混凝土面板堆石壩的優(yōu)化設計方法研究

【摘要】水利水電工程是我國建筑領域的一個重要分支，在我國的國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮著重要的作用。水利水電工程中的堆石壩可以分為土質(zhì)防滲體和非土質(zhì)防滲體堆石壩，混凝土面板堆石壩作為一種重要的非土質(zhì)防滲體堆石壩，由于其本身的一些施工優(yōu)勢得以廣泛地應用在水利水電工程項目中。雖然我國已經(jīng)建成的混凝土堆石壩的數(shù)量在逐漸增多，但是對混凝土石壩的相關研究還不夠深入，傳統(tǒng)的混凝土堆石壩設計在現(xiàn)代化水利水電工程施工中逐漸暴露一些問題。

【關鍵詞】混凝土面板堆石壩；優(yōu)化設計；方法

引言

本文主要從混凝土面板堆石壩的發(fā)展及優(yōu)點入手，對混凝土面板堆石壩的優(yōu)化設計進行了簡單的概述，并著重對遺傳算法用于混凝土面板堆石壩優(yōu)化設計相關內(nèi)容進行了簡單的探討。

一、混凝土面板堆石壩的發(fā)展及其優(yōu)點

（一）我國混凝土面板堆石壩的發(fā)展

改革開放以后，我國的現(xiàn)代化建設得到了突飛猛進的發(fā)展。混凝土堆石壩也伴隨著水利水電工程的大力發(fā)展提高了其施工水平和設計水平等。我國最初設計并投放使用的混凝土面板堆石壩采用傳統(tǒng)的拋填式施工方法，壩高不到 50 米。截至目前，我國已經(jīng)完成或者在建的混凝土面板堆石壩的數(shù)量已經(jīng)超過 80 座，而且其壩高也得到了很大的提升，有不少壩高超過了 100 米。

（二）混凝土面板堆石壩的優(yōu)點

混凝土面板堆石壩的筑壩材料來源廣泛，可以就地取材，也可以充分利用一些工程廢料作為原材料，因而大大降低了筑壩的成本費用；混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)簡單，體型較小，相比土質(zhì)防滲體堆石壩而言，其滲透水壓力比較小，施工方式和現(xiàn)場機械操作過程更為簡單便捷；由于水利水電工程的施工地形和地質(zhì)條件比較復雜，混凝土面板堆石壩具有更強的抗震性能和綜合穩(wěn)定性能，能夠較好地適應水利水電工程的施工環(huán)境和地質(zhì)特點，也能很好地適應各種惡劣的氣候條件，如強風、強降雨、寒冷氣候等；相對一般的水利水電工程堆石壩而言，混凝土石板堆石壩的設計基本上能保證項目對安全性和可靠性的要求，并沒有較大的安全隱患和設計缺陷。

二、混凝土面板堆石壩優(yōu)化設計概述

混凝土面板堆石壩本身的施工優(yōu)勢使得其在水利水電工程中得到越來越廣泛的應用。隨著社會科學經(jīng)濟等水平不斷提高，人們對水利水電工程的需求也在不斷提升，對堆石壩的高度也要求越來越高。應該在傳統(tǒng)的混凝土面板堆石壩設計基礎上，根據(jù)其本身的經(jīng)濟適用以及安全性能等特點，利用傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計法在對大壩的安全可靠性、靜態(tài)以及動態(tài)結(jié)構(gòu)受力情況以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進行充分研究，進一步對混凝土面板堆石壩的設計進行優(yōu)化。

隨著上世紀八十年代我國在人工智能方面的不斷發(fā)展和各種領域?qū)W科的相互融合及發(fā)展，各種現(xiàn)代的混凝土面板堆石壩設計優(yōu)化方法層出不窮，并且這些方法都取得了不錯的進展和實際應用。這些現(xiàn)代優(yōu)化設計方法主要是一些啟發(fā)式算法和智能化優(yōu)化方法。現(xiàn)代混凝土面板堆石壩設計優(yōu)化方法應用比較普遍的包括可以對離散型非線性變量找到全局最優(yōu)解的模擬退火法、模擬人的神經(jīng)元組織并借助其連接權(quán)值以及特征值的神經(jīng)元網(wǎng)絡法、由父代二進制字符串繁殖下一代的建立在遺傳機制基礎上的遺傳算法等。由于遺傳算法相比其他算法具有更加廣泛的適用性，其解決問題的能力也得到了大幅提高，該方法用于混凝土面板堆石壩的優(yōu)化設計有很大的前途和發(fā)展，下面主要對遺傳算法的優(yōu)化設計進行簡單的探討。

三、遺傳算法

（一）基本原理

遺傳算法是利用自然界的遺傳機制，通過對染色體上的基因進行擇優(yōu)選擇，從而得出最優(yōu)解的一種方法。遺傳算法事先并沒有對求解的問題進行了解和設置，而是通過對染色體進行全面綜合的評價，選擇適應性較強的基因，剔除適應性差的基因，最終留下的染色體得以有機會進行繁殖。遺傳算法是將遺傳學與數(shù)學模擬方法相結(jié)合的一種優(yōu)化方法。

（二）基本流程

遺傳算法是通過對生物繁殖過程中遺傳學上各種進化和淘汰現(xiàn)象的狀況進行一定的數(shù)字化模擬操作，以適者生存為原則，根據(jù)各種基因的適應性選擇新的個體進而組成新的群體，則該群體中的個體相比上一代的基因而言，具有更強的適應性，是更為理想的個體。遺傳算法的基本流程是：編碼—生產(chǎn)初始群體—確定適應度函數(shù)—執(zhí)行繁殖過程—對生成種群收斂性判斷—終極計算并得到最優(yōu)解。可見遺傳算法的計算程序更加簡單便捷，其計算流程和原理框架比較清晰易懂，這種方法被人們普遍接受。

（三）優(yōu)化設計

為使遺傳算法在混凝土面板堆石壩優(yōu)化設計中的應用效果更加突出，在其優(yōu)化設計過程應該注意以下幾個問題。

1 確定適應度函數(shù)

遺傳算法中唯一的選擇標準依據(jù)就是適應度函數(shù)。該指標可以通過對比相關的設計方案來得出，也能在優(yōu)化目標函數(shù)中進行評估判斷，適應度函數(shù)也叫評價函數(shù)，是很多個體適應度的算術(shù)平均值，因此不能為負。在完成一次迭代后，適應度較高的被選擇，適應度較低的 被淘汰。適應度函數(shù)有多種轉(zhuǎn)換公式，每種公式都或多或少存在一定的局限性和不足。針對遺傳算法進行運算過程中出現(xiàn)的早熟現(xiàn)象（即運行后期個體適應度差異較小導致群體進化停止的現(xiàn)象），可以適當?shù)貙瘮?shù)適應度進行縮放。通過指數(shù)調(diào)整、冪調(diào)整和線性調(diào)整等方法來避免過程中的早熟現(xiàn)象。

2 編碼技術(shù)

在遺傳算法對混凝土面板堆石壩優(yōu)化設計中，將遺傳學染色體擇優(yōu)選擇繁殖下一代產(chǎn)最優(yōu)群體與目標函數(shù)組成對應關系的關鍵技術(shù)是編碼技術(shù)。雖然遺傳算法對編碼技術(shù)的要求

不高，但也應注意選擇不同的編碼方式將會對結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，尤其是交叉、變異兩種算子，編碼方式不同甚至會使設計的總體功能受到影響。

四、結(jié)語

今年來各種混凝土面板堆石壩的優(yōu)化設計方法不斷涌現(xiàn)，各種相關的科技網(wǎng)絡技術(shù)等也應運而生。其中 MATLAB 軟件已經(jīng)逐漸應用在遺傳算法中并且得到了很好的進展，大大簡化了遺傳算法的工作量。在未來對混凝土面板堆石壩優(yōu)化設計的研究工作中，應該更加深入了解并探討更多的優(yōu)化策略，使混凝土面板堆石壩達到更高的設計要求。

參考文獻：

[1]李學武，曾锃，王秋杰，沈貴華，張澤輝，黨發(fā)寧. 基于數(shù)值仿真的某水電站軟巖筑高混凝土面板堆石壩剖面優(yōu)化設計研究[J]. 固體力學學報，2014，S1：184-190.

[2]楊平榮，譚劍波. 水庫混凝土面板堆石壩優(yōu)化設計研究[J]. 浙江水利水電學院學報，2014，04：28-30+35.