节理岩体结构面优势产状确定方法研究

节理岩体结构面产状的分析在岩体的力学和水力学分析中都是极为重要的基础性工作.本文分析了传统的结构面产状图形分析法、模糊等价聚类方法和模糊C均值聚类方法(FCM算法)在节理结构面产状分析中的优缺点,针对上述3种方法各自单独使用时的利弊将这3种方法有效结合起来,得出了一种更为准确合理的产状统计分析的综合性方法.应用此方法对...     

基于改进遗传算法的岩体结构面产状聚类分析

根据产状对结构面进行分组是研究岩体结构的重要环节。传统分组方法通常需要依靠地质经验,缺乏客观性,而现有的聚类方法也存在一些缺陷。基于变长度字符串遗传算法,提出了一种改进的K均值算法,实现了岩体结构面产状的自动聚类。该方法的核心思想是使用遗传算法为K均值算法选择恰当的聚类中心,克服了K均值(K-means)算法受初始聚类中心影响,易收敛于局部最优解的缺陷。由于使用了变长度字符串,该方法能够在聚类过程中自动确定最佳结构面组数,同时提供最优的分组结果。针对产状数据,提出了一种新的变异方法,该方法利用C++语言实现,并被应用于浙江省某地下水封洞库结构面产状数据的分析,得到较为合理的分组结果,证明了该方法的有效性。     

节理岩体结构面产状的动态聚类分析

节理岩体结构面的优势产状是进行Mnote-carlo模拟和岩体稳定性分析的基础。玫瑰花图、等密度图等传统的图形分析方法比较粗糙,其结果只是相对的优势组数划分,无法准确地给出结构面的优势产状,使得分组结果在实际中应用不便。为弥补上述不足,采用改进的动态聚类分析方法,构造空间直角坐标系,以结构面的单位法向量表示其产状,并根据球面上两点之间的球面距离对结构面产状进行分类判定。将该方法应用于三峡库区巴东新县城铜盆溪桥东头高切坡结构面优势产状分析中。结果表明,采用改进动态聚类分析方法结果可靠,分类合理,可以较准确地确定结构面的优势产状。     

基于混合聚类的岩体结构面优势分组方法

提出一种基于凝聚层次法和模糊C均值法的混合聚类法,用于对岩体结构面的优势组划分。该方法将结构面投放到在单位球面上,并使用欧式距离作为极点的相似性度量准则。先剔除结构面数据中的孤值产状,然后用凝聚层次法得到初步聚类结果,并将其作为FCM法的初始聚类中心,最后用FCM法划分优势组。通对人工生成产状样本的分组,验证了该法的正确性。将该方法应用于大藤峡坝址区实测的结构面数据的划分。在实测数据中寻找到两个孤值产状,成功将大藤峡D1y^1-3地层岩体结构面划分为两组,得到了符合实际的分组结果。     

模糊聚类分析及在坝基岩体分类中的应用初探

基于模糊聚类的基本理论,提出坝基岩全动态系统综合分类的思路,并针对某建水电站坝基岩体进行试算,初步划分了不同深度岩体的可利用性,为确定合理的建基面提供了一定的依据。     

基于DBSCAN选择性聚类集成的岩体结构面优势产状分组方法

针对单个结构面聚类模型存在误判或漏选风险、难以有效识别噪点与孤值等问题,提出利用具有噪声的基于密度的聚类（DBSCAN）算法进行选择性聚类集成的岩体结构面优势产状分组方法。首先,将结构面产状进行空间坐标转换,以单位法向量的夹角正弦值作为相似性度量标准。进而,基于DBSCAN算法构建一定数量具有差异性的基聚类器,借助选择性聚类集成技术挑选出部分优异的基聚类器。最后采用一致性集成技术融合这些基聚类器,获得一个高可靠度的选择性聚类集成结果。将该方法应用于DIPS软件数据集与松塔水电站坝址区结构面勘察中,检验了该方法的可行性与有效性。研究结果表明：该方法聚类效果显著优于常见聚类算法,聚类结果客观合理,不仅能有效标识出噪点与孤值,还克服了单个模型易过分割或欠分割的不足。该研究成果对准确确定结构面优势组具有一定的工程价值。     

动态聚类分析方法在结构面产状分组中的应用

本文提出了结构面产状分组的动态聚类分析方法,该方法以结构面组间的倾向距下限c_1和倾角距下限c_2为基本参数,进行结构面产状分组。与传统的分析方法相比,该方法具有分析结果更具有代表性、可以完全计算机化、可以在分组的同时区分各结构面组的样本,为进一步分析各结构面组的统计特征提供原始数据等优点。     

基于人工蜂群算法的岩体结构面多参数优势分组研究

岩体结构面优势分组是研究岩体力学性质与水力特性的基础,通常的分析方法是只根据产状进行划分。鉴于结构面其他特征对岩体力学性质的重要影响,考虑结构面倾向、倾角、迹长、张开度、表面形态5个特征参数,提出了基于人工蜂群算法的岩体结构面多参数优势分组方法。以样本总体离差平方和为目标函数,建立岩体结构面多参数优势分组的数学模型,应用人工蜂群优化算法求解,以目标函数值最小时的解作为聚类中心,并自动确定分组边界。对人工生成的结构面数据的计算结果验证了该方法的正确性,该方法的求解精度是令人满意的。最后,将该方法应用于怒江松塔水电站坝址区岩体结构面多参数优势组的划分,得到了较为合理的分组结果,进一步验证了此方法具有较高的运行效率与工程实用性。     

基于t-SNE的多参数岩体结构面分步聚类方法

结构面聚类是进行岩体稳定性评价的重要步骤。常用聚类方法多以产状作为分组依据,忽略了结构面物理特性指标对岩体稳定性的影响。针对分组依据单一化的不足,综合考虑结构面倾向、倾角、迹长、张开度、填充状态和粗糙度的影响,提出一种基于学生分布随机邻近嵌入（student-distributed stochastic neighbor embedding,简称t-SNE）的多参数岩体结构面分步聚类方法。首先,利用t-SNE算法对除产状外的结构面特征进行数据降维;进而利用模拟退火算法搜索K-means算法的全局最优初始值,并采用分步聚类思想完成聚类。研究表明：所提方法有效地解决了高维空间样本稀疏的问题,同时保留了数据的局部结构与全局结构。新方法相比于传统方法能对空间分布相似区内结构面的物理特性进行精确划分,分组精度更高,且在避免复杂权重值计算的条件下,能有效区分产状与物理特性参数对岩体稳定性的影响差异。最后,将所提方法应用于中国新疆某露天矿坡结构面实测数据分析中,所得分组结果合理可靠,进一步证明该方法在实际工程中的有效性。研究方法可为多参数岩体结构面的分步聚类提供参考。     

节理面按产状的模糊聚类及其优势方位的确定

分析了已有的几种对节理面按产状分组方法的不足，指出应用模糊聚类对节理进行分组的原由。为了构造模糊矩阵，矩阵中的元素取为两节理面锐夹角的余弦，即两节理面向上的单位法向矢量点积的绝对值。对某组节理面向上的单位法向量进行部分反向后，其矢量之和对应的产状即为该组节理面的优势方位。     

钻探方法确定岩体结构面产状

在许多地下工程中,均需确定岩体结构面产状。文章阐述了确定岩体结构面产状的两类方法及其主要特点。岩芯定向方法需专门的仪器设备,成本较高,工序多;钻探直接计算方法,属常规方法钻探,故成本低,但需要3个钻孔测斜资料。文章提出了采用立体解析几何法,依据3点钻孔测斜资料、岩芯层面角,确定岩体结构面产状的方法。该方法分为两种情况:①3点测斜资料——钻孔顶角和方位角不完全相同情况下,3点测斜资料取自1孔、2孔或3个钻孔均可以,可以采用2个向量的数量积方法确定岩石结构面产状;①来自3孔的3点测斜资料——钻孔顶角和方位角完全相同情况下,可以采用两个向量的向量积方法确定岩石结构面产状。该方法准确,简单、成本低、适用性强。进一步完善并发展了以往确定岩石结构面产状的方法。此方法得到了很好的验证。     

边坡稳定性分类评价的同伦模糊C-均值聚类算法

针对单一模糊C-均值聚类算法对初始聚类中心初值敏感性问题,引入同伦理论,提出了同伦模糊C-均值聚类算法。以三峡库岸研究程度较高的36个边坡为对象,采用同伦模糊C-均值聚类算法对边坡的稳定性进行分类,研究边坡最佳分类级数和算法的收敛性、可靠性。边坡聚类结果研究表明,同伦模糊C-均值聚类算法对初始聚类中心的选取没有明显的依赖性,是一个具有全局最优解的聚类方法,其结果明显好于单一模糊C-均值聚类算法。     

岩体结构面的多参数优势分组方法研究

岩体中的结构面对岩体的水力和力学性质有很大影响,因此,弄清岩体中结构面的发育规律是岩体稳定性评价的基础。当结构面的产状一致,其他性质不一致时,结构面的水力学特性和力学性质是不同的。而传统的结构面优势分组方法仅根据产状数据分组,无法分辨产状相同、其他性质不同的结构面。因此,提出了一种基于量子粒子群优化算法的多参数结构面的优势分组方法。该方法通过结构面的相似性度量建立目标函数,运用量子粒子群优化算法通过搜索目标函数的全局最优解来确定聚类中心,可用于结构面多个参数的优势分组。通过对计算机模拟的多参数结构面数据的分组,验证了该方法的可靠性。最后,将该方法应用于怒江松塔水电站坝址区实测的多参数结构面数据的划分,得到了符合实际的分组结果。     

基于岩体结构面分布分形维的岩体质量评价

尽管岩体结构面具有空间上的不规则性和结构网络上的复杂性,但由于它又具有自相似的特征,可以运用分形理论来对其进行研究。运用盒计维数法对某矿山巷道围岩体结构面分布的分维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征。通过对岩体结构面分布分形维值分布规律的分析发现,分形维数越大、结构面分布越密集,结构面迹线越长,岩体质量越差,表明可将岩体结构面分布的分形维作为岩体质量评价的指标。将计算所得的岩体结构面分布的分维数与按工程岩体分级标准对相应岩体分级所得的岩体质量等级进行对比,提出了一个以岩体结构面分布的分形维作为分级指标的岩体质量评价方案。     

基于粒子群算法的水资源优化配置

本文基于可持续发展理论,以社会、经济和环境的综合效益最大为目标,建立了区域水资源优化配置模型.根据模型的特点,采用粒子群算法(PSO)对模型进行求解.针对粒子群算法的迭代原理,通过对粒子编码方法、适应度函数构造和约束条件处理等环节的改进,构成了用于多目标有约束条件模型求解的粒子群优化算法.不仅拓展了粒子群优化算法的应用领域,同时也为复杂多目标模型的求解提供了一种新途径.本文以北京市为例,借助本文提出的模型,得到了该市2010、2020和2030年三个水平年在50%保证率下的水量配置方案.优化结果表明,该算法应用于水资源优化配置中是合适的.     

岩体结构面产状测量的钻孔摄像技术及其可靠性

针对钻孔摄像技术对结构面产状测量只限于垂直孔的现状,以钻孔孔口圆心为原点,建立空间左手直角坐标系,对倾斜孔中结构面产状的确定方法进行了详尽的阐述和推导,得出了精确的解析计算公式,并基于C#语言进行编程,开发了IDOIB软件,通过测试表明此方法及其程序的正确性.采用PVC管模拟钻孔孔壁,进行钻孔摄像技术用于结构面产状测量的可靠性试验研究,结果表明:(1)对于垂直孔,测量结果的倾向绝对误差为[-3°,4°]、倾角绝对误差为[-1.5°,1.0°],说明该技术用于垂直孔进行结构面产状测量是可靠的,能满足工程应用精度.(2)当PVC管的倾伏向为270°、倾伏角为25°时,结构面产状可靠度为0.10;倾伏向为176°、倾伏角为60°时,结构面产状可靠度为0.67.PVC管倾伏角的不同导致结构面产状可靠度的差异.(3)一般岩体工程的结构面产状测量结果应具有高等级可靠度(不小于0.8),即须在倾伏角不小于71°的钻孔内采用该技术进行测量.      

基于主成分和模糊C-均值聚类算法的农业水资源高效利用综合分区

基于农业生态系统环境要素、水的资源属性、水资源的高效利用内涵、生产力水平、土地利用方式、种植结构及种植模式等因子,选取构建农业水资源高效利用综合分区的指标体系(16个定量指标、4个定性指标),采用主成分分析和模糊C-均值聚类算法为区划方法,对川中丘陵区进行量化分区。研究结果将川中丘陵区16个地级市和一个县级市(简阳)分为农业水资源较低利用区、农业水资源低效利用区、农业水资源中等利用区、农业水资源高效利用区和农业水资源较高效利用区5个区,这对南方季节性干旱区水资源利用规划有较强的借鉴作用。     

基于图像处理的岩体结构面迹线自动检测

提出了一种自动检测岩体结构面迹线的方法,该方法通过特征过滤技术,处理边缘检测结果,利用结构面信息和非结构面噪声在像素连通区域上特定数学特征的普遍差异,滤除非结构面噪声,只保留结构面信息,从而直接提取结构面迹线。以甘肃北山花岗岩岩体露头面图像为研究对象,并利用该方法对其进行了MATLAB图像处理,得出岩体结构面迹线图。结果表明,对于结构面数量较多且分布复杂的岩体露头面图像,该方法能够快速且较为准确完整地自动检测出结构面迹线。     

基于模糊粒子群算法的钻杆运移装置控制系统研究

在大直径救援井施工起下钻作业中,钻杆运移装置用于大直径钻具输送及钻柱接续。针对钻杆运移装置定位过程中钻杆易产生振动,难以快速、准确地将钻杆举升至动力头翘起角度进行对扣的问题。首先分析了钻杆运移装置的结构特点和工作原理,利用结构关系推导了钻杆举升时的运动学模型,得出钻杆末端接头与举升油缸和运移小车运动规律的映射关系,并采用有限元方法建立了钻杆举升时的动载受力模型,得出了钻杆末端接头的振动加速度主要由举升油缸和运移小车的工作速度所决定,且各部件的工作速度主要由各自的输入流量所确定;其次引入了基于模糊粒子群优化算法的综合误差评价函数,将钻杆末端接头的转角误差和位姿误差作为输入信号,采用加权法进行计算出综合误差和加速度误差,利用梯形隶属度函数构造了模糊控制规则,得出综合误差、加速度误差与比例参数、积分参数、微分参数之间关系,完成PID的控制参数调节,实现了对钻杆末端接头的主动抑振控制;最后利用MATLAB软件搭建了数值仿真模型,以某次钻杆运移装置工作时测量数据信号为例进行仿真研究,系统综合误差只需0.9 s可将振幅衰减至峰值的10%以下,同时加速度误差仅为0.05 mm/s²     

三组结构面状态下不同产状结构面的力学效应研究

本文分析了三组结构面产状模型力学实验结果, 揭示了这种组合条件岩体中产生压剪区、张剪区及结构面、结构体的多种变形成分, 也揭示了压剪区和张剪区形成机理、及三组结构面组合下结构面产状的力学效应。