杜 猛

(南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

混凝土壩是水利工程的重要組成部分，研究表明，我國目前已建成的大型混凝土壩有數(shù)十座[1]，建設(shè)技術(shù)逐漸完善，因此，混凝土壩的應(yīng)用前景較好。近幾年，我國建設(shè)的混凝土壩規(guī)模越來越大，受復(fù)雜的壩區(qū)地質(zhì)條件影響[2]，出現(xiàn)了嚴重的安全問題。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，混凝土壩壩體表面存在較多的施工裂縫[3]，這些施工裂縫在長期發(fā)展下會成為主要滲流通道，增加混凝土壩的運行風險，因此，需要對混凝土壩滲壓值進行自動預(yù)測，提前設(shè)置處理預(yù)案[4]，保證混凝土壩的運行可靠性。

事實上，混凝土壩內(nèi)含有復(fù)雜的成層結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)屬于壩體薄弱部分，會隨著混凝土壩規(guī)模的增加導(dǎo)致滲流問題逐漸嚴重。因此，為了提高混凝土壩的可靠性，降低其安全風險，需要對混凝土壩的滲壓值進行有效分析預(yù)測[5]。相關(guān)研究人員針對混凝土壩的建設(shè)特點及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計了若干種常規(guī)的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法，第一種是考慮滲流作用的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法[6]，其主要根據(jù)壩體運行規(guī)律，進行ANSYS模擬，通過語言編程網(wǎng)絡(luò)完成滲壓值自動預(yù)測；第二種是基于三維有限元分析的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法[7]，其主要進行了滲流計算，根據(jù)不同的工況條件生成預(yù)測參數(shù)，完成混凝土壩滲壓值自動預(yù)測。但上述2種混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法主要使用ELM極限學(xué)習(xí)機生成滲壓預(yù)測模型，易受預(yù)測數(shù)據(jù)自動擬合作用影響，導(dǎo)致預(yù)測的壩前水位與實測壩前水位偏差較高，不符合混凝土壩的運行安全要求，因此，本文基于機器學(xué)習(xí)算法，設(shè)計了一種全新的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法。

1 混凝土壩滲壓值機器學(xué)習(xí)算法自動預(yù)測方法設(shè)計

1.1 基于機器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建混凝土壩滲壓值預(yù)測模型

機器學(xué)習(xí)可以使用決策樹劃分預(yù)測的類別，從而提高滲壓值預(yù)測精度，因此，本文設(shè)計的方法基于機器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建了混凝土壩滲壓值預(yù)測模型。首先可以利用機器學(xué)習(xí)的決策樹設(shè)置相關(guān)的預(yù)測分類規(guī)則[8]，根據(jù)屬性圖完成預(yù)測數(shù)據(jù)分析，獲取關(guān)鍵的預(yù)測變量值，降低預(yù)測誤差，因此，可以根據(jù)決策樹信息熵值獲取混凝土壩滲壓值預(yù)測Gini指數(shù)[9]，其定義式Gini(t)為：

(1)

式中，p(j|k)—不同預(yù)測類別在預(yù)測節(jié)點中的概率。此時假設(shè)樣本存在若干個組成部分[10]，則計算的Gini指數(shù)Gini(T)為：

(2)

式中，ni—母節(jié)點樣本數(shù)；n—子節(jié)點樣本數(shù)。

在預(yù)測過程中可以根據(jù)計算的Gini指數(shù)將機器學(xué)習(xí)分類器進行隨機組合，得到更強的分類器，從而有效處理滲壓值預(yù)測問題，提高最終的預(yù)測精度。

在混凝土壩滲壓值自動預(yù)測的過程中，可以從原始訓(xùn)練樣本集中抽取不同的Bootstrap訓(xùn)練樣本，進行重復(fù)訓(xùn)練，得到初始的機器學(xué)習(xí)分類器，此時可以設(shè)置預(yù)測樣本容量，調(diào)整預(yù)測樣本取值，增加分類器的泛化能力。待上述步驟完畢后，可以構(gòu)建混凝土壩滲壓值自動預(yù)測決策樹，如圖1所示。

圖1 混凝土壩滲壓值自動預(yù)測決策樹

由圖1可知，上述的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測決策樹可以在分類過程中選取最佳的預(yù)測變量，保證決策樹的獨立性及多樣性，提高預(yù)測的準確性。在設(shè)計預(yù)測過程中，可以使用組合決策樹，獲取預(yù)測平均值，得到最終的預(yù)測結(jié)果。

影響混凝土壩滲壓值預(yù)測的因素角度，包括水位、降雨等，本文基于此構(gòu)建了預(yù)測輸入模型Pi：

Pi=PH+PT+PR

(3)

式中，PH—水位滲壓值預(yù)測影響分量；PT—時效滲壓值預(yù)測影響分量；PR—降雨預(yù)測影響分量。

根據(jù)上述輸入的預(yù)測模型可以調(diào)節(jié)決策樹數(shù)量，判斷主要預(yù)測參數(shù)，計算存在的預(yù)測誤差，待泛化預(yù)測誤差正確排除后，即可進行后續(xù)的預(yù)自動預(yù)測反演分析。

1.2 進行混凝土壩滲流參數(shù)反演預(yù)測分析

混凝土滲壓值預(yù)測過程中，需要進行反演分析。常規(guī)的反演問題主要涉及上述獲取的模型參數(shù)，因此，上述構(gòu)建的模型與反演預(yù)測存在一定的映射關(guān)系：

G(m)=d

(4)

式中，G(m)—預(yù)測模型參數(shù)；d—觀測數(shù)據(jù)。

由上述的映射關(guān)系可知，反演問題在求解時存在多個種類，本文設(shè)計的滲壓值自動預(yù)測方法使用貝葉斯隨機反演法，通過待反演參數(shù)獲取先驗數(shù)據(jù)信息，再根據(jù)概率與統(tǒng)計關(guān)系確定預(yù)測反演結(jié)果的不確定性，得出最終的預(yù)測結(jié)果，因此，本文設(shè)計的自動預(yù)測方法設(shè)置了預(yù)測灰函數(shù)f(x)：

(5)

式中，αi—滲流預(yù)測階數(shù)。

根據(jù)上述的預(yù)測灰函數(shù)，可以獲取一個準確的滲流預(yù)測參數(shù)，調(diào)整預(yù)測可信度，使其滿足預(yù)測均值關(guān)系。

預(yù)測極大熵屬于離散型隨機預(yù)測變量，調(diào)整該隨機變量可以有效降低預(yù)測不確定性，保證預(yù)測結(jié)果的信度，因此，本文設(shè)計的滲壓值自動預(yù)測方法計算了預(yù)測極大熵c(a)：

(6)

式中，Hn—預(yù)測結(jié)果可能出現(xiàn)的概率。

使用上述計算的預(yù)測極大熵值可以有效判斷預(yù)測隨機分布關(guān)系，將預(yù)測結(jié)果劃分在準確的區(qū)間內(nèi)。

2 實例分析

2.1 概況及準備

為了驗證設(shè)計的基于機器學(xué)習(xí)算法的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法的預(yù)測效果，本文選取X水電站進行實例分析，已知，X水電站位于我國某江的中游段，屬于大型發(fā)電水電工程。X水電站的正常水庫蓄水水位為1134m，總庫容較高，調(diào)節(jié)性能良好，X水電站的平面布置如圖2所示。

圖2 X水電站平面布置

由圖2可知，研究區(qū)域主要由右岸心墻堆石壩、主混凝土壩、左岸非溢流壩段組成，壩頂總長度為1158m，部分長度為838.56m，壩頂通過坡相連，兩岸地形非對稱。研究區(qū)域巖性種類較多，不僅包括砂巖、細砂巖、泥質(zhì)巖，還包括各種斷層巖體。

為了降低研究區(qū)域的滲流量壓力，X水電站設(shè)置了防滲止水帷幕，打通了多個排水孔，共同完成上下游及輔助排水操作?；炷翂螇误w使用混凝土二級配輔助排水方案，厚度呈階梯狀，上下段厚度變化明顯，壩體內(nèi)部設(shè)置了排水孔，間距為0.11m。為了準確地判斷X水電站的滲流狀態(tài)，確定其壩前水位，本文結(jié)合具體的勘探資料設(shè)計了混凝土壩滲透值計算模型，如圖3所示。

圖3 混凝土壩滲透值計算模型

根據(jù)圖3的混凝土壩滲透值計算模型可以精準地計算混凝土壩的壩前水位，精準地確定混凝土壩的滲壓值，X水電站的外圍地層滲透系數(shù)見表1。

表1 X水電站外圍地層滲透系數(shù) 單位：10-7m/s

由表1可知，待上述的水電站外圍地層滲透參數(shù)確定完畢后，即可得出混凝土壩滲壓值自動預(yù)測結(jié)果。

2.2 應(yīng)用效果與討論

結(jié)合上述的概況及準備，可以進行混凝土壩滲壓值自動預(yù)測應(yīng)用效果分析，即分別使用本文設(shè)計的基于機器學(xué)習(xí)算法的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法、文獻[6]的考慮滲流作用的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法，以及文獻[7]的基于三維有限元分析的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法對不同日期的混凝土壩壩前水位進行預(yù)測，將3種方法的預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果對比，應(yīng)用效果見表2。

表2 應(yīng)用效果與討論 單位：m

由表2可知，本文設(shè)計的基于機器學(xué)習(xí)算法的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法在不同日期預(yù)測的壩前水位與實測壩前水位相擬合，證明其預(yù)測的滲壓值較準確；文獻[6]的考慮滲流作用的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法及文獻[7]的基于三維有限元分析的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法在不同日期預(yù)測的壩前水位與實測壩前水位相差較大，證明其預(yù)測的滲壓值存在明顯偏差。上述實驗結(jié)果證明，本文設(shè)計的基于機器學(xué)習(xí)算法的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法的預(yù)測效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

綜上所述，混凝土壩是一種常見的壩體，其建設(shè)難度較小，可靠性較高，符合大壩的環(huán)保適應(yīng)要求，因此，混凝土壩在我國具有悠久的建設(shè)歷史。早在20世紀中后期，我國就開始建造混凝土壩，在各個水利工程中起著重要作用。受混凝土壩的建設(shè)規(guī)模及其運行環(huán)境影響，其容易出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致滲壓值發(fā)生改變，造成壩體失穩(wěn)，增加了混凝土壩的運行風險，因此，需要對其滲壓值進行自動預(yù)測，生成有效的處理預(yù)案。常規(guī)的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法的預(yù)測效果較差，不符合混凝土壩的安全處理要求，因此，本文基于機器學(xué)習(xí)算法設(shè)計了一種全新的混凝土壩滲壓值自動預(yù)測方法。進行實例分析，結(jié)果表明，設(shè)計的預(yù)測方法的預(yù)測效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價值，為降低混凝土壩運行風險作出了一定的貢獻。