水利水電工程邊坡形變風(fēng)險預(yù)測方法

翁 恒

(天長市水電建筑安裝工程公司，安徽 滁州 239300)

水利水電工程邊坡形變引發(fā)的滑坡、泥石流等自然災(zāi)害目前已經(jīng)是全球三大地質(zhì)災(zāi)害之一。這種地質(zhì)災(zāi)害會對經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等方面造成十分嚴(yán)重的影響。通過實踐和觀測發(fā)現(xiàn)，水利水電工程邊坡形變問題是一個常見的現(xiàn)象，因此形變引發(fā)的自然災(zāi)害也比較普遍。很多地區(qū)水利水電工程的邊坡形變都引發(fā)了大型地質(zhì)災(zāi)害[1]。例如，我國的三峽水利水電工程周圍庫區(qū)就經(jīng)常發(fā)生各種滑坡、崩坍事故。這些事故不論從引發(fā)危害上來說，還是從規(guī)模和數(shù)量上來說，都十分龐大，必須引起我們足夠的重視。除此之外，我國浙江、貴州、廣西、青海、云南等省也發(fā)生過很多由水利水電工程邊坡形變引發(fā)的中型、大型滑坡事故[2]。由于水利水電工程庫區(qū)范圍通常較廣，災(zāi)害又呈現(xiàn)多發(fā)狀態(tài)，因此災(zāi)害的影響范圍極廣，必須實施水利水電工程邊坡形變風(fēng)險預(yù)測。相比其他類型的地質(zhì)災(zāi)害，水利水電工程邊坡形變所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害不僅范圍較廣，還會帶來更嚴(yán)重的破壞。因此，對水利水電工程邊坡形變風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測有著巨大的現(xiàn)實意義。關(guān)于水利水電工程邊坡形變風(fēng)險預(yù)測方面的研究，目前的成果還不夠成熟，僅能夠?qū)崿F(xiàn)較短時間內(nèi)的風(fēng)險預(yù)測，并且預(yù)測結(jié)果也不是很準(zhǔn)確。目前的研究成果主要集中在兩個方面，一方面是對邊坡形變誘發(fā)因子進(jìn)行預(yù)測，另一方面是通過其動態(tài)形變過程進(jìn)行預(yù)測。綜合現(xiàn)有研究成果，設(shè)計一種新的水利水電工程邊坡形變風(fēng)險預(yù)測方法，實現(xiàn)水利水電工程邊坡形變風(fēng)險的長期預(yù)警。

1 水利水電工程邊坡形變風(fēng)險預(yù)測方法設(shè)計

1.1 邊坡形變數(shù)據(jù)獲取

通過地基雷達(dá)干涉測量技術(shù)監(jiān)測邊坡，獲取邊坡形變數(shù)據(jù)。在邊坡形變數(shù)據(jù)的獲取中，首先需要選取測站位置，只有選取合適的測站位置，才能獲得精確的邊坡形變數(shù)據(jù)[3]。選取測站位置的條件具體如下：

(1)選擇地基穩(wěn)定的基巖，使測站位置不易發(fā)生位移，獲得更精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)；

(2)控制邊坡和測站之間的距離，使其處于一個合理的范圍內(nèi)，也就是最大距離不應(yīng)該超過地基雷達(dá)系統(tǒng)的最大監(jiān)測距離，以獲取更精確的數(shù)據(jù)；

(3)為解決測站供電問題，除了為測站配置不間斷電源系統(tǒng)，還需要將測站設(shè)置在容易接受供電的地方；

(4)選取時需要確保邊坡和測站之間不存在障礙物，包括植被、無關(guān)設(shè)備等；

(5)需要選擇視野較為開闊的位置。

接著構(gòu)建地基雷達(dá)監(jiān)測房，在房內(nèi)安置地基雷達(dá)系統(tǒng)。其中監(jiān)測房的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計具體如下：

(1)尺寸設(shè)計為3.5m×3m×2m；

(2)將雷達(dá)發(fā)射窗口設(shè)置在監(jiān)測房正面，將窗口高度設(shè)計為0.6m，通過透波材料對窗口進(jìn)行密封處理；

(3)通過鍍鋅方管對支撐架進(jìn)行焊接，同時對地面和支撐架進(jìn)行剛性焊接，確保支撐架被牢牢固定住。

在地基雷達(dá)系統(tǒng)的實際運行中，首先需要對系統(tǒng)類型進(jìn)行選擇：選擇非接觸式、能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離長時間數(shù)據(jù)分析與實時監(jiān)測的地基雷達(dá)系統(tǒng)[4]。

監(jiān)測流程的設(shè)計具體如下：部署地基雷達(dá)設(shè)備；利用設(shè)備采集數(shù)據(jù)；處理數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)的形變折線圖，并分析監(jiān)測結(jié)果。

1.2 數(shù)據(jù)處理

處理雷達(dá)數(shù)據(jù)的具體步驟為處理干涉圖、大氣延遲位校正、相位解纏。其中處理干涉圖的步驟為采樣干涉圖、數(shù)據(jù)去直流等[5]。

在干涉圖的采樣中，最重要的是對采樣光程差間隔進(jìn)行決定。

如此，通過采樣干涉圖即可對原模擬圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)。

還需要對干涉圖實施數(shù)據(jù)重組，以降低數(shù)據(jù)冗余。

通過MERIS實施大氣延遲校正，具體流程如下：

(1)獲取同步于SAR影像數(shù)據(jù)的MERIS數(shù)據(jù)；

(2)通過14、15通道對應(yīng)波比值對積分水汽含量進(jìn)行計算；

(3)在無云條件下，將可沉降水汽含量與積分水汽含量視為等值；

(4)根據(jù)可沉降水汽含量值對ZWD天頂濕延遲進(jìn)行計算；

(5)對主輔影像對應(yīng)大氣延遲相位進(jìn)行計算，具體公式如下：

(1)

相位解纏使用的處理方法為離散余弦變換算法，具體處理步驟如下：

(1)對數(shù)組qij進(jìn)行計算，具體如下式所示：

(2)

(3)對對應(yīng)解實施離散余弦逆變換，獲取最小二乘解纏相位，完成相位解纏處理。

1.3 構(gòu)建邊坡數(shù)值模擬計算模型

在GTS NX軟件中導(dǎo)入處理后的雷達(dá)測量數(shù)據(jù)，構(gòu)建邊坡地質(zhì)三維模型。利用FISH程序語言在FLAC 3D軟件中導(dǎo)入邊坡地質(zhì)三維模型并對其實施網(wǎng)格劃分，構(gòu)建邊坡數(shù)值模擬計算模型。

在網(wǎng)格劃分的過程中，劃分的網(wǎng)格類型分別為點六面體單元、點三棱柱單元、點金字塔單元、點四面體單元。

在構(gòu)建邊坡數(shù)值模擬計算模型時，強度準(zhǔn)則選擇Hoek-Brown，巖土體本構(gòu)模型則采用彈塑性模型。

對模型左、右邊界對應(yīng)的兩個垂直面進(jìn)行邊界面法向位移約束，不對其平面進(jìn)行約束；對模型前、后邊界對應(yīng)的兩個垂直面進(jìn)行邊界面法向位移約束，不對其平面進(jìn)行約束；對于模型底部，通過固定約束對其水平邊界進(jìn)行約束；通過自由面表示模型頂部地面。

模型的邊界墻體參數(shù)設(shè)計具體見表1。

表1 模型的邊界墻體參數(shù)設(shè)計

就此完成邊坡數(shù)值模擬計算模型的構(gòu)建。

1.4 邊坡形變風(fēng)險預(yù)測

結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GVD模型創(chuàng)建RGVNN模型，它也就是一種邊坡形變風(fēng)險預(yù)測模型，在模型中通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對GVD模型的對應(yīng)預(yù)測殘差實施修正，進(jìn)一步提高模型的預(yù)測精度。

其中創(chuàng)建邊坡形變風(fēng)險預(yù)測模型的具體步驟如下：

(1)創(chuàng)建GVD模型，并對其預(yù)測值進(jìn)行計算。首先對要預(yù)測的水利水電工程邊坡形變數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，并對GVD模型的對應(yīng)預(yù)測階數(shù)S進(jìn)行確定。接著創(chuàng)建GVD模型，并對最優(yōu)滑動窗長度進(jìn)行確定。最后對其預(yù)測值序列進(jìn)行計算。

(3)

式中，α(k)—預(yù)測殘差；k—數(shù)據(jù)序列里的第k項數(shù)據(jù)。

(3)對殘差序列對應(yīng)訓(xùn)練樣本進(jìn)行創(chuàng)建。將預(yù)測殘差組成一個殘差序列，以預(yù)測階數(shù)S為依據(jù)，構(gòu)建S組訓(xùn)練樣本，并將其作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際輸入訓(xùn)練樣本。對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行創(chuàng)建。對網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本實施歸一化處理，對各層閾值、初始權(quán)值和傳遞函數(shù)進(jìn)行設(shè)置，確定整體訓(xùn)練參數(shù)。對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。對網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)進(jìn)行制定，通過訓(xùn)練樣本對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。

(4)對殘差修正值進(jìn)行計算。在訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入想要預(yù)測的水利水電工程邊坡形變風(fēng)險樣本，通過網(wǎng)絡(luò)計算后即可獲得殘差修正值υ(k)。

(5)對邊坡形變風(fēng)險預(yù)測模型的預(yù)測值進(jìn)行計算，具體計算公式如下：

(4)

式中，c—邊坡形變風(fēng)險預(yù)測模型的預(yù)測值。

通過設(shè)計的邊坡形變風(fēng)險預(yù)測模型實現(xiàn)水利水電工程邊坡形變風(fēng)險預(yù)測。

2 實際應(yīng)用測試

2.1 實驗數(shù)據(jù)

對設(shè)計的水利水電工程邊坡形變風(fēng)險預(yù)測方法進(jìn)行實際案例應(yīng)用測試。

研究中選擇的地基雷達(dá)系統(tǒng)型號為MPDMR-02-LSA1701，其參數(shù)具體見表2。

表2 地基雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

通過布設(shè)的MPDMR-02-LSA1701獲取實驗水利水電工程邊坡的數(shù)據(jù)，作為實驗數(shù)據(jù)。

實驗水利水電工程邊坡處于丘陵區(qū)域，地形呈現(xiàn)階梯狀。實驗地區(qū)的地層巖性由上白堊統(tǒng)金華組地層、第三系上新統(tǒng)銅嶺祝組地層、坡洪積層以及填土構(gòu)成。該地區(qū)的水文地質(zhì)條件具體如下：在礫巖、泥質(zhì)粉砂巖中存在基巖裂隙水，裂隙不發(fā)育，賦水性及滲透性較差，會向低洼地區(qū)滲流排泄。在坡洪積層和填土中存在松散層孔隙潛水，含水層含水性、透水性較好，結(jié)構(gòu)松散，會向地形切割處以及下游含水層排泄。

構(gòu)建實驗邊坡的數(shù)值模擬計算模型，模型使用的巖土體參數(shù)具體見表3。

表3 巖土體參數(shù)

模型的路基顆粒設(shè)計參數(shù)具體如下：

(1)填石路基：顆粒法向剛度為7.366Pa；顆粒切向剛度為2.856Pa；顆粒密度為3520kg/m3；摩擦系數(shù)為0.458。

(2)路基持力層：顆粒法向剛度為2.578Pa；顆粒切向剛度為10.258Pa；顆粒密度為3698kg/m3；摩擦系數(shù)為0.224。

構(gòu)建的實驗邊坡數(shù)值模擬計算模型具體如圖1所示。

圖1 構(gòu)建的實驗邊坡數(shù)值模擬計算模型

利用設(shè)計的方法對實驗邊坡實施形變風(fēng)險預(yù)測。

2.2 各方向上的位移風(fēng)險預(yù)測

在實驗邊坡上選擇三個較為突出的點作為風(fēng)險預(yù)測的實驗點，分別對三個實驗點接下來五個月在X、Y、Z三個方向上的對應(yīng)形變位移風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測結(jié)果具體如下：

X方向上的對應(yīng)形變位移風(fēng)險預(yù)測結(jié)果具體如圖2所示。

圖2 X方向上的對應(yīng)形變位移風(fēng)險預(yù)測結(jié)果

根據(jù)圖2，接下來五個月三個實驗點在X方向上存在不同程度的形變位移風(fēng)險，其中實驗點1的形變風(fēng)險最大；實驗點3的形變風(fēng)險最?。粚嶒烖c2的形變風(fēng)險居中。說明通過設(shè)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)水利水電工程邊坡X方向上的形變趨勢與風(fēng)險預(yù)測。

Y方向上的對應(yīng)形變位移風(fēng)險預(yù)測結(jié)果具體如圖3所示。

圖3 Y方向上的對應(yīng)形變位移風(fēng)險預(yù)測結(jié)果

根據(jù)圖3，接下來五個月三個實驗點在Y方向上也存在著不同程度的形變位移風(fēng)險，同樣是實驗點1的形變風(fēng)險最大；實驗點3、實驗點2的形變風(fēng)險低于實驗點1。說明通過設(shè)計方法能夠順利實現(xiàn)水利水電工程邊坡Y方向上的形變趨勢與風(fēng)險預(yù)測。

最后利用設(shè)計方法對Z方向上的對應(yīng)形變位移風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 Z方向上的對應(yīng)形變位移風(fēng)險預(yù)測結(jié)果

圖4表明，接下來五個月三個實驗點在Z方向上同樣存在著不同程度的形變位移風(fēng)險。其中實驗點1的形變風(fēng)險最大；實驗點2的形變風(fēng)險最小。說明通過設(shè)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)水利水電工程邊坡Z方向上的形變趨勢與風(fēng)險預(yù)測。

綜合三個方向上的邊坡實驗點形變位移風(fēng)險預(yù)測結(jié)果，總體來說，實驗點1的形變風(fēng)險是最大的，需要進(jìn)行積極的控制與防護(hù)；實驗點2和實驗點3的形變風(fēng)險比較相近，也需要采取一定的控制與防護(hù)措施。整體實驗結(jié)果說明，通過設(shè)計的水利水電工程邊坡形變風(fēng)險預(yù)測方法能夠?qū)崿F(xiàn)水利水電工程邊坡的短期精準(zhǔn)風(fēng)險預(yù)測。

2.3 長期風(fēng)險預(yù)測測試

測試設(shè)計方法對于實驗水利水電工程邊坡未來一年形變風(fēng)險的預(yù)測能力，觀察設(shè)計方法能否實現(xiàn)長期的風(fēng)險預(yù)測。文章主要對設(shè)計的RGVNN邊坡形變風(fēng)險預(yù)測模型未來一年的擬合能力進(jìn)行測試，也就是對比模型擬合值即實際輸出與網(wǎng)絡(luò)期望輸出，以對模型擬合能力進(jìn)行分析。二者的對比結(jié)果具體見表4。

根據(jù)表4中的結(jié)果，未來一年二者之間相差較小，并且差值也比較穩(wěn)定。說明設(shè)計的RGVNN邊坡形變風(fēng)險預(yù)測模型對未來一年形變風(fēng)險的預(yù)測結(jié)果都比較穩(wěn)定，也就是設(shè)計方法能實現(xiàn)長期的風(fēng)險預(yù)測。

表4 模型實際輸出與網(wǎng)絡(luò)期望輸出的對比結(jié)果

3 結(jié)語

只針對這些邊坡實施形變監(jiān)測是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要對邊坡實施形變風(fēng)險預(yù)測，才能對其形變量進(jìn)行提前預(yù)知，以做好相應(yīng)的防范措施。在研究中，設(shè)計了一種水利水電工程邊坡形變風(fēng)險預(yù)測方法，實現(xiàn)了邊坡形變風(fēng)險的精準(zhǔn)、長期預(yù)測，對于滑坡等自然災(zāi)害的規(guī)避有很大作用，能夠最大程度地降低邊坡形變引發(fā)自然災(zāi)害所造成的損失，保障周圍地區(qū)人民的財產(chǎn)生命安全。文章主要通過設(shè)計的RGVNN邊坡形變風(fēng)險預(yù)測模型實現(xiàn)了形變風(fēng)險預(yù)測。盡管取得了一定的研究成果，但還存在很多未解決的問題，今后將會對這些問題進(jìn)行研究，以期取得更完善的研究成果。