混凝土面板堆石壩的優化設計方法研究

【摘要】水利水電工程是我國建筑領域的一個重要分支，在我國的國民經濟建設中發揮著重要的作用。水利水電工程中的堆石壩可以分為土質防滲體和非土質防滲體堆石壩，混凝土面板堆石壩作為一種重要的非土質防滲體堆石壩，由于其本身的一些施工優勢得以廣泛地應用在水利水電工程項目中。雖然我國已經建成的混凝土堆石壩的數量在逐漸增多，但是對混凝土石壩的相關研究還不夠深入，傳統的混凝土堆石壩設計在現代化水利水電工程施工中逐漸暴露一些問題。

【關鍵詞】混凝土面板堆石壩；優化設計；方法

引言

本文主要從混凝土面板堆石壩的發展及優點入手，對混凝土面板堆石壩的優化設計進行了簡單的概述，并著重對遺傳算法用于混凝土面板堆石壩優化設計相關內容進行了簡單的探討。

一、混凝土面板堆石壩的發展及其優點

（一）我國混凝土面板堆石壩的發展

改革開放以后，我國的現代化建設得到了突飛猛進的發展。混凝土堆石壩也伴隨著水利水電工程的大力發展提高了其施工水平和設計水平等。我國最初設計并投放使用的混凝土面板堆石壩采用傳統的拋填式施工方法，壩高不到 50 米。截至目前，我國已經完成或者在建的混凝土面板堆石壩的數量已經超過 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點

混凝土面板堆石壩的筑壩材料來源廣泛，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用；混凝土面板堆石壩結構簡單，體型較小，相比土質防滲體堆石壩而言，其滲透水壓力比較小，施工方式和現場機械操作過程更為簡單便捷；由于水利水電工程的施工地形和地質條件比較復雜，混凝土面板堆石壩具有更強的抗震性能和綜合穩定性能，能夠較好地適應水利水電工程的施工環境和地質特點，也能很好地適應各種惡劣的氣候條件，如強風、強降雨、寒冷氣候等；相對一般的水利水電工程堆石壩而言，混凝土石板堆石壩的設計基本上能保證項目對安全性和可靠性的要求，并沒有較大的安全隱患和設計缺陷。

二、混凝土面板堆石壩優化設計概述

混凝土面板堆石壩本身的施工優勢使得其在水利水電工程中得到越來越廣泛的應用。隨著社會科學經濟等水平不斷提高，人們對水利水電工程的需求也在不斷提升，對堆石壩的高度也要求越來越高。應該在傳統的混凝土面板堆石壩設計基礎上，根據其本身的經濟適用以及安全性能等特點，利用傳統的經驗設計法在對大壩的安全可靠性、靜態以及動態結構受力情況以及結構優化等方面進行充分研究，進一步對混凝土面板堆石壩的設計進行優化。

隨著上世紀八十年代我國在人工智能方面的不斷發展和各種領域學科的相互融合及發展，各種現代的混凝土面板堆石壩設計優化方法層出不窮，并且這些方法都取得了不錯的進展和實際應用。這些現代優化設計方法主要是一些啟發式算法和智能化優化方法。現代混凝土面板堆石壩設計優化方法應用比較普遍的包括可以對離散型非線性變量找到全局最優解的模擬退火法、模擬人的神經元組織并借助其連接權值以及特征值的神經元網絡法、由父代二進制字符串繁殖下一代的建立在遺傳機制基礎上的遺傳算法等。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化設計有很大的前途和發展，下面主要對遺傳算法的優化設計進行簡單的探討。

三、遺傳算法

（一）基本原理

遺傳算法是利用自然界的遺傳機制，通過對染色體上的基因進行擇優選擇，從而得出最優解的一種方法。遺傳算法事先并沒有對求解的問題進行了解和設置，而是通過對染色體進行全面綜合的評價，選擇適應性較強的基因，剔除適應性差的基因，最終留下的染色體得以有機會進行繁殖。遺傳算法是將遺傳學與數學模擬方法相結合的一種優化方法。

（二）基本流程

遺傳算法是通過對生物繁殖過程中遺傳學上各種進化和淘汰現象的狀況進行一定的數字化模擬操作，以適者生存為原則，根據各種基因的適應性選擇新的個體進而組成新的群體，則該群體中的個體相比上一代的基因而言，具有更強的適應性，是更為理想的個體。遺傳算法的基本流程是：編碼—生產初始群體—確定適應度函數—執行繁殖過程—對生成種群收斂性判斷—終極計算并得到最優解。可見遺傳算法的計算程序更加簡單便捷，其計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）優化設計

為使遺傳算法在混凝土面板堆石壩優化設計中的應用效果更加突出，在其優化設計過程應該注意以下幾個問題。

1 確定適應度函數

遺傳算法中唯一的選擇標準依據就是適應度函數。該指標可以通過對比相關的設計方案來得出，也能在優化目標函數中進行評估判斷，適應度函數也叫評價函數，是很多個體適應度的算術平均值，因此不能為負。在完成一次迭代后，適應度較高的被選擇，適應度較低的 被淘汰。適應度函數有多種轉換公式，每種公式都或多或少存在一定的局限性和不足。針對遺傳算法進行運算過程中出現的早熟現象（即運行后期個體適應度差異較小導致群體進化停止的現象），可以適當地對函數適應度進行縮放。通過指數調整、冪調整和線性調整等方法來避免過程中的早熟現象。

2 編碼技術

在遺傳算法對混凝土面板堆石壩優化設計中，將遺傳學染色體擇優選擇繁殖下一代產最優群體與目標函數組成對應關系的關鍵技術是編碼技術。雖然遺傳算法對編碼技術的要求

不高，但也應注意選擇不同的編碼方式將會對結果產生不同的影響，尤其是交叉、變異兩種算子，編碼方式不同甚至會使設計的總體功能受到影響。

四、結語

今年來各種混凝土面板堆石壩的優化設計方法不斷涌現，各種相關的科技網絡技術等也應運而生。其中 MATLAB 軟件已經逐漸應用在遺傳算法中并且得到了很好的進展，大大簡化了遺傳算法的工作量。在未來對混凝土面板堆石壩優化設計的研究工作中，應該更加深入了解并探討更多的優化策略，使混凝土面板堆石壩達到更高的設計要求。

參考文獻：

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