深部岩体变形的混沌预测方法

论述深部岩体变形行为及其围岩稳定性分析中应用混沌方法;同时,根据岩体工程的观测位移时间序列,基于相空间重构,给出了最大Lyapunov特征指数的计算步骤,并给出了岩体位移时序的线性和非线性两种混沌预报模式。据此,建立了岩体工程位移观测数据的混沌预测方法。对玲珑金矿255m水平主运巷的塌陷情况进行了算例分析。首先,对于主运旧巷断面的收敛位移观测序列,采用插值方法对其进行了预处理,以获得等间隔的位移序列;然后,对该位移序列,利用上述混沌分析方法,获得其最大Lyapunov特征指数为0.05;分别采用近邻等距法和最大Lyapunov指数预报模式,对位移序列进行了预测。与观测位移相比较,位移预测结果比较理想。     

基于最大Lyapunov指数的变形预测模式研究

变形危害巨大,变形监测与变形预测则成为必然,由于变形的过程受到地质、水文、地震和人类工程活动等因素的影响,可视为一种具有混沌特征的动力系统。故本文以混沌理论为基础,提出了基于最大Lyapunov指数的变形观测模式,并利用工程实例进行了分析研究。研究表明,变形监测时间序列中的最大Lyapunov指数均大于0,根据混沌理论,可判断变形序列存在混沌现象,同时预测的结果显示,基于混沌时间序列的最大Lyapunov指数法的预测具有较高的精度,故研究成果具有的一定的理论和应用价值,为变形预测提供了新途径。     

混沌确定性检验原理及其在变形分析中的应用

从看似杂乱无章而毫无规律可言的观测序列中发现系统内部的一些重要信息,对变形监测的数据处理有着重要意义。本文讨论了应用混沌递归图法检验观测序列是否具备确定性的原理、算法和过程。结合长江三峡库区某滑坡的监测数据分析了该滑坡的确定性特性,并由确定性检验结果对该滑坡的稳定性进行了初步评价。     

基于相空间重构的公路边坡位移分形特征分析

根据高速公路边坡位移动态变化时间序列的非线性性质,利用时间序列的 Takens 相空间重构方法,由一维的单变量观测数据序列进行相空间拓展,在拓展的相空间中得出公路边坡位移动态变化时间序列的分维数,从而揭示了边坡位移动态变化的内在规律及其本质特征。     

深部岩体非线性Kelvin蠕变变形的混沌行为

随着矿山开采的大规模进行和采深的加大，在深部高应力作用下巷道围岩的破坏日益严重，这使得越来越多的采用非线性科学理论和方法分析巷道围岩的稳定性。推导非线性Kelvin流变模型的本构方程以及其蠕变曲线的解析解；分别采用两种数值微分方法对非线性蠕变方程进行求解，结果发现非线性蠕变方程的数值解在有些情况下与解析解不一致，即数值解可能出现不稳定；通过变量代换，该非线性蠕变方程可化为Logistic方程。这样，通过将岩体的本构模型与非线性理论相结合，从理论上证明岩体的非线性蠕变具有混沌行为，并相应获得岩体变形发生混沌的条件，根据实测位移序列，为采用混沌学方法进行深部岩体工程的稳定性预测和控制奠定理论基础。     

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。     

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。     

航班延误时间序列的混沌特征分析及短时预测

针对航班延误时间序列的混沌特性,建立基于极限学习机(extreme learning machine, ELM)的混沌短时预测模型,对机场航班延误状况进行预测。首先,结合某枢纽机场2018年进离场航班延误架次、延误率和平均延误时长等航班延误状况时间序列,运用小数据量法对序列进行混沌识别;进而,根据递归图理论分析序列的混沌特征,并进行序列的可预测分析;最后,建立基于ELM的混沌预测模型对不同航班延误状况进行预测。结果表明:6个航班延误状况时间序列均符合混沌特性;进场航班延误架次的可预测性最高,进、离场航班平均延误时间长的可预测性均较低;通过本文预测方法对进、离场航班延误架次的预测效果较佳,均方根误差分别为4.520 9和4.524 3,证明该预测方法有效、可行。     

混沌理论在公路滑坡预报中的应用

基于腊寨某公路滑坡位移观测资料,运用混沌理论中的时间函数与分维数分析方法对滑坡位移及其矢量角变化规律进行深入研究．发现滑坡位移矢量角的时间相关函数C（t）与位移分维数随着滑坡失稳程度的加剧呈现明显的下降趋势。研究表明：滑坡位移及其矢量角与稳定状态具有同步的动态变化过程．说明混沌方法可用于滑坡动态评价和预报。     

滑坡位移最大Lyapunov指数及其在滑坡预报中的应用

根据混沌理论,对滑坡在失稳过程的位移变量所具有的混沌特性以及突变性进行了深入的研究和分析,以新滩滑坡为例,计算滑坡位移失稳过程的最大Lyapunov指数,结果表明增量位移时序最大Lyapunov指数在滑坡失稳过程中出现明显增加的突变规律,且其突变时间与滑坡失稳时间相吻合,说明了滑坡位移最大Lyapunov指数是评估滑坡稳定性的一种有效混沌特性参数。     

圆形隧道围岩蠕变柔量的确定及粘弹性力学模型的识别

本文给出了圆形隧道围岩径向位移与岩体蠕变柔量的线性关系,并用位移分析法确定了岩体的蠕变柔量,根据所得到的蠕变柔量值由解析法识别了岩体的力学模型并反演了其力学参数．     

瀑布沟水电站库首右岸拉裂变形体变形特征与分析

 随着我国水电建设的大力发展,越来越多的大型工程遇到松动岩体稳定问题,松动岩体的变形特征及失稳机制十分复杂,亟待进一步研究。以瀑布沟水电站库首右岸拉裂变形体监测资料和地质资料为基础,总结出用监测数据分析拉裂变形体变形特征及失稳机制的方法,并与清江隔河岩茅坪滑坡、瀑布沟堆石坝上游坝坡的监测资料分析结果对比,验证该方法的可靠性。研究结果表明：(1) 拉裂变形体以块体错动的方式变形,且地形控制其优势错动方向;(2) 拉裂变形体的变形模式是局部渐进式错动,目前不同部位的岩体错动方向、错动时间等均存在较大差异,空间上未形成整体、时间上未形成统一的错动;(3) 根据竖直测斜孔监测分析结果反映的特征,将错动带分为两大类(I和II),且将第I类进一步分为两小类(I1和I2);(4) 利用锚索进行深部治理时应重视辨别错动带的类型,重点控制第I类错动带,同时还应重视随机锚杆的浅部治理;(5) 拉裂变形体的变形对降雨和蓄水不敏感。     

坝基岩体开挖卸荷与分带研究——以小湾水电站坝基岩体开挖为例

 小湾坝基开挖引起了一系列岩体卸荷变形破坏现象,包括岩体中已有结构面的回弹松动与剪切错动,以及完整岩体的岩爆拱裂、薄板状破裂等新生破裂。开挖中岩体的新生破裂面在空间分布上有如下特点：破裂面产状与开挖面具有较好的一致性;在深度分布上,开挖卸荷破裂面相对集中在开挖面之下4～6 m的深度以上。岩体的卸荷变形破坏导致了岩体完整性的显著降低,但卸荷松动过程的主体部分多在几个月内完结。无论是岩体开挖卸荷还是河流天然切割卸荷都是一个能量释放过程,并且卸荷变形破坏具有显著的空间分布规律,因此采用能量方法研究岩体的卸荷分带是合适的。给出了岩体卸荷分带的应变能方法,小湾水电站的实际应用表明该方法是可行的、有效的。     

地下工程岩体参数场反演分析应用研究

 在施工过程中,由于开挖方式、爆破以及支护施作滞后等因素的影响,洞周岩体会有不同程度的“劣化”。一般而言,受开挖施工影响,离洞室表面越近的岩体劣化程度越严重;支护施作滞后时间越长岩体劣化程度越严重。因此,提出参数场的概念,将洞周围岩物理力学参数看作受初始地质状态、施工影响而随空间变化的非稳定参数场。采用三维弹塑性损伤有限元及位移反演分析方法,经敏感度分析确定恰当的待反演岩体参数,使用局部断面模型快速反演计算方法获得各监测断面区域岩体参数场,再通过插值方法得到三维整体模型参数场,适当修正后即可用于洞室后期开挖围岩变形及稳定预测。结合瀑布沟水电站地下厂房工程,建立有限元模型,代入监测数据,反演获得洞周围岩参数场,并将计算结果用于预报后续洞室开挖的围岩变形趋势,结果显示岩体计算预测反演参数与实际监测值符合较好。     

裂隙岩体非连续变形的静力和动力分析方法

裂隙岩体在静力或动力作用下产生的变形主要是裂隙的变形，岩石变形相对很小，两者不相连续。用非连续变形分析方法研究岩体的非连续特性才能得到微观的具体反映。在动力或静力作用下，位移实际上与时间有关，故对静力问题仍可用动力方法。只有对很小位移的静力问题，当岩体处于稳定情况下，才可忽略这一时间因素。对极大位移的动力问题，如爆炸等，用非连续变形分析方法计算能得到很好的结果。本文用非连续变形分析方法对以上问题作了探讨，并用算例对若干静力和动力问题进行了分析。     

围岩变形的时效特征与预测的研究

在假设围岩地层的性态服从三元件粘弹性模型的基础上,结合对宜兴抽水蓄能电站地下厂房试验洞位移量测数据的分析,提出一种确定地层时效特征参数和预报地层变形的方法。内容包括在考虑试验洞开挖面空间效应影响的前提下对现埋孔的位移量进行修正。根据位移–时间关系曲线的回归方程建立任意时刻围岩地层等效弹性模量间的关系式,给出确定三元件粘弹性模型参数值及对洞周地层的变形进行预报的方法。研究表明:位移量的预报值与回归值可较好吻合,表明这一方法可供同类工程采用。     

岩体蠕变结构效应的数值模拟研究

采用数值模拟试验方法对岩体结构的蠕变力学效应进行研究。通过对均质岩体、不同分布产状和数量的结构面试件进行单轴、三轴压缩蠕变试验的计算机仿真,探讨岩体蠕变的结构效应、围压效应以及不同结构条件下岩体的蠕变变形规律与破坏特征等。结果显示,结构面产状对岩体流变性态的影响十分显著,它不仅明显改变岩体的蠕变强度、位移形态,而且控制着岩体的破坏模式及破坏条件。大多数试件的蠕变曲线与实验室或现场得到的岩石单轴、三轴压缩蠕变曲线特征基本相似;各试件之间由于结构面产状、侧向应力水平等的不同其蠕变曲线型式在高应力状态下有所差异。     

一种岩体工程黏性流动变形预测的新方法

 为了对岩体工程的黏性流动变形进行预测,依据弹性问题位移分量的古萨(Goursat)表达式和弹–黏弹性比拟原理推导相对位移矢量增量公式,并建立变形预报模型,给出变形预报的方法步骤。该方法不是直接求出真实的时间、介质物性参数以及边界条件的值,而是求出一组组合值,通过相对位移矢量增量公式进行预测。无需复杂的应力边界和位移边界条件,能够考虑岩体介质的本构特征,实现长期的两维变形预报。然后将其应用到具有黏弹性解析解的边坡算例中,结果表明：短期预报的精度较高,误差小于10%,长期预报时误差约为23%。最后,结合边坡开挖讨论这一方法的工程适用性,为岩体工程黏性流动的长期两维变形预报提供理论基础和实用方法。