一种基于大数据的岩溶隧道突水风险识别方法与流程

1.本发明涉及地质风险监测领域，具体涉及一种基于大数据的岩溶隧道突水风险识别方法。


背景技术：

2.在我国工程建设当中，由于受到地形条件的影响，高速公路、铁路线路经常采用隧道方案穿越山岭，大型水电站也常常出现长大引水隧洞和交通辅助洞，大量的“长大深埋”隧道成为山区工程建设的控制性工程。然而隧道需要穿透山体、河流等复杂地质条件，因此在施工过程中常常会遇到各种未能预料的地质灾害，尤其是岩溶地质灾害。岩溶地质灾害的发生对人员和机械的安全构成了极大威胁，并造成极大的经济损失。因此在隧道施工过程中需要在施工监测的基础上，对后续施工岩溶地质灾害风险进行评估，并对开挖掌子面前方不良工程地质进行超前预报，准确掌握掌子面前方的地质情况，使隧道岩溶地质灾害风险最小化、可控化，减少隧道建设的经济损失，避免人员伤亡，将对隧道施工安全的保障有着极大的作用，对于隧道施工技术的发展具有十分重要的意义。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于大数据的岩溶隧道突水风险识别方法。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种基于大数据的岩溶隧道突水风险识别方法，包括如下步骤：
6.s1、获取既有突水事故报告中突水预兆数据和地质构造数据；
7.s2、根据地质构造数据对同一地段岩溶隧道构建多个相同的底层初始三维模型，并对不同地段的岩溶隧道的底层初始三维模型加权突水预兆数据，得到不同地段岩溶隧道的二级地质模型；
8.s3、对所述二级地质模型网格化，根据不同突水预兆数据计算不同网格点内突水危害性评分并根据评分进行并对所有二级地质模型进行突水危害性排序；
9.s4、根据排序由高到低建立隧道突水风险预测图，根据所建立的预测图进行施工监测。
10.进一步的，所述s1中突水预兆数据一级预兆数据、二级预兆数据和三级预兆数据，其中，
11.所述一级预兆数据包括隧道内土层湿度、松软度、滴水率、温度和硫化氢浓度；
12.所述二级预兆数据包括工作面压力指数、底板凹凸度、底垫量厚度和土层裂度；
13.所述三级预兆数据包括水流含砂率、局部冒顶率、顶板溃水和溃砂率。
14.进一步的，所述s1中地质构造数据包括岩溶类型、地质层位数据和地质断层数据。
15.进一步的，所述s1中底层初始三维模型构建方式为：
16.s11、根据地质层位数据进行构造面建模，得到断块地质模型；
17.s12、根据地质断层数据进行断层建模，得到断层模型；
18.s13、根据断块地质模型和断层模型分析断层和层面交接关系，生成层面和断层的交线；
19.s14、将满足预设条件的层面和断线作为约束条件，对断块地质模型进行重建，更新的断块地质模型得到底层初始三维模型。
20.进一步的，所述s2中对不同地段的岩溶隧道的底层初始三维模型加权突水预兆数据，得到不同地段岩溶隧道的二级地质模型的具体方式为：
21.s21、将任意一种突水预兆数据添加至任意一个底层初始三维模型的断层模型中；
22.s22、根据所添加的预兆数据对构造面模型进行矫正，根据校正后的层位数据采用高斯差值进行构造面建模，得到加权突水预兆数据后的断块地质模型；
23.s23、将s02得到的加权突水预兆数据后的断块地质模型与断层模型融合，得到二级地质模型。
24.进一步的，所述s3具体包括：
25.s31、将所述二级地质模型按照15m*15m*10m规格进行网格化并编号，对每个网格单元的中按照突水数据等级依次进行赋值，其中，一级突水预兆数据、二级突水预兆数据、三级突水预兆数据所赋值大小依次升高，每一级突水预兆数据中赋值相同；
26.s32、利用真值算法计算每个网格单元的三维地质模型可靠度；
27.s33、根据各网格单元的三维地质模型可靠度计算每个网格单元的突水危害性评分；
28.s34、对不同地段的岩溶隧道的二级地质模型按照分数由高到低进行排序。
29.进一步的，所述s32中可靠度计算方式为：
30.s321、将各网格单元的三维地质模型输入到lca算法中，利用lca算法构建源参数模型，并初始化原始置信度；
31.s322、利用em算法求解每个网格单元的三维地质模型的隐藏变量的置信度，其中，隐藏变量为天气指数及人为破坏指数；
32.s323、对源参数模型中的所有隐藏变量的置信度进行与原始置信度进行差值运算，若差值小于设定阈值则定义该网格内的置信度与原始置信度相同，若差值大于等于设定阈值则定义该网格内的置信度为隐藏变量的置信度。
33.进一步的，所述s33中突水危害性评分的计算方式为：
[0034][0035]
其中，δi为第i个网格中添加的突水预兆数据权重，xi为第i个网格的赋值，μi为第i个网格的置信度，n为同一个二级网格数量中的网格数量，m为二级地质模型的数量，p
l
为第l个二级地质模型区域大小权重。
[0036]
进一步的，所述s4中具体包括：
[0037]
s41、根据突水危害性评分由高到低对不同区段的二级地质模型进行排序；
[0038]
s42、设定危害等级，按照每20％为一个等级由上至下对所有区段发生突水风险的概率进行分级，对排名前2个等级的区段进行全天候监控评估，同时对排名后3个等级区段
进行分时段监控评估。
[0039]
本发明具有以下有益效果：
[0040]
通过大数据分析获取既有突水事故中的相关数据，有利于灾害预测中各种类型数据间的完整性，同时利用随机的指标因素进行风险等级划分，一定程度上解决单一因素评判带来的评判结果准确性低的缺点，使得模型在多因素作用下突水风险预测更具有实用性，保障安全的同时能够提高人为干预的效率。
附图说明
[0041]
图1为本发明基于大数据的岩溶隧道突水风险识别方法流程示意图。
具体实施方式
[0042]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0043]
一种基于大数据的岩溶隧道突水风险识别方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0044]
s1、获取既有突水事故报告中突水预兆数据和地质构造数据；
[0045]
突水预兆数据分为一般预兆、工作面底板灰岩含水层突水预兆和松散孔隙含水层水突水预兆，其中
[0046]
一般预兆为：
[0047]
(1)土层或岩层变潮湿、松软；土层或岩帮出现滴水、淋水现象，且淋水由小变大；有时土层或岩帮出现铁锈色水迹
[6]
。
[0048]
(2)工作面气温降低，或出现雾气或硫化氢气味(即臭鸡蛋味)。
[0049]
(3)有时可闻到水的“嘶嘶”声。
[0050]
(4)矿压增大，发生片帮、冒顶及底肢。
[0051]
工作面底板灰岩含水层突水预兆为
[0052]
(1)工作面压力增大，底板股起，底殿量有时可达500mm以上。
[0053]
(2)工作面底板产生裂隙，并逐渐增大。
[0054]
(3)沿裂隙或土层或岩帮向外渗水，随着裂隙的增大，水量增加，当底板渗水量增大到一定程度时，土层或岩帮渗水可能停止，此时水色时清时浊：底板活动时水变浑浊，底板稳定时水色变清。
[0055]
(4)底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并伴有"嘶嘶"声或刺耳水声。(5)底板发生"底爆"，伴有巨响，地下水大量涌出，水色呈乳白或黄色。
[0056]
松散孔隙含水层水突水预兆为
[0057]
(1)突水部位发潮、滴水、且滴水现象逐渐增大，仔细观察发现水中含有少量细砂。
[0058]
(2)发生局部冒顶，水量突增并出现流沙，流沙常呈间歇性，水色时清时浊，总的趋势是水量、沙量增加，直至流沙大量涌出。
[0059]
(3)顶板发生溃水、溃沙，这种现象可能影响到地表，致使地表出现塌陷坑。
[0060]
在本实施例里，根据上述标准将突水预兆划分为三个等级并分别选择其中的数据
进行整理，具体而言，
[0061]
所述一级预兆数据包括隧道内土层湿度、松软度、滴水率、温度和硫化氢浓度；
[0062]
所述二级预兆数据包括工作面压力指数、底板凹凸度、底垫量厚度和土层裂度；
[0063]
所述三级预兆数据包括水流含砂率、局部冒顶率、顶板溃水和溃砂率。
[0064]
而地质数据分为若干种，本实施例中选取岩溶类型、地质层位数据和地质断层数据作为计算指标构建底层初始三维模型。
[0065]
具体方式为：
[0066]
s11、根据地质层位数据进行构造面建模，得到断块地质模型；
[0067]
本实施例里根据断层数据，采用散点建模方式或断楞建模万式进行断层建模，得到断层模型。
[0068]
在上述实施例中，采用散点建模方式进行断层建模时，将断层数据作为断面散点数据加载进专业的建模软件petrel或model，进行畸点矫正，提高了断层模型的精度。根据研究需要，可以选择合理的建模差值方法，如克里金、高斯等建模，构建断面模型。基于此，本实施例中采用如下方式
[0069]
s12、根据地质断层数据进行断层建模，得到断层模型；
[0070]
s13、根据断块地质模型和断层模型分析断层和层面交接关系，生成层面和断层的交线；
[0071]
s14、将满足预设条件的层面和断线作为约束条件，对断块地质模型进行重建，更新的断块地质模型得到底层初始三维模型。
[0072]
将满足预设条件的层面和断层的交线作为约束条件，对断块地质模型进行重建，在重构时，同样将断块地质模型加载进专业建模软件，如petrel，采用克里金、高斯贯通等差值方法重新进行构造面建模，重建后，层面和断层的交线即为断面被断层多断穿的部位以及断距影响的范围边界。而经过调整后，在断面上将显示出真实更加符合地质情况的边界和断距影响范围，提高了断块地质模型的精度和准确度。
[0073]
s2、根据地质构造数据对同一地段岩溶隧道构建多个相同的底层初始三维模型，并对不同地段的岩溶隧道的底层初始三维模型加权突水预兆数据，得到不同地段岩溶隧道的二级地质模型；
[0074]
具体而言，
[0075]
s21、将任意一种突水预兆数据添加至任意一个底层初始三维模型的断层模型中；
[0076]
s22、根据所添加的预兆数据对构造面模型进行矫正，根据校正后的层位数据采用高斯差值进行构造面建模，得到加权突水预兆数据后的断块地质模型；
[0077]
s23、将s02得到的加权突水预兆数据后的断块地质模型与断层模型融合，得到二级地质模型。
[0078]
s3、对所述二级地质模型网格化，根据不同突水预兆数据计算不同网格点内突水危害性评分并根据评分进行并对所有二级地质模型进行突水危害性排序；
[0079]
具体而言，
[0080]
s31、将所述二级地质模型按照15m*15m*10m规格进行网格化并编号，对每个网格单元的中按照突水数据等级依次进行赋值，其中，一级突水预兆数据、二级突水预兆数据、三级突水预兆数据所赋值大小依次升高，每一级突水预兆数据中赋值相同；
[0081]
根据不同网格的地质状况，判断二级地质模型的类型，若二级地址模型为三维结构模型为三维结构模型，则将地层类型作为所述网格化的三维结构模型中的各个网格单元的属性值为每一所述网格化的三维结构模型中的每一网格单元赋值，若所述三维地质模型为属性模型，则直接从所述属性模型中获取相应网格单元的属性值为每一网格单元赋值。
[0082]
s32、利用真值算法计算每个网格单元的三维地质模型可靠度；
[0083]
具体而言包括如下步骤：
[0084]
s321、将各网格单元的三维地质模型输入到lca算法中，利用lca算法构建源参数模型，并初始化原始置信度；
[0085]
s322、利用em算法求解每个网格单元的三维地质模型的隐藏变量的置信度，其中，隐藏变量为天气指数及人为破坏指数；
[0086]
s323、对源参数模型中的所有隐藏变量的置信度进行与原始置信度进行差值运算，若差值小于设定阈值则定义该网格内的置信度与原始置信度相同，若差值大于等于设定阈值则定义该网格内的置信度为隐藏变量的置信度
[0087]
s33、根据各网格单元的三维地质模型可靠度计算每个网格单元的突水危害性评分，计算方式为：
[0088][0089]
其中，δi为第i个网格中添加的突水预兆数据权重，xi为第i个网格的赋值，μi为第i个网格的置信度，n为同一个二级网格数量中的网格数量，m为二级地质模型的数量，p
l
为第l个二级地质模型区域大小权重。
[0090]
s34、对不同地段的岩溶隧道的二级地质模型按照分数由高到低进行排序。
[0091]
s4、根据排序由高到低建立隧道突水风险预测图，根据所建立的预测图进行施工监测。
[0092]
s41、根据突水危害性评分由高到低对不同区段的二级地质模型进行排序；
[0093]
s42、设定危害等级，按照每20％为一个等级由上至下对所有区段发生突水风险的概率进行分级，对排名前2个等级的区段进行全天候监控评估，同时对排名后3个等级区段进行分时段监控评估。
[0094]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0095]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0096]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计
算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0097]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0098]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。