基于變位監(jiān)測的邊坡力學(xué)參數(shù)反演分析研究

呂德浩

(林口縣水電開發(fā)總公司，黑龍江 林口 157699)

0 引 言

水利工程具有混凝土方量大、地質(zhì)條件復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，安全穩(wěn)定性研究一直備受壩工界關(guān)注，進(jìn)而促使理論研究、數(shù)據(jù)分析及安全監(jiān)測設(shè)備設(shè)施等方面的發(fā)展。

水利工程中反分析法根據(jù)不同量測信息分為應(yīng)力反分析法、位移反分析法、應(yīng)力與位移的混合反分析法[1]。其中，位移反分析法信息獲取較為容易，且精度高，應(yīng)用最為廣泛。近年來，數(shù)值計(jì)算、軟計(jì)算等方面的研究和實(shí)際融合帶來不同的反分析法，軟計(jì)算方法中在不同行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，當(dāng)前已形成包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、小波理論等反分析手段，反分析計(jì)算收斂性大為提升，在水利工程中得到大量應(yīng)用實(shí)踐。

1 反演分析原理

反分析按性質(zhì)不同分為反演分析和反饋分析，如圖1示。反演分析是結(jié)合正分析計(jì)算結(jié)果，通過計(jì)算力學(xué)等學(xué)科理論反求結(jié)構(gòu)體計(jì)算參數(shù)，從而校準(zhǔn)左右計(jì)算精度的影響因子[2]。

軟計(jì)算通過有限元、差分元等計(jì)算得到效應(yīng)量樣本，建立算法訓(xùn)練映射位移值與待反演未知量間的非線性關(guān)系，根據(jù)實(shí)測效應(yīng)量值得到材料的反演參數(shù)值。反分析操作流程如圖2所示。

圖1 反分析示意圖

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某高邊坡位于我國西南省份境內(nèi)，根據(jù)邊坡體的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)情況，將邊坡體沿等高線不同高程進(jìn)行劃分，設(shè)3區(qū)5監(jiān)測斷面構(gòu)建邊坡體監(jiān)測網(wǎng)[3]，1987年7月開始監(jiān)測邊坡變形量，至2008年有監(jiān)測測點(diǎn)共計(jì)25個(gè)，為青1-青11、青5-1、滑1-滑16(除滑2和滑10)。測點(diǎn)的具體分區(qū)及測點(diǎn)高程面坐標(biāo)如表1所示。

圖2 反分析操作流程圖

表1 邊坡體變形測點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3.2 待反演參數(shù)樣本設(shè)計(jì)

節(jié)選2001年1月至2001年6月的枯水期作為反分析時(shí)間區(qū)段，特征點(diǎn)選?、髤^(qū)的6個(gè)邊坡監(jiān)測點(diǎn)，反分析時(shí)段內(nèi)特征點(diǎn)豎直位移增量輸入網(wǎng)絡(luò)模型[4]，輸出值為邊坡的待反演力學(xué)參數(shù)。

待反演的6個(gè)邊坡體力學(xué)參數(shù)的因素水平見表2，正交設(shè)計(jì)樣本的待反演力學(xué)參數(shù)樣本見表3[5]。

表2 因素水平表

表3 邊坡體力學(xué)參數(shù)的正交設(shè)計(jì)樣本

將邊坡體力學(xué)參數(shù)正交設(shè)計(jì)樣本輸入有限元分析模型中，可得Ⅲ區(qū)6個(gè)監(jiān)測特征點(diǎn)的位移值序列表，監(jiān)測特征點(diǎn)的位移值樣本見表4，特征點(diǎn)坐標(biāo)及位移增量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示，兩種不同模型的反演結(jié)果見表6。

表4 邊坡體特征點(diǎn)的計(jì)算位移值樣本

表5 特征點(diǎn)位置及實(shí)測位移增量

表6 兩種不同模型的反演效果對比表

為更好驗(yàn)證初步訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)性能，回歸分析仿真計(jì)算結(jié)果和目標(biāo)輸出，計(jì)算得出兩者的相關(guān)系數(shù)。其中，若R∈(0.75,1]，則相關(guān)性很強(qiáng)；若R∈(0.30,0.75]，則相關(guān)性一般；若R∈(0,0.30],則相關(guān)性較弱。根據(jù)上表結(jié)果可得，GA-BP網(wǎng)絡(luò)在很強(qiáng)范圍區(qū)間內(nèi)的系數(shù)值大于BP模型，說明前者的預(yù)測精度更可靠。

3.3 后驗(yàn)差檢驗(yàn)分析

一般采用后驗(yàn)差法檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將GA-BP模型反分析的參數(shù)輸入有限元模型進(jìn)行豎向位移計(jì)算，得到下表7所示的位移，評價(jià)指標(biāo)結(jié)果見表8。

表7 反分析參數(shù)代入模型所得位移量

表8 反分析結(jié)果評價(jià)指標(biāo)

該等級的說明：

1)C值小，則S1小S2大，預(yù)測誤差離散性小。若原始數(shù)據(jù)離散性大，預(yù)測值離散性較小，則預(yù)測方法和結(jié)果是正確的的。

2)P值大，則誤差較小，精度高。

計(jì)算結(jié)果：后驗(yàn)差比C為0.299，誤差概率P為0.833，符合評價(jià)指標(biāo)的反分析合格標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果充分證明GA-BP模型的反分析結(jié)果更接近實(shí)際，其結(jié)果可直接用于穩(wěn)定評價(jià)。

4 結(jié) 論

基于高邊坡變位的統(tǒng)計(jì)監(jiān)測資料，結(jié)合反演分析的基本理論及實(shí)踐方法研究，對邊坡體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算分析，得出BP模型和GA-BP模型的反演結(jié)果，通過后驗(yàn)差擬合相關(guān)系數(shù)R檢驗(yàn)分析二者的適用性，通過對比分析表明GA-BP網(wǎng)絡(luò)模型演算精度更高，同時(shí)驗(yàn)證在高邊坡力學(xué)參數(shù)反演分析中該模型的適用性。