地下厂房围岩位移混沌动力学特征研究

 以小湾水电站地下厂房围岩不同监测断面的多点监测位移为例,运用功率谱分析方法,改进G-P方法提取关联维数D,综合分析G-P法、C-C法和复自相关法得到合适的m,t 值重构相空间,计算最大Lyapunov指数,研究地下厂房围岩位移的混沌动力学特征。研究表明,主厂房围岩顶拱部位的多点位移和拱座在30 m深度处的位移不具有混沌特性,而拱座在2,7和15 m深度的监测位移和边墙部位的多点位移,各施工支洞和排水洞获得的超前监测多点位移都具有混沌动力学特征,同时得到表征其混沌动力学特征的功率谱图,关联维数D大于0,最大Lyapunov指数大于0。对具有混沌特性的监测位移,可以利用基于混沌时间序列的多种方法对位移进行预报,为地下厂房系统围岩位移预报提供新的实用方法。     

岩石破坏机理及节理裂隙分布尺度效应的非线性动力学分析与应用

通过MTS系统、扫描电镜和光学电子显微镜等岩石力学实验研究，抽象出砂岩全应力一应变实验曲线的3种典型形态，从断裂损伤角度探讨了岩石节理裂隙微观、细观和宏观破坏的机理联系。提出了圆与正方形相耦合的分形维数计算方法和相空间重构时滞判定的功率谱分析法，将该方法应用于岩石节理裂隙分布尺度效应研究和混沌动力学评价TDS准则的建立；同时，补充了非线性动力学研究的基础理论与方法。运用分形理论分析砂岩跨越尺度界限的微、细、宏观节理裂隙分布特征，得到了砂岩节理裂隙分布的无标度区域，为解决岩石断裂机理的尺度效应问题提供了可行途径。在无标度区域建立了定量描述岩体结构的节理裂隙分布（条数）预测模型，并将该预测模型应用于岩石破坏机理的离散单元法研究。通过岩石力学实验建立了混沌动力学评价岩石节理裂隙系统破坏的TDS准则数学模型，在一定程度上克服了Wolf方法判定混沌动力学指标鲁棒性较差的局限。提出岩石全应力-应变曲线的二分法原则，应用混沌动力学评价TDS准则定性研究了砂岩全应力-应变曲线的分段特征，运用Kolmogorov熵理论实现了岩石节理裂隙贯通与否的定量判别，并尝试应用于岩石强度准则的研究。基于断裂力学理论及能量余法建立坚硬顶板及三维顺层滑坡系统的运动方程，运用混沌动力学评价TDS准则分析运动方程的稳定性，得到了资源开采活动对坚硬顶板系统稳定性的扰动规律和三维顺层滑坡体阻尼敏感的系统效应。混沌动力学理论与3DEC反演建模相结合，研究坚硬顶板运动的阶段特征，由此可以控制坚硬顶板从冲击性整体运动向周期性分段运动转化，并实现对其运动状态的短时预测。将混沌动力学评价TDS准则应用于现场顺层滑坡的稳定性评价，得到阶段Kolmogorov熵值的升高是滑坡体稳定性状态突变时机及临界状态预测的关键，证明了从能量角度分析与预测滑坡系统运动状态这一方法是可行的。     

相空间重构技术在边坡位移预测中的应用

边坡位移时间序列是边坡失稳预测中一个重要的参数,文章采用相空间重构技术的混沌时间序列分析法,对其进行了分析,并对时滞系数和嵌入维数等关键参数的确定方法进行了论述.研究表明,这是一种有较好前途的研究方法.     

岩体变形的替代数据混沌判定方法研究

 观测位移时间序列是岩体变形和破坏过程的综合体现,已广泛用于边坡、隧道和地下硐室等岩石工程的稳定性判断及其预测。根据岩体的观测位移时间序列,通过Fourier变换来生成替代数据,提出其混沌随机性的检验方法,可避免根据最大Lyapunov指数是否为负数以及关联维数是否为非整数来进行混沌判断所引起的不足;分别对玲珑矿巷道及枣林滑坡位移序列进行非线性混沌判定,获得理想的检验结果。     

洞室围岩位移长期预报混沌-神经网络模型

为实现开挖结束后大型地下洞室围岩位移的长期预报,及时评价围岩长期稳定,结合位移混沌力学参数优化BP神经网络结构,建立混沌-动态时间延滞神经网络长期预报模型。将嵌入维数m作为神经网络的输入层个数,增加神经网络预报反馈模式,动态生成预报训练样本,选取较大的时间延迟τ,预测步数为h,使相点间的时间延迟为hτ,通过有限预测步数,实现位移长期预报。实例表明,模型计算速度快,计算稳定性好。当预测步数h≤5,预测次数不大于10次时,预报精度在10%以内,预报结果实时有效,实现了大型地下洞室位移的长期预报,为大型地下洞室围岩稳定性评价提供了快速有效的新思路。     

基于混沌时序预测方法的冲击地压预测研究

冲击地压的预测研究通常是通过监测对冲击地压的发生、发展过程比较敏感的指标来进行的，监测指标值的大小和变化规律是进行预测的基础，监测数据在未来一定时期的峰值变化和走势变化规律对于预测过程具有重要意义。首先，通过对互信息和伪邻近点数的计算，确定观测序列的延迟时间和嵌入维数等相空间重构参数；然后，在对观测序列相空间重构的基础上，运用一阶局域近似法和基于最大Lyapunov指数法等混沌预测方法对冲击地压上作面的观测时间序列进行数学建模，并与传统的数理统计预测方法进行对比分析；最后，用实例对冲击危险区域的电磁辐射序列及顶板下沉速度序列等进行预测运算和分析，其结果表明，运用混沌理论的预测方法可达到较高的预测精度。     

地下采矿条件下坡体移动变形分析

针对重庆武隆鸡尾山滑坡,结合地质分析,采用二维离散元方法(UDEC2D),分别建立了前缘崩塌体和后缘滑动体的简化二维数值模型,对地下开采作用下滑坡体前缘发生崩塌和后缘发生滑动失稳机制分别进行了研究,分析了地下开采作用对滑坡体前缘应力场和对滑坡体后缘位移场的影响。     

综放沿空巷道围岩系统混沌动力学特征研究

厚煤层综采放顶煤开采的沿空巷道顶、帮均为煤体或煤柱，其稳定性问题十分突出。以南屯煤矿综放沿空巷道为原型，进行围岩稳定性的离散元数值模拟，提取表征系统动力学性态的变量及时间序列，通过功率谱分析、分维数提取和最大Lyapunov指数计算，研究围岩系统的混沌动力学特征。综放沿空巷道围岩变形力学过程是一个混沌力学过程，具有对煤柱宽度及支护条件等初始条件的敏感依赖性。当煤柱宽度小于3m时，功率谱具有连续的噪声背景与宽峰特征，关联维数均为分数，最大Lyapunov指数一般大于0，系统处于混沌运动状态；当煤柱宽度为3～4m时，锚杆支护后功率谱的宽峰特征消失，频谱成分也不丰富，关联维数均为分数，最大Lyapunov指数由正变负，系统由混沌运动向定常运动转变，是系统动力学性态变化的拐点：当煤柱宽度大于5m时，系统处于定常运动状态。采用功率谱分析法和最大Lyapunov指数法，可以评价综放沿空巷道的混沌动力学特征。     

边坡抗滑稳定安全系数的有限元迭代解法

提出用厚度较小的常规矩形(平面)或立方体(空间)单元来描述滑坡体与岩基之间的接触面，并给出了使滑动面上应力满足摩尔库仑极限条件的非线性迭代算法。在此基础上提出了保留滑动面上最下端单元处于弹性状态的滑坡体抗滑稳定安全系数的有限元迭代解法。这种方法可用于求解2维或3维问题，且能同时给出边坡临界失稳时的位移场和应力场。给出了具有折线滑动面的滑坡体抗滑稳定安全系数计算实例，结果表明该方法有效、合理和可靠。     

滑坡预测的非线性混沌模型

根据滑坡位移时间序列的非线性性质，应用混纯时间序列预测方法，建立滑坡预测的非线性混纯模型。在此基础上，介绍了加权一阶局域算法，并用这种算法对清江茅坪滑坡实际位移监测数据进行预测计算。结果表明，这种建立在非线性混沌模型基础上的方法不仅预测精度高，而且计算量小，相对容易操作，从而为滑坡位移提供了一种新的预测方法。     

滑坡位移预测的支持向量机模型参数选择研究

支持向量机(Support Vector Machine, SVM)已被广泛应用到滑坡位移预测,但在具体使用时,SVM的惩罚系数C、核函数参数δ及松弛系数ζ这三个重要参数的取值选择成为影响预测精度的关键。为有效分析SVM三参数取值对滑坡位移预测精度的影响规律,以三峡库区浮托减重和动水压力型两类典型水库滑坡为代表的连续6年地表位移、降雨及库水位监测数据为研究对象,首先,采用移动平均法将位移数据分解为趋势项和周期波动项,并区分训练集和检验集;再结合对滑坡变形机理及影响因素的分析,选择相应预测变量分别建立趋势项和波动项位移预测SVM模型;然后,在固定两参数情形下,通过改变另一参数的取值大小以获得SVM训练集与检验集的预测精度变化规律;最后,建立起典型水库滑坡SVM位移分解预测的参数取值推荐范围。该取值范围可以作为滑坡位移预测SVM模型的参数寻优初始搜索范围,可以在保证预测精度的前提下大大提高搜索效率。     

滑坡位移分形参数Hurst指数及其在堆积层滑坡预报中的应用

 在系统分析堆积层滑坡的物质组成和位移失稳规律的基础上,根据分形理论基本原理,对该类滑坡的位移失稳过程所具有的非线性、突变性和分形降维特性进行较为深入的分析与研究。运用分形理论R/S分析法,确定滑坡位移时序分形动力学参数位移Hurst指数,并分别以三峡库区典型堆积层滑坡——新滩滑坡和黄蜡石滑坡为例,计算滑坡位移失稳过程的Hurst指数。分析和评价位移Hurst指数与边坡稳定性的关系,发现Hurst指数随着边坡由稳定向失稳的演化出现明显降维突变规律,且降维时间与滑坡整体失稳时间相吻合。这表明位移Hurst指数是堆积层边坡稳定性评价的一种有效非线性分形动力学参数,可以运用这个非线性分形参数对该类滑坡失稳演化趋势与规律进行非线性动力学评价与预测。     

三峡库区典型滑坡的稳定分析及预测研究

以三峡库区某典型滑坡为例,介绍了滑坡基本特征,结合Morgenstern-Prince法对滑坡进行了稳定性计算,分别计算出各个监测点水平位移17种预测模型的5年预测数据,分析了预测数据变化趋势和滑坡变形趋势。     

向家山滑坡机理及稳定性研究

通过对向家山滑坡勘探资料的分析,查明了滑坡的形态、规模及结构,在此基础上对滑坡产生的原因进行了剖析;同时,将滑体与前期支挡工程视为桩土复合体,运用反分析方法、极限平衡法及有限元法,评价了滑体的稳定状态;比较综合治理方案实施前后的滑坡,监测资料及有限元模拟结果表明效果很好,可为类似滑坡防治所借鉴.     

基于时间序列分析的滑坡位移预测模型研究

 结合滑坡位移监测数据,从分析滑坡位移演变规律的角度出发,将滑坡位移分解为受其自身基础地质条件控制的趋势项位移以及由外界因素如降雨、库水位变动等影响的周期项位移,应用时间序列分析方法建立滑坡位移预报模型。采用二次移动平均法分离滑坡位移的趋势项和周期项,在此基础上分别采用GM(1,1)灰色模型和自回归AR模型分别对滑坡趋势项位移和周期项位移进行预测,将计算得到的各分项位移预测值叠加即得到总位移预测值。以三峡库区八字门滑坡位移为例,分析对比实测与预测位移–时间曲线之间的关系。计算结果能够较好地体现出滑坡在外界诱发因素作用下位移的发展变化趋势,说明所建滑坡位移预测预报模型效果较好,在滑坡位移预测中是有效可行的。     

降雨型滑坡预报新方法

详细研究了三峡地区部分县市的滑坡和降雨历史资料，从滑坡与降雨量、暴雨以及降雨时间3个不同角度的关系分析了降雨与降雨型滑坡的关系。在此基础上，提出了降雨因子的概念。同时，还提出了一种预报降雨型滑坡的新方法，定量化地描述了降雨型滑坡的易发程度。按照一定的标准，对每种降雨分因子进行分级，通过多因子叠合分析来研究降雨因子与降雨型滑坡之间的关系，并据此准确地预报滑坡的易发程度。通过将这种滑坡预报新方法应用于三峡的万县地区，证明了它可以比较准确地确定滑坡发生的时间。这种滑坡预报方法将为根据历史降雨和滑坡资料来预测降雨型滑坡奠定良好基础。     

强度折减有限元法在滑坡特性预测的应用探讨

滑坡类型、规模、滑动面的位置及其影响距离等滑坡特性的有效预测,将有助于规划合适的减灾工作以减少滑坡灾害所带来的损失。利用强度折减有限元法与非饱和非稳定渗流有限元分析相结合的流固准耦合方法对滑坡模型试验进行了数值分析,结果表明:该法在描述降雨条件下边坡变形至失稳过程等方面具有明显的优势,即可用以预测滑坡的类型与规模以及潜在滑动面的位置,并可对滑坡的影响距离进行合理的定性分析与描述,因此,该法对滑坡减灾工作具有实用价值。     

滑坡位移预测的SVR-MIV变量筛选方法研究

支持向量回归机(Support Vector Regression, SVR)在滑坡位移预测研究中已得到广泛应用,但SVR具有模型可解释性差的缺陷,即无法直接获得并筛选最佳预测变量,从而影响预测精度。为此,将较广泛应用于评价神经网络模型变量影响大小的平均影响值(Mean Impact Value, MIV)方法与SVR模型相结合,实现基于SVR-MIV的变量筛选,该方法不但能对所有预测模型初始变量影响大小进行排序,还可以进一步结合反向逐变量剔除分析实现变量筛选。为验证该方法的有效性,选择三峡库区两类典型水库滑坡代表的累积位移监测数据,在采用移动平均法将位移分解为趋势项和波动项的基础上,重点针对波动项位移,选择包括降雨及库水位变动特征在内的12项初始变量,采用SVR-MIV方法进行变量筛选分析。结果表明,该方法筛选出的变量理论上符合对应滑坡变形影响机理分析结论,且可以提高滑坡位移实际预测精度。     

降雨条件下滇西典型土质滑坡渗流特性分析

降雨是诱发滇西土质滑坡灾害的主要因素,选择滇西红层典型土质滑坡——思铺滑坡做深入的调查,考虑降雨入渗的影响,基于饱和-非饱和渗流理论,利用有限元方法,对强降雨条件下思铺滑坡地下水渗流场动态进行了数值模拟,得到了滑坡地下水压力水头、总水头变化、流速的变化规律,为滑坡的稳定性分析和滑坡预测提供重要的分析数据。     

基于诱发因素响应分析的滑坡位移预测模型研究

 滑坡位移的变化除与其基础地质条件相关之外,更取决于诱发因素的动态作用。为建立滑坡位移动态变化与诱因变化的响应关系,采用时间序列分解预测模型,通过移动平均法将位移分解为趋势项及周期项。趋势项位移由边坡的势能和约束条件所决定,利用多项式位移函数进行拟合预测。周期项位移受库水位涨落和降雨等诱因的周期性动态作用而变化,选取当前月降雨量、累计前两月降雨量、月库水位高程变化量及年内总位移累计增量为影响因子,利用BP神经网络进行多变量位移预测。将各分项位移预测值叠加,从而得到总位移预测值。以三峡库区白水河滑坡为例,利用位移、降雨及库水位变化数据进行计算验证。结果表明,基于滑坡诱发因素和位移变化综合分析预测模型,可以较好地反映诱因动态变化对滑坡位移发展的关键作用,提高预测结果的精度和有效性。