基于多目标粒子群的坝电站坝基防渗排水优化
时间：2023-01-23 20:15:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
周 欣
(吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000)
近年来，随着人们对于电力需求的提升，坝电站的数量也在逐年增加，提升电力的调度与供应效率[1]。虽然为人们的生产、生活提供了极大的便利条件，但是传统的执行方式为电站的坝基、坝顶造成了极大的压力，经过长时间的影响，逐渐暴露出变形、裂缝、崩塌甚至断裂等问题，造成坝基出现了严重的渗漏情况[2]。与此同时，基础的防渗结构对于水源的控制效果并不明显，部分结构甚至在水源的冲击之下，塌陷、散落，对于坝基形成二次伤害，不仅降低了实际的工作效率，同时也时刻威胁着管理人员的人身安全[3]。
为更好地解决渗流、渗控问题，本次结合多目标的粒子群处理技术，设计更具针对性的坝电站坝基防渗排水优化模式。考虑到最终测试结果的稳定与可靠，选择真实的坝电站实现测定与分析，利用多目标粒子群原理，调整防渗排水的整体结构，以预设的排水目标作为引导，逐步构建更加灵活、多元的排水结构，将防渗与排水理念结合在一起，与“前堵后排”的渗控模式相融合，更为细化、完整地对存在的渗漏排水问题进行处理，再结合水文条件情况的变动，设定更为坚固的坝基，渐渐完善、优化防渗排水结构，为坝电站后续的建设奠定基础条件[4]。
1.1 防渗帷幕基础布置
防渗帷幕实际上是坝电站防渗结构中关键且重要的一项渗控措施，属于介质特性防渗控制，对于坝基的渗漏问题处理具有较强的针对性[5]。利用专业设备，对坝电站的坝基进行扫描，定位出防渗结构的薄弱面和交错区域，并利用检测装置进行标记[6]。此时，测定排水管道的数量，并记录每一根管道的实际情况，确保管道处于通常的状态[7]。
接入引管，加强坝电站坝基内部的缝隙水和岩孔隙水排出，一定程度上可以降低坝基的扬压力，对于缝隙的延伸可以进行有效控制[8]。以此为基础，将基础的防渗结构与排水管道连通，形成统一的循环防渗体系，并根据坝基的距离和宽度等数据，测定出防渗帷幕的深度，具体如式(1)所示：
(1)
图1 防渗帷幕布置图示
根据图1，可以完成对防渗帷幕的布置与设计，随后，根据设计的渗漏状态，对防渗帷幕的排距与孔距数值作出定向调整，完成防渗帷幕设计。
1.2 排水渗流扬压力计算
在完成对防渗帷幕基础的布设之后，结合多目标粒子群原理，进行排水渗流扬压力计算。通常情况下，不同的坝电站所构建的坝基规模也是不同的，所以在优化过程中，针对于坝电站的日常调度情况，加强对重力的控制与调整。
目前阶段，坝基所承受的重力并不均匀，这主要是由于水流冲击位置并不均匀，这在一定程度上也会导致坝底面扬压力分布不均，促使坝基的受力不可控，更容易形成裂缝、塌落等问题。设定在不同的荷载状态下，坝基的受力情况的变动，具体分析见表1。
表1 不同荷载下坝基受力情况变动表
根据表1，在不同荷载环境下，对坝基受力变动情况分析设定。结合上述获取的数值、信息，调整防渗漏帷幕的基础指标值。与排水系统形成搭接，在灌浆帷幕的下游处设定排水孔列，一般单向距离为2.03～2.11cm之间，并计算出渗流扬压力，具体如式(2)：
(2)
式中,U—渗流扬压力;θ1—预设折减差值;θ2—实测折减差值;—帷幕排水间距。通过上述计算，最终可以得出实际的渗流扬压力，完成测算之后，调整防渗帷幕与排水系统的指标，为后续优化工作奠定基础条件。
1.3 构建多目标等效粒子群防渗排水优化模型
在完成对排水渗流扬压力的计算之后，需要结合多目标粒子群原理，设计等效防渗排水优化模型。首先，需要建立一个等效的防渗排水架构，赋予其防渗帷幕的基础设置，在架构中植入等效连续介质处理结构，促使坝电站坝基岩体孔隙和裂隙网络更为均匀地分布在整个流域之内。
但是坝基内部的防渗结构反透水性一般需要保持在90%以上，可部分坝基却仅可以达到85%～89%之间，一定程度上无法抵挡水源对坝基的冲击力。采用多目标粒子群原理，获取区域性透水情况，具体见表2。
表2 区域性透水情况设定表
根据表2，可以完成对区域性透水情况的掌握与分析，此时，针对坝基的排水实际情况，设定对应的透水通道，结合多目标粒子群原理，构建防渗漏排水几何结构，具体如图2所示。
图2 多目标等效粒子群防渗排水优化结构图示
根据图2，可以完成对多目标等效粒子群防渗排水优化结构的设计与调整。在标定的坝基防渗区域之内，结合后水动力的粘滞系数和渗漏情况，利用模型建立多目标的透水通道，这部分需要注意的是，多目标排水也需要防渗结构的辅助，所以，需要搭建等效的防渗排水渗流场，设定多目标的粒子防渗单元，对坝基的渗漏优化进行实时监测，进一步完善优化模型。
1.4 联合排水法实现防渗排水优化
采用联合排水法，逐渐营造稳定的防渗排水环境，提升整体的优化效果。在初始防渗结构的基础之上，增设一个多方向的排水阀门，进行排水管道的限流，在坝基的防渗设施之上，修建一个浮拖截面，一端高于排水管道，一端与坝基的防渗结构连通，具体如图3所示。
图3 联合排水法结构图示
根据图3，可以完成对联合排水法结构的设计与调整，结合坝基的防渗处理情况，设定二阶段的引水、排水，完成优化后的防渗结构一旦遭遇水位上涨或者洪水等情况，可以采用联合排水法，利用连排水管道，降低坝基的冲击力和渗漏问题的出现，营造更加稳定的防渗环境，实现多目标优化处理。
本次主要是对多目标粒子群的坝电站坝基防渗排水优化效果进行分析与测验。考虑到分析结果的真实性和可靠性，选择G坝电站中的6个坝基作为测试的主要目标对象，针对于该坝电站的应用优化需求，提取存在的防渗排水问题，并设计具体、有针对性的防渗排水方案，获得最终的实例分析结果。
2.1 G坝电站防渗排水现状
G坝电站位于我国西南地区，是我国雅砻江中游区域第五梯级坝电站。初期建设为混凝土制造的双曲拱坝，经测定实际的坝高为221m，坝基的高度为165m，整体的坝体宽度为121～30m之间。坝电站的电机容量为2200MW，总库容约8.5×108m3，下游构建了水库，正常蓄水位为2034m。G坝电站的位置如图4所示。
图4 G坝电站位置图示
根据图4，可以完成对G坝电站位置的了解。另外，该坝电站建设的时间较长，虽然基础设施较为完整，系统，但是由于修缮不及时，部分设备、装置已经不具备原本的实用价值，严重的甚至会对工作人员造成人身伤害。不仅如此，由于修缮、维护不及时，G坝电站的部分防渗排水设施与系统的实际状况也十分糟糕，不仅无法发挥预期的应用价值，还对坝基以及坝顶造成不同程度的损坏，加重坝基的实际渗漏情况。
不仅如此，由于G坝电站的引水量较大，超过所建大坝的标定承受范围，水的冲击力一定程度上也给予防渗结构和排水管道较大的压力，如图5所示。
图5 坝基渗漏现状图示
根据图5，可以了解到坝基渗漏现状。在高压的环境之下，部分坝基出现裂缝、塌陷、下沉以及断裂等问题，对于G坝电站日常工作的执行形成阻碍，现状堪忧。
2.2 G坝电站坝基防渗排水优化实证分析
经过对G坝电站防渗排水现状进行分析之后，采用多目标粒子群原理，进行坝基防渗排水优化处理测验。结合G坝电站坝基的渗漏情况，利用电子设备，获取基础的应用数值、信息，并对各个区域的渗漏情况进行汇总分析，具体见表3。
表3 各个坝基区域渗漏情况分析表
根据表3，可以完成对各个坝基区域渗漏情况的分析与研究。随后，依据得出的数值，结合多目标粒子群原理，在坝基之上布设一定数量的防渗排水单元节点，每一个节点的间距为10m。利用优化模型，对防渗结构作出处理，同时，采用联合排水法，将引水截面与排水管道、防渗结构关联在一起，营造个更为安全、稳定的防渗环境，实现优化渗控。测定此时的渗漏量，与初始的渗漏量进行比照验证，测试结果见表4。
表4 测试结果比照分析表
根据表4，可以完成对测试的分析：经过6个坝基的测试，可以观测到防渗排水结构经过优化，渗控比均控制在1.5以下，表明完成优化之后，防渗结构的整体法效果得到了明显提升，具有实际的应用价值。
以上，便是采用多目标粒子群算法进行坝电站坝基防渗排水优化的方法设计与验证。结合相关技术，需获取往期的防渗排水数据、信息，将其作为优化工作的引导，针对坝基存在的渗漏问题，逐步制定完整、全面的防渗排水方案，降低过度渗漏、侧向排水造成的事故发生概率。与此同时，在多目标粒子群的辅助处理下，针对于坝基内部裂缝、断裂等问题，也需要及时进行处理与优化，建立更加坚固的防渗排水结构，增强坝电站发电排水的同时，确保防渗工作的安全与高效。
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