關(guān)富僳 吳發(fā)名 羅 志 姚 強(qiáng) 廖亞斌 李洪濤
①四川大學(xué)水利水電學(xué)院(四川成都,610065)
②四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(四川成都,610065)
③中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司(四川成都,610000)
④中國(guó)水利水電第七工程局有限公司(四川成都,610034)
巖石爆破工程中,爆破參數(shù)與爆破塊度之間是一種多因素與多指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1-3]。準(zhǔn)確描述這種對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破塊度的預(yù)測(cè),可較好地進(jìn)行筑壩材料的塊度控制,從而保證土石壩的填筑質(zhì)量[4-5]。而傳統(tǒng)的塊度分布函數(shù)模型、爆堆攝影法、大塊率統(tǒng)計(jì)法等存在一定的局限性,均難以準(zhǔn)確反映這種對(duì)應(yīng)關(guān)系并實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破塊度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。
近年來(lái),隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖體爆破塊度預(yù)測(cè)方面的成功應(yīng)用,這種多因素與多指標(biāo)之間的非線(xiàn)性映射關(guān)系有了可靠的描述方式[6-7]。祝文化等[5]結(jié)合工程實(shí)踐,建立了堆石料爆破開(kāi)采級(jí)配預(yù)測(cè)的反向傳播(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并與傳統(tǒng)的R-R、G-G-S等經(jīng)驗(yàn)函數(shù)分布模型進(jìn)行比較;結(jié)果表明,采用BP網(wǎng)絡(luò)模型可以達(dá)到較好的級(jí)配預(yù)測(cè)效果。黃志輝[8]綜合應(yīng)用拍攝、圖像識(shí)別和分形理論建立了求算爆堆級(jí)配組成的分形測(cè)試方法,并通過(guò)BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)巖塊的級(jí)配組成。Bahrami等[9]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立了巖體爆破塊度的預(yù)測(cè)模型,并分析了其主要影響因素。Kulatilake等[10]提出了采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)巖體爆破平均塊度,但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、訓(xùn)練樣本參數(shù)較多等不足。Mohammad等[11]提出自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),對(duì)巖體爆破粒徑進(jìn)行了預(yù)測(cè),與Kuz-Ram模型進(jìn)行對(duì)比,并在工程實(shí)例中驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。王仁超等[12]將基于Levenberg-Marquardt(LM)算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于預(yù)測(cè)爆破塊度,并對(duì)比了BP模型的預(yù)測(cè)結(jié)果,驗(yàn)證了該模型的優(yōu)越性。但傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法仍存在收斂速度慢和易收斂于局部極小點(diǎn)等缺陷。
針對(duì)傳統(tǒng)方法的不足,結(jié)合長(zhǎng)河壩工程的過(guò)渡料現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn),綜合灰色關(guān)聯(lián)分析法、遺傳算法(genetic algorithm,GA)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,建立了預(yù)測(cè)巖體爆破塊度的GA-BP模型,并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了模型的可靠性。
長(zhǎng)河壩水電站的攔河壩為心墻堆石壩,最大壩高240.0 m。筑壩材料主要來(lái)源于上游的響水溝石料場(chǎng)和下游的江咀石料場(chǎng),巖石分別為花崗巖和閃長(zhǎng)巖,飽和濕抗壓強(qiáng)度分別高達(dá)120、190 MPa,天然密度2.61~2.99 g/cm3,軟化系數(shù)0.74~0.78。兩個(gè)料場(chǎng)共進(jìn)行17組過(guò)渡料爆破試驗(yàn),起爆方式、裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥類(lèi)型有所差異,爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1~表3。表2中,小于5~400 mm的10個(gè)粒徑的累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)反映了巖體爆破后的級(jí)配,可據(jù)此繪制級(jí)配曲線(xiàn)來(lái)直觀地展示爆破塊度分布情況。表3中,Cu為不均勻系數(shù);Cc為曲率系數(shù);D為分形維數(shù)。
表1 爆破試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Blasting test parameters
表2 小于某一粒徑的巖體的累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Cumulative mass fraction of rock mass smaller than a certain particle size %
表3 級(jí)配表征參數(shù)Tab.3 Gradation characterization parameters
預(yù)測(cè)模型的建立首先需選取適當(dāng)?shù)妮斎?、輸出參?shù),用來(lái)分別反映爆破塊度的影響因素及最終的爆破塊度分布。由于爆破塊度影響因素眾多,可將巖體的爆破看作灰色系統(tǒng),運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)各影響因素的主次關(guān)系進(jìn)行分析[13-14],從而為爆破塊度預(yù)測(cè)模型的輸入、輸出參數(shù)的選擇提供依據(jù)。
在灰色關(guān)聯(lián)分析中,將反映爆破塊度分布的指標(biāo)設(shè)為系統(tǒng)的特征變量,計(jì)為Y i;將各影響因素設(shè)為相關(guān)因素變量,計(jì)為X j。則n次爆破試驗(yàn)所形成的系統(tǒng)特征變量序列和相關(guān)因素變量序列如下[15]:
式中:y i(k)、x j(k)分別表示進(jìn)行第k次爆破試驗(yàn)時(shí),序號(hào)為i的系統(tǒng)特征變量和序號(hào)為j的相關(guān)因素變量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
灰色關(guān)聯(lián)分析法的主要原理是通過(guò)判別系統(tǒng)特征變量和相關(guān)因素變量序列曲線(xiàn)幾何形狀的相似程度來(lái)分析序列曲線(xiàn)的關(guān)聯(lián)程度,曲線(xiàn)越相似,則灰色關(guān)聯(lián)度越大,兩序列曲線(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)性就越緊密[16-17]。灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算步驟如下[18]。
1)將序列數(shù)據(jù)無(wú)量綱化。利用均值化算子D1對(duì)式(1)去量綱化,可求得序列的均值象:
2)將序列數(shù)據(jù)始點(diǎn)零象化。運(yùn)用始點(diǎn)零象化算子D0可求得式(2)的始點(diǎn)零化象:
3)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度。采用灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度來(lái)分析爆破效果的主要影響因素,即
式中:εij為第i個(gè)系統(tǒng)特征變量與第j個(gè)相關(guān)因素變量的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度。
綜合式(4)、式(5)可得灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣:
若εi l≥εi j,則因素X l優(yōu)于X j。其中:l、j∈{1,2,…,m};i=1,2,…,s。
為確定影響爆破塊度的主要因素,以孔距、排距、炮孔密集系數(shù)、Ld/Le(堵塞長(zhǎng)度/裝藥長(zhǎng)度)、炸藥單耗5個(gè)爆破參數(shù)作為相關(guān)因變量X1~X5,以3個(gè)級(jí)配表征參數(shù)Cu、Cc、D作為系統(tǒng)特征變量Y1~Y3,分別對(duì)各料場(chǎng)的爆破試驗(yàn)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。
2.4.1 響水溝料場(chǎng)第一場(chǎng)爆破試驗(yàn)(試驗(yàn)Ⅰ)
試驗(yàn)共6組,均采用梯形起爆方式,裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)、偶合裝藥,炸藥類(lèi)型為硝銨炸藥。巖石為花崗巖,鉆孔直徑120 mm,鉆孔角度90°。由式(1)~式(6)可求得灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣,如表4所示。
表4 試驗(yàn)Ⅰ的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣Tab.4 Grey absolute correlation matrix of TestⅠ
由表4可知,5個(gè)爆破參數(shù)對(duì)級(jí)配表征參數(shù)的影響由大到小為:炸藥單耗、Ld/Le、排距、炮孔密集系數(shù)、孔距。其中,對(duì)Cu和Cc起主要影響作用的是炸藥單耗,對(duì)D起主要影響作用的是Ld/Le。
2.4.2 響水溝料場(chǎng)第二場(chǎng)爆破試驗(yàn)(試驗(yàn)Ⅱ)
爆破試驗(yàn)共5組,均采用梯形起爆方式,裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)、不偶合裝藥,炸藥類(lèi)型為2#巖石乳化炸藥。巖石為花崗巖,鉆孔直徑120 mm,鉆孔角度90°。計(jì)算所得的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣如表5所示。
由表5可知,5個(gè)爆破參數(shù)對(duì)級(jí)配表征參數(shù)的影響由大到小為:炸藥單耗、Ld/Le、炮孔密集系數(shù)、排距、孔距。其中,對(duì)Cu、Cc和D起主要影響作用的仍是炸藥單耗與Ld/Le??梢?jiàn),同一種巖石條件下,炸藥單耗較小時(shí)的爆破效果與炸藥類(lèi)型、裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式的變化關(guān)系并不明顯。
表5 試驗(yàn)Ⅱ的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣Tab.5 Grey absolute correlation matrix of TestⅡ
2.4.3 江咀料場(chǎng)爆破試驗(yàn)(試驗(yàn)Ⅲ)
試驗(yàn)共6組,均采用V形起爆網(wǎng)絡(luò)和連續(xù)、不偶合裝藥結(jié)構(gòu),炸藥類(lèi)型為乳化炸藥。巖石為閃長(zhǎng)巖,鉆孔直徑90 mm,鉆孔角度90°。計(jì)算所得的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣如表6所示。
表6 試驗(yàn)Ⅲ的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣Tab.6 Grey absolute correlation matrix of TestⅢ
由表6可知,5個(gè)爆破參數(shù)對(duì)級(jí)配表征參數(shù)的影響由大到小為:炮孔密集系數(shù)、炸藥單耗、孔距、排距、Ld/Le。其中,對(duì)Cu、Cc、D起主要影響作用的分別是炮孔密集系數(shù)、炸藥單耗、孔距??梢?jiàn),改變巖石類(lèi)型、起爆方式和鉆孔直徑等條件時(shí),對(duì)爆破效果起主要影響作用的爆破參數(shù)及其排列次序也會(huì)隨之發(fā)生改變。
綜合對(duì)比兩個(gè)料場(chǎng)的過(guò)渡料爆破試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果可知:巖體的爆破塊度是諸多影響因素共同作用的結(jié)果;但對(duì)于單場(chǎng)爆破或是單個(gè)級(jí)配指標(biāo)而言,這些影響因素中存在一個(gè)起主導(dǎo)作用的最優(yōu)因素。改變巖石類(lèi)型和爆破條件,會(huì)導(dǎo)致影響因素的主次關(guān)系發(fā)生改變,即每個(gè)爆破參數(shù)在不同的爆破試驗(yàn)中對(duì)爆破塊度的影響程度存在差異,說(shuō)明各影響因素的主次關(guān)系是相對(duì)的。所以,在實(shí)際工程分析中,仍需綜合考慮各影響因素。
綜上,根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果以及實(shí)際工程中的現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)特性,選取孔徑、孔距、排距、炮孔密集系數(shù)、堵塞長(zhǎng)度Ld、裝藥長(zhǎng)度Le、Ld/Le、炸藥單耗和反映巖石物理力學(xué)性質(zhì)的巖石彈性模量[4]作為爆破塊度預(yù)測(cè)模型的輸入?yún)?shù);選取可反映巖體爆破塊度分布的不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc、分形維數(shù)D和小于5~400 mm等10個(gè)粒徑的巖石累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為模型的輸出參數(shù)。
巖體爆破塊度分布具有一定的模糊性和不確定性,且爆破參數(shù)與爆破塊度分布之間表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線(xiàn)性相關(guān)性。GA和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均采用非線(xiàn)性映射方式,具有良好的調(diào)整性和容錯(cuò)性,可用于巖體爆破塊度的預(yù)測(cè)。同時(shí),由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一定缺陷,利用GA可優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),從而建立爆破塊度預(yù)測(cè)的GA-BP模型,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體爆破塊度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。模型的運(yùn)行流程如圖1所示。
圖1 GA-BP模型的運(yùn)行流程Fig.1 Running process of GA-BP model
由于樣本數(shù)據(jù)存在數(shù)量級(jí)差別,需對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,將其化歸至[0,1]。得出預(yù)測(cè)值后,也應(yīng)對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行還原處理。
BP網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最廣的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),基于最陡坡降法來(lái)實(shí)現(xiàn)誤差函數(shù)的最小化,通過(guò)誤差的反向傳遞實(shí)現(xiàn)對(duì)算法結(jié)果的逐步修正[19],其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 BP網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structure of BP network
BP網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建主要包括:
1)確定輸入與輸出參數(shù)。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果,選取孔徑、孔距等9個(gè)爆破塊度影響因素作為模型的輸入?yún)?shù),選取各不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc等13個(gè)指標(biāo)作為模型的輸出參數(shù)。
2)確定網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。采用3層網(wǎng)絡(luò)形式,即輸入層、隱層和輸出層均為1層。
3)確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目。隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:
式中:L2為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù);L1為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù);L3為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù);a為0~10的常數(shù)。
由輸入、輸出參數(shù)的數(shù)量可確定輸入層和輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為9與13。利用經(jīng)驗(yàn)公式確定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的取值范圍后,通過(guò)不斷的訓(xùn)練、對(duì)比和選擇,最終確定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為13。
通過(guò)GA優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值與閾值來(lái)建立GA-BP模型,可克服BP網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢和易陷入局部極值等缺點(diǎn),并發(fā)揮GA的全局搜索能力。其主要要素如下:
1)編碼。染色體的編碼采用實(shí)數(shù)編碼,根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可計(jì)算編碼長(zhǎng)度L:
根據(jù)式(8),可求得編碼長(zhǎng)度L=312。
2)設(shè)定初始種群。模型中,初始值的分布域定為[-1,1],在此范圍內(nèi)隨機(jī)生成初始種群。
3)適應(yīng)度評(píng)價(jià)。采用誤差平方和的倒數(shù)作為個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)
式中:Se為BP網(wǎng)絡(luò)的輸出值的誤差平方和;F n為個(gè)體的適應(yīng)度。
4)GA終止條件。GA的終止條件設(shè)定為達(dá)到最大迭代次數(shù),并規(guī)定最大迭代次數(shù)為200。滿(mǎn)足終止條件后,利用BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)GA找到的近似解進(jìn)行修正和調(diào)整,直至求得最優(yōu)解。
5)遺傳操作設(shè)計(jì)。
①選擇。采用比例法選擇種群中的個(gè)體:式中:Ps為個(gè)體n被選中并將其基因遺傳至下一代的概率;N為種群規(guī)模。
②交叉。采用兩點(diǎn)交叉法,隨機(jī)抽選兩個(gè)染色體作為父代進(jìn)行雜交,經(jīng)過(guò)基因片段的交換,產(chǎn)生新的染色體子代。
③變異。采用單點(diǎn)變異法,對(duì)原有的基因信息進(jìn)行單點(diǎn)隨機(jī)擾動(dòng),產(chǎn)生新的基因序列,并將其遺傳至下一代。
6)控制參數(shù)。對(duì)GA-BP模型進(jìn)行不斷調(diào)試,最終確定種群規(guī)模N=100、交叉概率Pc=0.7、變異概率Pm=0.1。
根據(jù)圖1所示的GA-BP模型結(jié)構(gòu)編寫(xiě)Matlab程序,并以17組爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)庫(kù),隨機(jī)抽取13組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,用其對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,訓(xùn)練后的適應(yīng)度曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可知,經(jīng)GA優(yōu)化的BP網(wǎng)絡(luò)迭代至200次時(shí),目標(biāo)函數(shù)已趨于收斂。
圖3 GA優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)的收斂曲線(xiàn)Fig.3 Convergence curve of BP network optimized by genetic algorithm
網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后,以剩余4組數(shù)據(jù)作為模型的預(yù)測(cè)樣本,通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)值的誤差來(lái)驗(yàn)證GA-BP模型的可靠性。同時(shí),也將GA-BP模型與BP網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析,用以驗(yàn)證GA-BP模型的優(yōu)越性。計(jì)算結(jié)果如表7~表8及圖4所示。
從表7中可以看出,在Cu、Cc和D的預(yù)測(cè)中,GA-BP模型和BP網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值大多與實(shí)際值較為接近,僅有個(gè)別樣本的預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差稍大;其中,GA-BP模型Cu、Cc、D預(yù)測(cè)值的平均相對(duì)誤差依次為5.918%、8.862%、2.867%。同時(shí),在這3個(gè)級(jí)配表征參數(shù)的預(yù)測(cè)中,GA-BP模型與BP網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果并不存在一直占優(yōu)的情況,二者的預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差均有著一定程度的波動(dòng)。這主要是因?yàn)閹r體爆破塊度受到多種因素的共同影響,存在著一定的隨機(jī)性,而且檢驗(yàn)樣本和預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型本身也不可避免地存在著一定誤差。
表7 預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差Tab.7 Prediction results and errors
同時(shí),如表8所示,對(duì)于Cu、Cc和D,GA-BP模型預(yù)測(cè)值的均方誤差、平均相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差均小于BP網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)結(jié)果。
表8 預(yù)測(cè)結(jié)果的各項(xiàng)指標(biāo)Tab.8 Indicators of predicted results
由圖4可知:在級(jí)配曲線(xiàn)的預(yù)測(cè)上,GA-BP模型與BP網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果均較為接近實(shí)際情況;但仍可看出,GA-BP模型預(yù)測(cè)的級(jí)配曲線(xiàn)變化趨勢(shì)與走向更接近實(shí)際曲線(xiàn)。
圖4 預(yù)測(cè)級(jí)配曲線(xiàn)與實(shí)際級(jí)配曲線(xiàn)對(duì)比Fig.4 Comparison of predicted grading curves and actual grading curves
綜上,在巖體爆破塊度預(yù)測(cè)中,GA-BP模型優(yōu)于BP網(wǎng)絡(luò)。此外,受爆破試驗(yàn)成本的影響,在實(shí)際工程中能夠搜集到的爆破試驗(yàn)參數(shù)與級(jí)配篩分參數(shù)
非常有限,訓(xùn)練樣本的數(shù)量較少也會(huì)影響模型最終的級(jí)配預(yù)測(cè)精度。在增加訓(xùn)練樣本后,個(gè)別樣本預(yù)測(cè)結(jié)果誤差偏大的現(xiàn)象會(huì)有所減少,模型預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)更為準(zhǔn)確。
1)以長(zhǎng)河壩工程的17組過(guò)渡料爆破試驗(yàn)為依據(jù),采用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析爆破塊度的影響因素。結(jié)果表明,在不同爆破條件下,影響爆破塊度的主要因素會(huì)有所差異。此外,根據(jù)分析結(jié)果,選取了爆破塊度預(yù)測(cè)模型的輸入、輸出參數(shù)。
2)采用GA優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)建立了GA-BP模型用于預(yù)測(cè)巖體爆破塊度。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc、分形維數(shù)D預(yù)測(cè)值的平均相對(duì)誤差依次為5.918%、8.862%、2.867%,預(yù)測(cè)級(jí)配曲線(xiàn)的線(xiàn)形以及走向均與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果較為接近。
3)對(duì)比GA-BP模型與BP網(wǎng)絡(luò)的Cu、Cc、D的預(yù)測(cè)結(jié)果,GA-BP模型預(yù)測(cè)值的均方誤差、平均相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差等參數(shù)均小于BP網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)值,表明GA-BP模型優(yōu)于BP網(wǎng)絡(luò)。
4)GA-BP模型可以達(dá)到較好的巖體爆破塊度預(yù)測(cè)效果,可為實(shí)際爆破工程提供一定參考。