基于贪心算法的混凝土重力坝坝基渗流场参数优化设计

许 斌

(吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000)

混凝土重力坝是一种常见的刚性坝，其主要使用混凝土浇筑，重量较大，可有效承载泥沙压力和静水推力，依靠自重及摩擦力维持坝体的稳定性[1]。混凝土重力坝具有较高的可靠性，其建设难度较低，经济效益强，满足大部分水利工程需求[2]。研究表明，我国最早的混凝土重力坝修建于20世纪后期，目前，我国登记在册的大型混凝土重力坝突破了40座，原有的重力坝筑坝技术也越来越完善[3]，目前已经成为有代表性的大型坝体之一。受混凝土重力坝的建设条件影响，其建设地质环境复杂，容易出现渗流等安全事故[4]，造成严重的经济损失和人员伤亡，因此需要对混凝土重力坝坝基渗流场参数进行优化设计，降低施工风险。

事实上，在混凝土重力坝筑坝过程中需要使用多层相对较薄的混凝土进行连续碾压，不断形成大面积的施工缝，影响坝体的稳定性[5]，导致坝体产生渗流事故。除此之外，混凝土重力坝的层状结构的可靠性偏低，且随着坝体的升高[6]，层状结构的渗漏风险逐渐增加。然而，大部分混凝土重力坝都设置在高山等区域，存在较复杂的地质环境，坝基渗流场问题格外突出。若能有效地优化现有的混凝土重力坝坝基渗流场参数，进行筑坝模拟，优化施工细节[7]，能大幅度降低坝基渗漏风险，提高施工安全性。相关研究人员针对混凝土重力坝特点提出了几种常规的混凝土重力坝坝基渗流场参数优化技术，但大部分技术得到的渗流量计算值与模拟值相差过大，不符合目前的使用要求，因此，本文基于贪心算法，设计全新的混凝土重力坝坝基渗流场参数优化方法。

1 混凝土重力坝坝基渗流场贪心算法参数优化设计

1.1 生成混凝土重力坝坝基渗流场参数优化反演流程

为了有效地获取重力坝坝基渗流场的实际渗流状态，提高参数优化的合理性，本文设计的方法生成了沪宁图重力坝坝基渗流场参数优化反演流程。事实上，不同的混凝土重力坝的时空、空间变异性不同[8]，参数随机差也不一致，可以根据贝叶斯原理进行参数反演生成有效的反演流程。首先，可以根据获取的重力坝信息进行有效推断，生成反演概率密度函数p(θ|y)：

(1)

式中，p(θ)—先验概率密度；p(y|θ)—后验概率密度，dθ—归一化常数。根据上述公式可以获取有效的似然函数[9]，进行介绍分解，完成贝叶斯统计。

针对目前的混凝土重力坝坝基渗流场参数反演问题，需要预设一个初始的参数模型，此时的反演映射关系式：

G(m)=d

(2)

式中，G—正演模型；m—模型参数；d—观测的混凝土重力坝坝基渗流场参数数据。本文利用贝叶斯反演法获取了非线性参数数值，进行了概率统计，此时生成的反演流程如图1所示。

图1 坝基渗流场参数反演流程

由图1可知，根据上述的渗流场参数反演流程可以分析参数优化关键，进行采样比较，获取参数的优化分布关系。

不同观测点的随机性对最终的渗流反演结果都存在不同的影响，因此，本文根据渗流参数的实际分布状态结合盲数理论生成了渗流盲数函数，计算了反演均值方差，确定了反演的可信度。此时，可以将待反演的渗流场参数作为盲数，确定了盲数先验表达式，将其带入渗流正演流程中，输出最终的反演结果，确定其与参数的响应关系。反演完成后，可以确定不同参数的优化区间，降低参数优化的难度。

1.2 基于贪心算法构建渗流场参数优化数值模拟模型

混凝土重力坝坝基渗流场内部的参数始终在进行动态变化，因此，在参数优化过程中，必须将不同尺度的数据源进行有机整合。贪心算法是一种求解方法，其可以针对模拟问题选取最优策略，得出整体的最优解，该算法的基本要素为贪婪选择和最优子结构，即获取一个初始解，将其逐步接近目标，从而生成解集候选组合，完成扩充求解，因此，其可以把渗流场参数优化分割成不同的子问题，获取一个整体最优解，与参数优化的要求相符，因此，本文基于贪心算法构建了有效的渗流场参数数值模拟模型。首先需要根据参数的权重相似度距离计算参数的拟合度J(C)：

(3)

式中，J(cj)—外部相异度，针对上述得到的拟合度，可以使用贪心算法进行分配，获取的剩余参数队列关系Y：

Y={Y1，Y2，…，YN}

(4)

式中，Y1，Y2，…，YN—不同的参数序列，根据上述的贪心算法模型后，可以使用达西定律进行简化处理，将不同尺度的数据源进行随机整合，完成3D数据转化。

此时可以使用NURBS-TIN-Brep混合混凝土重力坝渗流场参数数据结构，进行三维精细建模，即将各类地质构造作为相应的地质单元，进行重组，此时可以完成布尔切割运算，将不同的构造体作为地质单元整体，生成符合相应拓扑关系的闭合实体边界，连接不同的边界点，此时的建模过程如图2所示。

图2 数值模拟建模过程图

由图2可知，根据上述的数值模拟过程图可以进行地质曲面拟合，此时得到的参数节点矢量如下：

(5)

式中，m—最小二乘参数；n—控制点权重；p—求解参数，使用上述构建的渗流场参数优化数值模拟模型可以有效地进行参数优化求解，提高最终的参数优化精度。

1.3 进行混凝土重力坝坝基渗流场参数优化多目标求解

混凝土重力坝坝基渗流场参数优化的复杂性较高，仅根据单参数无法进行求解，因此，本文设计的参数优化方法进行了多目标优化求解。即根据不同坝基渗流场参数内容进行了分析，得到了多目标近似优化关系式，其次考虑不同参数的关联性，生成多目标求解子集，实现坝基渗流场参数优化，多目标求解框架如图3所示。

图3 坝基渗流场多目标求解框架

由图3可知，根据上述的多目标求解框架，可以生成多目标优化问题，设置多目标优化函数，即在保证不同参数不存在重叠关系的基础上进行寻优求解，注意处理不同子目标之间的互相冲突关系，从而得出最终的渗流场参数优化结果。

2 实例分析

2.1 概况及准备

针对混凝土重力坝坝基渗流场参数优化实例分析要求，本文选取G混凝土重力坝工程进行了实例分析。已知G混凝土重力坝工程位于我国某江的中游段，属于大中型水电工程，坝体水库蓄水水位为1135m，死水位为1122m，装机容量为3000MW，库容为20.5亿m3，G混凝土重力坝工程平面示意如图4所示。

图4 G混凝土重力坝工程平面示意图

由图4可知，G混凝土重力坝工程具备核心挡水建筑物枢纽，形成组合堆石坝，坝顶长度为1158m，最大坝高为1139.5m，存在明渠溢流坝段、左岸混凝土重力坝，右岸堆石坝、非溢流坝段。

G混凝土重力坝工程属于不对称型斜向枢纽，河流自北向南流出，主要岩性包括砂岩、泥浆岩等，存在断层等不良地质条件。为了降低混凝土重力坝压力，该工程设置了深孔中心，封闭了帷幕区域，实现了排水衔接。除此之外，该工程的坝体采用二级配混凝土，设置了初级防渗结构，排水孔间距为0.11m。为了准确地获取重力坝的渗流量状态，降低不确定因素对实例分析结果造成的影响，本文使用三维计算法生成了坝基岩层模型，如图5所示。

图5 三维坝基模型

由图5可知，上述三维坝基岩层模型可分为多个地层，本文根据灌浆帷幕材料生成了等效参数模型，预设了该坝基的渗流状态，将坝基转化为均质体。该坝体共设置了11308052个单元和76920328个节点，分析精度较高，此时即可得到后续的渗流场参数实例分析结果。

2.2 应用效果与讨论

结合上述的概况及准备，根据选取的工程可以生成三维模拟模型，此时使用本文设计的基于贪心算法的混凝土重力坝坝基渗流场参数优化方法进行参数优化，使用标准模型预设不同坝段的模拟值，此时将得到的不同坝段的渗流量计算值与模拟值对比，实例分析结果见表1。

表1 应用效果

由表1可知，使用本文设计的基于贪心算法的混凝土重力坝坝基渗流场参数优化方法优化后计算的渗流量与模拟的混凝土重力坝坝基渗流场渗流量相拟合，证明设计的基于贪心算法的混凝土重力坝坝基渗流场参数优化方法的优化效果较好，具有可靠性，有一定的应用价值。

3 结语

综上所述，混凝土重力坝是一种常见的水利建筑，具有良好的应用价值，能有效地下水压力。受混凝土重力坝特殊的构建方式影响，其容易出现渗漏层，导致坝体失稳，出现严重的渗漏事故，因此，需要对其坝基渗流场参数进行优化设计，排除坝体渗漏干扰。常规的混凝土重力坝坝基渗流场参数优化方法的优化效果较差，不符合混凝土重力坝的筑造要求，因此本文基于贪心算法，新的混凝土重力坝坝基渗流场参数优化设计方法。进行实验结果表明，设计的混凝土重力坝坝基渗流场参数优化设计方法的优化效果较好，具有可靠性。