基于遗传算法的抽水蓄能电站建筑物抗滑稳定性分析仿真

第３８卷第９期　水电站机电技术　
２０１５年０９月　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　
ＶｏＩ．３８　Ｎｏ．９　

Ｓｅｐ．２０１５　２３　

基于遗传算法的抽水蓄能电站建筑物抗滑稳定性分析仿真　
黄健　，周　坤　，张　荣　
（１．国网新源泰山抽水蓄能电站有限公司，山东泰安２７１０００；２．保定华仿科技股份有限公司，河北保定０７１０００）　

摘要：水工建筑物稳定性分析是抽水蓄能电站工程设计中一项重要的内容，利用极限平衡楔体理论分析土坡的安　
全稳定系数及临界滑动面，再将安全稳定系数同遗传算法的适应度函数相结合，从而利用遗传算法的优化功能搜索　
土坡对应最小安全系数的临界滑动面。通过算例分析，证明这种基于极限平衡法的临界滑动面遗传算法分析具有一　

定的应用价值。　
关键词：抽水蓄能；仿真；极限平衡理论；遗传算法；适应度函数　

中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－５３８７（２０１５）０９—００２３—０３　
ＤＯＩ：１０．１３５９９￣．ｃｎｋｉ．１１—５１３０．２０１５．０９．００９　

０前言　
随着我国经济进入持续、稳定、高速发展阶段，　
人民生活水平日渐提高，电网负荷结构发生了重大　
变化，峰谷差越来越大，国内电网往往以火电为主，　
调峰容量严重不足，抽水蓄能电站调频调峰和事故　
备用的作用日益明显。而抽水蓄能电站建设中水工　
建筑物设计都涉及到水工建筑物的稳定性分析，为　
了得到临界滑动面和最小安全系数，通常采用试算　
方法，根据工程勘察报告提供的工程区域的地质情　
况，假定若干可能的滑动面，对每个滑动面进行试　
算，确定最小安全系数对应的滑动面，归根结底就是　

一
个复杂的优化问题。近年来，伴随计算机技术的发　
展，广大科学学者利用自然界生物进化原理逐步发　
展出了遗传算法。这种方法在国外发展的比较快，已　
广泛应用于人工智能、工业自动控制、图像识别、通　
讯等方面。遗传算法作为一种优化方法，其本身就是　

一
种反演方法，近几年也应用于地球物理反演问题。　
于是本文尝试采用遗传算法搜索临界滑动面，对于　
抽水蓄能电站水工建筑物稳定性分析具有一定的实　
用意义。　

１稳定性分析中的极限平衡法　
极限平衡法是根据滑裂土体的静力平衡条件和　
Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ准则计算出安全系数，在许多可能的　
滑动面中找出最危险滑动面。　
极限平衡理论中的Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｒｎ—Ｐｒｉｃｅ法应用普　

遍，其中考虑了条块间的法向力和切向力，不仅满足　
力的平衡方程，而且满足力矩平衡，平衡方程如下：　

（ａ１　
（ａ）任意形状的土坡　

（ｂ）　
（ｂ）作用于微分土条上的力　
图１　
［卜￣ｇ　Ｃ　ｄｙ］　＋ｄ　ＸＩｔｇ只ｆｂ＇＋刳＝鲁　］＋　［警　一・］（１）　

＝　
ｄ（　
一　
ｄＥ＇

＋
丢（　）一　（２）　

公式（１）是力的平衡方程，公式（２）是力矩平衡　
方程，Ｅ’为土条两侧的有效法向条间力，Ｘ为切向条　
收稿日期：２０１５—０５—０８　
作者简介：黄健（１９７９一），男，工程师，从事抽水蓄能电站仿真技　

术研究及培训管理工作。　
２４　水电站机电技术　第３８卷　
间力，ｕ为作用于土条两侧的孔隙水应力，风为安　
全系数。ｃ’、ｔｇ西为土质指标。　

２遗传算法搜索滑裂面　
对一个求函数最大值的优化问题，一般可描述　
为下述数学模型：　
『ｍａｘ＿厂（　）　
Ｊ　．ｔ．Ｘ∈Ｒ　
ｌ　Ｒ　Ｕ　
式中，　：［Ｘ１　，…，　］　为决策变量，ｆ（　）为目　
标函数，下面两个公式为约束条件，　是基本空间，　
Ｒ是　的子集。　
遗传算法的主要运算过程如下所述：　

２　
步骤一：初始化。设置进化代数计数器卜一０；设　
置最大进化代数Ｔ；随机生成Ｍ个个体作为初始群　体Ｐ（０）。　步骤二：个体评价。计算群体Ｐ（ｔ）中各个个体　的适应度。　步骤三：选择算子。将选择算子作用于群体。　步骤四：交叉运算。将交叉算子作用于群体。　步骤五：变异运算。将变异算子作用于群体。群　体Ｐ（ｔ）经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代　群体Ｐ（　１）。　步骤六：终止条件判断。若ｆ≤Ｔ，则：　ｆ＋ｌ，转　到步骤二；若ｔ＞　，则以进化过程中所得到的具有最　大适应度的个体作为最优解输出，终止计算。　按照遗传算法的思想，目标函数应该与土坡稳　定性系数Ｆｓ相关联，为了搜索最小安全系数的滑裂　面，本文直接取安全系数为目标函数。适应度函数是　用来评价群体中个体（问题的解）的好坏，所以又称　其为评价函数。于是适应函数值越大的个体越好，反　之则越差。遗传算法正是基于适应值对个体进行选　择。适应函数值为：　）＝ｌ／Ｆｓ，根据遗传算法思想编　制程序搜索最危险滑裂面。　图３　（１）初始化。首先假定，滑裂面为圆弧形，根据图　３先给定圆心范围，此范围内随机均匀选择ｍ个圆　心Ｏｉ（ｘｉ，ｙｉ），ｉ＝ｌ，２，３…ｍ。ｍ为圆心群体个数，０ｉ代表　第１条染色体，（ｘｉ，ｙｉ）为染色体基因。　（２）搜索最危险滑裂面半径。对每个圆心给出大　致滑弧半径范围作为约束条件，然后搜索最危险滑　裂面半径。　１）对每个圆心生成对应的半径搜索范围；　２）随机生成ｎ个半径Ｒｊ０＝Ｉ，２…ｎ）；　３）根据圆心、半径计算对应的风和ｔ（ｘ１；　４）生成新一代半径个体；　５）计算新一代个体的凡和　）；　６）重复计算３）至５）步，直到戤）稳定下来或者　达到设定的最大代数。　（３）根据圆心Ｏｉ对应得到的　），对圆心进行竞　争，通过选择，交叉，变异形成新一代ｍ个圆心点。　
（４）对子代圆心群体重复１）至５）步的操作。　
（５）循环（３）和（４）直到达到设定的最高代数。得　
到的圆心０和半径即为最危险滑动面。　
按照此思想，编制相应的遗传算法程序，进行抽　
水蓄能电站进水闸闸室稳定性分析计算。　

３计算案例　
防洪堤，顶高７　ｍ，填料容重为１３．２　ｋＮ／ｍ３，单位　
粘聚力为４２．５　ｋＰａ，内摩擦角为１５。，边坡高度为　
２０ｍ，路基顶面以下８ｍ采用１：１．５的坡度，８～２０　ｒｎ　
采用１：１．７５的坡度，荷载换算土体高度为１．０１　ｍ。　
关于计算设置如下：根据先验信息安全稳定系　
数处于０．０～２．０，在考虑满足精度要求和易操作等方　
面后，采用１３位的二进制编码来表示稳定安全系　

数，精度为　＝　＝‘　＝０．０００　２４４　１７。在进行　
了多次运算，对结果进行评估对比后，初步决定采用　
（下转第５５页）