粘弹性岩体力学模型识别与参数反演解析方法研究

本文基于圆形和非圆形隧道围岩粘弹性位移反演分析解析方法的最新进展，根据隧道围岩力学参数解析解的反演规律，提出了五个粘弹性力学模型识别与参数定理，并通过算例和工程实例对所给出的定理作了必要的验证。     

基于遗传算法优化的BP神经网络在密度界面反演中的应用

BP神经网络方法在二维密度界面的反演中取得了较好的效果,但在反演三维界面时,由于模型更复杂、参数更多,BP神经网络的收敛速度和反演精度都有一定程度的下降。为了改善反演效果,本文利用遗传算法对BP神经网络的权值、阈值选择过程进行优化,获得了更好的网络模型;并将此模型应用于密度界面模型的反演中,预测误差从上百米减小到数十米,同时迭代计算步数减少了近2/3,有效减少了计算时间,反演结果更准确。利用基于遗传算法优化的BP神经网络反演了法国某地区莫霍面深度,预测相对误差仅为1.8%,取得了较好的应用效果。基于遗传算法优化的BP神经网络在密度界面的反演中具有良好的应用价值和研究前景。     

水气两相流系统K-S-P模型参数反演的最优估计

应用渗流力学和参数反演辨识最优化理论,建立了水气两相流控制方程,给出了控制两相流系统K-S-P模型参数之间的本构关系,并对其中的相关参数进行数值反演辨识,得出待求参数的最优估计值。对不同质地土壤的实验测试值进行对比分析,其结果吻合较好,验证了模型的适定性和可靠性,解决了实验数据处理以及结果对初值的敏感性问题,并且该数值方法可通过多组初值参数进行数值实验,结合实验结果来满足实际工程的需求。这不仅对非饱和带内污染物传输、气藏工程试井计算、填埋气体的释放以及挥发性有机污染物的去污分析中两相流数值计算提供基础,而且对K-S-P本构关系之间参数的确定提供了可靠的理论依据。     

同伦方法在环境水质模型参数反演中的应用

利用具有大范围收敛的同伦参数反演方法对水质模型参数进行计算,并应用于北京密云水库总磷的参数反演计算中。通过同伦与遗传反演两种方法分别计算沉降率的误差并进行对比表明,同伦参数反演方法具有良好的稳定性,计算速度快,且初值的选取即使远离目标函数,解仍具有很好的收敛性。     

路堤沉降计算中邓肯-张模型参数灵敏度分析

灵敏度分析是土木工程中解决多参数辨识问题的一个主要方法。目前,在地下工程的分析和计算中邓肯-张模型是比较理想的模型,通过大量的非线性有限元计算,找到了该模型中影响软基路堤沉降的主要参数,并给出了各参数与路堤沉降之间的定性关系,这为路堤沉降计算中的参数反演分析的简化处理奠定了基础     

反演二维弹性波动方程组多参数的渐近展开法

采用摄动法对二维弹性波动方程组的系数反问题进行渐近近似,给出了反演系数的具体计算方法。用摄动法解微分方程组的系数反问题还是首次。此外,还采用了地球物理分层模型,这种分层模型便于更精细地反映地球不同圈层的物理特征,更接近于实际情况。同时对进一步提高反演分辨率、增加反演参数、对病态方程组如何克服不适定性等问题,作了具体阐述,具有重要的理论意义与应用价值。     

土石坝地震永久变形参数反演方法研究

提出了一种基于径向基网络的土石坝永久变形参数反演分析模型。该模型充分利用了径向基神经网络的非线性映射能力,只需要进行少量的样本设计,即可反演坝体永久变形参数,可以解决土石坝动力参数反演计算耗时长的问题。同时在对永久变形参数进行灵敏度分析的基础上,建立考虑参数灵敏度的网络训练目标函数,进一步提高了反演精度。将所建立的模型用于紫平铺面板堆石坝地震永久变形参数反演,采用三维有限元法进行静动力分析,并采用改进的沈珠江模型计算坝体地震永久变形。结果表明,反演参数计算的大坝地震永久变形和坝体实测永久变形数值接近,趋势一致,因而所建立的模型能够有效地反演坝体地震永久变形参数,为土石坝的动力参数反演提供了一种简便、有效的方法。     

重磁似二度体人机联作最优化反演方法

人机联作方法与最优化方法是重磁异常反演中常用的方法。利用人机联作进行反演,使用灵活、适应性强,物理意义明显、反演过程易于控制。最优化方法则是一种能够自动迭代、拟合精度较高的反演方法。我们将这两种方法联合使用,称为人机联作最优化反演方法。它具备了一般人机联作与最优化方法的优点,同时又弥补了它们各自的不足,简化了反演过程中数据准备工作。我们在利用该方法进行重磁资料反演时,通常在人机联作时给出初始地质体模型,通过调整模型参数,对实测异常拟合,其精度由人来控制,在这里所需要的是异常形态及其幅值的满足。然后由最优化反演过程进行自动迭代反演,从而得到拟合程度较好的反演结果。     

倾斜层状折射界面虚拟反演成像的研究

本文提出了一种适用于浅层地质构造特征的倾斜层状介质模型,并建立了与其相应的虚拟射线模型,由此导出了一套反演递推公式。讨论了有关的参数求取,并实现了对倾斜展状折射界面均能普遍适应的折射波共始点或共折射点反演成像。     

多参数约束反演系统的原理和方法

文章论述了包括测井反演、宽带约束反演和岩性约束反演在内的多以参数约束反演的理论。其中测井反演不仅提供用于地质解释的参数，还把它作为宽带约束反演的初始模型及约束条件；宽带约束反演利用阻尼广义逆方法和最优化计算方法，提供宽频带的高分辨反射系数剖面，最终获得宽带波阻抗模型。     

Review of Density Interface Inversion Method in Spatial Domain

Inversion of density interfaces using gravity data has traditionally been an important part of gravity research, and plays an increasingly important role in areas such as regional tectonic research and oil and gas exploration.The density interface inversion methods can be divided into the frequency domain and spatial domain methods according to different computing domains. The frequency domain inversion methods have been considered in previous literature. This paper briefly introduced the rationale and the advance of the direct iterative method, the ridge regression method and the regularization method,which are most studied and used among the spatial domain methods. The performance of the three methods showed that the inversion results of the direct iteration method and the ridge regression method are both the smooth shape density interfaces, while the regularization method can estimate the density interfaces of non-smooth morphology, and is convenient to add prior constraint information. The inversion results of density interface are greatly determined by the precision of potential field separation. The prior information should be used as constraints for gravity field separation as far as possible or the layer-by-layer separation technique could be adopted. The density contrast of the density interface also has noticeable impact on the inversion result. It is necessary to make full use of the rock density data to build a three-dimensional density contrast variation model that conforms to the tectonic features to improve the inversion accuracy.In terms of the theory of inversion method, it is also necessary to combine prior constraint information (which can be obtained through drilling and seismic data, etc.) to improve the accuracy of inversion.More importantly, it is necessary to define the corresponding relationship between the inverted density interface and the geological structure interface in order to evaluate the inversion results correctly.Finally, this paper discussed the developing trend and study emphasis for density interface inversion.The inversion methods that are suitable for large regional or global scale need to be studied with the rapid development of gravity observation technology and the diversification of research objectives. With the increasing difficulty of geological target exploration, it is also urgent to study the optimal single-density interface inversion method conforming to the tectonic features and develop the multi-layer density interface inversion method.     

多项式的井间地震速度场反演方法

基于契比雪夫多项式的旅行时反演方法,不需进行入射角扫描,首先用多项式表示出深度和慢度,计算出从源点到接收点的旅行时间,通过与实际时间的误差修改模型参数,经过反复迭代,最终得到地下复杂构造的界面形态和速度变化。与网格化速度反演方法相比,计算的未知数少,对初始地质模型的依赖性小。模型试算表明,在初始地质模型与实际地质模型差别较大时,仍能取得比较好的反演结果。     

任意形状重磁异常三度体人机联作反演

作者在文中介绍了一种基于三角形多面体模型的重磁三维反演技术，其特点是既可通过和自动迭代方式来改变反演模型，又可通过过人机交互方式来改变模型，该技术具有较高的实用性。     

The Rapid Inversion of 3-D Potential Field and Program Design

The application of three-dimensional inversion of gravity and magnetic fields is very important not only in geophysical researches, but also in the study of geological structures. A formula of potential field in frequency-domain, developed by Parker in 1973, can be used as a rapid and effective algorithm in gravity and magnetic inversion. The technique has been improved then by Oldenburg, Sprenke, Feng and others.In addition to a brief introduction of Parker's algorithm and its applications, this paper includes the following five parts: basic computational techniques, inversion of single layer, convergence and constraints, simultaneous inversion for density and topography as well as inversion of multilayers. The authors present relevant practical iterative formulas and its varieties when density distribution varies with depth in linear or exponential relation. In order to maintain computation stability and speed up iteration convergence, some approaches are taken in the program design, for instance shifting lower interface of the studied layer, inverting corrections of topography, reducing grid boundary effects and utilizing low-pass filter. With the consideration of the nonuniqueness of the inversion, a method of using seismic data to constrain the range ofpossible models is discussed. It is pointed out that the density variation generates less effects than those of topography on the spectrum of gravity anomaly in second order. Therefore density contrast and topography can be inverted simultaneously by an alternative weighting iteration. By analogy, the inversion of multilayer model can be done in the above procedure. An approach of model decomposition is useful in the computation of multilayer model. The techniques discussed in the present paper for gravitational field are also valid for magnetic field.     

回线源瞬变电磁法一维反演算法

由于传统的阻尼最小二乘法只适合于模型较少的简单模型,因此当介质的层数较多时,反演就会受到多解性的影响,有时甚至出现不收敛的情况,并且反演十分耗时。为此,使用正则化思想引入模型约束进行反演,且正则化因子通过计算每次迭代的数据目标函数和模型目标函数自适应得到,使反演能够稳定地进行;引入拟牛顿法来更新雅可比矩阵,大大缩短反演所需要的时间,通过典型的3层与多层理论模型的反演试算,证明了拟牛顿法自适应正则化反演算法对初始模型的要求不高,拟合效果好,收敛速度快,适应性强,体现了良好的稳定性和可靠性。      

Generalized contact model for polyhedra in three‐dimensional discontinuous deformation analysis

We present a generalized contact computation model for arbitrarily shaped polyhedra to simplify the contact analysis in discontinuous deformation analysis. A list of generalized contact constraints can be established for contacting polyhedra during contact detection. Each contact constraint contains information for 2 contact points, unique contact plane, and related contact modes (open, locked, or sliding). Computational aspects of the generalized contact model include identification of contact positions and contact modes, uniform penalty formulation of generalized contact constraint, and uniform updating of contact modes and contact planes in the open‐close iteration. Compared with previous strategies, the generalized contact computation model has a simpler data structure and fewer memory requirements. Meanwhile, it simplifies the penalty formulation and facilitates the open‐close iteration check while producing enough accuracy. Illustrative examples show the ability of the method to handle the full range of polyhedral shapes.     

小波变换在波阻抗反演中的应用

根据国内外广泛采用的波阻抗随机反演理论,提出了多道小波波阻抗反演方法,消除了噪音对反演结果的影响。针对地震剖面上不同频带和时段上有不同的信噪比,以及相邻地震道反射波有效成分在波形和能量上有较强的相关性特点,运用多道记录同时进行波阻抗反演,在迭代过程中将实际记录与模型合成记录的残差道进行小波分解,形成残差道分频小波剖面,然后利用Ｋ－Ｌ变换提取分频剖面中的相干部分用于波阻抗变化量的计算,从而避免了噪音参与波阻抗反演。展示了理论模型与实际应用的例子。     

重力异常三维反演——视密度成像方法技术的应用

将起伏地形上测量的重力异常,延拓至平均水平面;对平面上的重力场进行不同深度层源的切割分离;再将各层的重力场向下延拓至相应的深度,并反演出该深度层的密度结构.以此得到的密度,反映该深度层密度的近似分布,故称为视密度成像.在重力场的曲面向下延拓过程中,采用了新的延拓方法——迭代法,延拓深度大,延拓过程稳定;且不需解线性代数方程组,避开了制约三维反演实用化的计算时间的瓶颈问题.在主频1.73 GHz的微机上,完成71×81数据点反演的计算时间为10 s.以新疆一个地区的实例说明这种方法的反演效果.     

波阻抗反演中的全局寻优策略

针对常规基于模型的波阻抗反演方法严重依赖于初始模型的选择和易陷入局部最优等局限性，提出了一种新的全局寻优策略。该反演策略是在常规测井约束反演的框架中加入一定次数的遗传全局搜索机制。如果迭代过程一旦陷入局部最优解；就可以把已经形成的局部最优解作为寻优的新起点，在此基础上进行全局遗传寻优，搜索更优的反演结果。通过模型数值计算和实际资料处理，表明该反演策略具有跳出初始模型控制的优良性能和良好的实际反演效果。     

TEM探测深部煤层上覆多电性层的OCCAM反演

瞬变电磁法（TEM）以其对低阻体反映灵敏而被广泛用于煤矿水文地质勘探中,当煤层埋藏较深,上覆地层纵向上有多种电性层存在时,瞬变电磁法晚期经验公式计算结果已不能反映实际情况。通过深入研究OCCAM反演算法,认为选择使误差目标函数达到最小的正则化参数,在反演迭代步长过大时进行压缩迭代步长的控制方法,以及最光滑的模型约束,可以提高反演分辨率。在瞬变电磁数据处理中使用加入了上述参数、控制和约束的反演技术,经对理论模型数据进行反演,反演结果与模型的电性分布规律吻合,表明算法正确;在华北煤田深部采场的瞬变电磁法探测应用中,OCCAM反演分辨出了煤层上覆多种电性地层,效果较好。