抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩中的填筑施工方案優(yōu)化

摘 要：針對(duì)抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩的填筑施工問(wèn)題，提出了一種基于粒子群算法的填筑方案優(yōu)化方法。在這種方法中，將填筑速度對(duì)應(yīng)于粒子速度，將填筑面積對(duì)應(yīng)于粒子位置，構(gòu)建了適應(yīng)度函數(shù)。對(duì)抽水蓄能站上水庫(kù)大壩五個(gè)填筑面進(jìn)行填筑試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)，所提出的粒子群優(yōu)化方法的填筑合格率都達(dá)到了90%以上。本文所提出的填筑方案優(yōu)化方法可以有效提高上水庫(kù)大壩的填筑效率。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；上水庫(kù)；大壩；填筑

中圖分類(lèi)號(hào)：TV 641" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

抽水蓄能電站在水利水電工程中有較為廣泛的應(yīng)用，也是我國(guó)十三五以來(lái)的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目[1]。抽水蓄能電站的功用很多，可以對(duì)整個(gè)電能系統(tǒng)進(jìn)行波峰調(diào)整、波谷拉升的能量控制，同時(shí)在其他電站出現(xiàn)停運(yùn)的情況下也可以作為備用電站[2]?？梢?jiàn)，抽水蓄能電站在整個(gè)電能體系中扮演調(diào)解員、平衡員、后補(bǔ)隊(duì)員的角色。抽水蓄能電站一般包括上水庫(kù)部分、下水庫(kù)部分、開(kāi)關(guān)站部分。在這些構(gòu)成單元中，上水庫(kù)是完成蓄能的重要部分。上水庫(kù)的建設(shè)，一般依托于自然環(huán)境，充分利用當(dāng)?shù)氐牡匦翁卣?、氣候特征[3]。更為有利的是，上水庫(kù)可以利用當(dāng)?shù)氐耐潦降痊F(xiàn)成物料，不僅可以節(jié)約成本，而且也增加了施工便利性。但是，從上水庫(kù)整體上來(lái)看，填筑施工的作業(yè)空間比較局促，再加上相當(dāng)比例的施工量為斜面坡度施工，為了確保大壩壩體和庫(kù)底的同時(shí)施工，整個(gè)填筑作業(yè)就面臨更大的挑戰(zhàn)[4]。因此，結(jié)合上水庫(kù)的實(shí)際情況和施工過(guò)程中的各種影響因素，制定更合理的施工方案是填筑作業(yè)的關(guān)鍵所在[5]。本文在充分分析上水庫(kù)填筑施工的特點(diǎn)、情況和影響因素的基礎(chǔ)上，采取粒子群算法對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩填筑作業(yè)的影響因素分析

1.1 上水庫(kù)大壩填筑施工分析

從工作原理上來(lái)看，抽水蓄能的過(guò)程就是電能與水勢(shì)能、水勢(shì)能與電能在不同時(shí)期的互換，從而保證這兩種不同的能量形式能在最合理的時(shí)期加以運(yùn)用。在蓄能階段，利用電能推動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)抽水過(guò)程，并逐步形成水勢(shì)能的積蓄。這從水勢(shì)能的角度來(lái)看，屬于典型的積蓄階段，這一階段正是電能向水勢(shì)能轉(zhuǎn)化并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的階段。當(dāng)生活用電和工業(yè)用電逐步進(jìn)入高峰時(shí)，就需要電站將前期積蓄的水勢(shì)能變換為電能，并將這些電能輸送到電網(wǎng)上，從而確保電力供給。這一階段也正是水勢(shì)能向電能轉(zhuǎn)化并加以使用的階段。

在整個(gè)抽水蓄能電站的構(gòu)成中，上水庫(kù)占有非常重要的地位。上水庫(kù)的建設(shè)一般要選址在地形較高的地區(qū)，從而確保水勢(shì)能的積蓄。因此，上水庫(kù)一般借助高山盆地來(lái)修建。為了確保積蓄的水源不發(fā)生洪泄，要對(duì)上水庫(kù)大壩進(jìn)行填筑，整個(gè)上水庫(kù)的建設(shè)是挖掘、填筑的一個(gè)統(tǒng)合過(guò)程。從施工具體情況來(lái)看，為了降低建設(shè)成本、提高填筑效率，上水庫(kù)大壩一般采用就地取材、以石料完成填筑的堆石壩建造法。

從上水庫(kù)大壩的施工過(guò)程來(lái)看，上水庫(kù)庫(kù)底的填筑，主要考慮山地地形特征，庫(kù)底可能出現(xiàn)不同的凹陷，深度各異。庫(kù)底填筑有助于庫(kù)底平整，蓄水面積更容易量化測(cè)量。在庫(kù)底填筑過(guò)程中，從庫(kù)底逐漸向上施工，填筑量也不斷加大。大壩填筑實(shí)際上具有同樣的特征，施工量也是從壩底到壩頂逐漸增加。因此，從施工量的角度來(lái)看，不同填筑壩料與大壩長(zhǎng)度之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1展示了上水庫(kù)大壩填筑施工過(guò)程中，3種不同類(lèi)型的填筑壩料對(duì)應(yīng)的有效填筑面積與大壩長(zhǎng)度的關(guān)系。由圖1可知，隨著大壩長(zhǎng)度的增加，壩料一和壩料二的大壩填筑有效面積所需壩料量相對(duì)平穩(wěn)，但壩料二會(huì)呈現(xiàn)急劇增加的態(tài)勢(shì)。這是施工中需要充分考慮的。

1.2 水庫(kù)大壩填筑影響因素

從前面的分析不難看出，在上水庫(kù)的整個(gè)建設(shè)施工過(guò)程中，先挖、后填，整個(gè)的工程量非常大。尤其是填筑過(guò)程，包括了層層施工的多個(gè)環(huán)節(jié)，要充分考慮地形特征、天氣條件、氣候因素、海拔高度、高程高度等因素，這些因素錯(cuò)綜復(fù)雜地交織在一起對(duì)大壩填筑形成非常大的影響。因此，必須綜合考慮多種不同因素的產(chǎn)生條件對(duì)填筑施工的影響渠道、影響強(qiáng)度。這些因素的影響不僅直接決定了大壩填筑施工的質(zhì)量，而且也最終影響填筑施工的時(shí)間進(jìn)度和工程周期。為了便于分析這些因素的影響，將其歸納到如圖2所示的影響因素圖中。

2 基于粒子群算法的上水庫(kù)大壩填筑方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

從前面的分析可知，抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩填筑施工受到許多因素的影響。因此要構(gòu)建一個(gè)合理的施工方案，就要同時(shí)考慮這些施工因素，在對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行局部?jī)?yōu)化的同時(shí)，考慮施工方案的整體最優(yōu)性。

綜上所述，本文選取粒子群算法對(duì)抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩填筑施工方案進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 初始值的生成

首先，運(yùn)行粒子群算法進(jìn)行全局搜索。待收斂到一定程度后，將得到的較好的解作為禁忌搜索算法的初始值，從而提高算法的搜索精度和效率。

每一個(gè)粒子的速度和位置更新方式如公式（1）和公式（2）所示。

vidk+1=?×vkid+λ1×rand（）×（pid-xkid）+λ2×rand（）×（pgd-xkid）" " （1）

xidk+1=xkid+vidk+1 （2）

式中：?為慣性權(quán)重；λ1和λ2為2個(gè)學(xué)習(xí)因子；rand（）為隨機(jī)函數(shù)；pid為第i個(gè)粒子的歷史最優(yōu)位置；pgd為整個(gè)粒子群的歷史最優(yōu)位置。

2.2 鄰域函數(shù)

禁忌搜索算法的鄰域解通過(guò)單點(diǎn)變異實(shí)現(xiàn)。本文采用擾動(dòng)變異的絲線過(guò)來(lái)產(chǎn)生鄰域解，以便保證鄰域解的多樣性。此處，設(shè)計(jì)的鄰域函數(shù)如公式（3）、公式（4）所示。

xinew=xi+f（q）×π×Q×K （3）

（4）

式中：q和Q為隨機(jī)數(shù)；K為比例因子；i為鄰域解的生成次數(shù)。

如果鄰域解的個(gè)數(shù)為L(zhǎng)，那么i在[0，L-1]的區(qū)間取值。此處設(shè)定K=0.93，L=40。

2.3 候選解集

候選解集是鄰域解的一個(gè)子集。在算法中，通過(guò)計(jì)算L個(gè)鄰域解中每個(gè)解的適應(yīng)值，選擇適應(yīng)值最低的前LC個(gè)鄰域解作為候選解集。此處設(shè)定LC=6。

2.4 禁忌表

禁忌表用來(lái)存儲(chǔ)近期搜索過(guò)的解，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)T。每次算法經(jīng)過(guò)迭代后，新的禁忌對(duì)象會(huì)進(jìn)入禁忌表。與此同時(shí)，每個(gè)禁忌對(duì)象的任期應(yīng)該減1。只有當(dāng)禁忌對(duì)象的任期為0時(shí)才能夠被解禁，先進(jìn)入禁忌表的對(duì)象可以先被禁忌出去。禁忌表的長(zhǎng)度對(duì)算法的搜索精度也有一定的影響。如果禁忌表的長(zhǎng)度較大，那么算法的搜索范圍相對(duì)較廣，能夠搜索到較好的解。但是這也造成算法的搜索時(shí)間變長(zhǎng)，收斂速度變慢。如果禁忌表長(zhǎng)度過(guò)小，就不能發(fā)揮禁忌表的作用，容易使算法陷入迂回搜索。因此，禁忌表長(zhǎng)度的設(shè)置是否合理對(duì)算法的結(jié)果有很大的影響。此處設(shè)定LT=8。

2.5 禁忌準(zhǔn)則

設(shè)候選解z（α1，α2，…，αn-2）的適應(yīng)值為E（z），禁忌表中存在一個(gè)解向量y（α'1，α'2，…，α'n-2），其適應(yīng)值為E（y），如果滿足如公式（5）、公式（6）所示的條件，那么，候選解z滿足禁忌準(zhǔn)則，候選解被禁忌。此處，根據(jù)多次試驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)定E0=0.10，r0=0.005。

|E（y）-E（z）|≤E0 （5）

||y-z||≤r0 （6）

3 上水庫(kù)大壩填筑施工的仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證前面的影響因素分析和粒子群優(yōu)化方法的有效性，對(duì)抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩填筑施工過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真環(huán)境在BIM平臺(tái)下進(jìn)行。

在仿真過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)與抽水蓄能電站實(shí)際情況的對(duì)應(yīng)，選擇真實(shí)案例、按照真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行仿真環(huán)境的模擬。在這個(gè)仿真過(guò)程中，要設(shè)定上水庫(kù)大壩主壩、上水庫(kù)大壩副壩、上水庫(kù)大壩岸邊公路等。經(jīng)過(guò)詳細(xì)地勘測(cè)和仔細(xì)的對(duì)應(yīng)，上水庫(kù)大壩的最高高度為272m，上水庫(kù)大壩的最大長(zhǎng)度為814m，上水庫(kù)大壩的寬度設(shè)定為10m。

設(shè)定好以上各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)條件后，進(jìn)一步在填筑施工優(yōu)化方法中進(jìn)行參數(shù)配置。1）填筑施工的有效天數(shù)。2）填筑料物層厚與施工工藝。3）填筑高程范圍。4）施工機(jī)械參數(shù)。5）上壩道路布置與月運(yùn)輸能力限制。6）各個(gè)填筑區(qū)之間的相互關(guān)系制約。

在上述仿真環(huán)境的測(cè)試過(guò)程中，按照5m為單位進(jìn)行填筑高度的階段參數(shù)。仿真過(guò)程顯示，從壩底開(kāi)始填筑，填筑面積最初只有0m2。隨著填筑高度的不斷增加，當(dāng)?shù)缴纤畮?kù)大壩頂部時(shí)，填筑高度達(dá)到了272m，最大填筑面積也超過(guò)了25萬(wàn)m2。仿真過(guò)程也再次驗(yàn)證了理論分析過(guò)程，即在上水庫(kù)大壩填筑施工過(guò)程中，從壩底到壩頂?shù)母叱谈叨炔粩嘣黾樱钪ぷ髁恳膊粩嗉哟蟆?/p>

在填筑過(guò)程中，對(duì)應(yīng)粒子群算法，粒子速度v設(shè)定為填筑高度、粒子位置x設(shè)定為填筑面積，如公式（1）和（2）所示。粒子位置從x更新到（x+1）按照公式（3）操作。當(dāng)適應(yīng)度函數(shù)不斷更新，滿足公式（5）和公式（6）時(shí)，填筑過(guò)程結(jié)束。

按照粒子群算法的操作流程公式（1）～公式（6），迭代更新過(guò)程如圖3所示。

上水庫(kù)大壩填筑仿真過(guò)程測(cè)試完畢后，就根據(jù)仿真過(guò)程和測(cè)算結(jié)果完成實(shí)際的填筑任務(wù)。這里的填筑施工過(guò)程應(yīng)該按照一定的工藝過(guò)程進(jìn)行，可以進(jìn)一步細(xì)分為一些明確的步驟，如圖4所示。

按照上述方法，對(duì)5個(gè)填筑面進(jìn)行填筑處理，得到的合格率對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)論

抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中扮演非常重要的角色，可以對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行平衡、糾偏，并可以在其他電站停運(yùn)的情況下充當(dāng)候補(bǔ)電站。本文針對(duì)抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩的填筑施工問(wèn)題展開(kāi)研究。首先，分析了抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩的特點(diǎn)，從多個(gè)角度分析了抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩填筑施工的影響因素。其次，建立了基于粒子群算法的抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩填筑施工方案優(yōu)化方法。最后，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)基于粒子群算法的優(yōu)化處理，可以得到詳細(xì)而高效的填筑方案，有效地解決水蓄能電站上水庫(kù)大壩的填筑施工問(wèn)題。

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