CN115495945A - 一种非预埋式多点变位计丢失变形估算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下工程围岩稳定安全监测技术领域，具体而言，涉及一种非预埋式多点变位计丢失变形估算方法及系统，方法步骤如下：基于多点变位计历史监测数据与监测断面开挖台账数据，对所获取的围岩变形检测数据进行差分处理；根据围岩变形监测数据差分处理结果，得到变形响应强度曲线；构建衰减函数拟合变形响应强度曲线对围岩变形与开挖进度间的关系进行定量描述；基于衰减函数对多点变位计丢失变形量进行计算。本发明通过描述开挖进度与围岩变形增长的定量关系，并据此估算非预埋式多点变位计由于滞后下挖进度的丢失捕捉的变形监测量，能够更加全面掌握地下洞室监测断面乃至整个洞室围岩变形分布情况。

Description

一种非预埋式多点变位计丢失变形估算方法及系统

技术领域

本发明涉及地下工程围岩稳定安全监测技术领域，具体而言，涉及一种非预埋式多点变位计丢失变形估算方法及系统。

背景技术

新世纪以来，随着水力资源的进一步开发，我国建成了一批举世瞩目的水电工程。我国西部地区水力资源富集，受限于高山峡谷地形地质条件及坝型经济性选择，水力发电厂房多赋存于埋深大、高地应力、水文地质条件复杂的地下洞室中。

受限于地质勘探条件与技术手段，地下工程的地质条件难以准确把控、力学参数不易精准确定。因此，围岩变形作为结果导向型的安全监测项目，被广泛应用到施工期围岩稳定性评价中，并为设计、施工进度、支护手段及力度提供反馈参考。

多点变位计是地下工程围岩变形安全监测的一种有效技术手段，按照仪器埋设与洞室开挖的先后可分为预埋式和非预埋式。非预埋式由于滞后于开挖进度，因此将丢失一部分变形，无法获取完整变形量。

基于此，亟需一种非预埋式多点变位计丢失变形估算方法及系统，实现地下工程围岩变形全过程监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非预埋式多点变位计丢失变形估算方法及系统，通过描述开挖进度与围岩变形增长的定量关系，并据此估算非预埋式多点变位计由于滞后下挖进度的丢失捕捉的变形监测量，以此掌握地下工程围岩变形全过程。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，包括如下步骤：

步骤一、基于多点变位计历史监测数据与监测断面开挖台账数据，对所获取的围岩变形检测数据进行差分处理；

步骤二、根据围岩变形监测数据差分处理结果，得到变形响应强度曲线；

步骤三、构建衰减函数拟合所述变形响应强度曲线对围岩变形与开挖进度间的关系进行定量描述；

步骤四、基于所述衰减函数对多点变位计丢失变形量进行计算。

根据一种优选实施方式，所述步骤一具体包括：

基于多点变位计历史监测数据与监测断面开挖台账数据，得到围岩变形与开挖进度关系历史过程曲线；

基于所述历史过程曲线，对所获取的围岩变形检测数据进行差分处理，计算得到不同开挖层厚度、开挖层与围岩变形监测点的垂直距离及其对应的围岩变形增量。

根据一种优选实施方式，所述变形响应强度曲线的表达式，如下：

上式中，Δh表示开挖厚度，ΔS表示对应的变形增量。

根据一种优选实施方式，所述衰减函数采用的形式包括但不限于Logistic曲线、Yield density曲线、Gompertz曲线、渐进回归曲线、韦布尔曲线及多项式曲线。

根据一种优选实施方式，采用Yield density曲线形式的衰减函数表达式，如下：

采用多项式曲线形式的衰减函数表达式，如下：

上式中，a、b、c表示待定参数，x表示开挖垂直距离。

根据一种优选实施方式，所述步骤三中采用麦夸特法或加速单纯形法求解待定参数a、b、c进行衰减函数拟合。

根据一种优选实施方式，所述方法还包括根据已拟合的衰减函数对固定的开挖区间进行积分求解变形增量，将所得变形增量与监测值进行比对，对衰减函数进行合理性验证。

根据一种优选实施方式，所述对衰减函数进行合理性验证具体包括：

若变形增量与监测值的偏差量小于预设偏差量，则丢失变形量计算有效；

否则对衰减函数待定参数以及拟合优度进行验证，若衰减函数待定参数不合理，则通过增加约束条件进行参数估计；

若拟合优度不合理，则构造新的衰减函数进行拟合计算。

根据一种优选实施方式，所述步骤四具体包括：变换积分区间，计算多点变位计丢失变形量，表达式如下：

上式中，

表示下挖面距离监测点为0对应的变形响应强度。

本发明还提供一种非预埋式多点变位计丢失变形估算系统，应用到如上述所述的方法，包括：

差分处理模块，用于基于多点变位计历史监测数据与监测断面开挖台账数据，对所获取的围岩变形检测数据进行差分处理；

曲线绘制模块，用于根据围岩变形监测数据差分处理结果，得到变形响应强度曲线；

定量描述模块，用于构建衰减函数拟合所述变形响应强度曲线对围岩变形与开挖进度间的关系进行定量描述；

估算模块，用于基于所述衰减函数对多点变位计丢失变形量进行计算。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：(1)本发明所提供的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，通过整理围岩变形监测数据，可掌握开挖进度与围岩变形发展的规律；(2)本发明所提供的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，估算非预埋式多点位移计丢失变形量，可统一评价预埋式与非预埋式变形量级，能够更加全面掌握地下洞室监测断面乃至整个洞室围岩变形分布情况；(3)本发明所提供的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，具有大量工程实例监测数据与数值模拟成果支撑，且估算方法具有坚实的物理力学基础，意义明确，估算精准，可应用于大型地下工程围岩稳定性评价中。

附图说明

图1至图8为本发明实施例1提供的围岩变形与开挖进度关系过程线；

图9为本发明实施例1提供的水电站地下厂房有限差分模型示意图；

图10至15为本发明实施例1提供的有限差分数值模拟开挖过程-变形计算过程线；

图16为本发明实施例1提供的计算流程图；

图17为本发明实施例1提供的某工程大型地下洞室开挖进度示意图；

图18为本发明实施例1提供的监测点围岩变形过程线；

图19为本发明实施例1提供的变形响应强度曲线；

图20为本发明实施例1提供的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

如图1至图8所示，根据大量工程长期监测资料发现，围岩变形随着开挖进度呈“阶梯状”上升发展。同时，见图9所示的有限差分数值模型、下表2所示的模型参数，以及图10至图15所示的有限差分数值模拟开挖过程-变形计算过程线以及下表2所示的有限差分模型围岩物理力学参数表，可以得知有限差分计算数值试验亦说明随着洞室向下不断开挖，围岩变形呈阶梯状上升。

表1.有限差分模型围岩物理力学参数表

表2.围岩变形监测数据差分处理表

值得注意的是，围岩变形发展是一个受多因素影响复杂且无法明确研究某种单一因素影响的过程。但诸如地质条件、地应力、洞室规模、支护强度等因素，往往是自然或人为决定的条件，可统一视为“先决因素”。“先决因素”往往决定围岩变形的量级与变形响应的幅度，但在宏观上不改变围岩变形与下挖进度间的相关关系。因此在施工期由于下挖进度紧凑，忽略时效(岩体流变)变形或认为时效变形影响全过程等效，围岩变形工程监测规律表现出与开挖进度呈良好的相关性。

从另一角度解读，某点围岩变形增量，即“阶梯高度”与该监测点距离开挖层的厚度及其与监测点的垂直距离有关。即：离开挖面越远，开挖层厚度越小，位移增量越小。

因此，本发明实施例提供一种非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，通过描述开挖进度与围岩变形增长的定量关系，并据此估算非预埋式多点变位计由于滞后下挖进度的丢失捕捉的变形监测量，以此掌握地下工程围岩变形全过程。估算方法的具体步骤如下：

首先详细收集多点变位计的变形历史监测数据与监测断面开挖台账数据，进一步地，基于多点变位计历史监测数据与监测断面开挖台账数据定性掌握开挖进度与围岩变形发展的规律，对所获取的围岩变形检测数据进行差分处理。

参考图16和图20所示，在本发明实施例的一种实施方式中，上述步骤具体包括：

基于多点变位计历史监测数据与监测断面开挖台账数据，绘制得到围岩变形与开挖进度关系历史过程曲线；基于所述历史过程曲线，对所获取的围岩变形检测数据进行差分处理，计算得到不同开挖层厚度、开挖层与围岩变形监测点的垂直距离及其对应的围岩变形增量。

进一步地，定量描述开挖进度与围岩变形发展间的关系，步骤具体包括：

定义变形响应强度函数

并根据围岩变形监测数据差分处理结果，得到变形响应强度曲线，所述变形响应强度曲线的表达式，如下：

上式中，Δh表示开挖厚度，ΔS表示对应的变形增量。

需要说明的是，就物理力学而言，

可表征单位厚度岩层开挖导致的围岩变形增量。

进一步地，定义卸荷变形衰减函数ζ，表达式如下：

上式中，

分别表示下挖面距离监测点为x和0对应的变形响应强度。由上式可理解的是，当开挖垂直距离x＝0时，ζ(0)＝1。即上述表征了以直接约束监测点围岩开挖变形强度为基准，为一个值域(0,1]且随x递增的减函数。因此，构建衰减函数可采用多种形式，满足方便积分、值域符合即可，例如Logistic曲线、Yield density曲线、Gompertz曲线、渐进回归曲线、韦布尔曲线及多项式曲线。

在本发明实施例的一种实施方式中，以Yield density曲线、多项式曲线为例进行距离说明。

其中，采用Yield density曲线形式的衰减函数表达式，如下：

采用多项式曲线形式的衰减函数表达式，如下：

上式中，a、b、c表示待定参数，x表示开挖垂直距离。

进一步地，构建衰减函数拟合所述变形响应强度曲线对围岩变形与开挖进度间的关系进行定量描述；在本实施例的一种实施方式中，采用麦夸特法或加速单纯形法求解待定参数a、b、c进行衰减函数拟合。需要说明的是，在开挖面垂直距离与变形响应强度关系曲线中，二者与坐标轴所围成的阴影面积代表了开挖区间累积位移增量。

因此，可以根据已拟合的衰减函数对固定的开挖区间进行积分求解变形增量，将所得变形增量与监测值进行比对，对衰减函数进行合理性验证，所述对衰减函数进行合理性验证具体包括：若变形增量与监测值的偏差量小于预设偏差量，则丢失变形量计算有效，在本实施例中，预设偏差量设置为10％，表达式如下：

若变形增量与监测值的偏差量大于预设偏差量，则对衰减函数待定参数以及拟合优度进行验证，若衰减函数待定参数不合理，则通过增加约束条件进行参数估计；若拟合优度不合理(拟合优度R²大于等于0.9视为合理)，则构造新的衰减函数进行拟合计算，例如：

或

或

进一步地，基于所述衰减函数对多点变位计丢失变形量进行计算，具体包括：变换积分区间，计算多点变位计丢失变形量，表达式如下：

上式中，

表示下挖面距离监测点为0对应的变形响应强度。

以下对上述方法进行举例说明：

某工程大型地下洞室洞跨为34.0米，高88.7米，长438.0米。洞室分15层开挖(按大层划分，具体开挖进度以实际施工台账为准)，如图17所示。为对本发明计算方法进行有效验算，选取该工程0-12断面下游边墙岩壁梁EL.605m预埋式多点变位计监测数据作为算例。视预埋式多点变位计为非预埋式，采用本发明专利计算方法计算由于滞后施工进度安装监测仪器未能捕捉的丢失变形量，并与实际监测数据进行比对，具体计算步骤如下：

绘制测点监测数据过程线与开挖记录过程线如图18所示，对围岩变形监测数据差分处理计算如表2所示，进一步地，采用三次多项式构建衰减函数，拟合变形响应强度曲线，如图19所示；进一步地，应用麦夸特法或加速单纯性法求解衰减强度参数，拟合方程如下式：

非线性回归判定系数R²为0.92。

进一步地，选取EL.594.0m(x＝11)至EL.555.5m(x＝44)开挖高程区间进行积分计算，计算位移增量为20.22mm，实际测得21.84mm，偏差为7.4％，不超过10％，计算结果有效。

进一步地，假定多点变位计是下挖11m后，具备施工条件后补埋的，则取x积分区间为(0，11)，求得变形位移增量为18.21mm，实际监测变形增量为16.67mm，预测偏差量仅为1.54mm。

本发明实施例还提供一种非预埋式多点变位计丢失变形估算系统，应用到如上述所述的方法，包括：

差分处理模块，用于基于多点变位计历史监测数据与监测断面开挖台账数据，对所获取的围岩变形检测数据进行差分处理；

曲线绘制模块，用于根据围岩变形监测数据差分处理结果，得到变形响应强度曲线；

定量描述模块，用于构建衰减函数拟合所述变形响应强度曲线对围岩变形与开挖进度间的关系进行定量描述；

估算模块，用于基于所述衰减函数对多点变位计丢失变形量进行计算。

综上所述，本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：(1)本发明所提供的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，通过整理围岩变形监测数据，可掌握开挖进度与围岩变形发展的规律；(2)本发明所提供的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，估算非预埋式多点位移计丢失变形量，可统一评价预埋式与非预埋式变形量级，能够更加全面掌握地下洞室监测断面乃至整个洞室围岩变形分布情况；(3)本发明所提供的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，具有大量工程实例监测数据与数值模拟成果支撑，且估算方法具有坚实的物理力学基础，意义明确，估算精准，可应用于大型地下工程围岩稳定性评价中。

此外，本领域技术人员可以理解，本说明书的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本说明书的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本说明书的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。

计算机存储介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等，或合适的组合形式。计算机存储介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通信、传播或传输供使用的程序。位于计算机存储介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、RF或类似介质，或任何上述介质的组合。

本说明书各部分操作所需的计算机程序编码可以用任意一种或多种程序语言编写，包括面向对象编程语言如Java、Scala、Smalltalk、Eiffel、JADE、Emerald、C++、C#、VB.NET、Python等，常规程序化编程语言如C语言、Visual Basic、Fortran 2003、Perl、COBOL 2002、PHP、ABAP，动态编程语言如Python、Ruby和Groovy，或其他编程语言等。该程序编码可以完全在用户计算机上运行、或作为独立的软件包在用户计算机上运行、或部分在用户计算机上运行部分在远程计算机运行、或完全在远程计算机或服务器上运行。在后种情况下，远程计算机可以通过任何网络形式与用户计算机连接，比如局域网(LAN)或广域网(WAN)，或连接至外部计算机(例如通过因特网)，或在云计算环境中，或作为服务使用如软件即服务(SaaS)。

此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

以上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。

Claims (10)

1.一种非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、基于多点变位计历史监测数据与监测断面开挖台账数据，对所获取的围岩变形检测数据进行差分处理；

步骤二、根据围岩变形监测数据差分处理结果，得到变形响应强度曲线；

步骤三、构建衰减函数拟合所述变形响应强度曲线对围岩变形与开挖进度间的关系进行定量描述；

步骤四、基于所述衰减函数对多点变位计丢失变形量进行计算。

2.如权利要求1所述的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

基于多点变位计历史监测数据与监测断面开挖台账数据，得到围岩变形与开挖进度关系历史过程曲线；

基于所述历史过程曲线，对所获取的围岩变形检测数据进行差分处理，计算得到不同开挖层厚度、开挖层与围岩变形监测点的垂直距离及其对应的围岩变形增量。

3.如权利要求2所述的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，其特征在于，所述变形响应强度曲线的表达式，如下：

上式中，Δh表示开挖厚度，ΔS表示对应的变形增量。

4.如权利要求3所述的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，其特征在于，所述衰减函数采用的形式包括但不限于Logistic曲线、Yield density曲线、Gompertz曲线、渐进回归曲线、韦布尔曲线及多项式曲线。

5.如权利要求4所述的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，其特征在于，采用Yield density曲线形式的衰减函数表达式，如下：

采用多项式曲线形式的衰减函数表达式，如下：

上式中，a、b、c表示待定参数，x表示开挖垂直距离。

6.如权利要求5所述的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，其特征在于，所述步骤三中采用麦夸特法或加速单纯形法求解待定参数a、b、c进行衰减函数拟合。

7.如权利要求1至6任一项所述的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，其特征在于，所述方法还包括根据已拟合的衰减函数对固定的开挖区间进行积分求解变形增量，将所得变形增量与监测值进行比对，对衰减函数进行合理性验证。

8.如权利要求7所述的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，其特征在于，所述对衰减函数进行合理性验证具体包括：

若变形增量与监测值的偏差量小于预设偏差量，则丢失变形量计算有效；

否则对衰减函数待定参数以及拟合优度进行验证，若衰减函数待定参数不合理，则通过增加约束条件进行参数估计；

若拟合优度不合理，则构造新的衰减函数进行拟合计算。

9.如权利要求8所述的非预埋式多点变位计丢失变形估算方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：变换积分区间，计算多点变位计丢失变形量，表达式如下：

上式中，

表示下挖面距离监测点为0对应的变形响应强度。

10.一种非预埋式多点变位计丢失变形估算系统，应用到如权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，包括：

差分处理模块，用于基于多点变位计历史监测数据与监测断面开挖台账数据，对所获取的围岩变形检测数据进行差分处理；

曲线绘制模块，用于根据围岩变形监测数据差分处理结果，得到变形响应强度曲线；

定量描述模块，用于构建衰减函数拟合所述变形响应强度曲线对围岩变形与开挖进度间的关系进行定量描述；

估算模块，用于基于所述衰减函数对多点变位计丢失变形量进行计算。

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