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        基于小波-云模型的地下洞室圍巖變形監(jiān)控指標(biāo)擬定

        2023-11-22 03:58:40呂小龍景來紅王玉杰翟利軍楊喜清
        水力發(fā)電 2023年11期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形模型

        呂小龍,景來紅,王玉杰,翟利軍,楊喜清

        (1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450003;2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌),河南 鄭州 450003;3.中國水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所,北京 100048)

        0 引 言

        監(jiān)控指標(biāo)是實(shí)時(shí)掌握工程運(yùn)行狀態(tài)、保障人員財(cái)產(chǎn)安全的重要依據(jù)。由于大型地下洞室群地質(zhì)條件復(fù)雜,圍巖穩(wěn)定受洞室規(guī)模、布置形式、巖體質(zhì)量等眾多因素影響,現(xiàn)行規(guī)范中的圍巖變形監(jiān)控指標(biāo)較為單一且模糊[1-3],不同工程規(guī)模和工程地質(zhì)下的實(shí)踐表明,其實(shí)用性不理想。

        目前,國內(nèi)學(xué)者對監(jiān)控指標(biāo)的研究主要集中在重力壩變形、土石壩滲流等方面。舒光學(xué)等[4]引入基于極值理論的POT(Peaks Over Threshold)模型,對大壩監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的尾部特征擬合結(jié)果表明,在采樣數(shù)據(jù)較少的情況下,POT模型具有更高的精度。趙鯤鵬等[5]采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解濾波方法對原始數(shù)據(jù)降噪,然后采用云模型擬定大壩安全監(jiān)控指標(biāo)。肖磊等[6]采用最大熵法和云模型法擬定了大壩運(yùn)行期變形監(jiān)控指標(biāo),探討了異常概率與云模型弱外圍元素對定性概念貢獻(xiàn)率之間的聯(lián)系。建劍波等[7]建立了基于日變化速率的改進(jìn)云模型,對河口村水庫的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行異常識別。上述成果為實(shí)際工程運(yùn)行狀態(tài)評估提供了重要依據(jù)。

        目前,在地下洞室圍巖變形監(jiān)控指標(biāo)擬定方面,主要采用傳統(tǒng)的置信區(qū)間法、典型小概率法等傳統(tǒng)方法,存在含噪聲數(shù)據(jù)精度低、人為假定概率密度函數(shù)等不足。針對這一問題,本文建立一種基于小波-云模型的監(jiān)控指標(biāo)擬定方法,應(yīng)用于某大型地下洞室工程,并與傳統(tǒng)的典型小概率法擬定指標(biāo)進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證了所述方法的合理性和可行性。

        1 基于小波-云模型的監(jiān)控指標(biāo)擬定方法

        受環(huán)境波動(dòng)、儀器精度等因素影響,現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)普遍含有噪聲。通常,真實(shí)信號主要分布于數(shù)據(jù)的低頻區(qū)域,局部細(xì)節(jié)信息和噪聲則混雜在高頻區(qū)域。小波變換通過伸縮、平移運(yùn)算對數(shù)據(jù)逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化,最終實(shí)現(xiàn)高頻區(qū)域時(shí)間細(xì)分、低頻區(qū)域頻率細(xì)分,可聚焦于數(shù)據(jù)的任意細(xì)節(jié)。小波降噪基于小波變換多分辨分析的特性,根據(jù)噪聲與真實(shí)信號在不同頻帶上的小波分解系數(shù)具有不同強(qiáng)度分布的特點(diǎn),將各頻帶上噪聲對應(yīng)的小波系數(shù)去除,保留原始信號的小波分解系數(shù),然后對處理后的系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu),得到純凈數(shù)據(jù)。小波降噪既能降低數(shù)據(jù)噪聲,又能保留數(shù)據(jù)的局部細(xì)節(jié)信息,可用于監(jiān)控指標(biāo)擬定前的數(shù)據(jù)預(yù)處理。

        云模型充分考慮數(shù)據(jù)的隨機(jī)性和模糊性,無需事先設(shè)定數(shù)據(jù)的概率分布函數(shù),即可基于原型監(jiān)測數(shù)據(jù)擬定監(jiān)控指標(biāo)[8-15]。首先,采用逆向云發(fā)生器,計(jì)算數(shù)據(jù)樣本的期望Ex、熵En和超熵He,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)特征的定性;然后,通過正向云發(fā)生器生成云滴群,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)特征的定量;最后,基于云模型的“3En規(guī)則”確定監(jiān)控指標(biāo)。本文先采用小波降噪對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,再采用云模型擬定監(jiān)控指標(biāo)。基于小波-云模型擬定監(jiān)控指標(biāo)流程見圖1。具體實(shí)施步驟如下:

        (1)選擇小波基和分解層次,對含噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分解。

        (2)對高頻系數(shù)進(jìn)行閾值量化,對于從1到N的每一層,選擇1個(gè)閾值,并對這一層的高頻系數(shù)進(jìn)行軟閾值化處理。其中,N為小波分解層數(shù)。

        (3)根據(jù)小波分解的第N層的低頻系數(shù)和經(jīng)過修改的從第1層到第N層的高頻系數(shù),采用小波逆變換重構(gòu)真實(shí)數(shù)據(jù)系列。

        (4)采用逆向云發(fā)生器,根據(jù)下式計(jì)算數(shù)據(jù)樣本的期望Ex、熵En和超熵He,即

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)基于云模型的“3En規(guī)則”擬定監(jiān)控指標(biāo)。論域中定性概念貢獻(xiàn)率較大的云滴群有99.7%分布在[Ex-3En,Ex+3En]范圍內(nèi),此區(qū)間以外的云滴對定性概念的貢獻(xiàn)率基本可以忽略。因此,若監(jiān)測值位于[Ex-3En,Ex+3En]外側(cè),表明數(shù)據(jù)異常。基于“3En規(guī)則”,即可確定監(jiān)控指標(biāo)。

        2 工程實(shí)例

        某大型地下洞室群布置于相對完整的花崗巖巖株內(nèi),最大埋深達(dá)730 m,主洞室為城門洞形,其中上部起拱跨度49 m,起拱高度27 m,下部水池邊墻高度44.9 m。工程具有大埋深、大跨度、高邊墻的特征?;谟琅R結(jié)合原則,在施工階段布置了系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目。典型監(jiān)測項(xiàng)目見圖2。

        圖2 典型監(jiān)測項(xiàng)目

        由于主洞室跨度遠(yuǎn)超常規(guī)的30 m量級,頂拱圍巖穩(wěn)定是工程重點(diǎn)關(guān)注的問題。下部邊墻開挖后,采用60 cm厚的混凝土襯砌,且在后續(xù)運(yùn)行階段,水池內(nèi)充滿水,對邊墻穩(wěn)定有利。因此,選取主洞室頂拱中心BX-10的變形速率作為監(jiān)控指標(biāo)擬定對象。

        2.1 基于小波-云模型的監(jiān)控指標(biāo)擬定

        (6)

        圖3是BX-10在不同小波階數(shù)和分解層數(shù)條件下的信噪比。從圖3可知,db7小波的信噪比最高,且隨著分解層數(shù)增大,信噪比快速收斂。由于較大的分解層數(shù)有利于信號和噪聲的分離,同時(shí)兼顧計(jì)算效率,綜合分析選用db7進(jìn)行4層小波分解,對分解后的高頻部分采用軟閾值去噪,去噪重構(gòu)后的變形速率和原始監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。圖4中,以圍巖向臨空面變形為正,向巖體內(nèi)部變形為負(fù)。從圖4可知,降噪后數(shù)據(jù)與原始監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢一致,且降噪后曲線更加平滑。

        圖3 小波降噪?yún)?shù)敏感性分析

        圖4 原始監(jiān)測數(shù)據(jù)與去噪重構(gòu)數(shù)據(jù)對比

        采用逆向云發(fā)生器,求取降噪后圍巖變形速率的數(shù)字特征Ex=0.0171、En=0.0497、He=0.0212。然后,根據(jù)云滴對定性概念的貢獻(xiàn)度,基于“3En準(zhǔn)則”確定圍巖變形速率的安全區(qū)間為[-0.132,0.166]。因此,根據(jù)上述計(jì)算成果,試驗(yàn)大廳頂拱中心BX-10處圍巖向臨空面的變形速率不宜超過0.166 mm/周,向巖體內(nèi)部的變形速率不宜超過0.132 mm/周。

        2.2 基于典型小概率法的監(jiān)控指標(biāo)擬定

        現(xiàn)場監(jiān)測資料表明,試驗(yàn)大廳開挖襯砌完成后,圍巖位移呈正負(fù)波動(dòng)性變化,故選取每月的最大和最小變形速率作為典型效應(yīng)量。BX-10變形速率極值統(tǒng)計(jì)見表1。

        表1 BX-10變形速率極值統(tǒng)計(jì)

        根據(jù)K-S法檢驗(yàn),BX-10的最大和最小變形速率均服從正態(tài)分布。令Xm1和Xm2分別為監(jiān)控指標(biāo)的極大和極小值,當(dāng)X>Xm1或X

        (7)

        (8)

        表2是由BX-10實(shí)測資料確定的統(tǒng)計(jì)特征值和監(jiān)控指標(biāo)。從表2可知,BX-10處圍巖向臨空面的變形速率不宜超過0.158 mm/周,向巖體內(nèi)部的變形速率不宜超過0.157 mm/周。

        表2 BX-10統(tǒng)計(jì)特征值和監(jiān)控指標(biāo)

        2.3 2種擬定方法對比

        地下洞室在長期運(yùn)行過程中,圍巖主要呈現(xiàn)流變特性,即在地應(yīng)力作用下,圍巖向臨空面持續(xù)變形。由于本工程的圍巖質(zhì)量高,地應(yīng)力水平適中,流變作用較微弱,但在流變和環(huán)境隨機(jī)波動(dòng)影響下,圍巖向臨空面方向的監(jiān)控指標(biāo)應(yīng)大于向巖體內(nèi)部的監(jiān)控指標(biāo)?;诘湫托「怕史〝M定的監(jiān)控指標(biāo)最大值和最小值基本相同,該結(jié)果與基本力學(xué)原理相悖,其合理性存疑。

        基于小波-云模型擬定的監(jiān)控指標(biāo),不僅滿足圍巖向臨空面方向變形大于向巖體內(nèi)部變形的基本要求,且充分考慮了數(shù)據(jù)噪聲的影響,亦無需事先假定樣本的概率密度函數(shù),計(jì)算結(jié)果更具客觀性和合理性。

        3 結(jié) 語

        本文基于某大型地下洞室工程,建立一種基于小波-云模型的圍巖變形監(jiān)控指標(biāo)擬定方法,得出主要結(jié)論如下:

        (1)基于小波-云模型的監(jiān)控指標(biāo)擬定方法,不僅可有效降低數(shù)據(jù)噪聲,且無需設(shè)定概率密度函數(shù),充分考慮了監(jiān)測資料的不確定性和模糊性,擬定的監(jiān)控指標(biāo)較為合理可行。

        (2)計(jì)算結(jié)果表明,主洞室頂拱中心處圍巖向臨空面的變形速率不宜超過0.166 mm/周,向巖體內(nèi)部的變形速率不宜超過0.132 mm/周。若現(xiàn)場圍巖變形速率超過預(yù)警值,需開展專題研究,排除安全隱患。

        (3)在長期運(yùn)行過程中,工程賦存的水文地質(zhì)條件、巖體性質(zhì)可能隨時(shí)間不斷變化,為反映工程的實(shí)時(shí)狀態(tài)演變,隨著監(jiān)測系列的不斷增長,應(yīng)適時(shí)重新擬定圍巖變形監(jiān)控指標(biāo)。

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