原标题：基于 D － S 证据理论融合采空区多源信息的大坝宁静评价摘 要:为联合周边采空区性状对大坝举行宁静评价，构建了基于 D － S 证据理论融合多源信息的宁静性评价模型。联合现场勘查、物理力学试验、数值盘算、实地丈量以及监测效果，获取多种定性及 定量指标，组成多源证据指标体系。通过欧氏距离法加权优化传统 D － S 证据理论，确定各证据指标 所属评价品级的质量分配函数，接纳多比例两两对比法与熵值法确定各证据指标的权重从而融合多源 信息。
应用此评价主法以周边存在采空区的某均质土坝为例举行宁静评价，效果显示，定性指标中地 质结构与覆岩岩性所占权重较大; 定量指标中水位的影响最大到达0. 446 1，其次是大坝沉降为 0. 221 3。而影响因素重要性分析讲明，观察信息的效果最能体现大坝运行形态，所占比重为 0. 498 1。综合评判效果显示大坝处于“较不宁静”的信任值最大，效果与宁静判定 “三类坝”结论一致，验证 了多源证据指标体系评价方法的可行性和有效性。
关键词:采空区; D － S 证据理论; 多源信息融合; 大坝宁静评价；作者简介：王燕(1989—),女,博士研究生,主要从事地层学研究。E-mail:cugbwyan@cugb.edu.cn;马福恒(1969—), 男,教授级高级工程师,博士,研究偏向为大坝宁静评价及宁静监控。
E-mail:fhma@nhri.cn;基金：国家自然科学基金项目(51779155,51879169);引用：王燕，叶伟，马福恒 . 基于 D － S 证据理论融合采空区多源信息的大坝宁静评价［ J］ . 水利水电技术，2020，51( 4) : 175-183.WANG Yan，YE Wei，MA Fuheng. D-S evidence theory-based dam safety assessment fused with multisource information of goaf area［ J］ . Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 4) : 175-183.0 引 言常用的全面法、房柱法、留矿法等空场采矿法使得地下矿山遗留大量采空区。煤层采出以后,覆岩受采空区的影 响会自下而上发生垮落、弯曲等破坏,当采空区扩展规模到达一定水平时,地表将发生多种形式的移动变形破坏。凭据 《修建物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(煤得管字[1000]第81号)要求 ,在近水体采煤时,受影 响的采区和矿井涌水量不凌驾其排水能力、不影响正常生产,在库区周边采煤时不仅要思量地表水体下开采的宁静性, 同时要思量采后对水库大坝的影响,分析地表受采动影响水平,防止大坝区突然下沉或变形量过大,造成溃坝。因此,对 于采煤区周边的水库大坝宁静性评价不仅需分析大坝自身的宁静性,还需分析采空区的稳定性。
现在海内外就采空区稳定性分析提出了种种定性、定量的分析评价方法,主要分以下3类 :(1)基于岩 体力学理论的分析,包罗剖析法以及数值模拟;(2)基于监测信息的稳定性评价,通常思量位移及变形信息;(3)基于非线性 科学理论的评价方法,如模糊数学法、灰色理论法、神经网络法等。这些方法一般能从差别侧面评价采空区的稳定性, 但综合思量时可能会得出相互矛盾的结论。采空区是一个受多种因素配合作用的庞大系统,这些因素具有多源性、模 糊性和不确定性,因此对采空区作出合理评价需要融合从差别侧面分析采空区性态的多源信息。此外,思量水库大坝的 宁静性,又使得评价信息泉源更为庞大。
就现在已有研究可以看到,对于大坝宁静评价所接纳的方法也有许多,包罗人工神经网络、模糊条理分析、AHP-云 模型等。如:苏怀智等 运用模糊可拓方法对大坝事情性态举行了评估;王泉等 运用模糊可拓方法对大型涵洞的宁静 性态举行定量评估;伍元 运用熵理论对大坝的宁静性态举行了评估;刘天祥等 建设了AFSA-AHP模型并联合工程 实例对某大坝的宁静性态举行了评价;龚艳冰 运用正态云模型理论对河西走廊都会举行了风险评价,取得了较好的 效果;胡石元等 接纳云模型理论对土地评价因素的权重举行了挖掘。
虽然上述方法在一定水平上均取得了满足的结 果,但缺少思量大坝宁静评价中评价指标的多源性。多源信息特征提取和融合的意义在于其当前所能解决的问题和未来生长的前景两个层面。现在,工程人员能够通 过勘探及检测手段对工程的差别属性举行细致地视察以及对相关信息举行有效地收集,但获取的单源信息在数量和类 别两方面都存在显着的局限性和偏向性。
多源信息特征提取和融合可以充实使用种种工程手段对视察工具所获得感知 信息,淘汰单源信息处置惩罚历程中的不确定性、不完整性和不全面性等问题的发生,从技术层面上提高了信息的使用效率 和分析的准确水平,为进一步分析和处置惩罚提供物质基础。多源信息特征提取和融合不是简朴地累加信息,而是在己有的 信息基础上缔造出更具应用价值的新信息,这一历程不仅可以应用于同类多源信息之间,而且还能应用于异类多源信息 之间,多源信息互补性方面的意义更为显著。
现有研究结果中,D-S证据理论能够通过多个证据的融合来增强置信度 ,改善评判品级的可区分性,对于那些品级难以确定或水平相近的评估来说效果较好。此外,D-S证据理论也是 实现多源信息融合的一种方法,它可以将多个不确定信息的证据合成,清除和整合矛盾信息,最终给出被观察工具的性质 的判断。然而在对研究工具举行证据融适时发现,对于同类与差别类工具的数据,现在研究未接纳差别的融合措施 ,且对加权融合方法缺少轻便的定权重分析 ,因此本文思量通过变异系数联系同种项数据,再接纳欧氏距离确 定权重的革新加权融正当对监测数据举行处置惩罚,充实发挥D-S证据理论的优势,融合水库大坝及采空区两种差别结构体 中的多源信息,举行大坝宁静评价,以降低采空区周边大坝宁静性评价结论的不确定性,增加大坝宁静性评价结论的可靠 性。1 加权D-S证据理论证据理论建设了命题和荟萃间的意义对应关系,通过引入信任函数解释不确定度,用D-S合陋习则更新信任函数。
在评价历程中首先由专家凭据系统工程理论与条理分析法来确定评价因素,从而建设隶属函数;然后凭据隶属函数来确 定各因素的基本概率分配函数(或基本概率赋值),通过D-S准则合成为总的概率分配(或概率赋值),从而确定评价品级。1.1 评价因素集的选取采空区大坝的宁静是若干个因素相互耦合的效果,影响因素众多,仅凭单一信息或分析数据获得评价结论准确度一 般较低。综合思量多源信息融合理论技术要求,以及工程实践中获取指标信息的可行性,本文将现场工程地质观察、室 内岩石力学实验、数值模拟试验、大坝现场丈量等多种方法获取的共11种定量、定性物理量视为影响采空区稳定性评 价的多源信息因素,组成采空区大坝宁静评价的证据指标体系(见图1)。
其中,思量采空区的宁静性,需要分析当地整体 地质条件以及采空区上覆岩体的性状,而大坝的宁静主要参考数据泉源于数值盘算效果以及观察资料分析。图1 采空区大坝宁静评价指标体系 凭据《水电站大坝宁静检查实施细则》(1988能源电[1988]37号),依据监测信息的取值规模和特点,将大坝宁静的 模糊评价集分为四级,即为V={V1 ,V2 ,V 3,V 4}={宁静,较宁静,较不宁静,不宁静} (1)式中,V代表了某一层指标的宁静评价状态,则V表现该指标决议状态的识别框架。
为了建设宁静评价集与评价指标之间的联系,接纳隶属度区间表现。由于对品级的划分现在还没有统一的尺度,在 系统工程中一般接纳的为等区间划分法。因此对于大坝宁静分析的品级同样接纳等区间划分法,分级尺度如表1所列。表1 评价值分级尺度1.2 基本概率赋值的盘算运用D-S证据理论举行信息融合,需要给出信息的可信度,即需要对相关指标信息举行基本概率赋值,由隶属函数获 得基本概率质量分配函数。
由于后期数据分区的需要,为便于简化运算,选取三角形模糊数,其隶属函数为在实数域上一个区间取值可以用a±b的形式来表现,如区间(0,1)可以表现为0.5±0.5,三角形模糊数的三元组表现形 式为(0,0.5,1)。将该隶属函数运用于式(1)的识别框架,将隶属度作为监测指标的基本概率赋值,即式中,u为原始数据经尺度化之后的值;m(V)表现各指标的对应评级的基本概率赋值。丈量值越靠近某目的属性特性的中心值,则该目的的BPA越大。
令 m( V) = 1 － max （j =1， 2， 3）m( Vj) 作为不确定基本概率赋值。1. 3 基本概率赋值的融合 尺度 D － S 融合规则如下该融合规则的融合效果鲁棒性差,即基本概率赋值发生微小变化对融合效果会有较大的影响。此外该方法中当有 一个概率赋值为零,那么不管合成几多次,该焦元对应的概率赋值永远为零,即存在“一票否决”的现象。一票否决是指当 一条证据与多条证据完全纷歧致时泛起一票否决的效果,当某一指标与其他指标存在协调控制的效果时此现象的泛起 显着不合理,例如在举行采空区多源信息融适时,对于笼罩层岩体裂隙发育高度大但覆岩岩性很好同时上覆土层较厚,此 时裂隙对库区渗漏的影响较小,不能因为裂隙发育较高就判断覆岩信息赋值低。
本文接纳的一种革新加权证据融合方 法,能协调指标之间的控制相互关系,联合欧氏距离引出权数。将差别的指标看做是空间差别的点,m(A )=a ,m(A )=a ,…,m(A )=a ,m(B )=b ,m(B )=b ,…,m(B )=b ,转变 为相应的向量形式为x=(a ,a ,…,a ),y=(b ,b ,…,b ),此时可盘算出欧氏距离,并把该欧氏距离界说为两证据之间的距 离,有由于得出的权重分配到各个基本概率赋值后会使得其和值不为一,即这显然是不合理的,因此还需要对得出的权重举行归一化处置惩罚。
2 采空区大坝多源信息融合2.1 定量指标的尺度化处置惩罚量级巨细和量纲一般差别使得原始定量指标数据间不能直接比力,为制止差别效应量数据量纲差异带来的影响,须 对原始定量指标数据举行无量纲化处置惩罚。各定量指标项目的准化处置惩罚如下:(1)对于大坝沉降量、坝体渗流及覆岩破坏高度等越小越好的指标,其数据的尺度化公式为式中,x ,x 划分为某一项指标的最大和最小值;x为第j个监测数据;x′为尺度化的值。
(2)对于上下游偏向位移以适中为宜的评价指标,其数据的尺度化公式为式中,x (i,0)为第i项在研究时间段前的一个原始测值;Δx(i,j)为研究时间段内第i项的第j个值相对于x (i,0)的变化 值。(3)对于越大越好的评价指标,其证据评价的尺度公式为2.2 定量指标的归一化对于某评价指标，其监控模型或理论分析拟 合值为 ) y，实测值为 y，剩余尺度差为 S，又概率 论的知识可知， y － ) y 落入( 0，2S) 的概率为 95. 5%。因此可将 y － ) y ≤2S 作为宁静区。
归一 化公式如下式中, 为t时刻的模型盘算或理论分析值;y 为t时刻实测值。2.3 定量指标变异系数法赋权对于同一评价项目含有较多子评价项的数据,同类数据间可接纳变异系数法算出相应的权重举行赋权,赋权方法如下:以上下游偏向位移为例,设监测部署了m个测点,每个测点有n个测值,则第i个测点的变异系数为式中,D为第i个定量评价指标的均方差; 为第i个评价指标的均值。
由各点的变异系数可得出各定量指标的权重2.4 组合权重为了尽可能越发客观真实地反映各证据源的重要水平,可接纳客观熵值法确定各证据源的权重,接纳多比例两两对 比法确定指标权重设w表现证据源S与其他证据源相比的重要水平,即权重,w=(w ,w ,w ,…,w )使用熵值法确定权重凭据对采空区稳定性影响水平赋予0～1之间的值,且两证据所赋值之和为1,对组成的判断矩阵[a ],使用多比例两 两对比法求取权重如下2.5 多源信息融合为防止一票否决问题的发生,首先凭据证据源权重对质量函数举行修正,修正公式为使用式(4)融合规则对m(V)迭代N-1次(N为证据源个数),得出评判工具隶属于V的基本可信度,融合的盘算模型如下3 工程应用3.1 工程概况某大坝为均质土坝,现状坝顶高程186.00 m,最大坝高11.7 m,坝顶宽8 m,坝长107 m,无防浪墙。溢洪道为宽顶堰, 堰顶高程181.40 m,最大泄量213.8 m /s,大坝无放空设施。2012年举行了除险加固,除险加固的内容主要包罗大坝工 程、溢洪道工程和其他工程等。加固后水库运行状况良好,可是随着水下采煤的举行,水库开始干枯。
2017年7月5日, 现场检查中发现水库大坝坝顶路面泛起长约30 m、宽约2～3 cm的纵向裂痕,之后陆续生长。凭据检查专家组意见,坝 顶裂痕挤压隆起现象的直接原因是水下采煤所致,采掘面如图2所示。3.2 识别框架与多源证据指标信息简直定凭据图1提出的采空区大坝宁静评价证据指标体系,针对该水库大坝的实际工程情况,建设了采空区大坝宁静性识 别框架的品级尺度(见表1)。
联合工程地质勘探、室内岩石力学试验、数值模拟盘算和现场丈量及监测效果获得了评 判某大坝宁静性的证据指标数据信息如表2所列,表中定量指标(覆岩破坏高度、渗流、位移、水位)凭据现场丈量、参 数拟合及数值、理论盘算确定,定性指标凭据现场实际情况及勘查效果对应分级尺度确定。图2 水下采煤采掘面部署情况 表1 采空区大坝宁静性定性评价指标分级尺度 单一评价指标对评价效果的影响可以简朴归纳综合为:笼罩土层越厚评价效果越好、地层岩性越坚硬评价效果越好、 地下水位越低评价效果越好、笼罩岩层越完整评价效果越好、笼罩层破坏厚度越小评价效果越好;沉降、位移、水位 统一以单一偏向思量;沉降变化数据属于数值越小越好;位移数据以正负表现上下游偏向,效果越趋于零越好;水位数据 受降雨及上游来水影响,可选相同天气情况下的数据举行对比盘算。
作为单一评判指标时可按上述关系举行分析,但在 多源信息融合历程中指标之间也会相互影响,例如笼罩土层较薄,但岩性较坚硬,相应的评价效果也会偏好。凭据现场勘查及绘制的煤层底板标高与基岩面高度示意图可得出:①在水库规模内,地表松散层厚度普遍较薄,从水 库的浅水部至深水部,表土层厚度有增加趋势。②从浅水部到深水部,基岩厚度逐渐增加,这有利于水体下宁静开采。同 时基岩内的隔水层总体上也增厚,加大了阻隔水库水下渗的能力。
③顶板隔水层从浅部向深部逐渐增厚,但厚度总体较 薄,处于导水裂痕带以内,基本不具有隔水性。④煤层顶板含水层厚度有渐增趋势,而以水库正下方总体较厚,顶板该含 水层含水量弱,对矿井宁静生产影响不大。⑤上覆岩体多为泥岩、砂质泥岩互层,隔水性较好。
覆岩岩性属软弱偏中硬 型,覆岩岩性组成中,软岩占的比重较大,有利于阻隔水库水体向下渗漏。顶板含水层水量较小,对事情面的正常生产影 响不大。定性指标赋值及质量分配函数如表2所列。
凭据导水裂痕带高度盘算公式盘算覆岩破坏高度,凭据现场差别区 域多个勘查点资料对比盘算值运用式(2)—式(3)确定覆岩破坏高度指标赋值及质量分配函数如表4所列。表2 地质条件定性指标赋值及质量分配函数 表3 导水裂痕带高度盘算公式 表4 覆岩破坏高度质量分配函数 凭据室内试验及数值盘算得出大坝变形及渗流情况如图3和图4所示。凭据现场实际丈量沉降、观察位移数据(垂直坝轴线偏向)、渗流数据(测压管水位信息),联合数值盘算效果确定沉 降及位移的质量分配函数,由于各指标因子实测及观察参数选取多个断面,需在组内举行权重确定,效果见表6—表8。需 要说明的是,本文丈量的沉降是凭据很实际情况,选取典型断面,丈量效果参照上一次丈量值对比判断沉降量,即相对沉 降量,数值能反映出不匀称沉降。
以位移为例归一化历程如下:图3 31111采掘面采掘竣事后最大断面位置 沉降及位移漫衍云图(单元:m) 图4 31111采掘面采掘竣事后坝体最大断面 位置孔压漫衍云图(单元:kPa) 表5 位移数据归一化盘算历程 表6 沉降质量分配函数 表7 位移质量分配函数 表8 渗流质量分配函数 运用式(14)～式(17)盘算各指标及影响因素权重如表9所列。通过权重对质据源的修正,划分对指标因子、影响因素举行融合,求出的各品级的信任函数如表10所列。由表10可知,大坝宁静水平隶属V 品级的信任函数值远比其他品级的信任函数值高,凭据最大隶属度原则,宁静性评 价结论与大坝宁静评价判定为“三类坝”的效果相吻合,证实本文方法科学有效。表9 各指标及影响因素权重 表10 各品级信任函数 4 结 论本文将采空区大坝的宁静性评价看作为不确定多源信息的融合问题,综合思量大坝及周边采空区相关影响因素,获 取实地勘探、数值模拟试验、现场丈量与监测等种种定量、定性数据,举行基于D-S证据理论多源信息融合技术的采空 区大坝宁静性评价,效果讲明:(1)地质条件影响因素中地质结构、覆岩信息中笼罩层破坏厚度、观察信息中沉降数据对工程影响较大。
(2)地质条件、覆岩信息与观察信息三个影响因素中,因为观察信息直接反映大坝的工程性态,其所占权重最大。(3)大坝的宁静性评价结论与工程现状及宁静判定效果完全吻合,从而验证了本文提出方法的可行性和有效性。本文中所提取的指标均为实际工程中思量直接涉及的,但多源信息的融合还应包罗影响指标取值的相关次要指标, 这将是本文所提方法日后革新的重点。
水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文焦点期刊，面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护，以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主，同时也报道外洋的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
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