呂德浩
(林口縣水電開發(fā)總公司,黑龍江 林口 157699)
水利工程具有混凝土方量大、地質(zhì)條件復雜、結構復雜等特點,安全穩(wěn)定性研究一直備受壩工界關注,進而促使理論研究、數(shù)據(jù)分析及安全監(jiān)測設備設施等方面的發(fā)展。
水利工程中反分析法根據(jù)不同量測信息分為應力反分析法、位移反分析法、應力與位移的混合反分析法[1]。其中,位移反分析法信息獲取較為容易,且精度高,應用最為廣泛。近年來,數(shù)值計算、軟計算等方面的研究和實際融合帶來不同的反分析法,軟計算方法中在不同行業(yè)領域的發(fā)展,當前已形成包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、小波理論等反分析手段,反分析計算收斂性大為提升,在水利工程中得到大量應用實踐。
反分析按性質(zhì)不同分為反演分析和反饋分析,如圖1示。反演分析是結合正分析計算結果,通過計算力學等學科理論反求結構體計算參數(shù),從而校準左右計算精度的影響因子[2]。
軟計算通過有限元、差分元等計算得到效應量樣本,建立算法訓練映射位移值與待反演未知量間的非線性關系,根據(jù)實測效應量值得到材料的反演參數(shù)值。反分析操作流程如圖2所示。
圖1 反分析示意圖
某高邊坡位于我國西南省份境內(nèi),根據(jù)邊坡體的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)情況,將邊坡體沿等高線不同高程進行劃分,設3區(qū)5監(jiān)測斷面構建邊坡體監(jiān)測網(wǎng)[3],1987年7月開始監(jiān)測邊坡變形量,至2008年有監(jiān)測測點共計25個,為青1-青11、青5-1、滑1-滑16(除滑2和滑10)。測點的具體分區(qū)及測點高程面坐標如表1所示。
圖2 反分析操作流程圖
表1 邊坡體變形測點坐標統(tǒng)計表
節(jié)選2001年1月至2001年6月的枯水期作為反分析時間區(qū)段,特征點選?、髤^(qū)的6個邊坡監(jiān)測點,反分析時段內(nèi)特征點豎直位移增量輸入網(wǎng)絡模型[4],輸出值為邊坡的待反演力學參數(shù)。
待反演的6個邊坡體力學參數(shù)的因素水平見表2,正交設計樣本的待反演力學參數(shù)樣本見表3[5]。
表2 因素水平表
表3 邊坡體力學參數(shù)的正交設計樣本
將邊坡體力學參數(shù)正交設計樣本輸入有限元分析模型中,可得Ⅲ區(qū)6個監(jiān)測特征點的位移值序列表,監(jiān)測特征點的位移值樣本見表4,特征點坐標及位移增量統(tǒng)計結果如表5所示,兩種不同模型的反演結果見表6。
表4 邊坡體特征點的計算位移值樣本
表5 特征點位置及實測位移增量
表6 兩種不同模型的反演效果對比表
為更好驗證初步訓練后的網(wǎng)絡性能,回歸分析仿真計算結果和目標輸出,計算得出兩者的相關系數(shù)。其中,若R∈(0.75,1],則相關性很強;若R∈(0.30,0.75],則相關性一般;若R∈(0,0.30],則相關性較弱。根據(jù)上表結果可得,GA-BP網(wǎng)絡在很強范圍區(qū)間內(nèi)的系數(shù)值大于BP模型,說明前者的預測精度更可靠。
一般采用后驗差法檢驗結果的準確性,將GA-BP模型反分析的參數(shù)輸入有限元模型進行豎向位移計算,得到下表7所示的位移,評價指標結果見表8。
表7 反分析參數(shù)代入模型所得位移量
表8 反分析結果評價指標
該等級的說明:
1)C值小,則S1小S2大,預測誤差離散性小。若原始數(shù)據(jù)離散性大,預測值離散性較小,則預測方法和結果是正確的的。
2)P值大,則誤差較小,精度高。
計算結果:后驗差比C為0.299,誤差概率P為0.833,符合評價指標的反分析合格標準,結果充分證明GA-BP模型的反分析結果更接近實際,其結果可直接用于穩(wěn)定評價。
基于高邊坡變位的統(tǒng)計監(jiān)測資料,結合反演分析的基本理論及實踐方法研究,對邊坡體的力學參數(shù)進行反演計算分析,得出BP模型和GA-BP模型的反演結果,通過后驗差擬合相關系數(shù)R檢驗分析二者的適用性,通過對比分析表明GA-BP網(wǎng)絡模型演算精度更高,同時驗證在高邊坡力學參數(shù)反演分析中該模型的適用性。