基于貪心算法的混凝土重力壩壩基滲流場參數優化設計

許 斌

(吉安市水利水電規劃設計院，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定性[1]。混凝土重力壩具有較高的可靠性，其建設難度較低，經濟效益強，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世紀后期，目前，我國登記在冊的大型混凝土重力壩突破了40座，原有的重力壩筑壩技術也越來越完善[3]，目前已經成為有代表性的大型壩體之一。受混凝土重力壩的建設條件影響，其建設地質環境復雜，容易出現滲流等安全事故[4]，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡，因此需要對混凝土重力壩壩基滲流場參數進行優化設計，降低施工風險。

事實上，在混凝土重力壩筑壩過程中需要使用多層相對較薄的混凝土進行連續碾壓，不斷形成大面積的施工縫，影響壩體的穩定性[5]，導致壩體產生滲流事故。除此之外，混凝土重力壩的層狀結構的可靠性偏低，且隨著壩體的升高[6]，層狀結構的滲漏風險逐漸增加。然而，大部分混凝土重力壩都設置在高山等區域，存在較復雜的地質環境，壩基滲流場問題格外突出。若能有效地優化現有的混凝土重力壩壩基滲流場參數，進行筑壩模擬，優化施工細節[7]，能大幅度降低壩基滲漏風險，提高施工安全性。相關研究人員針對混凝土重力壩特點提出了幾種常規的混凝土重力壩壩基滲流場參數優化技術，但大部分技術得到的滲流量計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，設計全新的混凝土重力壩壩基滲流場參數優化方法。

1 混凝土重力壩壩基滲流場貪心算法參數優化設計

1.1 生成混凝土重力壩壩基滲流場參數優化反演流程

為了有效地獲取重力壩壩基滲流場的實際滲流狀態，提高參數優化的合理性，本文設計的方法生成了滬寧圖重力壩壩基滲流場參數優化反演流程。事實上，不同的混凝土重力壩的時空、空間變異性不同[8]，參數隨機差也不一致，可以根據貝葉斯原理進行參數反演生成有效的反演流程。首先，可以根據獲取的重力壩信息進行有效推斷，生成反演概率密度函數p(θ|y)：

(1)

式中，p(θ)—先驗概率密度；p(y|θ)—后驗概率密度，dθ—歸一化常數。根據上述公式可以獲取有效的似然函數[9]，進行介紹分解，完成貝葉斯統計。

針對目前的混凝土重力壩壩基滲流場參數反演問題，需要預設一個初始的參數模型，此時的反演映射關系式：

G(m)=d

(2)

式中，G—正演模型；m—模型參數；d—觀測的混凝土重力壩壩基滲流場參數數據。本文利用貝葉斯反演法獲取了非線性參數數值，進行了概率統計，此時生成的反演流程如圖1所示。

圖1 壩基滲流場參數反演流程

由圖1可知，根據上述的滲流場參數反演流程可以分析參數優化關鍵，進行采樣比較，獲取參數的優化分布關系。

不同觀測點的隨機性對最終的滲流反演結果都存在不同的影響，因此，本文根據滲流參數的實際分布狀態結合盲數理論生成了滲流盲數函數，計算了反演均值方差，確定了反演的可信度。此時，可以將待反演的滲流場參數作為盲數，確定了盲數先驗表達式，將其帶入滲流正演流程中，輸出最終的反演結果，確定其與參數的響應關系。反演完成后，可以確定不同參數的優化區間，降低參數優化的難度。

1.2 基于貪心算法構建滲流場參數優化數值模擬模型

混凝土重力壩壩基滲流場內部的參數始終在進行動態變化，因此，在參數優化過程中，必須將不同尺度的數據源進行有機整合。貪心算法是一種求解方法，其可以針對模擬問題選取最優策略，得出整體的最優解，該算法的基本要素為貪婪選擇和最優子結構，即獲取一個初始解，將其逐步接近目標，從而生成解集候選組合，完成擴充求解，因此，其可以把滲流場參數優化分割成不同的子問題，獲取一個整體最優解，與參數優化的要求相符，因此，本文基于貪心算法構建了有效的滲流場參數數值模擬模型。首先需要根據參數的權重相似度距離計算參數的擬合度J(C)：

(3)

式中，J(cj)—外部相異度，針對上述得到的擬合度，可以使用貪心算法進行分配，獲取的剩余參數隊列關系Y：

Y={Y1，Y2，…，YN}

(4)

式中，Y1，Y2，…，YN—不同的參數序列，根據上述的貪心算法模型后，可以使用達西定律進行簡化處理，將不同尺度的數據源進行隨機整合，完成3D數據轉化。

此時可以使用NURBS-TIN-Brep混合混凝土重力壩滲流場參數數據結構，進行三維精細建模，即將各類地質構造作為相應的地質單元，進行重組，此時可以完成布爾切割運算，將不同的構造體作為地質單元整體，生成符合相應拓撲關系的閉合實體邊界，連接不同的邊界點，此時的建模過程如圖2所示。

圖2 數值模擬建模過程圖

由圖2可知，根據上述的數值模擬過程圖可以進行地質曲面擬合，此時得到的參數節點矢量如下：

(5)

式中，m—最小二乘參數；n—控制點權重；p—求解參數，使用上述構建的滲流場參數優化數值模擬模型可以有效地進行參數優化求解，提高最終的參數優化精度。

1.3 進行混凝土重力壩壩基滲流場參數優化多目標求解

混凝土重力壩壩基滲流場參數優化的復雜性較高，僅根據單參數無法進行求解，因此，本文設計的參數優化方法進行了多目標優化求解。即根據不同壩基滲流場參數內容進行了分析，得到了多目標近似優化關系式，其次考慮不同參數的關聯性，生成多目標求解子集，實現壩基滲流場參數優化，多目標求解框架如圖3所示。

圖3 壩基滲流場多目標求解框架

由圖3可知，根據上述的多目標求解框架，可以生成多目標優化問題，設置多目標優化函數，即在保證不同參數不存在重疊關系的基礎上進行尋優求解，注意處理不同子目標之間的互相沖突關系，從而得出最終的滲流場參數優化結果。

2 實例分析

2.1 概況及準備

針對混凝土重力壩壩基滲流場參數優化實例分析要求，本文選取G混凝土重力壩工程進行了實例分析。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條件。為了降低混凝土重力壩壓力，該工程設置了深孔中心，封閉了帷幕區域，實現了排水銜接。除此之外，該工程的壩體采用二級配混凝土，設置了初級防滲結構，排水孔間距為0.11m。為了準確地獲取重力壩的滲流量狀態，降低不確定因素對實例分析結果造成的影響，本文使用三維計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地層，本文根據灌漿帷幕材料生成了等效參數模型，預設了該壩基的滲流狀態，將壩基轉化為均質體。該壩體共設置了11308052個單元和76920328個節點，分析精度較高，此時即可得到后續的滲流場參數實例分析結果。

2.2 應用效果與討論

結合上述的概況及準備，根據選取的工程可以生成三維模擬模型，此時使用本文設計的基于貪心算法的混凝土重力壩壩基滲流場參數優化方法進行參數優化，使用標準模型預設不同壩段的模擬值，此時將得到的不同壩段的滲流量計算值與模擬值對比，實例分析結果見表1。

表1 應用效果

由表1可知，使用本文設計的基于貪心算法的混凝土重力壩壩基滲流場參數優化方法優化后計算的滲流量與模擬的混凝土重力壩壩基滲流場滲流量相擬合，證明設計的基于貪心算法的混凝土重力壩壩基滲流場參數優化方法的優化效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

3 結語

綜上所述，混凝土重力壩是一種常見的水利建筑，具有良好的應用價值，能有效地下水壓力。受混凝土重力壩特殊的構建方式影響，其容易出現滲漏層，導致壩體失穩，出現嚴重的滲漏事故，因此，需要對其壩基滲流場參數進行優化設計，排除壩體滲漏干擾。常規的混凝土重力壩壩基滲流場參數優化方法的優化效果較差，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參數優化設計方法。進行實驗結果表明，設計的混凝土重力壩壩基滲流場參數優化設計方法的優化效果較好，具有可靠性。