基于遺傳算法的九鄉(xiāng)河雙扉閘門優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

黃淑娟，張?zhí)扃?域

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210006）

0 引言

九鄉(xiāng)河是城東地區(qū)一條重要的排水河道，也是規(guī)劃中秦淮東河分洪工程的入江通道，擔(dān)負(fù)了城市防洪、排水以及水生態(tài)環(huán)境改善等多種功能，是區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)保障。根據(jù)河道現(xiàn)狀和問題、相關(guān)規(guī)劃及區(qū)域發(fā)展需要和緊迫性，統(tǒng)籌考慮局部、整體關(guān)系，通過河道拓浚、新建河口閘站、堤防加固及配套建筑物拆改建等，提高九鄉(xiāng)河流域防洪標(biāo)準(zhǔn)，改善九鄉(xiāng)河及東河沿線水環(huán)境，并兼顧滿足秦淮東河分洪要求。九鄉(xiāng)河口閘的主要功能為汛期防洪，非汛期蓄水。閘址應(yīng)選擇靠近河口位置，可以大大減少閘下長江側(cè)堤防長度，縮短防洪戰(zhàn)線；在枯水期可以減少閘下枯水河段的長度，使河道維持一定的景觀水位，大大改善河道景觀及生態(tài)環(huán)境。同時(shí)考慮閘下河段的安全及長江河勢的影響，閘門選用雙扉直升門。該類型的閘門尺寸設(shè)計(jì)直接會影響到閘門整體受力特點(diǎn)及河道水流調(diào)節(jié)效果。因此，對該閘門進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要的意義。

通過分析九鄉(xiāng)河及長江水位變化特點(diǎn)，以及九鄉(xiāng)河閘站功能需求，本文采用具有快速搜索的遺傳算法對閘門尺寸進(jìn)行優(yōu)化搜索，分別搜索不同閘門尺寸對應(yīng)的啟門力及閉門力，統(tǒng)計(jì)各計(jì)算結(jié)果并搜索出最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 GA優(yōu)化搜索方法

遺傳算法（Genetic Algorithm）簡稱GA，是一種具有強(qiáng)大極值搜索功能的優(yōu)化搜索方法[1-2]。相比于常規(guī)試算方法，該方法能夠在已知約束范圍內(nèi)迅速搜索出最優(yōu)限值，并有效避免了不必要的重復(fù)工作及非優(yōu)參數(shù)選用風(fēng)險(xiǎn)，使得設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。

1.1 遺傳算法原理

遺傳優(yōu)化算法是一種類似生物遺傳原理的搜索算法。該算法可以同時(shí)評估多個(gè)滿足約束條件的解，其求解過程不需要求導(dǎo)，故計(jì)算原理簡單易懂，適用性廣泛[3-5]。運(yùn)算過程同樣也具備生物遺傳理論中的遺傳及變異情況，具體運(yùn)算過程可總結(jié)為6個(gè)階段，詳見表1，運(yùn)算流程圖詳見圖1。

圖1 遺傳算法優(yōu)化搜索流程圖

1.2 適應(yīng)度評價(jià)公式

通過遺傳算法的全局尋優(yōu)能力，即可快速且準(zhǔn)確地得到所需計(jì)算模型的重要參數(shù)，從而使得計(jì)算模型為最優(yōu)[6]。該算法通常以某結(jié)果的均方差（MSE）作為搜索最優(yōu)參數(shù)的判斷精度，力求搜索過程中的最小均方差為優(yōu)化的目標(biāo)條件，其中均方差公式如下：

式中：

f（x）—搜索目標(biāo)計(jì)算公式；

y—約束條件；

n—搜索個(gè)數(shù)。

2 上下扉門啟、閉門力計(jì)算公式

閘門計(jì)算中最重要的就是根據(jù)實(shí)際工程需要，對不同工況下的閉門力、啟門力進(jìn)行受力復(fù)核。

閉門力FW公式如下：

式中：

Tzd—滾輪摩阻力；

Tzs—側(cè)止水摩阻力；

G—扉門自重；

nT—摩阻力安全系數(shù)，一般取1.2；

nG—門重修正系數(shù)，取0.9。

啟門力Fq公式如下：

式中：

Ws—節(jié)間止水所受水柱壓力，kN。

3 節(jié)制閘工程應(yīng)用

3.1 閘型方案比較

九鄉(xiāng)河口閘位于九鄉(xiāng)河入江口附近，是九鄉(xiāng)河口的控制性口門建筑物，主要功能為：汛期關(guān)閘擋長江側(cè)洪水，減少高水位對內(nèi)河堤防的浸泡時(shí)間，減輕內(nèi)河的防汛壓力；秦淮河流域及九鄉(xiāng)河流域發(fā)生洪水時(shí)，作為秦淮河流域的新分洪道之一，九鄉(xiāng)河承擔(dān)著分泄秦淮河流域洪水入江的任務(wù)；非汛期當(dāng)長江水位較低時(shí)，關(guān)閘蓄水，使內(nèi)河保持一定的景觀水位，必要時(shí)九鄉(xiāng)河口泵站抽引江水補(bǔ)充內(nèi)河，也可在九鄉(xiāng)河口閘上下水位合適的情況下開閘反向自流引水，以保持九鄉(xiāng)河水位；遠(yuǎn)期泵站抽引江水從九鄉(xiāng)河往上游石臼湖流域調(diào)水時(shí)，須關(guān)閉閘門，抬高閘上水位，滿足自流條件[7]。

根據(jù)九鄉(xiāng)河口閘的功能要求，故提出高閘和低閘2個(gè)閘型方案，其具體閘型方案比較，詳見表2。

根據(jù)以上2個(gè)方案的特點(diǎn)分析，低閘方案無法滿足防洪及九鄉(xiāng)河口泵站遠(yuǎn)期向上游石臼湖流域調(diào)水的要求，內(nèi)河汛期防汛壓力較大，且蓄水位相對固定，無法靈活調(diào)節(jié)。因此，九鄉(xiāng)河口閘必須采用高閘，才能抬高閘上水位，滿足自流條件，故本階段設(shè)計(jì)選用高閘方案。

3.2 雙扉閘門計(jì)算工況

雙扉閘門由上扉門和下扉門2扇門葉組成，一般情況下使用下扉門泄洪，當(dāng)流域遭遇大洪水時(shí)，上下扉門同時(shí)提起泄洪。九鄉(xiāng)河口閘主要功能為枯水期保持閘上7.50 m的景觀水位，同時(shí)要求非汛期內(nèi)降雨不大時(shí)可以自由溢流，無需頻繁啟閉，運(yùn)行操作方便[8-9]。而雙扉門具有上述功能，即在下扉門門頂設(shè)置順流板，實(shí)現(xiàn)門頂自由溢流，而一般平板直升門及弧形門則沒有該功能，并且雙扉門技術(shù)成熟、運(yùn)行安全可靠、維修方便、管理簡單、投資相對較省等特點(diǎn)。因此，通過綜合比選，九鄉(xiāng)河閘門選用雙扉門方案。閘門為上、下扉型式，均為定輪閘門。主要用于調(diào)蓄內(nèi)河水位、汛期擋長江高水。平時(shí)下扉閘門常閉擋內(nèi)河水，上扉閘門常開提至閘墩以上并鎖定，此時(shí)下扉門類似常規(guī)的表孔門；汛期上、下扉閘門均常閉，擋長江高水，此時(shí)下扉閘門類似潛孔閘門，上扉閘門類似鋼胸墻。計(jì)算水位工況詳見表3。

表2 閘型方案比較表

表3 閘孔方案比選

3.3 優(yōu)化搜索模型

本文采用優(yōu)化模型，以閘門孔寬b及門高h(yuǎn)為搜索參數(shù)，通過公式（2）和公式（3）計(jì)算閘門啟、閉門力作為約束條件。本次優(yōu)化搜索的迭代次數(shù)設(shè)置為50代，種群規(guī)模為50個(gè)，交叉概率為0.8，變異概率為0.2，個(gè)體長度為7。由于九鄉(xiāng)河口閘的設(shè)計(jì)流量為381 m3/s，本次分析九鄉(xiāng)河口閘站級別確定為1級，其約束條件及搜索范圍需滿足下述不等式：式中：

b—變量單位，m。

搜索優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

式中：

N—閘門分孔孔數(shù)；

fi—第i孔的啟、閉門力之和，kN。

3.4 優(yōu)化搜索結(jié)果

采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化搜索過程詳見圖2，搜索結(jié)果為：閘門孔寬為8.5 m，門高為11.5 m，公式（5）中目標(biāo)函數(shù)最小啟門總力為224.4 kN，搜索時(shí)間為23.85 s。根據(jù)長江及九鄉(xiāng)河水位變化情況，可知閘門頂高程不應(yīng)低于11.805 m，經(jīng)計(jì)算水閘閘孔凈寬不應(yīng)小于29.89 m。故綜合優(yōu)化搜索結(jié)果及規(guī)范計(jì)算約束條件，本次工程選3孔10 m單孔寬閘門，閘頂高程控制在12.0 m。3孔調(diào)度相對較靈活，運(yùn)行方便，閘門寬度小，閘門進(jìn)出、起吊較方便，檢修條件較好。

圖2 遺傳算法優(yōu)化過程示意圖

同時(shí)采用公式（2）、公式（3）對以上設(shè)計(jì)進(jìn)行正算校核，閉門力為-88 kN，閘門自重為155 kN，可依靠自重閉門；啟門力為263 kN，選用QPF-2×160 kN閉式卷揚(yáng)啟閉機(jī)，啟閉機(jī)容量有冗余。

4 小結(jié)

九鄉(xiāng)河口閘位于九鄉(xiāng)河入江口附近，具有擋洪、行洪、蓄水和反向引水的功能，并且需要抬高閘上水位向上游調(diào)水，故九鄉(xiāng)河口閘必須采用高閘，才能抬高閘上水位，滿足自流條件。采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化搜索過程簡單快捷，搜索時(shí)間僅為23.85 s，搜索結(jié)果也能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)提供科學(xué)的參考依據(jù)。