引水式地下電站尾水洞開(kāi)挖與支護(hù)順序的進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究

蔣子健

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110000)

0 引 言

遼河流域某梯級(jí)開(kāi)發(fā)水利樞紐工程的地質(zhì)條件十分復(fù)雜，特別是穿越多種軟硬相間巖層的地下洞室圍巖工程更加嚴(yán)重。所以，研究分析尾水洞圍巖安全穩(wěn)定性具有極其重要的意義[1]。

由于地下電站地質(zhì)存在多樣性與復(fù)雜性特征，許多因素均可對(duì)尾水洞施工的穩(wěn)定性和安全產(chǎn)生影響，從開(kāi)挖和支護(hù)施工的層面有單循環(huán)開(kāi)挖高度、支護(hù)的滯后時(shí)間、開(kāi)挖步長(zhǎng)度等，且各決策變量存在多種排列組合，在確定的某些條件下考慮未定因素的情況也很多，逐一運(yùn)算量大且耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)[2]。若考慮多個(gè)評(píng)價(jià)因子的綜合影響，通常難以有效的確定各評(píng)價(jià)因子與決策變量之間的非線性關(guān)系。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和人們對(duì)巖體特性理論的不斷研究，在模擬計(jì)算巖體穩(wěn)定性方面智能化穩(wěn)定分析法得到研究應(yīng)用，較為常用的有SVM支持向量機(jī)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和模糊函數(shù)法等預(yù)測(cè)方法。對(duì)于不同方案的開(kāi)挖支護(hù)的穩(wěn)定問(wèn)題處理，改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和正交設(shè)計(jì)法具有較好的適用性與有效性。將正交設(shè)計(jì)構(gòu)造的樣本方案運(yùn)用有限元程序和有限因子計(jì)算，為選取所有方案中的最優(yōu)方案運(yùn)用進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)。然而，目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的公式確定最重要的判據(jù)因子，如何統(tǒng)一考慮影響大型洞室穩(wěn)定性的多個(gè)指標(biāo)[3-7]。

1 進(jìn)化有限元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

融合了生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)的ANN人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有學(xué)習(xí)及自適應(yīng)功能強(qiáng)大、高度的非線性和良好的容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，該模型能夠從大量的樣本中通過(guò)學(xué)習(xí)獲取非線性復(fù)雜關(guān)系，為最大程度的逼近輸出樣本不斷改變權(quán)值，最終實(shí)現(xiàn)新樣本的預(yù)測(cè)分析。然而，空間結(jié)構(gòu)很大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)往往難以獲取最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)能力低，泛化和學(xué)習(xí)還無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。從數(shù)學(xué)的角度分析，選取的網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)存在較大的經(jīng)驗(yàn)性和盲目性，極易產(chǎn)生局部極小點(diǎn)的情況。采用傳統(tǒng)的方法處理以上復(fù)雜問(wèn)題通常較為困難，因此本研究采用GA遺傳算法對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)、快速的計(jì)算。GA遺傳算法是一種對(duì)全局擇優(yōu)的概率搜索法，該算法遵循生態(tài)系統(tǒng)中優(yōu)勝劣汰和生存競(jìng)爭(zhēng)的規(guī)則，通過(guò)變異、雜交、復(fù)制等操作對(duì)某一初始值運(yùn)算，經(jīng)若干代的不斷迭代運(yùn)算逐步逼近群體中的最優(yōu)值。通過(guò)簡(jiǎn)單的繁殖機(jī)制和編碼技術(shù)，遺傳算法可用于解決極其復(fù)雜、困難的問(wèn)題。GA法相對(duì)于與其他搜索算法具有更高效運(yùn)算效率，不受連續(xù)性、可微型等目標(biāo)函數(shù)的限制，特別是對(duì)于復(fù)雜的規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題，它有更強(qiáng)的的計(jì)算性能和廣泛的應(yīng)用前景[8]。

權(quán)值計(jì)算和尋找最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)時(shí)ENN進(jìn)化網(wǎng)絡(luò)得到學(xué)術(shù)界的廣泛研究，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)引入GA算法的相關(guān)研究取得了豐碩的成果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)利用進(jìn)化算法確定，通過(guò)學(xué)習(xí)步數(shù)和隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的確定盡可能的找出一個(gè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。該方法在問(wèn)題可計(jì)算的情況下即可完成整個(gè)解空間的搜索，從而確定全局最優(yōu)解。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用遺傳算法加以優(yōu)化，由此可構(gòu)造出具有自適應(yīng)、自凈化能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GA-NN。

目前，在巖土工程中有限元法的應(yīng)用相當(dāng)廣泛且理論體系比較成熟，通過(guò)對(duì)邊界條件和力學(xué)模型的合理選取，利用有限元即可對(duì)工程進(jìn)行較為真實(shí)的數(shù)值模擬[9]。將優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與有限元法相耦合，其基本流程為：采用正交設(shè)計(jì)法和編碼方案，構(gòu)造出數(shù)值模擬的樣本方案，編碼如表1所示；有限元的建立，各計(jì)算方案應(yīng)包含于劃分的單元；評(píng)價(jià)指標(biāo)值的運(yùn)算輸出；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型確定隱層節(jié)點(diǎn)和學(xué)習(xí)步數(shù)，最終模擬分析最優(yōu)方案。

表1 方案編碼

2 尾水洞的布置

2.1 工程地質(zhì)狀況

遼河流域某水利樞紐的裝機(jī)容量為4×400MW，裝機(jī)臺(tái)數(shù)為4。電站建筑物有廠外排水洞、通風(fēng)及管線洞、尾水洞、母線洞、主廠房、進(jìn)水口、引水隧洞、引水渠、尾水平臺(tái)、安裝場(chǎng)、交通洞、500vV變電站、尾水渠等。

垂直主廠房直線布置4#尾水洞軸線，其中編號(hào)為1-4#的尾水洞沿山的內(nèi)側(cè)向河谷方向布設(shè)，劃分為前后漸變段、尾水管加長(zhǎng)與尾水管段、標(biāo)準(zhǔn)段。水尾洞總長(zhǎng)度為1260.38m，1-4#水尾洞長(zhǎng)依次為326.20、316.85、312.11、305.22m，尾水隧洞凈直徑為8.6-10.5m范圍，標(biāo)準(zhǔn)段為10.5m，混凝土支護(hù)厚1.2m，中心距為30m。按兩標(biāo)段施工整個(gè)工程項(xiàng)目，一標(biāo)段長(zhǎng)68.522m為主廠房至分標(biāo)線區(qū)間；二標(biāo)段為出水口方向至分標(biāo)線段。2.3 模型計(jì)算

根據(jù)工程地質(zhì)相關(guān)資料，選取X×Y×Z=360m×270m×420m作為計(jì)算區(qū)域，主廠房與1#尾水洞平面交線的中心設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)X、Y、Z軸的方向分別與主廠房軸線平行、與地面垂直、與主廠房軸線垂直，指向分別以向山體內(nèi)側(cè)、向上和出水方向?yàn)檎纱丝蓸?gòu)造有限元模型。三維離散型單元模型的劃分方式為free，單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)為96185、17620個(gè)；模型地面存在三向約束，除河谷外其它3面均存在方向約束。僅考慮初始地應(yīng)力的屈服規(guī)則設(shè)定為Druckre-Prager，巖體的力學(xué)性能如表2所示。

表2 各地層巖體力學(xué)性能

續(xù)表2 各地層巖體力學(xué)性能

3 結(jié)果分析

3.1 有限元計(jì)算結(jié)果

表3 正交設(shè)計(jì)方案尋優(yōu)結(jié)果

續(xù)表3 正交設(shè)計(jì)方案尋優(yōu)結(jié)果

3.2 位移與變形分析

正交設(shè)計(jì)的各方案中，頂板在Y方向的位移最大，總體處于6-9cm范圍，底板位移整體為5-7cm范圍，最大位移關(guān)于左、右兩端的比值較為均衡，整體介于6.0-8.2cm范圍。同節(jié)點(diǎn)位移的最大值相差約為3cm，1#尾水洞的四點(diǎn)位移指標(biāo)值比其它水尾洞大。1#尾水洞頂板位移最大點(diǎn)1065#節(jié)點(diǎn)在最優(yōu)方案中的X、Y、Z坐標(biāo)依次為-0.52m、35.58m、280.41m，即與出水口相距約40.85m處的后漸變段至標(biāo)準(zhǔn)段相交附近位置，相應(yīng)的位移值為8.945cm；底板位移最大點(diǎn)1485#節(jié)點(diǎn)位于與出水口相距約24m的位置，對(duì)應(yīng)的位移值為7.850cm；左側(cè)、右側(cè)位移最大點(diǎn)1431#節(jié)點(diǎn)、1452#節(jié)點(diǎn)分別位于距出水口30.35m和38.2m位置，其位移值依次為8.810cm、6.852cm；二標(biāo)出水口附近為Z軸方向位移最大處，該位置不在一標(biāo)段。

沿水流方向同一條尾水洞的位移呈不斷增大的變化特征，底板的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于垂直方向的頂板位移。尾水洞以右側(cè)最高點(diǎn)出水口方向?yàn)閳A心項(xiàng)整體內(nèi)擴(kuò)散，對(duì)于整個(gè)區(qū)域來(lái)說(shuō)其位移逐漸變化逐漸降低[10]。

4 結(jié) 論

1) 運(yùn)用進(jìn)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠較好的反映尾水洞開(kāi)挖與支護(hù)的位移變化特征，通過(guò)對(duì)正交設(shè)計(jì)方案的學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)確定最優(yōu)方案，模型預(yù)測(cè)誤差基本控制在3%以內(nèi)且運(yùn)算時(shí)間大大減少，優(yōu)選結(jié)果具有較強(qiáng)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。對(duì)待優(yōu)選方案的全局搜索，不僅克服了預(yù)測(cè)過(guò)程容易陷入局部最小的難題，而且能夠保證優(yōu)選方案為全局最優(yōu)，對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題的處理具有較好的適用性。

2) 從河谷向山體方向四條尾水洞水平面上的變形及位移均表現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)，且同一洞內(nèi)的位移和變形沿水流方向也呈不斷增大的趨勢(shì)，底板位移在垂直方向上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頂板?？傮w而言，尾水洞以右側(cè)最高點(diǎn)出水口方向?yàn)閳A心項(xiàng)整體內(nèi)擴(kuò)散，對(duì)于整個(gè)區(qū)域來(lái)說(shuō)其位移逐漸變化逐漸降低。

3) 先挖1#、3#洞，后挖2#、4#洞的工程招標(biāo)開(kāi)挖方案不是最優(yōu)，采用不同動(dòng)量項(xiàng)和學(xué)習(xí)率等參數(shù)的GANN優(yōu)化結(jié)果顯示，先挖2#、4#洞、后挖1#、3#洞的方案為第四優(yōu)化指標(biāo)因子的最優(yōu)方案。