基于粒子群算法的引水隧洞復(fù)合承載結(jié)構(gòu)安全評價方法

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，不僅僅是因為結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時還與其施工環(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)濟損失，甚至嚴重威脅人身安全[2]。由于部分工程忽視隧洞結(jié)構(gòu)安全評價，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，需要定期對隧洞的承載結(jié)構(gòu)安全能力做出評價。

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)險評價方法，構(gòu)建多指標(biāo)參數(shù)的引水洞塌方風(fēng)險評價指標(biāo)體系，運用偏好比率法和反熵權(quán)法分析指標(biāo)權(quán)重，考慮風(fēng)險因素的不確定性以及評價等級劃分的模糊性，構(gòu)建基于引水隧洞塌方風(fēng)險評價模型[3]。但是該方法忽略了引水隧洞實時形變情況，因此評價結(jié)果與實際結(jié)果之間具有一定的誤差，評價精度較低。還有研究學(xué)者提出基于GSA-PP算法模型的引水隧洞運行期襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價方法，建立水工隧洞結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價指標(biāo)體系，利用GSA-PP算法模型對引水隧洞運行期襯砌結(jié)構(gòu)健康狀況進行評價[4]。但是該方法粒子評定誤差較大，容易影響最終的評價結(jié)果。

為了解決以上問題，本文基于粒子群算法，針對引水隧洞復(fù)合承載結(jié)構(gòu)安全評價方法展開研究。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)安全評價方法

1.1 定義動態(tài)評價安全評價目標(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[5]。所以，為了確保最終安全評價結(jié)果的可靠性與精準(zhǔn)性，需要設(shè)定動態(tài)的評價目標(biāo)，并賦予每一個目標(biāo)單向定義[6]。依據(jù)隧洞內(nèi)部的承壓情況，測定基礎(chǔ)響應(yīng)距離，并計算出承壓的峰值，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。通過上述計算，可以得出實際承壓峰值，來對此時隧洞的承載震動狀態(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)對應(yīng)的安全評價節(jié)點。

這部分需要注意的是，所構(gòu)建設(shè)定的每一個評價節(jié)點均是獨立的，具有特定的評價區(qū)域，不會出現(xiàn)重復(fù)測評的現(xiàn)象，測定在設(shè)備中輸入承載標(biāo)準(zhǔn)，同時與節(jié)點的評價覆蓋范圍結(jié)合，實現(xiàn)動態(tài)評價安全評價目標(biāo)的定義，作為后續(xù)安全評價的基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1.2 構(gòu)建隧洞安全主觀權(quán)重評價結(jié)構(gòu)

在完成對動態(tài)評價安全評價目標(biāo)的定義之后，接下來，需要結(jié)合例子群算法，實現(xiàn)安全主觀權(quán)重評價結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。這部分的針對性較強，需要集中測定隧洞的基礎(chǔ)安全評定數(shù)值以及信息。利用專業(yè)的探測設(shè)備，首先對復(fù)合承載結(jié)構(gòu)的主觀形變情況作出測定，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，隨著主觀形變點的動態(tài)變化，對應(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之間的距離一般為主觀安全評定范圍，可以依據(jù)得出的數(shù)據(jù)與信息，計算出主觀權(quán)重評價比如下所示：

(2)

式中，Y—主觀權(quán)重評價比；s—定向承載力，KPa；g—峰值變化系數(shù)。通過上述計算，最終可以得出實際的主觀權(quán)重評價比，依據(jù)比值在隧洞之中，結(jié)合實際的安全情況，劃定出不同層級的目標(biāo)評價區(qū)域，實現(xiàn)針對性的層級安全評價結(jié)構(gòu)。但需要注意的是，部分工程在設(shè)定層級時，需要對重點承壓區(qū)域進行偏重評定，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)也會更為嚴密一些，形成網(wǎng)格狀的范圍評定，進一步確保符合承載隧洞內(nèi)部的安全性與穩(wěn)定性，細化隧洞安全主觀權(quán)重評價結(jié)構(gòu)。

1.3 設(shè)定粒子轉(zhuǎn)換評價矩陣

在完成對隧洞安全主觀權(quán)重評價結(jié)構(gòu)的構(gòu)建之后，結(jié)合隧洞實時的承載情況，基于粒子群算法，設(shè)定粒子轉(zhuǎn)換評價矩陣。復(fù)合承載隧洞在施工建設(shè)的過程中，常常會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，影響安全評價結(jié)果。針對于部分隧洞的測定區(qū)域?？梢赃M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，并對隧洞周圍的相對收斂量測定，具體見表1。

表1 允許洞周相對收斂量表

根據(jù)表1，可以完成對允許洞周相對收斂量的測定和分析。根據(jù)相對收斂量的覆蓋范圍，劃定對應(yīng)的評價范圍，構(gòu)建評價矩陣，計算出單質(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。通過上述計算，最終可以得出實際的單質(zhì)轉(zhuǎn)換比。在矩陣評價時，將測定目標(biāo)依據(jù)單質(zhì)轉(zhuǎn)換比劃分，進一步細化粒子轉(zhuǎn)換評價矩陣，確?；A(chǔ)評價結(jié)果。

1.4 模糊粒子綜合安全評價模型建立

在完成對粒子轉(zhuǎn)換評價矩陣的設(shè)定之后，需要建立模糊粒子綜合安全評價模型。與傳統(tǒng)的評定模型不同的是，模糊粒子綜合評定的范圍相對較廣，針對于部分復(fù)合承壓嚴重區(qū)域，得出的評定結(jié)果也更加準(zhǔn)確、可靠。對測定范圍作出標(biāo)記同時布設(shè)模糊承壓粒子節(jié)點，并計算出單個粒子節(jié)點之間的距離，具體如下：

(4)

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

圖2 模糊粒子綜合安全評價模型環(huán)節(jié)圖示

根據(jù)圖2，可以完成對模糊粒子綜合安全評價模型環(huán)節(jié)的構(gòu)建。并將上述所定義的動態(tài)評測目標(biāo)以及內(nèi)部評定結(jié)構(gòu)添加在模型的各個執(zhí)行環(huán)節(jié)之中，依據(jù)實際的評價需求和標(biāo)準(zhǔn)，對相關(guān)的指標(biāo)參數(shù)作出更改，在模糊評價的環(huán)境之中，進一步細化模糊粒子綜合安全評價模型的處理能力，提升整體的評價效果。

1.5 粗糙層級分析法實現(xiàn)隧洞結(jié)構(gòu)安全評價

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

(5)

式中，Y—評定粗糙集；y—限制粒子差值；h——層級等效常值。通過上述計算，最終可以得出實際的評定粗糙集。

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

結(jié)合復(fù)合承載實況，構(gòu)建圍護結(jié)構(gòu)，針對水源豐富的區(qū)域，需要著重圍護、防護。測定相關(guān)的建設(shè)評價指標(biāo)參數(shù)，并對隧洞的實時形變情況掌握，計算出變異系數(shù)，具體如下：

(6)

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

2 實驗測試

本次主要是對粒子群算法下引水隧洞復(fù)合承載結(jié)構(gòu)安全評價效果進行分析和研究。選擇K工程作為本文測試的主要目標(biāo)對象?？紤]到測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)險評價方法與基于GSA-PP算法模型的引水隧洞運行期襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價方法作為本次實驗對比方法，與本文提出方法共同進行實驗。

采用Matlab R 2017a實驗平臺進行測試，利用專業(yè)設(shè)備對礦洞描述識別，得出基礎(chǔ)的識別評價指標(biāo)參數(shù)，具體隧洞基礎(chǔ)識別評價指標(biāo)參數(shù)預(yù)設(shè)見表2。

表2 隧洞基礎(chǔ)識別評價指標(biāo)參數(shù)預(yù)設(shè)表

根據(jù)表2，可以完成對隧洞基礎(chǔ)識別評價指標(biāo)參數(shù)的預(yù)設(shè)。利用安全評價模型，對隧洞的重合承壓區(qū)域和非重合承壓區(qū)域作出雙向評定，利用粒子群算法，構(gòu)建動態(tài)評價矩陣，計算出瞬時評價單元，具體如下：

(7)

式中，T—瞬時評價單元；X—粒子評定距離；z—雙向粒子群差值。通過上述計算，最終可以得出實際的瞬時評價單元，根據(jù)隧洞搭接區(qū)域的變化，隨即計算出粒子評定誤差，得出的結(jié)果對比分析，測試結(jié)果對比分析見表3。

根據(jù)表3，可以完成相關(guān)的測試分析：與基于熵理論-可拓云模型的引水隧洞塌方風(fēng)險評價方法和基于GSA-PP算法模型的引水隧洞運行期襯砌結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價方法相對比，本文所設(shè)計的粒子群算法安全評價方法最終得出的重合評價單元覆蓋比與粒子評定誤差相對較小，表明此種方法的評價精度較高，具有實際的應(yīng)用價值。

表3 測試結(jié)果對比分析表

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)安全評價方法，構(gòu)建模糊粒子綜合安全評價模型，能夠提高隧洞結(jié)構(gòu)安全評價的精度，有效實現(xiàn)隧洞結(jié)構(gòu)安全評價。與傳統(tǒng)的安全評定方法相對比，本文評價方法的結(jié)構(gòu)安全評定模式相對更加靈活、多變，可以從多個方向測定隧洞實時安全情況，為后續(xù)的施工提供理論依據(jù)。

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