孟底溝水電站壩址區初始滲流場反演分析

唐少龍，汪 慶，羅梓茗，熊 威，萬小強

（江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029）

滲流對水利水電工程穩定與安全有著重大影響，在我國西南地區水電工程中更為顯著[1]。工程研究表明，工程初始滲流場分布情況的合理與否是進行工程滲控系統效果評價分析的前提，而在壩址區大范圍內通過鉆孔獲取地下水位得到滲流場不經濟、不現實。基于此，本文采用正交設計、穩定滲流正分析、BP神經網絡和遺傳算法優化相結合的初始滲流場反演方法[2~3]，建立壩址區滲流場反演三維有限元模型，以長觀孔監測值為目標函數，獲取最優邊界值得到初始滲流場分布特征。

1 反演分析方法

具體流程圖見圖1。

圖1 滲流反分析流程

1.1 正交設計

正交設計是通過正交表合理安排和分析多因素的一種數理統計方法[4]，該方法在眾多參數組合中安排數量較少的組合方案，從而大大減少反演計算的工作量。在初始滲流場反演分析中，參數對應為水頭邊界的取值情況。通過正交設計合理安排神經網絡所需的水頭邊界取值組合方案。

1.2 穩定滲流正分析

針對正交設計得到的水頭邊界組合情況，采用signorini型變分穩定滲流分析方法[5]正分析模擬其滲流場，得到鉆孔處水位樣本數據，為后期建立神經網絡的輸入、輸出映射關系提供數據支持。

1.3 BP神經網絡

采BP神經網絡是按照誤差反向傳播算法訓練多層前饋神經網絡，是目前為止使用最廣泛的一種神經網絡模型，能夠建立較強的輸入與輸出的非線性映射能力[6]。本文輸入層為邊界水頭組合值，輸出層為各鉆孔處水頭值。

1.4 遺傳算法優化

利用遺傳算法優化的目的是在水頭邊界可能的取值范圍內，尋找一組最佳的水頭邊界值的組合，使得各鉆孔處水位實測值與計算值吻合最優。遺傳算法原理是對達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機制進行模擬，在參數組合的取值范圍內進行全局搜索尋優的一種方法[7]。首先在參數組合范圍內生成一系列可能的解作為初始種群，然后利用遺傳操作生成新的種群，使得種群不斷適應更高的方向發展[8]，當最優個體適應度達到某一閥值時計算結束，該個體即為最佳邊界參數組合。

2 工程應用

2.1 工程概況

孟底溝水電站坐落于四川省境內雅礱江干流中游河段上，是雅礱江中游兩河口~卡拉河段“一庫七級”開發方案中的第五個梯級，上游是楞古水電站梯級，下游是楊房溝水電站梯級。大壩壩型是混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2259.0 m，最大壩高201.0 m。水庫正常蓄水位2254.0 m，總庫容為8.680億m3。由于自身調節庫容相對較小，僅能對入庫徑流進行日內調節，當與中游龍頭水庫兩河口聯合運行時可發揮多年調節作用[5]。

2.2 有限元模型

為滿足分析需要，根據工程壩址區地質地形條件，工程地質圖等資料，建立孟底溝水電站壩址區整體三維有限元模型，模型采用六面體等參單元進行剖分，共劃分單元53256個，節點數54456個，如圖2所示。模型計算范圍以河道中心線壩軸線處為中心，分別向左右岸延伸1000 m，向上下游各延伸400 m和1000 m，其中上游側左岸邊界距孟底溝溝口約100 m。

圖2 壩址區三維有限元模型

2.3 計算參數與邊界

由于電站壩址區山體起伏較大，在反演分析初始滲流場分布情況時，需充分考慮邊界水位分布清情況受地形起伏變化的影響。模型四個角點處水位為待反演值如圖3所示，相應的地下水位埋深值分別為ΔH1，ΔH2，ΔH3和ΔH4，四周其他位置處的水位情況通過地形走勢插值獲得。由于壩址區長觀孔水位觀測資料有限，選取6個典型長觀孔水位觀測值，具體水位見表1。

圖3 滲流場反演邊界示意圖

表1 長觀孔的地下水位監測資料

壩址區滲透特性分區的合理性與滲透系數取值的準確性是進行滲流有限元計算的基礎。根據壩址區鉆孔壓水試驗結果，壩區巖體滲透性與巖體風化卸荷，蝕變巖帶、蝕變巖集中帶分布以及構造關系密切，巖體滲透性主要分為5個區，分別為強卸荷帶巖體為強透水區、弱卸荷帶巖體為中等透水區、弱透水偏強區、弱透水偏弱區、微透水區，各滲透分區取值見表2。

表2 滲透特性分區描述及其滲透參數的取值

3 滲流場反演結果

通過采用正交設計、穩定滲流正分析、BP神經網絡和遺傳算法優化相結合的初始滲流場反演方法，并綜合考慮壩址區地形起伏變化及長觀孔水位觀測資料，獲得了壩址區計算區域內反演模型四個角點處的埋深取值分別為ΔH1=252.01 m，ΔH2=89.56 m，ΔH3=275.10 m和ΔH4=16.66 m。通過四個角點處情況，根據山體起伏可獲得四周邊界水位分布情況，再采用穩定滲流正分析方法計算得到壩址區的初始滲流場分布情況，如圖4所示。從圖中可以看出，通過反演得到的滲流場分布特征，地下水水位分布情況山體的起伏形態基本一致，在河道存在一定溢出，分布特征總體上較符合實際情況。

圖4 孟底溝初始滲流場及邊界水位分布圖

反演計算得到的各鉆孔位置處水頭值與相應鉆孔位置實測值的對比見表3及圖5，從反演值與實測值的對比圖可以看出各鉆孔水位反演值與相應鉆孔位置水位實測值較為接近，長觀孔水頭誤差絕對值的平均為5.15 m，反演計算得到的壩址區初始滲流場整體上能夠反映出壩址區初始滲流場實際的分布情況。圖6給出了橫II-II剖面兩岸山體地下水位自由面，由圖可知，左岸的地下水位較右岸的低，自由面坡降也相對較緩，與山體走勢較為一致，說明勘探獲得的各地層滲透特性參數的取值大小與實際情況較為吻合，反演計算得到的初始滲流場分布情況能夠滿足后期滲流計算的需要。

表3 長觀孔地下水位觀測值和計算值對比 單位：m

圖5 長觀孔地下水位誤差分析圖

圖6 橫II-II剖面兩岸山體地下水位反演分析結果

4 結論

1）由于長觀孔觀測資料有限，滲流場邊界水位的確定具有一定的主觀性和誤差。采用正交設計、穩定滲流正分析、BP神經網絡和遺傳算法優化相結合的初始滲流場反演方法，結合觀測水位及地形起伏，所得觀測孔計算水位與實測水位誤差較小，反演結果與實際較為吻合，反演分析方法合理有效。

2）本文計算所得初始滲流場誤差較小，計算結果可為工程后續滲控系統有效性評估提供重要參考。但在工程實際情況中，普遍存在裂隙、斷層，其對工程滲透系數產生顯著的各向異性，本文尚未考慮其作用，需在今后做進一步的研究。