陸占杰

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務服務中心，遼寧 盤錦 124010)

河道堤防物理學參數(shù)是其治理工程穩(wěn)定設計的重要參數(shù)和依據(jù)，參數(shù)確定的精準度直接影響河道治理工程的穩(wěn)定性[1]。傳統(tǒng)河道堤防物理學參數(shù)主要通過現(xiàn)場試驗進行確定，這種方式的優(yōu)點在于可以真實有效地反映河道堤防的實際情況，但缺點在于很難對整個河段物理力學參數(shù)進行確定，且對于裂隙較大的河道堤防天然巖石而言，這種方式確定的堤防物理學參數(shù)具有較為明顯的誤差[2]。當前，結(jié)合原位現(xiàn)場觀測，通過力學反演模型對其河道堤防力學參數(shù)進行全面反演計算的方法在國內(nèi)許多河道治理工程設計中得到應用[3- 9]，這種方法可實現(xiàn)河道整個治理段力學參數(shù)的全要素反演，通過設定反演模型參數(shù)，對其進行反演，并結(jié)合現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，對模型反演精度進行分析，從而確定合理的模型力學參數(shù)反演區(qū)間。但該方式的缺點在于很難實現(xiàn)河道力學參數(shù)的反演目標優(yōu)化，需要進行大量的試錯計算，才能得到較為合理的河道力學參數(shù)反演區(qū)間。為提高河道堤防力學參數(shù)的反演精度，本文結(jié)合目前在目標優(yōu)化求解應用較好的自適應函數(shù)[10- 15]，對傳統(tǒng)反演模型進行目標函數(shù)的優(yōu)化求解，從而對模型進行改進，考慮改進后模型的反演精度，以盤錦地區(qū)某河道治理工程為實例，結(jié)合現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，對比分析改進前后反演模型的精度。研究成果對于河道堤防治理工程設計具有重要參考價值。

1 模型反演及改進原理

模型的反演原理在于通過現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，建立樣本數(shù)據(jù)系列，結(jié)合小波分析原理對樣本序列進行訓練結(jié)合，并將訓練后的樣本數(shù)據(jù)系列，最大程度地與目標函數(shù)進行擬合，對于河道堤防物理學參數(shù)而言，其地質(zhì)參數(shù)是主要的物理訓練樣本，而其目標函數(shù)主要為壩頂下沉和位移量，其樣本訓練方程為：

(1)

式中，τ、α—縱向、橫向變量狀態(tài)值；t—時段步長。采用小波變換函數(shù)對方程進行變換求解：

Ψ(t)=cos(1.75t)e(-t2/2)

(2)

模型控制節(jié)點計算方程為：

(3)

式中，φ(j)—各控制節(jié)點的函數(shù)值；aj—反演模型函數(shù)初始狀態(tài)值；i—控制節(jié)點單元個數(shù)；wij—不同權(quán)重變量值；τj—控制節(jié)點計算步長。模型目標函數(shù)為：

(4)

式中，k—反演的目標參數(shù)的數(shù)目。

本文引入自適應函數(shù)對反演模型目標函數(shù)進行優(yōu)化求解，其函數(shù)優(yōu)化方程為：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，E—采用自適應函數(shù)后的優(yōu)化目標函數(shù)值。

2 實例應用

2.1 堤防工程概況

以盤錦地區(qū)某河道治理工程為具體實例，探討改進前后模型在河道堤防力學參數(shù)的反演精度，該治理河道堤防全長及寬度分別為5.5km和35m，河道底部高程在2.5～3.5m之間。堤頂高程現(xiàn)狀條件下為11.5m，迎水面堤防坡比約為1∶2.5，堤防地層主要以混合巖和大理巖為主，局部為安山巖及松散堆積層組成。結(jié)合現(xiàn)場觀測試驗對河道堤防位移和沉降進行觀測，其對應位移和沉降點力學參數(shù)測定值見表1。

表1 各點位位移及沉降對應的力學參數(shù)

2.2 模型反演參數(shù)及取值范圍的確定

結(jié)合原位觀測試驗對模型參數(shù)取值范圍進行分析，各力學參數(shù)反演區(qū)間見表2。

表2 河道堤防力學反演參數(shù)取值區(qū)間

采用原位現(xiàn)場觀測試驗方式，對各監(jiān)測點位位移和沉降下的彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及側(cè)壓力系數(shù)進行分析，從分析結(jié)果可看出，不同取值水平下彈性模量總體呈現(xiàn)遞增變化，變化最高彈性模量為3.3GPa，沉降和位移最低點位其彈性模量為1.1GPa。各監(jiān)測點位的泊松比在0.1～1.0之間，高監(jiān)測點位可達到泊松比的最高值。內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角對于河道堤防穩(wěn)定性至關(guān)重要，從各取值水平可看出，其內(nèi)聚力變幅總體較低，而內(nèi)摩擦角變幅較高。側(cè)壓力系數(shù)在各取值水平下總體變化較為穩(wěn)定。

2.3 不同模型參數(shù)計算方案反演精度分析

采用自適應函數(shù)對模型目標函數(shù)進行優(yōu)化后，采用正交試驗方式對模型參數(shù)進行優(yōu)化，各組優(yōu)化試驗結(jié)果見表3。

表3 正交試驗下不同組序下模型反演精度

通過正交試驗對不同試驗組序下的參數(shù)反演精度可看出，隨著試驗訓練組序的增加，模型反演計算的堤防沉降和邊波位移總體呈現(xiàn)遞減變化，這主要是因為引入自適應函數(shù)對模型目標進行優(yōu)化求解后，隨著訓練樣本系列的增加，其逐步趨于最優(yōu)目標求解值。在初始樣本訓練組序下，模型對于河道堤防力學參數(shù)反演誤差較大，而隨著訓練樣本組序的增加，模型優(yōu)化求解收斂度逐步增加，模型誤差分布降低，當訓練試驗組序達到最高值時，其模型目標函數(shù)具有最優(yōu)解。

2.4 改進前后模型反演精度對比

結(jié)合5組現(xiàn)場觀測位移和沉降數(shù)據(jù)，分別采用改進前后模型對研究河道堤防的參數(shù)進行反演計算，確定反演參數(shù)值，并將參數(shù)代入到反演模型，對目標函數(shù)進行求解計算，對比5組觀測試驗下的反演精度，模型參數(shù)值見表4，改進前后模型反演精度如見表5—6。

表4 不同試驗組序下模型參數(shù)值

表5 改進模型目標函數(shù)反演精度

在各組監(jiān)測點位觀測數(shù)據(jù)可看出，改進模型后在各組反演參數(shù)下其沉降值和邊坡位移和觀測點之間的邊坡位移和沉降之間誤差總體可控制在20%以內(nèi)，具有較好擬合度，通過各組訓練樣本分析其擬合度可達到0.5以上，通過對反演模型的目標函數(shù)進行優(yōu)化求解后，加速和優(yōu)化了模型的收斂精度，從而改善模型求解的精度。改進前反演模型在河段堤防各點位目標求解值和現(xiàn)場點位觀測之間的誤差都明顯高于改進后的反演模型，且部分點位誤差值高于30%。通過以上分析采用改進后的模型，由于引入自適應函數(shù)對目標進行優(yōu)化求解，總體好于改進后模型。

表6 改進前模型目標函數(shù)反演精度

3 結(jié)論

(1)在采用自適應函數(shù)進行目標優(yōu)化求解時，需要確定河道堤防力學反演參數(shù)的取值區(qū)間，一般建議以原位觀測試驗時河道堤防最高和最低觀測點位的試驗參數(shù)作為其取值區(qū)間。

(2)在進行模型樣本訓練時，隨著訓練組數(shù)的增加其目標擬合度將逐步提高，一般建議在進行河道堤防力學參數(shù)反演模型構(gòu)建時，試驗組數(shù)不低于20組，從而可提高參數(shù)反演模型的收斂度；

(3)本次試驗的河段屬于中小型河道，且地質(zhì)類型相對較為簡單，對于地質(zhì)較為復雜的大型河道改進模型的適用性還需要進一步探討。