基于遗传算法的九乡河双扉闸门优化设计方法及应用

黄淑娟，张天琦，陈 域

（南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210006）

0 引言

九乡河是城东地区一条重要的排水河道，也是规划中秦淮东河分洪工程的入江通道，担负了城市防洪、排水以及水生态环境改善等多种功能，是区域社会经济发展的重要基础保障。根据河道现状和问题、相关规划及区域发展需要和紧迫性，统筹考虑局部、整体关系，通过河道拓浚、新建河口闸站、堤防加固及配套建筑物拆改建等，提高九乡河流域防洪标准，改善九乡河及东河沿线水环境，并兼顾满足秦淮东河分洪要求。九乡河口闸的主要功能为汛期防洪，非汛期蓄水。闸址应选择靠近河口位置，可以大大减少闸下长江侧堤防长度，缩短防洪战线；在枯水期可以减少闸下枯水河段的长度，使河道维持一定的景观水位，大大改善河道景观及生态环境。同时考虑闸下河段的安全及长江河势的影响，闸门选用双扉直升门。该类型的闸门尺寸设计直接会影响到闸门整体受力特点及河道水流调节效果。因此，对该闸门进行设计优化具有重要的意义。

通过分析九乡河及长江水位变化特点，以及九乡河闸站功能需求，本文采用具有快速搜索的遗传算法对闸门尺寸进行优化搜索，分别搜索不同闸门尺寸对应的启门力及闭门力，统计各计算结果并搜索出最优设计参数，为工程设计提供参考依据。

1 GA优化搜索方法

遗传算法（Genetic Algorithm）简称GA，是一种具有强大极值搜索功能的优化搜索方法[1-2]。相比于常规试算方法，该方法能够在已知约束范围内迅速搜索出最优限值，并有效避免了不必要的重复工作及非优参数选用风险，使得设计更加科学合理。

1.1 遗传算法原理

遗传优化算法是一种类似生物遗传原理的搜索算法。该算法可以同时评估多个满足约束条件的解，其求解过程不需要求导，故计算原理简单易懂，适用性广泛[3-5]。运算过程同样也具备生物遗传理论中的遗传及变异情况，具体运算过程可总结为6个阶段，详见表1，运算流程图详见图1。

图1 遗传算法优化搜索流程图

1.2 适应度评价公式

通过遗传算法的全局寻优能力，即可快速且准确地得到所需计算模型的重要参数，从而使得计算模型为最优[6]。该算法通常以某结果的均方差（MSE）作为搜索最优参数的判断精度，力求搜索过程中的最小均方差为优化的目标条件，其中均方差公式如下：

式中：

f（x）—搜索目标计算公式；

y—约束条件；

n—搜索个数。

2 上下扉门启、闭门力计算公式

闸门计算中最重要的就是根据实际工程需要，对不同工况下的闭门力、启门力进行受力复核。

闭门力FW公式如下：

式中：

Tzd—滚轮摩阻力；

Tzs—侧止水摩阻力；

G—扉门自重；

nT—摩阻力安全系数，一般取1.2；

nG—门重修正系数，取0.9。

启门力Fq公式如下：

式中：

Ws—节间止水所受水柱压力，kN。

3 节制闸工程应用

3.1 闸型方案比较

九乡河口闸位于九乡河入江口附近，是九乡河口的控制性口门建筑物，主要功能为：汛期关闸挡长江侧洪水，减少高水位对内河堤防的浸泡时间，减轻内河的防汛压力；秦淮河流域及九乡河流域发生洪水时，作为秦淮河流域的新分洪道之一，九乡河承担着分泄秦淮河流域洪水入江的任务；非汛期当长江水位较低时，关闸蓄水，使内河保持一定的景观水位，必要时九乡河口泵站抽引江水补充内河，也可在九乡河口闸上下水位合适的情况下开闸反向自流引水，以保持九乡河水位；远期泵站抽引江水从九乡河往上游石臼湖流域调水时，须关闭闸门，抬高闸上水位，满足自流条件[7]。

根据九乡河口闸的功能要求，故提出高闸和低闸2个闸型方案，其具体闸型方案比较，详见表2。

根据以上2个方案的特点分析，低闸方案无法满足防洪及九乡河口泵站远期向上游石臼湖流域调水的要求，内河汛期防汛压力较大，且蓄水位相对固定，无法灵活调节。因此，九乡河口闸必须采用高闸，才能抬高闸上水位，满足自流条件，故本阶段设计选用高闸方案。

3.2 双扉闸门计算工况

双扉闸门由上扉门和下扉门2扇门叶组成，一般情况下使用下扉门泄洪，当流域遭遇大洪水时，上下扉门同时提起泄洪。九乡河口闸主要功能为枯水期保持闸上7.50 m的景观水位，同时要求非汛期内降雨不大时可以自由溢流，无需频繁启闭，运行操作方便[8-9]。而双扉门具有上述功能，即在下扉门门顶设置顺流板，实现门顶自由溢流，而一般平板直升门及弧形门则没有该功能，并且双扉门技术成熟、运行安全可靠、维修方便、管理简单、投资相对较省等特点。因此，通过综合比选，九乡河闸门选用双扉门方案。闸门为上、下扉型式，均为定轮闸门。主要用于调蓄内河水位、汛期挡长江高水。平时下扉闸门常闭挡内河水，上扉闸门常开提至闸墩以上并锁定，此时下扉门类似常规的表孔门；汛期上、下扉闸门均常闭，挡长江高水，此时下扉闸门类似潜孔闸门，上扉闸门类似钢胸墙。计算水位工况详见表3。

表2 闸型方案比较表

表3 闸孔方案比选

3.3 优化搜索模型

本文采用优化模型，以闸门孔宽b及门高h为搜索参数，通过公式（2）和公式（3）计算闸门启、闭门力作为约束条件。本次优化搜索的迭代次数设置为50代，种群规模为50个，交叉概率为0.8，变异概率为0.2，个体长度为7。由于九乡河口闸的设计流量为381 m3/s，本次分析九乡河口闸站级别确定为1级，其约束条件及搜索范围需满足下述不等式：式中：

b—变量单位，m。

搜索优化的目标函数为：

式中：

N—闸门分孔孔数；

fi—第i孔的启、闭门力之和，kN。

3.4 优化搜索结果

采用遗传算法进行优化搜索过程详见图2，搜索结果为：闸门孔宽为8.5 m，门高为11.5 m，公式（5）中目标函数最小启门总力为224.4 kN，搜索时间为23.85 s。根据长江及九乡河水位变化情况，可知闸门顶高程不应低于11.805 m，经计算水闸闸孔净宽不应小于29.89 m。故综合优化搜索结果及规范计算约束条件，本次工程选3孔10 m单孔宽闸门，闸顶高程控制在12.0 m。3孔调度相对较灵活，运行方便，闸门宽度小，闸门进出、起吊较方便，检修条件较好。

图2 遗传算法优化过程示意图

同时采用公式（2）、公式（3）对以上设计进行正算校核，闭门力为-88 kN，闸门自重为155 kN，可依靠自重闭门；启门力为263 kN，选用QPF-2×160 kN闭式卷扬启闭机，启闭机容量有冗余。

4 小结

九乡河口闸位于九乡河入江口附近，具有挡洪、行洪、蓄水和反向引水的功能，并且需要抬高闸上水位向上游调水，故九乡河口闸必须采用高闸，才能抬高闸上水位，满足自流条件。采用遗传算法进行优化搜索过程简单快捷，搜索时间仅为23.85 s，搜索结果也能够为设计提供科学的参考依据。