混凝土面板堆石壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

【摘要】水利水電工程是我國(guó)建筑領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。水利水電工程中的堆石壩可以分為土質(zhì)防滲體和非土質(zhì)防滲體堆石壩，混凝土面板堆石壩作為一種重要的非土質(zhì)防滲體堆石壩，由于其本身的一些施工優(yōu)勢(shì)得以廣泛地應(yīng)用在水利水電工程項(xiàng)目中。雖然我國(guó)已經(jīng)建成的混凝土堆石壩的數(shù)量在逐漸增多，但是對(duì)混凝土石壩的相關(guān)研究還不夠深入，傳統(tǒng)的混凝土堆石壩設(shè)計(jì)在現(xiàn)代化水利水電工程施工中逐漸暴露一些問題。

【關(guān)鍵詞】混凝土面板堆石壩；優(yōu)化設(shè)計(jì)；方法

引言

本文主要從混凝土面板堆石壩的發(fā)展及優(yōu)點(diǎn)入手，對(duì)混凝土面板堆石壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，并著重對(duì)遺傳算法用于混凝土面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討。

一、混凝土面板堆石壩的發(fā)展及其優(yōu)點(diǎn)

（一）我國(guó)混凝土面板堆石壩的發(fā)展

改革開放以后，我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展?；炷炼咽瘔我舶殡S著水利水電工程的大力發(fā)展提高了其施工水平和設(shè)計(jì)水平等。我國(guó)最初設(shè)計(jì)并投放使用的混凝土面板堆石壩采用傳統(tǒng)的拋填式施工方法，壩高不到 50 米。截至目前，我國(guó)已經(jīng)完成或者在建的混凝土面板堆石壩的數(shù)量已經(jīng)超過 80 座，而且其壩高也得到了很大的提升，有不少壩高超過了 100 米。

（二）混凝土面板堆石壩的優(yōu)點(diǎn)

混凝土面板堆石壩的筑壩材料來(lái)源廣泛，可以就地取材，也可以充分利用一些工程廢料作為原材料，因而大大降低了筑壩的成本費(fèi)用；混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體型較小，相比土質(zhì)防滲體堆石壩而言，其滲透水壓力比較小，施工方式和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械操作過程更為簡(jiǎn)單便捷；由于水利水電工程的施工地形和地質(zhì)條件比較復(fù)雜，混凝土面板堆石壩具有更強(qiáng)的抗震性能和綜合穩(wěn)定性能，能夠較好地適應(yīng)水利水電工程的施工環(huán)境和地質(zhì)特點(diǎn)，也能很好地適應(yīng)各種惡劣的氣候條件，如強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)降雨、寒冷氣候等；相對(duì)一般的水利水電工程堆石壩而言，混凝土石板堆石壩的設(shè)計(jì)基本上能保證項(xiàng)目對(duì)安全性和可靠性的要求，并沒有較大的安全隱患和設(shè)計(jì)缺陷。

二、混凝土面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

混凝土面板堆石壩本身的施工優(yōu)勢(shì)使得其在水利水電工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著社會(huì)科學(xué)經(jīng)濟(jì)等水平不斷提高，人們對(duì)水利水電工程的需求也在不斷提升，對(duì)堆石壩的高度也要求越來(lái)越高。應(yīng)該在傳統(tǒng)的混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，根據(jù)其本身的經(jīng)濟(jì)適用以及安全性能等特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法在對(duì)大壩的安全可靠性、靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)受力情況以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行充分研究，進(jìn)一步對(duì)混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

隨著上世紀(jì)八十年代我國(guó)在人工智能方面的不斷發(fā)展和各種領(lǐng)域?qū)W科的相互融合及發(fā)展，各種現(xiàn)代的混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)優(yōu)化方法層出不窮，并且這些方法都取得了不錯(cuò)的進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用。這些現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要是一些啟發(fā)式算法和智能化優(yōu)化方法?，F(xiàn)代混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用比較普遍的包括可以對(duì)離散型非線性變量找到全局最優(yōu)解的模擬退火法、模擬人的神經(jīng)元組織并借助其連接權(quán)值以及特征值的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法、由父代二進(jìn)制字符串繁殖下一代的建立在遺傳機(jī)制基礎(chǔ)上的遺傳算法等。由于遺傳算法相比其他算法具有更加廣泛的適用性，其解決問題的能力也得到了大幅提高，該方法用于混凝土面板堆石壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)有很大的前途和發(fā)展，下面主要對(duì)遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討。

三、遺傳算法

（一）基本原理

遺傳算法是利用自然界的遺傳機(jī)制，通過對(duì)染色體上的基因進(jìn)行擇優(yōu)選擇，從而得出最優(yōu)解的一種方法。遺傳算法事先并沒有對(duì)求解的問題進(jìn)行了解和設(shè)置，而是通過對(duì)染色體進(jìn)行全面綜合的評(píng)價(jià)，選擇適應(yīng)性較強(qiáng)的基因，剔除適應(yīng)性差的基因，最終留下的染色體得以有機(jī)會(huì)進(jìn)行繁殖。遺傳算法是將遺傳學(xué)與數(shù)學(xué)模擬方法相結(jié)合的一種優(yōu)化方法。

（二）基本流程

遺傳算法是通過對(duì)生物繁殖過程中遺傳學(xué)上各種進(jìn)化和淘汰現(xiàn)象的狀況進(jìn)行一定的數(shù)字化模擬操作，以適者生存為原則，根據(jù)各種基因的適應(yīng)性選擇新的個(gè)體進(jìn)而組成新的群體，則該群體中的個(gè)體相比上一代的基因而言，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，是更為理想的個(gè)體。遺傳算法的基本流程是：編碼—生產(chǎn)初始群體—確定適應(yīng)度函數(shù)—執(zhí)行繁殖過程—對(duì)生成種群收斂性判斷—終極計(jì)算并得到最優(yōu)解?？梢娺z傳算法的計(jì)算程序更加簡(jiǎn)單便捷，其計(jì)算流程和原理框架比較清晰易懂，這種方法被人們普遍接受。

（三）優(yōu)化設(shè)計(jì)

為使遺傳算法在混凝土面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果更加突出，在其優(yōu)化設(shè)計(jì)過程應(yīng)該注意以下幾個(gè)問題。

1 確定適應(yīng)度函數(shù)

遺傳算法中唯一的選擇標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)就是適應(yīng)度函數(shù)。該指標(biāo)可以通過對(duì)比相關(guān)的設(shè)計(jì)方案來(lái)得出，也能在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行評(píng)估判斷，適應(yīng)度函數(shù)也叫評(píng)價(jià)函數(shù)，是很多個(gè)體適應(yīng)度的算術(shù)平均值，因此不能為負(fù)。在完成一次迭代后，適應(yīng)度較高的被選擇，適應(yīng)度較低的 被淘汰。適應(yīng)度函數(shù)有多種轉(zhuǎn)換公式，每種公式都或多或少存在一定的局限性和不足。針對(duì)遺傳算法進(jìn)行運(yùn)算過程中出現(xiàn)的早熟現(xiàn)象（即運(yùn)行后期個(gè)體適應(yīng)度差異較小導(dǎo)致群體進(jìn)化停止的現(xiàn)象），可以適當(dāng)?shù)貙?duì)函數(shù)適應(yīng)度進(jìn)行縮放。通過指數(shù)調(diào)整、冪調(diào)整和線性調(diào)整等方法來(lái)避免過程中的早熟現(xiàn)象。

2 編碼技術(shù)

在遺傳算法對(duì)混凝土面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將遺傳學(xué)染色體擇優(yōu)選擇繁殖下一代產(chǎn)最優(yōu)群體與目標(biāo)函數(shù)組成對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)鍵技術(shù)是編碼技術(shù)。雖然遺傳算法對(duì)編碼技術(shù)的要求

不高，但也應(yīng)注意選擇不同的編碼方式將會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，尤其是交叉、變異兩種算子，編碼方式不同甚至?xí)乖O(shè)計(jì)的總體功能受到影響。

四、結(jié)語(yǔ)

今年來(lái)各種混凝土面板堆石壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法不斷涌現(xiàn)，各種相關(guān)的科技網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等也應(yīng)運(yùn)而生。其中 MATLAB 軟件已經(jīng)逐漸應(yīng)用在遺傳算法中并且得到了很好的進(jìn)展，大大簡(jiǎn)化了遺傳算法的工作量。在未來(lái)對(duì)混凝土面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究工作中，應(yīng)該更加深入了解并探討更多的優(yōu)化策略，使混凝土面板堆石壩達(dá)到更高的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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