CN112525327A - 基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法 - Google Patents

基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法，包括以下步骤：对岩体进行振动监测，并将监测得到的信号绘制成振动波形图；从所述振动波形图中提取振动绝对均值和方差两种时域动力学指标；通过所述振动绝对均值和方差计算变异系数时域动力学指标；通过分析所述变异系数时域动力学指标从而对岩体崩塌灾害进行预警分析；通过变异系数时域动力学指标可识别岩体崩塌破坏前的非协调动力特征，通过识别变异系数时域动力学指标的振荡特征，从而实现崩塌灾害的预警。

Description

基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法
技术领域
本发明涉及崩塌灾害的早期监测预警技术领域，具体而言，涉及一种 基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法。
背景技术
我国西南山区将建设越来越多的大型水电站、公路、铁路、桥梁、隧 道和能源管线，复杂的高山峡谷地形地貌，恶劣的气候条件以及大量高陡 边坡的工程开挖扰动，使得岩体崩塌灾害事故的发生概率大大增加。潜在 危岩体是目前我国工程建设最主要的安全隐患，一旦发生，轻则造成较大 的经济损失和工期延误，重则还会造成严重的人员伤亡。因此，如何实现 崩塌灾害的早期监测预警是岩土工程领域亟待解决的主要工程问题之一。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于变异系数时域动力学指标的岩 体崩塌早期预警方法，通过变异系数时域动力学指标可识别岩体崩塌破坏 前的非协调动力特征，通过识别变异系数时域动力学指标的振荡特征，从 而实现崩塌灾害的预警。
本发明提供了一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警 方法，其特征在于，包括以下步骤：对岩体进行振动监测，并将监测得到 的信号绘制成振动波形图；从所述振动波形图中提取振动绝对均值和方差 两种时域动力学指标；通过所述振动绝对均值和方差计算变异系数时域动 力学指标；通过分析所述变异系数时域动力学指标从而对岩体崩塌灾害进 行预警分析。
进一步地，使用激光多普勒测振仪来实现岩体崩塌全过程的振动监测。
进一步地，所述振动绝对均值xav通过以下方法计算：
Figure BDA0002806308530000021
其中，xi为不同时刻的振动幅值，N为监测样本数。
进一步地，所述方差Dx通过以下方法计算：
Figure BDA0002806308530000022
其中，xi为不同时刻的振动幅值，N为监测样本数。
进一步地，所述变异系数时域动力学指标Kv通过以下方法计算：
Figure BDA0002806308530000023
其中，xav为振动绝对均值，Dx为方差。
进一步地，所述振动绝对均值和方差不需要进行变换。
进一步地，所述变异系数时域动力学指标可识别岩体崩塌破坏前的非 协调动力特征。
进一步地，所述变异系数时域动力学指标在岩体崩塌破坏前会出现明 显的振荡特征。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明利用的时域动力学指标是从监测得到的时间振动信号中直接 提取，不需要进行傅里叶等变换，是率先引入到崩塌灾害监测预警体系的 基础指标之一。
2、本发明为崩塌灾害的预警预测分析得到一种新的参考指标——变异 系数指标，在针对不同阶段时可以采用不同的指标，从而科学实现崩塌灾 害预警的精度和准确性。
3、本发明通过引入多个时域动力学指标，实现岩体由稳定→分离→加 速破坏全过程远程监测，进一步丰富目前动力学监测指标体系的同时，也 为岩体剧动破坏机制等崩塌灾害机理研究提供新的启示。
4、本发明涉及的变异系数指标可知，当变异系数振荡变化，说明时域 振动信号具有较大的离散性，可能预示岩体稳定程度发生变异，岩体趋于 危险。通过变异系数可以较好识别岩体崩塌破坏前的非协调动力特征，通 过识别变异系数的振荡特征，从而实现崩塌灾害的预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对 实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图；
图2为某岩体的振动波形图；
图3为变异系数指标的过程线；
图4为430s后变异系数指标的过程线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附 图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实 施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警 方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：对岩体进行振动监测，并将监测得到的信号绘制成振动波形 图。
采用激光多普勒测振仪(Laser Doppler Vibrometer,LDV)来实现岩 体崩塌全过程的振动监测，并将监测得到的时间振动信号绘制成振动波形 图。
岩体的很多脆性破坏多是系统不稳定导致的动力破坏，因此引入振动 特征参数，可有助于实现岩体的安全稳定分析与岩体崩塌的早期预警。岩 体崩塌的全过程一般分为三个阶段，稳定阶段-分离阶段-加速破坏阶段， 而激光多普勒测振仪可分别测量不同阶段的岩体时域动力学指标。
步骤S2：从振动波形图中提取振动绝对均值、方差两种时域动力学指 标；
分析监测的振动波形图,所述振动波形图为振动历史曲线，其从稳定到 破坏的全过程的曲线，分析时某时刻的数据为此时刻之前的一段数据分析 结果作此时刻的数据值。例如，监测了400秒的数据，采样频率是50HZ， 取1s为一时间段，1s的数据值，是0s-1s时间段内50个样本的数据分析 得到的结果，400s时就是0s-400s的样本数据分析的结果，从中计算提取 振动绝对均值、方差等两种时域动力学指标，两种时域动力学指标不需要 进行傅里叶等变换。
根据如下公式可计算振动绝对均值xav：
Figure BDA0002806308530000041
其中，xi为不同时刻的振动幅值，N为监测样本数，监测样本数取决于 采样频率与分析时的所选取的时间段大小。
根据如下公式可计算方差Dx：
Figure BDA0002806308530000042
其中，xi为不同时刻的振动幅值，N为监测样本数。
步骤S3：通过振动绝对均值和方差计算变异系数时域动力学指标Kv。
根据如下公式可计算变异系数指标Kv：
Figure BDA0002806308530000043
步骤S4：通过分析变异系数时域动力学指标从而对岩体崩塌灾害进行 预警分析。
根据上述分析方法可对岩体崩塌进行早期预警。
下面以一具体岩体坍塌的数据为例来说明上述的分析方法。
图2为某一岩体崩塌过程的振动波形图，图3为变异系数指标的过程 线，图4为430s后的变异系数指标的过程线。图3中的变异系数指标Kv随 时间变化的数值如表1所示：
测量时间/s 变异系数指标K<sub>v</sub>
0 0.43466
50 0.93845
124 1.37647
200 0.45813
270 1.17746
310 1.17165
370 0.96886
390 0.99831
410 0.87365
430 0.58924
435 0.34070
440 0.16081
441 1.39958
442 2.01679
443 2.05218
444 1.35697
445 2.03842
表1
类似于材料科学中的位错机制理论，岩体中存在的内部缺陷，是导致 岩体发生非协调性变形的根本原因，从构成岩体晶粒的微观杂质到宏观的 潜在结构面岩桥，岩体内部的诸多缺陷导致了岩体受力过程中不可避免会 产生非线性的破坏特征。例如，岩体晶粒的微观杂质发生位错，从而在应 力应变状态中产生非弹性变形；而岩体存在的潜在结构面，在受力破坏过 程中产生断裂，也必然引发岩体应力应变状态中产生非协调性动力特征，虽然在应力应变分析中忽略这一特征可能影响不大，但识别这一非协调动 力特征可以为岩体波动预警方法提供理论基础。因此，岩体在崩塌前不仅 存在非协调变形特征，而且还存在非协调动力特征。
由于崩塌等脆性破坏灾害具有高隐蔽性、强突发性等特点，崩塌灾害 的早期预警一直是工程现场亟待解决的热点和难点问题，因此，了解岩体 崩塌前的非协调性动力特征，并开展相适应的预警方法研究，是实现岩块 体崩塌灾害早期预警的关键所在。
而变异系数时域动力学指标Kv在识别非协调动力特征上优势明显，从 最小值的0.16081到最大值2.05218，增大12.8倍。因此，通过变异系数 指标Kv可以较好识别岩体崩塌破坏前的非协调动力特征，通过识别变异系 数指标Kv的振荡特征，从而实现岩体崩塌灾害的预警。
基于结构动力学理论，力学参数的变化必然会引起岩体动力学指标的 变化。本发明通过对岩体稳定-分离-破坏全过程的分析研究，深入分析岩 体从稳定到破坏全过程中时域动力学指标的变化规律。
基于变异系数时域动力学指标Kv可有效识别出岩体分离破坏前兆和加 速破坏前兆，而且在岩体崩塌破坏前这些动力学指标均出现明显的非协调 与非线性变化特征，变异系数时域动力学指标Kv在岩体崩塌破坏前5s出现 明显的振荡特征，为岩体动力特征响应识别与波动预警理论提供了新的分 析方法。
相比较于现有的常规监测指标，通过变异系数时域动力学指标Kv可以 对岩体破裂过程中明显的非协调变形特征进行监测，进而深入了解岩体的 稳定性，从而更好实现岩体崩塌破坏的早期预警。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的 保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术 语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定 要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而 且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含， 从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素， 而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一 个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者 设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使 用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显 而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的 情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的 这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的 范围。

Claims (8)

1.一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
对岩体进行振动监测，并将监测得到的信号绘制成振动波形图；
从所述振动波形图中提取振动绝对均值和方差两种时域动力学指标；
通过所述振动绝对均值和方差计算变异系数时域动力学指标；
通过分析所述变异系数时域动力学指标从而对岩体崩塌灾害进行预警分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法，其特征在于，使用激光多普勒测振仪来实现岩体崩塌全过程的振动监测。
3.根据权利要求1所述的一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法，其特征在于，所述振动绝对均值xav通过以下方法计算：
Figure FDA0002806308520000013
其中，xi为不同时刻的振动幅值，N为监测样本数。
4.根据权利要求1所述的一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法，其特征在于，所述方差Dx通过以下方法计算：
Figure FDA0002806308520000011
其中，xi为不同时刻的振动幅值，xav为振动绝对均值，N为监测样本数。
5.根据权利要求1所述的一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法，其特征在于，所述变异系数时域动力学指标Kv通过以下方法计算：
Figure FDA0002806308520000012
其中，xav为振动绝对均值，Dx为方差。
6.根据权利要求1所述的一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法，其特征在于，所述振动绝对均值和方差不需要进行变换。
7.根据权利要求1所述的一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法，其特征在于，所述变异系数时域动力学指标可识别岩体崩塌破坏前的非协调动力特征。
8.根据权利要求1所述的一种基于变异系数时域动力学指标的岩体崩塌早期预警方法，其特征在于，所述变异系数时域动力学指标在岩体崩塌破坏前会出现明显的振荡特征。
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Pledgor: Beijing Zhongguancun Zhilian Safety Science Research Institute Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980069604