CN111832813A - 一种海底隧道断层活化突水预测方法及系统 - Google Patents

一种海底隧道断层活化突水预测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海底隧道断层活化突水预测方法及系统，包括：建立突水风险综合评价指标体系；将突水风险划分为多个等级，建立各评价指标关于突水风险等级的分级标准；采用基于指数标度的G1‑法和熵权法确定各评价指标的组合权重；采用灰关联分析方法考虑突水系统的多因素以及灰色特征，求得评价指标与突水等级的灰关联系数，以判断突水风险评价等级；根据各组合权重和灰关联系数，获得待测隧道各断层与各突水等级的灰关联度，确定各突水等级与各断层的灰关联度集合中最大值所对应的风险等级判断该隧道断层突水风险等级，兼顾了主观和客观赋权方法的优点，能充分考虑突水系统的多因素以及灰色特征，能够真实地反映评价指标之间的重要性程度以及突水危险性评价结果。

Description

一种海底隧道断层活化突水预测方法及系统
技术领域
本发明属于风险预测技术领域，尤其涉及海底隧道断层活化突水预测方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
隧道穿越断层破碎带突水是一个复杂的非线性系统，是一种受多因素影响的动力灾害，具有不确定性、随机性和模糊性。隧道在建设过程中会遇到很多不良地质问题，当经过断层破碎带时，极易发生大规模的突水灾害，特别是海底隧道，地质条件更为复杂，在施工过程中突水风险更大。隧道突水问题严重危及隧道施工安全，为了保证隧道施工安全，对隧道突水问题进行研究是十分必要的。
发明人在研究中发现，虽然近年来，经过国内外学者不断深入研究，在隧道突水的认知、机理、预测预报等方面都取得了一定的成果，但对海底隧道断层活化突水的研究仍然是不足的。海底隧道断层活化突水具有错综复杂的特性，造成突水的因素较多，各因素之间的重要性程度以及因素对系统行为的贡献测度难以确定，这就增加了预测的复杂性。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了海底隧道断层活化突水预测方法，基于组合赋权-改进灰关联分析法的海底隧道断层活化突水风险评价，有效地克服突水评价指标之间的不确定性，真实地反映各指标间的重要性程度。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一方面，公开了一种海底隧道断层活化突水预测方法，包括：
针对待测隧道断层，建立突水风险综合评价指标体系；
将突水风险划分为多个等级，建立各评价指标关于突水风险等级的分级标准；
采用基于指数标度的G1-法和熵权法确定各评价指标的组合权重；
采用灰关联分析方法考虑突水系统的多因素以及灰色特征，求得评价指标与突水等级的灰关联系数，以判断突水风险评价等级；
根据上述步骤求得的各组合权重和灰关联系数，获得待测隧道各断层与突水等级的灰关联度，确定各突水等级与各断层的灰关联度集合中最大值所对应的风险等级判断该隧道断层突水风险等级。
进一步的技术方案，求得评价指标与突水等级的灰关联系数时：
将影响断层突水的因素作为比较数列，将隧道断层突水的评价标准作为参考序列；
对比较数列和参考数列进行无量纲化处理，指标值越大突水风险越高的为正向指标，指标值越大突水风险越低的为负向指标；
基于正向指标及负向指标，计算数列中指标之间的灰关联系数。
进一步的技术方案，建立突水风险综合评价指标体系时，评价指标分为一级指标和二级指标，根据工程地质资料选取。
进一步的技术方案，将突水风险划分为多个等级，具体为：
将突水风险等级划分为m个级别，突水风险越高等级越低，n个二级评价指标相对于1～m级均有相应的区间标准。
进一步的技术方案，建立各评价指标关于突水风险等级的分级标准之后，采用基于指数标度的G1-法和熵权法确定各评价指标的组合权重。
进一步的技术方案，采用基于指数标度的G1-法，统计各专家对各指标的重要性程度的赋值，求得一级指标相对于目标层的主观权重，进而确定二级指标相对于目标层的主观权重。
进一步的技术方案，采用熵权法确定各二级指标的客观权重，如果某个指标的熵值越小，在综合评价中起的作用越大，其权重也越大。
进一步的技术方案，基于主观权重及客观权重，采用基于最小鉴别信息原理和Lagrange乘子法的综合赋权方法，求得各评价指标的组合权重。
进一步的技术方案，基于各评价指标的组合权重及关联度系数计算各突水等级与各断层的灰关联度。
另一方面，公开了一种海底隧道断层活化突水预测方法，包括：
突水风险等级的分级模块，被配置为：建立突水风险综合评价指标体系；将突水风险划分为多个等级，建立各评价指标关于突水风险等级的分级标准；
灰关联系数计算模块，被配置为：采用灰关联分析方法考虑突水系统的多因素以及灰色特征，求得评价指标与突水等级的灰关联系数，以判断突水风险评价等级；
隧道断层突水风险等级预测模块，被配置为：根据组合权重和灰关联系数，获得待测隧道各断层与各突水等级的灰关联度，确定各突水等级与各断层的灰关联度集合中最大值所对应的风险等级判断该隧道断层突水风险等级。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
(1)本公开技术方案采用基于指数标度的G1-法引入海底隧道断层活化突水评价指标的权重确定中，与熵权法结合，基于最小鉴别信息原理和Lagrange乘子法确定其组合权重，兼顾了主观和客观赋权方法的优点，提高了权重确定的精度。
(2)本公开技术方案将组合权重和改进灰关联分析法相结合，采用综合赋权法求得各评价指标权重，采用改进的灰关联分析法判断突水风险评价等级，该方法能充分考虑突水系统的多因素以及灰色特征，能够真实地反映评价指标之间的重要性程度以及突水危险性评价结果。
改进的灰关联分析法与以往得灰关联分析法相比，考虑了评价标准(各评价指标关于突水风险等级的分级标准)的区间形式，使得评价结果更准确。
由于突水系统是一个具有不确定因素的灰色系统，采用灰色关联，略去灰色的信息，做已知因素对于目标的趋势分析，得到评价指标对评价等级的关联度以及各评价等级对各断层的关联度。
(3)本公开技术方案针对海底隧道断层活化突水的评价，采用的G1-法比层析分析法计算过程更简便。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例评价步骤流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例公开了一种海底隧道断层活化突水预测方法，包括以下步骤：
S1建立突水风险综合评价指标体系；
S2将突水风险划分为多个等级，建立各评价指标关于突水风险等级的分级标准；
S3采用基于指数标度的G1-法和熵权法确定各评价指标的组合权重；
S4采用改进灰关联分析求得评价指标与突水等级的灰关联系数；
S5计算各突水等级与各断层的灰关联度；
S6判断突水风险等级。
在其中一个或多个实施例子中，S1建立突水风险综合评价指标体系：
评价指标分为一级指标和二级指标，可根据前人的研究以及工程地质资料选取，以建立突水风险综合评价指标体系，不同的工程背景实际情况不同，指标选取有一定的差异。一级指标Y＝{y1,y2,...,ym}，二级指标X＝{x1,x2,...,xn}。
其中，指标是根据已有的工程地质资料里的参数和物探解译结果选取的(不同的工程地质条件，地质资料参数和超前预报得到的参数不同)，各指标分级标准通过查阅文献获得，指标选取完成后再根据所述步骤可得到评价结果。
S2将突水风险划分为多个等级，建立各评价指标关于突水风险等级的分级标准：
将突水风险等级划分为m个级别，突水风险越高等级越低，n个二级评价指标相对于1～m级都有相应的区间标准。
S3采用基于指数标度的G1-法和熵权法确定各评价指标的组合权重：
首先，采用基于指数标度的G1-法，统计各专家对各指标的重要性程度的赋值，求得一级指标相对于目标层的主观权重，进而确定二级指标相对于目标层的主观权重为ω'j＝(ω'1,ω'2,...,ω'n)，基于指数标度的指标间重要程度的赋值见表1。
表1.基于指数标度的rk赋值参考表
Figure BDA0002556933270000051
Figure BDA0002556933270000061
然后，采用熵权法确定各二级指标的客观权重，如果某个指标的熵值越小，说明其变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中起的作用越大，其权重也越大。熵权法求得的客观权重为ω”j＝(ω”1,ω”2,...,ω”n)。
最后采用基于最小鉴别信息原理和Lagrange乘子法的综合赋权方法，计算公式如下，求得各评价指标的组合权重为
Figure BDA0002556933270000065
Figure BDA0002556933270000062
S4采用改进灰关联分析求得各评价指标与突水等级的灰关联系数，与传统的灰关联分析法相比，考虑了评价标准的区间形式：
首先，将影响断层突水的因素x0＝{x0(k)|k＝1,2,...,n}作为比较数列，将隧道断层突水的评价标准
Figure BDA0002556933270000063
作为参考序列，其中n表示影响隧道断层突水的因素个数；i表示突水等级；
Figure BDA0002556933270000064
分别表示第k个指标的第i个级别的下限和上限。
然后，对比较数列和参考数列进行无量纲化处理，指标值越大突水风险越高的为正向指标，指标值越大突水风险越低的为负向指标；
比较数列无量纲化处理公式如下：
正向指标：
Figure BDA0002556933270000071
负向指标：
Figure BDA0002556933270000072
参考数列的无量纲化处理公式如下：
正向指标：
Figure BDA0002556933270000073
负向指标：
Figure BDA0002556933270000074
最后，计算灰关联系数；
数列xi与x0的关联度系数为
Figure BDA0002556933270000075
式中：Δi(k)＝|x0(k)-xi(k)|,称为第k个指标x0和xk的绝对差；
Figure BDA0002556933270000076
由于评价标准不是一个具体的数值，而是一个区间，故定义参考数列的区间为
Figure BDA0002556933270000077
则有：
Figure BDA0002556933270000078
ρ为分辨系数，取值原则如下：
记Δv为所有差值绝对值的均值，即
Figure BDA0002556933270000079
并记
Figure BDA00025569332700000710
则ρ的取值为εΔ≤ρ≤2εΔ，且应满足
Δmax>3Δv时，εΔ≤ρ≤1.5εΔ
Δmax≤3Δv时，1.5εΔ<ρ≤2εΔ
S5根据所述步骤S3中求得的组合权重和所述步骤S4中求得的灰关联系数，求得各突水等级与各断层的灰关联度：
Figure BDA0002556933270000081
式中，ωk为步骤S3求得的组合权重，满足
Figure BDA0002556933270000082
S6依据最大关联度准则，对于各断层，最大灰关联度对应的突水等级即为该断层的突水风险评价结果，判断突水风险等级：
根据最大关联度准则：ri'＝maxri(Pt)，i＝1,2,...,m
可得隧道断层Pt的突水风险等级。
基于同样的发明构思，本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例子中方法的具体步骤。
基于同样的发明构思，本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述实施例子中方法的具体步骤。
基于同样的发明构思，公开了一种海底隧道断层活化突水预测方法，包括：
突水风险等级的分级模块，被配置为：建立突水风险综合评价指标体系；将突水风险划分为多个等级，建立各评价指标关于突水风险等级的分级标准；
灰关联系数计算模块，被配置为：采用灰关联分析方法考虑突水系统的多因素以及灰色特征，求得评价指标与突水等级的灰关联系数，以判断突水风险评价等级；
隧道断层突水风险等级预测模块，被配置为：根据各组合权重和灰关联系数，获得待测隧道各断层与各突水等级的灰关联度，确定各突水等级与各断层的灰关联度集合中最大值所对应的风险等级判断该隧道断层突水风险等级。
以上实施例装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种海底隧道断层活化突水预测方法，其特征是，包括：
针对待测隧道断层，建立突水风险综合评价指标体系；
将突水风险划分为多个等级，建立各评价指标关于突水风险等级的分级标准；
采用基于指数标度的G1-法和熵权法确定各评价指标的组合权重；
采用灰关联分析方法考虑突水系统的多因素以及灰色特征，求得评价指标与突水等级的灰关联系数，以判断突水风险评价等级；
根据各组合权重和灰关联系数，获得待测隧道断层各突水等级与各断层的灰关联度，确定各突水等级与各断层的灰关联度集合中最大值所对应的风险等级判断该隧道断层突水风险等级。
2.如权利要求1所述的一种海底隧道断层活化突水预测方法，其特征是，求得评价指标与突水等级的灰关联系数时：
将影响断层突水的因素作为比较数列，将隧道断层突水的评价标准作为参考序列；
对比较数列和参考数列进行无量纲化处理，指标值越大突水风险越高的为正向指标，指标值越大突水风险越低的为负向指标；
基于正向指标及负向指标，计算数列中指标之间的灰关联系数。
3.如权利要求1所述的一种海底隧道断层活化突水预测方法，其特征是，建立突水风险综合评价指标体系时，评价指标分为一级指标和二级指标，根工程地质资料选取。
4.如权利要求1所述的一种海底隧道断层活化突水预测方法，其特征是，将突水风险划分为多个等级，具体为：
将突水风险等级划分为m个级别，突水风险越高等级越低，n个二级评价指标相对于1～m级均有相应的区间标准。
5.如权利要求1所述的一种海底隧道断层活化突水预测方法，其特征是，建立各评价指标关于突水风险等级的分级标准之后，采用基于指数标度的G1-法和熵权法确定各评价指标的组合权重。
6.如权利要求5所述的一种海底隧道断层活化突水预测方法，其特征是，采用基于指数标度的G1-法，统计各专家对各指标的重要性程度的赋值，求得一级指标相对于目标层的主观权重，进而确定二级指标相对于目标层的主观权重；
进一步的技术方案，采用熵权法确定各二级指标的客观权重，如果某个指标的熵值越小，在综合评价中起的作用越大，其权重也越大；
进一步的技术方案，基于主观权重及客观权重，采用基于最小鉴别信息原理和Lagrange乘子法的综合赋权方法，求得各评价指标的组合权重。
7.如权利要求5所述的一种海底隧道断层活化突水预测方法，其特征是，基于各评价指标的组合权重及关联度系数计算各突水等级与各断层的灰关联度。
8.一种海底隧道断层活化突水预测方法，其特征是，包括：
突水风险等级的分级模块，被配置为：针对待测隧道断层，建立突水风险综合评价指标体系；将突水风险划分为多个等级，建立各评价指标关于突水风险等级的分级标准；
灰关联系数计算模块，被配置为：采用灰关联分析方法考虑突水系统的多因素以及灰色特征，求得评价指标与突水等级的灰关联系数，以判断突水风险评价等级；
隧道断层突水风险等级预测模块，被配置为：根据各组合权重和灰关联系数，获得待测隧道断层各突水等级与各断层的灰关联度，确定各突水等级与各断层的灰关联度集合中最大值所对应的风险等级判断该隧道断层突水风险等级。
9.一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的方法的具体步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-7任一所述方法的具体步骤。
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