【摘要】：我國重大地下工程施工過程中經(jīng)常遭遇突涌水等地質(zhì)災(zāi)害以及由此引發(fā)的地下水環(huán)境破壞等問題,因此,對地下水體的賦存狀態(tài)、運(yùn)移路徑以及影響區(qū)域等狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與預(yù)測對于后續(xù)災(zāi)害防治工作具有重要意義。直流電阻率法具有對水體敏感性較高的優(yōu)勢,近年來在地下水活動的監(jiān)測方面得到廣泛應(yīng)用。然而對于地下水體快速運(yùn)移過程的監(jiān)測,現(xiàn)有電阻率監(jiān)測與反演方法存在對快速變化過程響應(yīng)不敏感、反演效果差以及無法有效預(yù)測等問題,亟待開展針對性的研究工作。針對上述問題,本文以基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的電阻率時序反演方法研究為核心,采用理論分析、數(shù)值反演、模型試驗和現(xiàn)場試驗等方法,重點開展了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的跨孔電阻率CT監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)測模型、觀測模型研究以及時序反演方法等理論研究,利用數(shù)值模擬試驗檢驗了時序反演方法的性能,總結(jié)歸納了模擬地下水運(yùn)移的低阻體漸變和突變過程的成像特征。在此基礎(chǔ)上,開展了水體擴(kuò)散運(yùn)移監(jiān)測模型試驗研究以及現(xiàn)場試驗研究,驗證了本文方法的有效性和可靠性。本文的主要研究工作及成果如下:(1)基于灰色預(yù)測理論的卡爾曼濾波電阻率預(yù)測模型優(yōu)化方法。針對傳統(tǒng)卡爾曼濾波電阻率預(yù)測模型采用簡單隨機(jī)游走模型或線性演化模型,本文引入灰色預(yù)測理論對電阻率預(yù)測模型進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,從中揭示隱含的電阻率變化趨勢。同時,在連續(xù)監(jiān)測和預(yù)測的過程中,不斷將卡爾曼濾波方法得到的當(dāng)前時刻的最優(yōu)估計電阻率模型添加到歷史電阻率模型序列中,更新數(shù)據(jù)庫,以提高對下一時刻預(yù)測的準(zhǔn)確性。(2)基于跨孔電阻率CT全四極聯(lián)合觀測方式的卡爾曼濾波觀測模型優(yōu)化方法。本文提出了一種全四極聯(lián)合的觀測方式,作為卡爾曼濾波的觀測模型。該方式不僅能夠獲得更加豐富的數(shù)據(jù)量,而且具有更好的模型靈敏度分布型式,在地質(zhì)異常的形態(tài)成像和定位方面具有更好的成像效果。(3)基于最小二乘反演的卡爾曼濾波初始模型修正方法。對于地下介質(zhì)短時間內(nèi)發(fā)生快速變化的情況,由前一時刻的預(yù)測模型得到的先驗估計狀態(tài)往往不包含這些變化信息,以之作為卡爾曼濾波的初始模型會導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。針對該問題,本文提出了一種卡爾曼濾波初始模型的修正方法,以先驗估計狀態(tài)作為初始模型,利用當(dāng)前時刻獲得的觀測數(shù)據(jù)首先進(jìn)行一次最小二乘反演,以此得到的反演結(jié)果作為卡爾曼濾波的初始模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行卡爾曼濾波最優(yōu)估計。由于納入了最新的數(shù)據(jù)信息,提高了初始模型的可靠性,可以有效地改善卡爾曼濾波的結(jié)果,降低反演的非唯一性。(4)單時間步多次卡爾曼濾波的時序反演方法。傳統(tǒng)卡爾曼濾波方法求解最優(yōu)估計值的過程往往只進(jìn)行一次濾波,數(shù)值模擬試驗發(fā)現(xiàn),對于地下介質(zhì)快速變化過程的數(shù)據(jù)處理,一次濾波的結(jié)果與真實模型存在較大差異。針對該問題,提出了在單時間步進(jìn)行多次濾波的方案,并以收斂容許誤差RMS作為控制濾波次數(shù)的條件。本文的數(shù)值模擬試驗表明,多次濾波的方案對地下介質(zhì)快速變化過程的成像效果更接近真實模型。(5)在上述研究的基礎(chǔ)上,自主開發(fā)了基于卡爾曼濾波的跨孔電阻率CT監(jiān)測反演程序,開展了多組低阻體漸變和突變地電模型的數(shù)值模擬研究,總結(jié)了低阻體不同運(yùn)動過程的響應(yīng)特征和成像規(guī)律。開展了地下水?dāng)U散過程監(jiān)測試驗和現(xiàn)場試驗研究,驗證了本文方法的有效性和可靠性。
【圖文】：

該觀測模式具體又分為三種觀測陣列，下面以二維觀測模式來進(jìn)行說逡逑明：（１）Ｂｉｐｏｌｅ－Ｂｉｐｏｌｅ型（ＡＭ－ＢＮ）——測量時ＡＭ在一個鉆孔內(nèi)，ＢＮ在另一個鉆孔逡逑內(nèi)，如圖２．３ａ所示；（２）Ｄｉｐｏｌｅ－Ｄｉｐｏｌｅ型（ＡＢ－ＭＮ）——測量時ＡＢ在一個鉆孔內(nèi)，ＭＮ逡逑在另一個鉆孔內(nèi)，如圖２．３ｂ所示；（３）邋Ｐｏｌｅ－Ｔｒｉｐｏｌｅ型（ＡＭＮ－Ｂ或Ａ－ＢＭＮ）——ＡＭＮ逡逑在一個鉆孔內(nèi)，Ｂ單獨在另一鉆孔內(nèi)或Ａ單獨在一個鉆孔內(nèi)，，ＢＭＮ在另一鉆孔內(nèi)，逡逑如圖２．３ｃ所示。逡逑鉆孔鉆孔⑵邋鉆孔N１＼邐（２）邋鉆孔陽邐鉆孔（２）逡逑：／邋１邋：／逡逑？邐？８邐－Ａ＊邐Ａ＊邐？邋ＢＬ＿逡逑？邐？邋Ｔ邋？邐ＡＢ邋］邋？邐？逡逑S緬澹攏五危瑰

本文編號：2677757