基于多目標(biāo)粒子群的壩電站壩基防滲排水優(yōu)化

周 欣

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

近年來，隨著人們對(duì)于電力需求的提升，壩電站的數(shù)量也在逐年增加，提升電力的調(diào)度與供應(yīng)效率[1]。雖然為人們的生產(chǎn)、生活提供了極大的便利條件，但是傳統(tǒng)的執(zhí)行方式為電站的壩基、壩頂造成了極大的壓力，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的影響，逐漸暴露出變形、裂縫、崩塌甚至斷裂等問題，造成壩基出現(xiàn)了嚴(yán)重的滲漏情況[2]。與此同時(shí)，基礎(chǔ)的防滲結(jié)構(gòu)對(duì)于水源的控制效果并不明顯，部分結(jié)構(gòu)甚至在水源的沖擊之下，塌陷、散落，對(duì)于壩基形成二次傷害，不僅降低了實(shí)際的工作效率，同時(shí)也時(shí)刻威脅著管理人員的人身安全[3]。

為更好地解決滲流、滲控問題，本次結(jié)合多目標(biāo)的粒子群處理技術(shù)，設(shè)計(jì)更具針對(duì)性的壩電站壩基防滲排水優(yōu)化模式。考慮到最終測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定與可靠，選擇真實(shí)的壩電站實(shí)現(xiàn)測(cè)定與分析，利用多目標(biāo)粒子群原理，調(diào)整防滲排水的整體結(jié)構(gòu)，以預(yù)設(shè)的排水目標(biāo)作為引導(dǎo)，逐步構(gòu)建更加靈活、多元的排水結(jié)構(gòu)，將防滲與排水理念結(jié)合在一起，與“前堵后排”的滲控模式相融合，更為細(xì)化、完整地對(duì)存在的滲漏排水問題進(jìn)行處理，再結(jié)合水文條件情況的變動(dòng)，設(shè)定更為堅(jiān)固的壩基，漸漸完善、優(yōu)化防滲排水結(jié)構(gòu)，為壩電站后續(xù)的建設(shè)奠定基礎(chǔ)條件[4]。

1 多目標(biāo)粒子群的壩電站壩基防滲排水優(yōu)化

1.1 防滲帷幕基礎(chǔ)布置

防滲帷幕實(shí)際上是壩電站防滲結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵且重要的一項(xiàng)滲控措施，屬于介質(zhì)特性防滲控制，對(duì)于壩基的滲漏問題處理具有較強(qiáng)的針對(duì)性[5]。利用專業(yè)設(shè)備，對(duì)壩電站的壩基進(jìn)行掃描，定位出防滲結(jié)構(gòu)的薄弱面和交錯(cuò)區(qū)域，并利用檢測(cè)裝置進(jìn)行標(biāo)記[6]。此時(shí)，測(cè)定排水管道的數(shù)量，并記錄每一根管道的實(shí)際情況，確保管道處于通常的狀態(tài)[7]。

接入引管，加強(qiáng)壩電站壩基內(nèi)部的縫隙水和巖孔隙水排出，一定程度上可以降低壩基的揚(yáng)壓力，對(duì)于縫隙的延伸可以進(jìn)行有效控制[8]。以此為基礎(chǔ)，將基礎(chǔ)的防滲結(jié)構(gòu)與排水管道連通，形成統(tǒng)一的循環(huán)防滲體系，并根據(jù)壩基的距離和寬度等數(shù)據(jù)，測(cè)定出防滲帷幕的深度，具體如式(1)所示：

(1)

圖1 防滲帷幕布置圖示

根據(jù)圖1，可以完成對(duì)防滲帷幕的布置與設(shè)計(jì)，隨后，根據(jù)設(shè)計(jì)的滲漏狀態(tài)，對(duì)防滲帷幕的排距與孔距數(shù)值作出定向調(diào)整，完成防滲帷幕設(shè)計(jì)。

1.2 排水滲流揚(yáng)壓力計(jì)算

在完成對(duì)防滲帷幕基礎(chǔ)的布設(shè)之后，結(jié)合多目標(biāo)粒子群原理，進(jìn)行排水滲流揚(yáng)壓力計(jì)算。通常情況下，不同的壩電站所構(gòu)建的壩基規(guī)模也是不同的，所以在優(yōu)化過程中，針對(duì)于壩電站的日常調(diào)度情況，加強(qiáng)對(duì)重力的控制與調(diào)整。

目前階段，壩基所承受的重力并不均勻，這主要是由于水流沖擊位置并不均勻，這在一定程度上也會(huì)導(dǎo)致壩底面揚(yáng)壓力分布不均，促使壩基的受力不可控，更容易形成裂縫、塌落等問題。設(shè)定在不同的荷載狀態(tài)下，壩基的受力情況的變動(dòng)，具體分析見表1。

表1 不同荷載下壩基受力情況變動(dòng)表

根據(jù)表1，在不同荷載環(huán)境下，對(duì)壩基受力變動(dòng)情況分析設(shè)定。結(jié)合上述獲取的數(shù)值、信息，調(diào)整防滲漏帷幕的基礎(chǔ)指標(biāo)值。與排水系統(tǒng)形成搭接，在灌漿帷幕的下游處設(shè)定排水孔列，一般單向距離為2.03～2.11cm之間，并計(jì)算出滲流揚(yáng)壓力，具體如式(2)：

(2)

式中,U—滲流揚(yáng)壓力;θ1—預(yù)設(shè)折減差值;θ2—實(shí)測(cè)折減差值;—帷幕排水間距。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的滲流揚(yáng)壓力，完成測(cè)算之后，調(diào)整防滲帷幕與排水系統(tǒng)的指標(biāo)，為后續(xù)優(yōu)化工作奠定基礎(chǔ)條件。

1.3 構(gòu)建多目標(biāo)等效粒子群防滲排水優(yōu)化模型

在完成對(duì)排水滲流揚(yáng)壓力的計(jì)算之后，需要結(jié)合多目標(biāo)粒子群原理，設(shè)計(jì)等效防滲排水優(yōu)化模型。首先，需要建立一個(gè)等效的防滲排水架構(gòu)，賦予其防滲帷幕的基礎(chǔ)設(shè)置，在架構(gòu)中植入等效連續(xù)介質(zhì)處理結(jié)構(gòu)，促使壩電站壩基巖體孔隙和裂隙網(wǎng)絡(luò)更為均勻地分布在整個(gè)流域之內(nèi)。

但是壩基內(nèi)部的防滲結(jié)構(gòu)反透水性一般需要保持在90%以上，可部分壩基卻僅可以達(dá)到85%～89%之間，一定程度上無法抵擋水源對(duì)壩基的沖擊力。采用多目標(biāo)粒子群原理，獲取區(qū)域性透水情況，具體見表2。

表2 區(qū)域性透水情況設(shè)定表

根據(jù)表2，可以完成對(duì)區(qū)域性透水情況的掌握與分析，此時(shí)，針對(duì)壩基的排水實(shí)際情況，設(shè)定對(duì)應(yīng)的透水通道，結(jié)合多目標(biāo)粒子群原理，構(gòu)建防滲漏排水幾何結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

圖2 多目標(biāo)等效粒子群防滲排水優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖2，可以完成對(duì)多目標(biāo)等效粒子群防滲排水優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)整。在標(biāo)定的壩基防滲區(qū)域之內(nèi)，結(jié)合后水動(dòng)力的粘滯系數(shù)和滲漏情況，利用模型建立多目標(biāo)的透水通道，這部分需要注意的是，多目標(biāo)排水也需要防滲結(jié)構(gòu)的輔助，所以，需要搭建等效的防滲排水滲流場(chǎng)，設(shè)定多目標(biāo)的粒子防滲單元，對(duì)壩基的滲漏優(yōu)化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步完善優(yōu)化模型。

1.4 聯(lián)合排水法實(shí)現(xiàn)防滲排水優(yōu)化

采用聯(lián)合排水法，逐漸營(yíng)造穩(wěn)定的防滲排水環(huán)境，提升整體的優(yōu)化效果。在初始防滲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，增設(shè)一個(gè)多方向的排水閥門，進(jìn)行排水管道的限流，在壩基的防滲設(shè)施之上，修建一個(gè)浮拖截面，一端高于排水管道，一端與壩基的防滲結(jié)構(gòu)連通，具體如圖3所示。

圖3 聯(lián)合排水法結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖3，可以完成對(duì)聯(lián)合排水法結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)整，結(jié)合壩基的防滲處理情況，設(shè)定二階段的引水、排水，完成優(yōu)化后的防滲結(jié)構(gòu)一旦遭遇水位上漲或者洪水等情況，可以采用聯(lián)合排水法，利用連排水管道，降低壩基的沖擊力和滲漏問題的出現(xiàn)，營(yíng)造更加穩(wěn)定的防滲環(huán)境，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化處理。

2 實(shí)例分析

本次主要是對(duì)多目標(biāo)粒子群的壩電站壩基防滲排水優(yōu)化效果進(jìn)行分析與測(cè)驗(yàn)。考慮到分析結(jié)果的真實(shí)性和可靠性，選擇G壩電站中的6個(gè)壩基作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象，針對(duì)于該壩電站的應(yīng)用優(yōu)化需求，提取存在的防滲排水問題，并設(shè)計(jì)具體、有針對(duì)性的防滲排水方案，獲得最終的實(shí)例分析結(jié)果。

2.1 G壩電站防滲排水現(xiàn)狀

G壩電站位于我國(guó)西南地區(qū)，是我國(guó)雅礱江中游區(qū)域第五梯級(jí)壩電站。初期建設(shè)為混凝土制造的雙曲拱壩，經(jīng)測(cè)定實(shí)際的壩高為221m，壩基的高度為165m，整體的壩體寬度為121～30m之間。壩電站的電機(jī)容量為2200MW，總庫(kù)容約8.5×108m3，下游構(gòu)建了水庫(kù)，正常蓄水位為2034m。G壩電站的位置如圖4所示。

圖4 G壩電站位置圖示

根據(jù)圖4，可以完成對(duì)G壩電站位置的了解。另外，該壩電站建設(shè)的時(shí)間較長(zhǎng)，雖然基礎(chǔ)設(shè)施較為完整，系統(tǒng)，但是由于修繕不及時(shí)，部分設(shè)備、裝置已經(jīng)不具備原本的實(shí)用價(jià)值，嚴(yán)重的甚至?xí)?duì)工作人員造成人身傷害。不僅如此，由于修繕、維護(hù)不及時(shí)，G壩電站的部分防滲排水設(shè)施與系統(tǒng)的實(shí)際狀況也十分糟糕，不僅無法發(fā)揮預(yù)期的應(yīng)用價(jià)值，還對(duì)壩基以及壩頂造成不同程度的損壞，加重壩基的實(shí)際滲漏情況。

不僅如此，由于G壩電站的引水量較大，超過所建大壩的標(biāo)定承受范圍，水的沖擊力一定程度上也給予防滲結(jié)構(gòu)和排水管道較大的壓力，如圖5所示。

圖5 壩基滲漏現(xiàn)狀圖示

根據(jù)圖5，可以了解到壩基滲漏現(xiàn)狀。在高壓的環(huán)境之下，部分壩基出現(xiàn)裂縫、塌陷、下沉以及斷裂等問題，對(duì)于G壩電站日常工作的執(zhí)行形成阻礙，現(xiàn)狀堪憂。

2.2 G壩電站壩基防滲排水優(yōu)化實(shí)證分析

經(jīng)過對(duì)G壩電站防滲排水現(xiàn)狀進(jìn)行分析之后，采用多目標(biāo)粒子群原理，進(jìn)行壩基防滲排水優(yōu)化處理測(cè)驗(yàn)。結(jié)合G壩電站壩基的滲漏情況，利用電子設(shè)備，獲取基礎(chǔ)的應(yīng)用數(shù)值、信息，并對(duì)各個(gè)區(qū)域的滲漏情況進(jìn)行匯總分析，具體見表3。

表3 各個(gè)壩基區(qū)域滲漏情況分析表

根據(jù)表3，可以完成對(duì)各個(gè)壩基區(qū)域滲漏情況的分析與研究。隨后，依據(jù)得出的數(shù)值，結(jié)合多目標(biāo)粒子群原理，在壩基之上布設(shè)一定數(shù)量的防滲排水單元節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的間距為10m。利用優(yōu)化模型，對(duì)防滲結(jié)構(gòu)作出處理，同時(shí)，采用聯(lián)合排水法，將引水截面與排水管道、防滲結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)在一起，營(yíng)造個(gè)更為安全、穩(wěn)定的防滲環(huán)境，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化滲控。測(cè)定此時(shí)的滲漏量，與初始的滲漏量進(jìn)行比照驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 測(cè)試結(jié)果比照分析表

根據(jù)表4，可以完成對(duì)測(cè)試的分析：經(jīng)過6個(gè)壩基的測(cè)試，可以觀測(cè)到防滲排水結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，滲控比均控制在1.5以下，表明完成優(yōu)化之后，防滲結(jié)構(gòu)的整體法效果得到了明顯提升，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

以上，便是采用多目標(biāo)粒子群算法進(jìn)行壩電站壩基防滲排水優(yōu)化的方法設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。結(jié)合相關(guān)技術(shù)，需獲取往期的防滲排水?dāng)?shù)據(jù)、信息，將其作為優(yōu)化工作的引導(dǎo)，針對(duì)壩基存在的滲漏問題，逐步制定完整、全面的防滲排水方案，降低過度滲漏、側(cè)向排水造成的事故發(fā)生概率。與此同時(shí)，在多目標(biāo)粒子群的輔助處理下，針對(duì)于壩基內(nèi)部裂縫、斷裂等問題，也需要及時(shí)進(jìn)行處理與優(yōu)化，建立更加堅(jiān)固的防滲排水結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)壩電站發(fā)電排水的同時(shí)，確保防滲工作的安全與高效。