3000MW，庫容為20.5億m3，G混凝土重力壩工程平面示意如圖4所示。

圖4 G混凝土重力壩工程平面示意圖

由圖4可知，G混凝土重力壩工程具備核心擋水建筑物樞紐，形成組合堆石壩，壩頂長度為1158m，最大壩高為1139.5m，存在明渠溢流壩段、左岸混凝土重力壩，右岸堆石壩、非溢流壩段。

G混凝土重力壩工程屬于不對(duì)稱型斜向樞紐，河流自北向南流出，主要巖性包括砂巖、泥漿巖等，存在斷層等不良地質(zhì)條件。為了降低混凝土重力壩壓力，該工程設(shè)置了深孔中心，封閉了帷幕區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了排水銜接。除此之外，該工程的壩體采用二級(jí)配混凝土，設(shè)置了初級(jí)防滲結(jié)構(gòu)，排水孔間距為0.11m。為了準(zhǔn)確地獲取重力壩的滲流量狀態(tài)，降低不確定因素對(duì)實(shí)例分析結(jié)果造成的影響，本文使用三維計(jì)算法生成了壩基巖層模型，如圖5所示。

圖5 三維壩基模型

由圖5可知，上述三維壩基巖層模型可分為多個(gè)地層，本文根據(jù)灌漿帷幕材料生成了等效參數(shù)模型，預(yù)設(shè)了該壩基的滲流狀態(tài)，將壩基轉(zhuǎn)化為均質(zhì)體。該壩體共設(shè)置了11308052個(gè)單元和76920328個(gè)節(jié)點(diǎn)，分析精度較高，此時(shí)即可得到后續(xù)的滲流場(chǎng)參數(shù)實(shí)例分析結(jié)果。

2.2 應(yīng)用效果與討論

結(jié)合上述的概況及準(zhǔn)備，根據(jù)選取的工程可以生成三維模擬模型，此時(shí)使用本文設(shè)計(jì)的基于貪心算法的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使用標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)設(shè)不同壩段的模擬值，此時(shí)將得到的不同壩段的滲流量計(jì)算值與模擬值對(duì)比，實(shí)例分析結(jié)果見表1。

表1 應(yīng)用效果

由表1可知，使用本文設(shè)計(jì)的基于貪心算法的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化方法優(yōu)化后計(jì)算的滲流量與模擬的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)滲流量相擬合，證明設(shè)計(jì)的基于貪心算法的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化方法的優(yōu)化效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

綜上所述，混凝土重力壩是一種常見的水利建筑，具有良好的應(yīng)用價(jià)值，能有效地下水壓力。受混凝土重力壩特殊的構(gòu)建方式影響，其容易出現(xiàn)滲漏層，導(dǎo)致壩體失穩(wěn)，出現(xiàn)嚴(yán)重的滲漏事故，因此，需要對(duì)其壩基滲流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，排除壩體滲漏干擾。常規(guī)的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化方法的優(yōu)化效果較差，不符合混凝土重力壩的筑造要求，因此本文基于貪心算法，新的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的混凝土重力壩壩基滲流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化效果較好，具有可靠性。