基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長距離引水隧洞涌水量預(yù)測

韓強(qiáng)

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊830000）

1 工程概況

長距離輸水隧洞的突涌水問題對隧洞施工安全、施工效率以及隧洞建成后的運(yùn)營質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因而為保證隧洞安全、高效的施工，對隧洞涌水量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測是十分有必要的。以新疆某大型調(diào)水工程為研究背景，該工程線路總體走向由西北至東南，地貌為低山丘陵?？偟貏菽细弑钡?，東高西低，地形較為起伏，同時(shí)沿線沖溝較發(fā)育。海拔最低值為730 m，海拔最高值為1 400 m，洞室最大埋深為668 m，設(shè)計(jì)坡度1/3 000。引水隧洞基巖巖性為奧陶系黑云母石英片巖，淺灰色～深灰色，中厚層狀，層面中等發(fā)育，裂隙面起伏，絹云母化強(qiáng)烈，巖石中石英含量一般50%。洞內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水，洞內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水，洞段主要出現(xiàn)滲水到滴水，隧洞進(jìn)口、過溝線埋段及斷層破碎帶洞壁會(huì)發(fā)生線狀流水，部分洞段會(huì)發(fā)生股狀涌水。本論文研究標(biāo)段隧洞采用TBM 法施工，圍巖級別為Ⅲ～Ⅴ級。

引水隧洞在前期施工過程中多次出現(xiàn)較大突涌水現(xiàn)象，對現(xiàn)場施工造成了較大的干擾，對施工工期形成較大的影響。該工程水害現(xiàn)象較為頻繁，對隧洞涌水量進(jìn)行合理的預(yù)測，關(guān)系到隧洞施工安全以及工程質(zhì)量，同時(shí)也是指導(dǎo)TBM 施工的重要依據(jù)[1-4]。為此本文利用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立引水隧洞涌水量預(yù)測模型，預(yù)測隧洞建設(shè)過程中可能出現(xiàn)的涌水量，以便提前指導(dǎo)TBM 引水隧洞施工。

2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是包含輸入層、隱層和輸出層的前向分析網(wǎng)絡(luò)，設(shè)n 為輸入維數(shù)，k 為隱層單元數(shù)，m 為輸出維數(shù)，圖1為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層與輸出層均為簡單線性函數(shù)，而網(wǎng)絡(luò)隱層是非線性的，隱層徑向基函數(shù)包括有高斯(Gauss)函數(shù)、Reflected sigmoid 函數(shù)等，本文徑向基函數(shù)選擇高斯函數(shù)。

RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系包括兩部分：從輸入層至隱層的非線性變換為第一個(gè)部分。第i 個(gè)隱單元為：

式中：‖ ? ‖表示范數(shù)，‖X-Ci‖表示X 與隱層中心Ci的徑向距離，φi( x )在Ci處有最大值，‖X-Ci‖與φi( x )呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；X 表示n 維輸入向量，即X=[ x1，x2，…，xn]T；Ci表示第i個(gè)非線性變換單元的中心向量，Ci與X 具有相同維數(shù)，即Ci=；σi表示第i 個(gè)徑向基函數(shù)的寬度，徑向基函數(shù)的寬度越小，基函數(shù)的選擇性就越強(qiáng)。

從隱層到輸出層的線性相加為第二部分。第j 個(gè)輸出單元為：

式中：wij表示連接第i 個(gè)隱層和第j 個(gè)輸出層單元的權(quán)值。RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)目的是為了確定Ci，σi，wij，隱層的中心Ci和寬度σi代表樣本空間模式及各中心的相對位置，實(shí)現(xiàn)了采用將輸入向量非線性映射到隱含層空間；另外，輸出層的權(quán)值wij實(shí)現(xiàn)將隱層空間線性映射到輸出向量[5,6]。

3 工程應(yīng)用

3.1 評價(jià)指標(biāo)

隧洞突涌水的發(fā)生不僅取決于隧洞的工程地質(zhì)條件，還受地下水循壞條件的影響。本文根據(jù)新疆某大型調(diào)水工程的實(shí)際情況，結(jié)合國內(nèi)外一些隧洞涌水量預(yù)測判據(jù)和工程案例，選取下列因素作為隧洞涌水量的評價(jià)指標(biāo)：地質(zhì)構(gòu)造、滲透率、上覆含水體富水性和水頭高度。其中地質(zhì)構(gòu)造主要考慮圍巖的巖性條件和節(jié)理裂隙的發(fā)育情況，根據(jù)構(gòu)造的發(fā)育程度劃分為7個(gè)等級，如表1所示。

表1 地質(zhì)構(gòu)造量化等級

3.2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本

為了保證樣本的典型性和全面性，根據(jù)現(xiàn)場施工反饋，選取該工程區(qū)有代表性的12 個(gè)不同洞段的相關(guān)評價(jià)參數(shù)構(gòu)成樣本集，如表2 所示。前10 組樣本為學(xué)習(xí)樣本，后2 組樣本為檢驗(yàn)樣本。

表2 隧道涌水研究樣本

3.3 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

將前文選擇的4 個(gè)指標(biāo)定義為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，涌水量定義為輸出向量，采用RBF 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)。由于各指標(biāo)量綱不同，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的收斂速度和訓(xùn)練模型的可靠性，需進(jìn)行各指標(biāo)的無量綱化處理，可按如下公式進(jìn)行。

式中：xij為第i 項(xiàng)指標(biāo)第j 個(gè)數(shù)據(jù)；xmax為原始數(shù)據(jù)中的最大值；xmin為原始數(shù)據(jù)中的最小值。歸一化后的值介于0 和1 之間。

首先，將前10 組樣本進(jìn)行歸一化處理，然后利優(yōu)化后的RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，訓(xùn)練達(dá)到誤差ε=0.01 的要求僅需158 步，證明RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)收斂速度較快。

3.4 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型檢驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練出的模型在實(shí)際工程應(yīng)用中的可行性和有效性，將第11 號和第12 號樣本作為檢驗(yàn)樣本，利用訓(xùn)練完成的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢驗(yàn)。針對12 號樣本的預(yù)測結(jié)果，可能出現(xiàn)較大的出水量，施工單位采用激發(fā)極化水量探測設(shè)備進(jìn)行了地下水發(fā)育情況探測，探測結(jié)果如圖2 所示。預(yù)報(bào)結(jié)果表明，前方電阻率較低，可能出現(xiàn)股狀水。TBM 護(hù)盾后方出現(xiàn)多處股狀出水點(diǎn)，現(xiàn)場開挖情況和RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測情況基本一致。預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際測量的涌水量相比如表3 所示，11 號樣本和12 號樣本相對誤差為11.2%和9.2%，均在15%以下，在允許誤差值范圍內(nèi)。綜上所述，本文提出的RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在TBM 施工的引水隧洞水量預(yù)測方面，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

表3 預(yù)測涌水量與實(shí)測涌水量對比表

圖2 地下水發(fā)育情況激發(fā)極化探測結(jié)果

4 結(jié)語

長距離輸水隧洞的突涌水問題對隧洞施工安全有著較重要的影響，論文選取地質(zhì)構(gòu)造、滲透率、上覆含水體富水性和水頭高度作為評價(jià)因子，采用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了隧洞涌水量預(yù)測模型，并將該預(yù)測模型成功應(yīng)用于新疆某大型水利工程引水隧洞中。

在工程案例對比分析中，將RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、激發(fā)極化超前預(yù)報(bào)、現(xiàn)場開挖情況進(jìn)行比較。應(yīng)用結(jié)果表明，RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠有效地預(yù)測隧洞涌水量，從而減少突涌水災(zāi)害的影響，保證施工的順利進(jìn)行。對于其它隧洞可以根據(jù)具體情況對預(yù)測模型做適當(dāng)調(diào)整，使預(yù)測結(jié)果更加接近于實(shí)測值。