孟底溝水電站壩址區(qū)初始滲流場反演分析

唐少龍，汪 慶，羅梓茗，熊 威，萬小強

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

滲流對水利水電工程穩(wěn)定與安全有著重大影響，在我國西南地區(qū)水電工程中更為顯著[1]。工程研究表明，工程初始滲流場分布情況的合理與否是進行工程滲控系統(tǒng)效果評價分析的前提，而在壩址區(qū)大范圍內(nèi)通過鉆孔獲取地下水位得到滲流場不經(jīng)濟、不現(xiàn)實。基于此，本文采用正交設(shè)計、穩(wěn)定滲流正分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法優(yōu)化相結(jié)合的初始滲流場反演方法[2~3]，建立壩址區(qū)滲流場反演三維有限元模型，以長觀孔監(jiān)測值為目標函數(shù)，獲取最優(yōu)邊界值得到初始滲流場分布特征。

1 反演分析方法

具體流程圖見圖1。

圖1 滲流反分析流程

1.1 正交設(shè)計

正交設(shè)計是通過正交表合理安排和分析多因素的一種數(shù)理統(tǒng)計方法[4]，該方法在眾多參數(shù)組合中安排數(shù)量較少的組合方案，從而大大減少反演計算的工作量。在初始滲流場反演分析中，參數(shù)對應(yīng)為水頭邊界的取值情況。通過正交設(shè)計合理安排神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的水頭邊界取值組合方案。

1.2 穩(wěn)定滲流正分析

針對正交設(shè)計得到的水頭邊界組合情況，采用signorini型變分穩(wěn)定滲流分析方法[5]正分析模擬其滲流場，得到鉆孔處水位樣本數(shù)據(jù)，為后期建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出映射關(guān)系提供數(shù)據(jù)支持。

1.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

采BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是按照誤差反向傳播算法訓(xùn)練多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是目前為止使用最廣泛的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能夠建立較強的輸入與輸出的非線性映射能力[6]。本文輸入層為邊界水頭組合值，輸出層為各鉆孔處水頭值。

1.4 遺傳算法優(yōu)化

利用遺傳算法優(yōu)化的目的是在水頭邊界可能的取值范圍內(nèi)，尋找一組最佳的水頭邊界值的組合，使得各鉆孔處水位實測值與計算值吻合最優(yōu)。遺傳算法原理是對達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學(xué)機制進行模擬，在參數(shù)組合的取值范圍內(nèi)進行全局搜索尋優(yōu)的一種方法[7]。首先在參數(shù)組合范圍內(nèi)生成一系列可能的解作為初始種群，然后利用遺傳操作生成新的種群，使得種群不斷適應(yīng)更高的方向發(fā)展[8]，當(dāng)最優(yōu)個體適應(yīng)度達到某一閥值時計算結(jié)束，該個體即為最佳邊界參數(shù)組合。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

孟底溝水電站坐落于四川省境內(nèi)雅礱江干流中游河段上，是雅礱江中游兩河口~卡拉河段“一庫七級”開發(fā)方案中的第五個梯級，上游是楞古水電站梯級，下游是楊房溝水電站梯級。大壩壩型是混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2259.0 m，最大壩高201.0 m。水庫正常蓄水位2254.0 m，總庫容為8.680億m3。由于自身調(diào)節(jié)庫容相對較小，僅能對入庫徑流進行日內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)與中游龍頭水庫兩河口聯(lián)合運行時可發(fā)揮多年調(diào)節(jié)作用[5]。

2.2 有限元模型

為滿足分析需要，根據(jù)工程壩址區(qū)地質(zhì)地形條件，工程地質(zhì)圖等資料，建立孟底溝水電站壩址區(qū)整體三維有限元模型，模型采用六面體等參單元進行剖分，共劃分單元53256個，節(jié)點數(shù)54456個，如圖2所示。模型計算范圍以河道中心線壩軸線處為中心，分別向左右岸延伸1000 m，向上下游各延伸400 m和1000 m，其中上游側(cè)左岸邊界距孟底溝溝口約100 m。

圖2 壩址區(qū)三維有限元模型

2.3 計算參數(shù)與邊界

由于電站壩址區(qū)山體起伏較大，在反演分析初始滲流場分布情況時，需充分考慮邊界水位分布清情況受地形起伏變化的影響。模型四個角點處水位為待反演值如圖3所示，相應(yīng)的地下水位埋深值分別為ΔH1，ΔH2，ΔH3和ΔH4，四周其他位置處的水位情況通過地形走勢插值獲得。由于壩址區(qū)長觀孔水位觀測資料有限，選取6個典型長觀孔水位觀測值，具體水位見表1。

圖3 滲流場反演邊界示意圖

表1 長觀孔的地下水位監(jiān)測資料

壩址區(qū)滲透特性分區(qū)的合理性與滲透系數(shù)取值的準確性是進行滲流有限元計算的基礎(chǔ)。根據(jù)壩址區(qū)鉆孔壓水試驗結(jié)果，壩區(qū)巖體滲透性與巖體風(fēng)化卸荷，蝕變巖帶、蝕變巖集中帶分布以及構(gòu)造關(guān)系密切，巖體滲透性主要分為5個區(qū)，分別為強卸荷帶巖體為強透水區(qū)、弱卸荷帶巖體為中等透水區(qū)、弱透水偏強區(qū)、弱透水偏弱區(qū)、微透水區(qū)，各滲透分區(qū)取值見表2。

表2 滲透特性分區(qū)描述及其滲透參數(shù)的取值

3 滲流場反演結(jié)果

通過采用正交設(shè)計、穩(wěn)定滲流正分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法優(yōu)化相結(jié)合的初始滲流場反演方法，并綜合考慮壩址區(qū)地形起伏變化及長觀孔水位觀測資料，獲得了壩址區(qū)計算區(qū)域內(nèi)反演模型四個角點處的埋深取值分別為ΔH1=252.01 m，ΔH2=89.56 m，ΔH3=275.10 m和ΔH4=16.66 m。通過四個角點處情況，根據(jù)山體起伏可獲得四周邊界水位分布情況，再采用穩(wěn)定滲流正分析方法計算得到壩址區(qū)的初始滲流場分布情況，如圖4所示。從圖中可以看出，通過反演得到的滲流場分布特征，地下水水位分布情況山體的起伏形態(tài)基本一致，在河道存在一定溢出，分布特征總體上較符合實際情況。

圖4 孟底溝初始滲流場及邊界水位分布圖

反演計算得到的各鉆孔位置處水頭值與相應(yīng)鉆孔位置實測值的對比見表3及圖5，從反演值與實測值的對比圖可以看出各鉆孔水位反演值與相應(yīng)鉆孔位置水位實測值較為接近，長觀孔水頭誤差絕對值的平均為5.15 m，反演計算得到的壩址區(qū)初始滲流場整體上能夠反映出壩址區(qū)初始滲流場實際的分布情況。圖6給出了橫II-II剖面兩岸山體地下水位自由面，由圖可知，左岸的地下水位較右岸的低，自由面坡降也相對較緩，與山體走勢較為一致，說明勘探獲得的各地層滲透特性參數(shù)的取值大小與實際情況較為吻合，反演計算得到的初始滲流場分布情況能夠滿足后期滲流計算的需要。

表3 長觀孔地下水位觀測值和計算值對比 單位：m

圖5 長觀孔地下水位誤差分析圖

圖6 橫II-II剖面兩岸山體地下水位反演分析結(jié)果

4 結(jié)論

1）由于長觀孔觀測資料有限，滲流場邊界水位的確定具有一定的主觀性和誤差。采用正交設(shè)計、穩(wěn)定滲流正分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法優(yōu)化相結(jié)合的初始滲流場反演方法，結(jié)合觀測水位及地形起伏，所得觀測孔計算水位與實測水位誤差較小，反演結(jié)果與實際較為吻合，反演分析方法合理有效。

2）本文計算所得初始滲流場誤差較小，計算結(jié)果可為工程后續(xù)滲控系統(tǒng)有效性評估提供重要參考。但在工程實際情況中，普遍存在裂隙、斷層，其對工程滲透系數(shù)產(chǎn)生顯著的各向異性，本文尚未考慮其作用，需在今后做進一步的研究。