付 勇

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司， 遼寧 沈陽 110003)

1 概述

水利工程在社會(huì)生產(chǎn)生活中具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在水利工程建設(shè)中，土石壩由于具有良好的適應(yīng)性和材料來源的廣泛性、便捷性得到了廣泛的應(yīng)用，目前已經(jīng)占我國(guó)大壩的95%以上。其中，堆石壩是一種以石料填筑為主體，并配以防滲體的一種土石壩壩型。隨著我國(guó)筑壩技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)心墻堆石壩的高度越來越高，并逐漸步入高壩和超高壩時(shí)代[1]。如何準(zhǔn)確掌握心墻堆石壩的運(yùn)行狀況，特別是通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)大壩的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)具有十分重要的意義和作用[2]。在大壩施工完建期間，一般會(huì)面臨比較惡劣的工作環(huán)境，并主要表現(xiàn)為監(jiān)測(cè)儀器工作困難或損壞，進(jìn)而造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不全面。同時(shí)，由于該階段大壩變形影響的不確定性因素多，監(jiān)測(cè)時(shí)間短，即使提高監(jiān)測(cè)的頻次，也難以充分避免監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律性差的問題[3]。因此，提高大壩施工階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用水平，就具有十分重要的意義和價(jià)值。在這一背景下，廣大學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛和深入的研究，并提出了一系列基于大壩實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大壩變形安全監(jiān)測(cè)模型[4]。但是，受到不同預(yù)測(cè)模型在各種工程方面的適應(yīng)性不同，進(jìn)而導(dǎo)致在大壩沉降變形預(yù)測(cè)精度方面存在差異。所以，結(jié)合工程實(shí)際條件，選擇合適的大壩沉降變形預(yù)測(cè)模型，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)大壩變形，及時(shí)進(jìn)行大壩的安全性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[5]?；诖?，本次研究以具體工程為背景，對(duì)常用的大壩沉降預(yù)測(cè)模型進(jìn)行以預(yù)測(cè)精度為主要標(biāo)準(zhǔn)的工程適用性評(píng)價(jià)，可以為相關(guān)研究和預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于工程實(shí)際提供支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 工程背景

雙龍水電站屬于遼寧省東部半拉江梯級(jí)開發(fā)的重要水利工程，壩址位于高龍泡水電站下游太平哨鎮(zhèn)二龍渡村境內(nèi)，屬于典型的河床式水電站設(shè)計(jì)。電站大壩為瀝青混凝土心墻土石壩壩型，最大壩高56.0m，壩頂高程160.0m，壩頂寬8.0m。大壩按照100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核，水庫的正常蓄水位為157.50m，校核水位為158.50m。壩體的基本剖面為中央直立心墻形式，也就是大壩的中央為礫質(zhì)土直心墻，心墻的兩側(cè)為反濾層，反濾層之外為堆石體壩殼，上游壩坡的坡度為1∶1.9，下游壩坡的坡度為1∶1.8。

2.2 斷面沉降觀測(cè)

為了獲得大壩堆石體施工期沉降數(shù)據(jù)，對(duì)大壩的上游堆石體采用弦式沉降儀進(jìn)行沉降變形監(jiān)測(cè)[6]。此次監(jiān)測(cè)采用的弦式沉降儀為振弦式，量程為66m，分辨率為0.025%F.S，測(cè)量精度為±0.1%F.S。為了獲取不同部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究中選擇大壩上的斷面A(0+024斷面)、斷面B(0+104斷面)、斷面C(0+156斷面)3個(gè)典型斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。整理獲取上述斷面在大壩施工期間關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，大壩完建期間，各個(gè)斷面的堆石體沉降量隨著時(shí)間推移而迅速增加，之后增加速率趨緩，最后趨于穩(wěn)定。

表1 各觀測(cè)點(diǎn)沉降量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.3 沉降量預(yù)測(cè)方法

變形監(jiān)測(cè)是心墻堆石壩安全監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，主要是通過對(duì)心墻堆石壩變形實(shí)測(cè)資料的分析和規(guī)律解釋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩的異常情況，為其安全分析和評(píng)價(jià)提供支持[7]。一直以來，諸多學(xué)者在大壩沉降預(yù)測(cè)方面進(jìn)行了深入的研究和探索，提出了一系列行之有效的沉降預(yù)測(cè)方法，如灰色理論、模糊數(shù)學(xué)、BP神經(jīng)網(wǎng)以及時(shí)間序列分析，并取得了豐碩的成果[8]。本次研究中，結(jié)合背景工程的實(shí)際情況，選擇俞艷玲等基于蛙跳算法提出的改進(jìn)非等間距 GM(1，1)大壩位移預(yù)測(cè)模型[9]、王玉振針對(duì)大壩變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)非平穩(wěn)非線性的特點(diǎn)提出的基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型(EMD-WNN)[10]以及魏博文等依據(jù)時(shí)間序列原理提出的一種基于 BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型[11]進(jìn)行對(duì)比分析，以獲取不同模型在預(yù)測(cè)結(jié)果方面的差異性和適合性。

3 預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

3.1 斷面A預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

利用選擇的三種不同預(yù)測(cè)方法對(duì)典型斷面A的沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，結(jié)果見表2。為了對(duì)比不同預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)計(jì)算精度，對(duì)各模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。由表2和圖1可知，改進(jìn)非等間距 GM(1，1)模型、EMD-WNN以及基于 BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型的相對(duì)誤差均值分別為0.59%、11.21%、0.82%；其相對(duì)誤差的最大值分別為1.06%、11.21%、1.18%。由此可見，預(yù)測(cè)誤差最小的是改進(jìn)非等間距 GM(1，1)模型，其次是BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型，誤差最大的是EMD-WNN。另一方面，隨著時(shí)間的推移，非等間距 GM(1，1)模型和BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型的預(yù)測(cè)誤差在逐漸減小，也就是預(yù)測(cè)的精度不斷提高。綜上所述，從斷面A來看，非等間距 GM(1，1)模型和BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型更適合于本文背景工程的沉降量預(yù)測(cè)計(jì)算。

表2 斷面A沉降量預(yù)測(cè)結(jié)果

圖1 斷面A不同模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差變化曲線

3.2 斷面B預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

利用選擇的三種不同預(yù)測(cè)方法對(duì)典型斷面B的沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，結(jié)果見表3。為了對(duì)比不同預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)計(jì)算精度，對(duì)各模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。由表3和圖2可知，改進(jìn)非等間距 GM(1，1)模型、EMD-WNN以及基于 BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型的相對(duì)誤差均值分別為1.41%、9.42%、2.50%；其相對(duì)誤差的最大值分別為2.88%、13.31%、5.70%。由此可見，預(yù)測(cè)誤差最小的是改進(jìn)非等間距 GM(1，1)模型，其次是BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型，誤差最大的是EMD-WNN。另一方面，隨著時(shí)間的推移，非等間距 GM(1，1)模型和BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型的預(yù)測(cè)誤差在逐漸減小，也就是預(yù)測(cè)的精度不斷提高。綜上所述，從斷面B來看，非等間距 GM(1，1)模型和BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型更適合于本文背景工程的沉降量預(yù)測(cè)計(jì)算。

表3 斷面B沉降量預(yù)測(cè)結(jié)果

3.3 斷面C預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

利用選擇的三種不同預(yù)測(cè)方法對(duì)典型斷面C的沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，結(jié)果見表4。為了對(duì)比不同預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)計(jì)算精度，對(duì)各模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。由表4和圖3可知，改進(jìn)非等間距 GM(1，1)模型、EMD-WNN以及基于 BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型的相對(duì)誤差均值分別為1.65%、9.38%和2.24%；其相對(duì)誤差的最大值分別為3.40%、28.15%、5.27%。由此可見，預(yù)測(cè)誤差最小的是改進(jìn)非等間距 GM(1，1)模型，其次是BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型，誤差最大的是EMD-WNN。另一方面，隨著時(shí)間的推移，非等間距 GM(1，1)模型和BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型的預(yù)測(cè)誤差在逐漸減小，也就是預(yù)測(cè)的精度不斷提高。綜上所述，從斷面C來看，非等間距 GM(1，1)模型和BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型更適合于本文背景工程的沉降量預(yù)測(cè)計(jì)算。

表4 斷面C沉降量預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3 斷面C不同模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差變化曲線

4 結(jié)論

此次研究以實(shí)際工程為背景，對(duì)高心墻堆石壩施工完建期間的堆石料沉降預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比研究，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)背景工程而言，預(yù)測(cè)精度最高、誤差最小的是改進(jìn)非等間距 GM(1，1)模型，其次是BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型，預(yù)測(cè)精度最低、誤差最大的是EMD-WNN。

(2)改進(jìn)非等間距 GM(1，1)模型和BP-ARIMA 的多尺度變形組合預(yù)報(bào)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果均比較準(zhǔn)確，可以有效描繪研究斷面的沉降變化，更適合于背景工程的沉降預(yù)測(cè)研究。

(3)不同的預(yù)測(cè)方法有不同的適應(yīng)對(duì)象，同時(shí)會(huì)受到工程特點(diǎn)，特別是地質(zhì)環(huán)境的較大影響，并在預(yù)測(cè)精度上可能存在顯著差異，因此在實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的預(yù)測(cè)方法十分重要。