韓文浩

(西寧市湟中區(qū)水利局，青海 西寧 811600)

引水隧洞的挖掘以及構(gòu)建通常是維持大型地下工程十分重要且關(guān)鍵的因素，也是水工隧洞圍巖判別的基礎(chǔ)條件[1]。復(fù)合承載引水隧洞的構(gòu)建難度通常較大，不僅僅是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時(shí)還與其施工環(huán)境的安全和穩(wěn)定具有直接關(guān)聯(lián)。近年來，隨著施工建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提升以及人們需求的擴(kuò)展延伸，隧洞的內(nèi)部承壓結(jié)構(gòu)總體呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)，再加上外部因素的沖擊，部分工程還出現(xiàn)了坍塌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂的情況，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至嚴(yán)重威脅人身安全[2]。由于部分工程忽視隧洞結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)，導(dǎo)致在隧洞建設(shè)施工后期易形成事故，造成不可避免的損失。為了降低事故發(fā)生的概率，需要定期對(duì)隧洞的承載結(jié)構(gòu)安全能力做出評(píng)價(jià)。

有研究學(xué)者提出基于熵理論-可拓云模型的引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建多指標(biāo)參數(shù)的引水洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用偏好比率法和反熵權(quán)法分析指標(biāo)權(quán)重，考慮風(fēng)險(xiǎn)因素的不確定性以及評(píng)價(jià)等級(jí)劃分的模糊性，構(gòu)建基于引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[3]。但是該方法忽略了引水隧洞實(shí)時(shí)形變情況，因此評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間具有一定的誤差，評(píng)價(jià)精度較低。還有研究學(xué)者提出基于GSA-PP算法模型的引水隧洞運(yùn)行期襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，建立水工隧洞結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用GSA-PP算法模型對(duì)引水隧洞運(yùn)行期襯砌結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。但是該方法粒子評(píng)定誤差較大，容易影響最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

為了解決以上問題，本文基于粒子群算法，針對(duì)引水隧洞復(fù)合承載結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方法展開研究。粒子群算法可以將施工過程中的基礎(chǔ)安全數(shù)據(jù)信息作出精準(zhǔn)測(cè)算，確保數(shù)值的精準(zhǔn)度。

1 粒子群算法下引水隧洞復(fù)合承載結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方法

1.1 定義動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)安全評(píng)價(jià)目標(biāo)

與普通隧洞不同的是，引水隧洞的規(guī)模較大，引水范圍與方向具有針對(duì)性，尤其是復(fù)合型的承載結(jié)構(gòu)，與周圍的引水建設(shè)關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)[5]。所以，為了確保最終安全評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性與精準(zhǔn)性，需要設(shè)定動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)目標(biāo)，并賦予每一個(gè)目標(biāo)單向定義[6]。依據(jù)隧洞內(nèi)部的承壓情況，測(cè)定基礎(chǔ)響應(yīng)距離，并計(jì)算出承壓的峰值，具體公式如下：

(1)

式中，H—承壓峰值；d—基準(zhǔn)響應(yīng)距離，m；e—搭接引水范圍，m2。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際承壓峰值，來對(duì)此時(shí)隧洞的承載震動(dòng)狀態(tài)作出定向研究[7]。以非線性的抗震結(jié)構(gòu)，與單向的隧洞內(nèi)部承壓結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)搭接，從多個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)承載能量調(diào)整[8]。接受外部因素的沖擊之后，在隧洞中的標(biāo)定位置之中，布設(shè)對(duì)應(yīng)的安全評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)。

這部分需要注意的是，所構(gòu)建設(shè)定的每一個(gè)評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)均是獨(dú)立的，具有特定的評(píng)價(jià)區(qū)域，不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)測(cè)評(píng)的現(xiàn)象，測(cè)定在設(shè)備中輸入承載標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)與節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)覆蓋范圍結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)安全評(píng)價(jià)目標(biāo)的定義，作為后續(xù)安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1.2 構(gòu)建隧洞安全主觀權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)

在完成對(duì)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)安全評(píng)價(jià)目標(biāo)的定義之后，接下來，需要結(jié)合例子群算法，實(shí)現(xiàn)安全主觀權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。這部分的針對(duì)性較強(qiáng)，需要集中測(cè)定隧洞的基礎(chǔ)安全評(píng)定數(shù)值以及信息。利用專業(yè)的探測(cè)設(shè)備，首先對(duì)復(fù)合承載結(jié)構(gòu)的主觀形變情況作出測(cè)定，具體如圖1所示。

圖1 復(fù)合承載結(jié)構(gòu)隧洞主觀形變情況圖

根據(jù)圖1，可以完成對(duì)復(fù)合承載結(jié)構(gòu)隧洞主觀形變情況的了解。隨后在此基礎(chǔ)之上，隨著主觀形變點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)應(yīng)的復(fù)合承載距離也在隨之發(fā)生變化，從隧洞型形變峰值到下位承壓點(diǎn)之間的距離一般為主觀安全評(píng)定范圍，可以依據(jù)得出的數(shù)據(jù)與信息，計(jì)算出主觀權(quán)重評(píng)價(jià)比如下所示：

(2)

式中，Y—主觀權(quán)重評(píng)價(jià)比；s—定向承載力，KPa；g—峰值變化系數(shù)。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的主觀權(quán)重評(píng)價(jià)比，依據(jù)比值在隧洞之中，結(jié)合實(shí)際的安全情況，劃定出不同層級(jí)的目標(biāo)評(píng)價(jià)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的層級(jí)安全評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)。但需要注意的是，部分工程在設(shè)定層級(jí)時(shí)，需要對(duì)重點(diǎn)承壓區(qū)域進(jìn)行偏重評(píng)定，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)更為嚴(yán)密一些，形成網(wǎng)格狀的范圍評(píng)定，進(jìn)一步確保符合承載隧洞內(nèi)部的安全性與穩(wěn)定性，細(xì)化隧洞安全主觀權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)。

1.3 設(shè)定粒子轉(zhuǎn)換評(píng)價(jià)矩陣

在完成對(duì)隧洞安全主觀權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建之后，結(jié)合隧洞實(shí)時(shí)的承載情況，基于粒子群算法，設(shè)定粒子轉(zhuǎn)換評(píng)價(jià)矩陣。復(fù)合承載隧洞在施工建設(shè)的過程中，常常會(huì)由于外部因素的沖擊，內(nèi)部能量轉(zhuǎn)移，這也逐步造成隧洞承壓不平衡的現(xiàn)狀，影響安全評(píng)價(jià)結(jié)果。針對(duì)于部分隧洞的測(cè)定區(qū)域?？梢赃M(jìn)行能量粒子轉(zhuǎn)換。依據(jù)粒子群算法，清晰劃定能量轉(zhuǎn)移的范圍，并對(duì)隧洞周圍的相對(duì)收斂量測(cè)定，具體見表1。

表1 允許洞周相對(duì)收斂量表

根據(jù)表1，可以完成對(duì)允許洞周相對(duì)收斂量的測(cè)定和分析。根據(jù)相對(duì)收斂量的覆蓋范圍，劃定對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)范圍，構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣，計(jì)算出單質(zhì)轉(zhuǎn)換比如下所示：

K=2r-5n+1

(3)

式中，K—單質(zhì)轉(zhuǎn)換比；r—承壓基準(zhǔn)值，kPa；n—單元收斂量，mm。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的單質(zhì)轉(zhuǎn)換比。在矩陣評(píng)價(jià)時(shí)，將測(cè)定目標(biāo)依據(jù)單質(zhì)轉(zhuǎn)換比劃分，進(jìn)一步細(xì)化粒子轉(zhuǎn)換評(píng)價(jià)矩陣，確保基礎(chǔ)評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.4 模糊粒子綜合安全評(píng)價(jià)模型建立

在完成對(duì)粒子轉(zhuǎn)換評(píng)價(jià)矩陣的設(shè)定之后，需要建立模糊粒子綜合安全評(píng)價(jià)模型。與傳統(tǒng)的評(píng)定模型不同的是，模糊粒子綜合評(píng)定的范圍相對(duì)較廣，針對(duì)于部分復(fù)合承壓嚴(yán)重區(qū)域，得出的評(píng)定結(jié)果也更加準(zhǔn)確、可靠。對(duì)測(cè)定范圍作出標(biāo)記同時(shí)布設(shè)模糊承壓粒子節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算出單個(gè)粒子節(jié)點(diǎn)之間的距離，具體如下：

(4)

式中，V—單粒子節(jié)點(diǎn)距離，m；a—評(píng)定極限差異值，m；u—模糊區(qū)域。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的單粒子節(jié)點(diǎn)距離。依據(jù)得出的單粒子節(jié)點(diǎn)距離，調(diào)整復(fù)合承載隧洞中單粒子節(jié)點(diǎn)之間的距離，從多個(gè)方向，更改模糊粒子評(píng)定基準(zhǔn)；同時(shí)，依據(jù)粒子的標(biāo)記移動(dòng)情況，分析出隧洞承壓力的變化，構(gòu)建模糊粒子綜合安全評(píng)價(jià)模型的環(huán)節(jié)，具體如圖2所示。

圖2 模糊粒子綜合安全評(píng)價(jià)模型環(huán)節(jié)圖示

根據(jù)圖2，可以完成對(duì)模糊粒子綜合安全評(píng)價(jià)模型環(huán)節(jié)的構(gòu)建。并將上述所定義的動(dòng)態(tài)評(píng)測(cè)目標(biāo)以及內(nèi)部評(píng)定結(jié)構(gòu)添加在模型的各個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)之中，依據(jù)實(shí)際的評(píng)價(jià)需求和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)相關(guān)的指標(biāo)參數(shù)作出更改，在模糊評(píng)價(jià)的環(huán)境之中，進(jìn)一步細(xì)化模糊粒子綜合安全評(píng)價(jià)模型的處理能力，提升整體的評(píng)價(jià)效果。

1.5 粗糙層級(jí)分析法實(shí)現(xiàn)隧洞結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

在完成對(duì)模糊粒子綜合安全評(píng)價(jià)模型的建立之后，采用粗糙層級(jí)分析法實(shí)現(xiàn)隧洞結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)。在模糊粒子的限制范圍之內(nèi)，部分隧洞的承壓會(huì)逐漸均衡，結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定一些，施工環(huán)境相對(duì)較為安全。此時(shí)，采用粗糙層級(jí)分析法，計(jì)算出評(píng)定粗糙集，具體如下公式5所示：

(5)

式中，Y—評(píng)定粗糙集；y—限制粒子差值；h——層級(jí)等效常值。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的評(píng)定粗糙集。

依據(jù)得出的評(píng)定粗糙集，劃定具體的粗糙局域，與模糊粒子的評(píng)價(jià)覆蓋區(qū)域相重合，標(biāo)記非重合區(qū)域。

結(jié)合復(fù)合承載實(shí)況，構(gòu)建圍護(hù)結(jié)構(gòu)，針對(duì)水源豐富的區(qū)域，需要著重圍護(hù)、防護(hù)。測(cè)定相關(guān)的建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)，并對(duì)隧洞的實(shí)時(shí)形變情況掌握，計(jì)算出變異系數(shù)，具體如下：

(6)

式中，J—表示變異系數(shù)；e—隧洞標(biāo)定評(píng)價(jià)范圍，m2；w—應(yīng)變差值；v—客觀賦值；B—極限標(biāo)準(zhǔn)。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的變異系數(shù)。將變異系數(shù)設(shè)定在安全評(píng)價(jià)模型之中，形成標(biāo)定評(píng)價(jià)區(qū)域，將布設(shè)的評(píng)價(jià)粒子節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，利用反熵權(quán)法獲取部分標(biāo)定區(qū)域的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)信息，針對(duì)于不同的隧洞覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)組合賦權(quán)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)，預(yù)設(shè)復(fù)合承載隧洞的評(píng)價(jià)環(huán)境。針對(duì)于這部分的隧洞復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，作出單方面安全評(píng)價(jià)測(cè)定，與重合區(qū)域模型評(píng)價(jià)的結(jié)果匯總整理，得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，最終采用粗糙層級(jí)分析法實(shí)現(xiàn)隧洞結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本次主要是對(duì)粒子群算法下引水隧洞復(fù)合承載結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)效果進(jìn)行分析和研究。選擇K工程作為本文測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象?？紤]到測(cè)試需要具備公平性與可靠性，選擇基于熵理論-可拓云模型的引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法與基于GSA-PP算法模型的引水隧洞運(yùn)行期襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)方法作為本次實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，與本文提出方法共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

采用Matlab R 2017a實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，利用專業(yè)設(shè)備對(duì)礦洞描述識(shí)別，得出基礎(chǔ)的識(shí)別評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)，具體隧洞基礎(chǔ)識(shí)別評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)預(yù)設(shè)見表2。

表2 隧洞基礎(chǔ)識(shí)別評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)預(yù)設(shè)表

根據(jù)表2，可以完成對(duì)隧洞基礎(chǔ)識(shí)別評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)的預(yù)設(shè)。利用安全評(píng)價(jià)模型，對(duì)隧洞的重合承壓區(qū)域和非重合承壓區(qū)域作出雙向評(píng)定，利用粒子群算法，構(gòu)建動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)矩陣，計(jì)算出瞬時(shí)評(píng)價(jià)單元，具體如下：

(7)

式中，T—瞬時(shí)評(píng)價(jià)單元；X—粒子評(píng)定距離；z—雙向粒子群差值。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的瞬時(shí)評(píng)價(jià)單元，根據(jù)隧洞搭接區(qū)域的變化，隨即計(jì)算出粒子評(píng)定誤差，得出的結(jié)果對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析見表3。

根據(jù)表3，可以完成相關(guān)的測(cè)試分析：與基于熵理論-可拓云模型的引水隧洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法和基于GSA-PP算法模型的引水隧洞運(yùn)行期襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)方法相對(duì)比，本文所設(shè)計(jì)的粒子群算法安全評(píng)價(jià)方法最終得出的重合評(píng)價(jià)單元覆蓋比與粒子評(píng)定誤差相對(duì)較小，表明此種方法的評(píng)價(jià)精度較高，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

表3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表

3 結(jié)論

本文研究基于粒子群算法的引水隧洞復(fù)合承載結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建模糊粒子綜合安全評(píng)價(jià)模型，能夠提高隧洞結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)的精度，有效實(shí)現(xiàn)隧洞結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)。與傳統(tǒng)的安全評(píng)定方法相對(duì)比，本文評(píng)價(jià)方法的結(jié)構(gòu)安全評(píng)定模式相對(duì)更加靈活、多變，可以從多個(gè)方向測(cè)定隧洞實(shí)時(shí)安全情況，為后續(xù)的施工提供理論依據(jù)。

由于時(shí)間的限制，本文所設(shè)計(jì)的方法還需要參與更多的實(shí)際工程項(xiàng)目以驗(yàn)證該方法的有效性。與此同時(shí)，為了盡量減少圍巖侵蝕與塌落問題，可以在隧洞外側(cè)搭建對(duì)應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，形成更為安全穩(wěn)定的施工評(píng)定環(huán)境，為后續(xù)的工程建設(shè)奠定更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)條件。