一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法技术

本发明专利技术公开了一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，属于岩土工程监测技术领域。本发明专利技术基于岩土体质量等级进行稳定性分区，选择岩土体稳定性监测点；在岩土体稳定性监测点处布置三轴加速度传感器；采用施工(生产)爆破或敲击激振的方式施加外部激振，三轴加速度传感器拾取外部激振的冲击波响应信号；对外部激振的冲击波响应信号小波包分解，分别计算三轴加速度传感器三个方向的小波包频带能量比；计算各监测点各方向的失稳预警指标即能量比累积变异P，分析其变化趋势，对岩土体稳定性进行评价与预警。

【技术实现步骤摘要】
一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法
本专利技术涉及一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，属于岩土工程监测

技术介绍
岩土工程监测技术既可判断岩土工程的稳定性，预警岩土工程事故，又可根据监测结果指导现场施工、优化设计及施工方案。岩土工程监测的主要手段包括：应力应变监测、光纤传感监测与微地震监测等。现有的岩土工程监测方法和预警指标存在诸多不足，如岩土体位移应力监测周期长，信息获取精度不高，存在“一孔之见”的弊端；光纤传感监测技术安装、布设和保护困难，变形较大时易导致光纤断裂或传感器破坏，无法监测岩土体后期变形特征；岩土体微地震监测结果信噪比低，预警指标确定主观性强等，难以实现有效的灾害预警。
技术实现思路
针对现有岩土体稳定性监测预警方法的不足，提供一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，本专利技术方法相比现有应力、位移等监测方法，可以实时准确地反映岩土体整体与局部的破裂状况，而且具有监测成本低、操作简便、稳定性好等优点。基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警系统包括产生冲击脉冲的激振系统、实时拾取冲击波数据的监测装置和对监测数据进行处理的数据处理装置；激振系统为施工(生产)爆破或敲击激振，监测装置包括自动拾取并过滤冲击波的三轴加速度传感器与固定传感器的基座，固定基座为刚度较大的有机玻璃块、角钢或铁块。一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，具体步骤如下：(1)基于岩土体质量等级进行稳定性分区，选择岩土体稳定性监测点；(2)在步骤(1)的岩土体稳定性监测点处布置三轴加速度传感器；(3)采用施工(生产)爆破或敲击激振的方式施加外部激振，步骤(2)的三轴加速度传感器拾取外部激振产生的冲击波响应信号；(4)对步骤(3)外部激振的冲击波响应信号小波包分解，分别计算三轴加速度传感器三个方向的小波包频带能量比；(5)计算各监测点各方向的失稳预警指标即能量比累积变异P，当该监测点的三个方向能量比累积变异P均为零时，则该监测点区域岩土体处于稳定状态；当该监测点的三个方向能量比累积变异P增大时，则该监测点区域岩土体偏离稳态；当该监测点的任一方向上能量比累积变异P出现突变时，则区域岩土体呈现失稳趋势。所述步骤(1)基于岩土体质量等级进行稳定性分区，选择岩土体稳定性监测点的具体方法为：将岩土工程中Ⅳ、Ⅴ级岩体即[BQ]值≤350及土体区域作为主要监测区域，将Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级岩体即[BQ]值>350作为辅助监测区域；隧道内掌子面与二次衬砌之间的主要监测区域沿轴向每隔5～10m布设一个监测断面，监测点布置在隧道拱顶和拱肩上，辅助监测区域每隔5～10m布设一个监测断面，监测点布置在拱顶上；边坡上的主要监测区域沿边坡走向每隔10～20m布设一个监测断面，辅助监测区域每隔20～30m布设一个监测断面，监测点布置在每级台阶坡面上。所述步骤(2)三轴加速度传感器的埋深不小于0.5m，三轴加速度传感器的安装方向为隧道、矿山井筒、巷道或地下洞室内三轴加速度传感器的三个方向分别指向隧道、矿山井筒、巷道或地下洞室的轴向、径向和切向，边坡上三轴加速度传感器三个方向分别指向边坡走向、倾向与竖直方向。所述步骤(3)中采用敲击激振产生冲击波时，保持每次激励荷载恒定，直接拾取冲击波的响应信号；以施工(生产)爆破激振时，拾取冲击波的响应信号，采用虚拟脉冲响应函数计算所拾取冲击波的响应信号作为虚拟响应信号以消除激励荷载差异的影响。所述虚拟脉冲响应函数的计算方法为：(1)设参考点为p，监测点为q，提取参考点p与监测点q的加速度响应信号；(2)根据响应频率函数公式计算参考点p与监测点q的加速度响应信号间三个方向的频率响应函数Hq,p，响应频率函数公式为式中：Hq,p——p与q测点传感器间的频率响应函数；Hp,Hq——分别指p与q测点传感器响应信号的傅里叶变换；H*p——指Hp的复共轭函数；(3)将频率响应函数通过逆傅里叶变换得到虚拟脉冲响应函数。所述步骤(4)小波包分解为采用小波基函数分别对监测点的三轴加速度传感器三个方向采集的冲击波响应信号进行小波包多层分解，将动力响应特征的整个频域划分为若干独立的频段，并计算小波包频带能量比：式中：i——小波包分解层数；Ei,j——小波包分解第i层第j节点的频带能量，j＝0,1,2,……,2i-1；ei,j——小波包分解第i层第j节点的频带能量比。进一步地，所述小波基函数ψa,τ(t)是由母函数ψ(t)经过伸缩、平移得到的一系列函数，母函数ψ(t)是一条有限长、快速衰减的震荡波形，属于平方可积的实数空间R，且其傅里叶变换满足经过变换后，小波基函数式中：a为伸缩系数，τ为平移系数。由于小波包频带能量谱需要将信号无冗余、无疏漏、正交地分解为若干个独立的频带，所以选择的小波基函数必须具备正交性、紧支性及无损性特征。进一步地，所述小波包多层分解的具体方法：①选定小波包分解层次i和小波基函数ψa,τ(t)；②将响应信号f(t)层层分解，每次分解将产生两个子频带V与W；动力响应信号f(t)经过i层分解后可表示为：式中：——小波包分解第i层第j节点的组分信号；③计算每个子频带空间的能量值；式中：Ei,j——小波包分解第i层第j节点的频带能量，j＝0,1,2,……,2i-1；④计算各个子频带占总能量的比值，得到小波包频带能量比；式中：ei,j——小波包分解第i层第j节点的频带能量比。所述步骤(5)能量比累积变异P的计算公式为式中：——初始监测时第i层第j节点的小波包频带能量比。所述步骤(5)能量比累积变异P出现突变的判定方法为(1)将除初始监测外前n-1次监测的预警指标即能量比累积变异(P1,P2,……,Pn-1)作为总体集合，设该总体集合服从正态分布即X～N(μ,σ2)，设Pn是样本容量为1的特殊总体；(2)计算出总体集合(P1,P2,……,Pn-1)的平均值及样本标准差S；(3)设Pn为相对稳定值，则Pn与(P1,P2,……,Pn-1)样本同属总体集合，由Pn计算得到统计量k；式中：为P1,P2,……,Pn-1的平均值；(4)将k值与自由度为n-1的t分布表所得值进行比较，若小于显著性水平α下的t检验值，则判断Pn为正常值，岩土体处于相对稳定状态；若k大于显著性水平α下的t检验值，则判断Pn为异常值，Pn已开始突变，判断此岩土体呈现失稳趋势。所述t分布为学生t-分布，假设X1,X2,X3,…,Xn相互独立，且与Y均服从标准正态分布N(0,1)，则称Z为自由度为n的t分布；本专利技术的有益效果：本专利技术克服了现有岩土体稳定性监测技术操作复杂、数据采集困难等缺点，具有操作简便，试验结果可靠，不影响岩土体正常施工和运营等优点，可广泛应用于水利水电、矿山及道路建设等行业。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术隧道内监测点布置示意图；图3为本专利技术边坡上监测点布置示意图；图4为三轴加速度传感器安装方式示意图(螺钉安装)；图5为三轴加速度传感器安装方式示意图(胶结安装)；图6为三轴加速度传感器布置示意图(隧道)；图7为三轴加速度传感器布置示意图(边坡)；图8为三轴加速度传感器拾取振动冲击波示意图；图9为实施例2中初次监测状态时小波包频带能量比谱图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)基于岩土体质量等级进行稳定性分区，选择岩土体稳定性监测点；(2)在步骤(1)的岩土体稳定性监测点处布置三轴加速度传感器；(3)采用施工(生产)爆破或敲击激振的方式施加外部激振，步骤(2)的三轴加速度传感器拾取外部激振产生的冲击波响应信号；(4)对步骤(3)三轴加速度传感器拾取的冲击波响应信号小波包分解，分别计算三轴加速度传感器三个方向的小波包频带能量比；(5)计算各监测点各方向的失稳预警指标即能量比累积变异P，当该监测点的三个方向能量比累积变异P均为零时，则该监测点区域岩土体处于稳定状态；当该监测点的三个方向能量比累积变异P增大时，则该监测点区域岩土体偏离稳态；当该监测点的任一方向上能量比累积变异P出现突变时，则区域岩土体呈现失稳趋势。

【技术特征摘要】
1.一种基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)基于岩土体质量等级进行稳定性分区，选择岩土体稳定性监测点；(2)在步骤(1)的岩土体稳定性监测点处布置三轴加速度传感器；(3)采用施工(生产)爆破或敲击激振的方式施加外部激振，步骤(2)的三轴加速度传感器拾取外部激振产生的冲击波响应信号；(4)对步骤(3)三轴加速度传感器拾取的冲击波响应信号小波包分解，分别计算三轴加速度传感器三个方向的小波包频带能量比；(5)计算各监测点各方向的失稳预警指标即能量比累积变异P，当该监测点的三个方向能量比累积变异P均为零时，则该监测点区域岩土体处于稳定状态；当该监测点的三个方向能量比累积变异P增大时，则该监测点区域岩土体偏离稳态；当该监测点的任一方向上能量比累积变异P出现突变时，则区域岩土体呈现失稳趋势。2.根据权利要求1所述基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，其特征在于：步骤(1)基于岩土体质量等级进行稳定性分区，选择岩土体稳定性监测点的具体方法为：将岩土工程中Ⅳ、Ⅴ级岩体即[BQ]值≤350及土体区域作为主要监测区域，将Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级岩体即[BQ]值>350作为辅助监测区域；隧道内掌子面与二次衬砌之间的主要监测区域沿轴向每隔5～10m布设一个监测断面，监测点布置在隧道拱顶和拱肩上，辅助监测区域每隔5～10m布设一个监测断面，监测点布置在拱顶上；边坡上的主要监测区域沿边坡走向每隔10～20m布设一个监测断面，辅助监测区域每隔20～30m布设一个监测断面，监测点布置在每级台阶坡面上。3.根据权利要求1所述基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，其特征在于：步骤(2)三轴加速度传感器的埋深不小于0.5m，三轴加速度传感器的安装方向为隧道、矿山井筒、巷道或地下洞室内三轴加速度传感器的三个方向分别指向隧道、矿山井筒、巷道或地下洞室的轴向、径向和切向，边坡上三轴加速度传感器三个方向分别指向边坡走向、倾向与竖直方向。4.根据权利要求1所述基于外部激振和小波包能量谱的岩土体失稳灾害监测预警方法，其特征在于：步骤(3)中采用敲击激振产生冲击波时，保持每次激励荷载恒定，直接拾取冲击波的响应信号；以施工(生产)爆破激振时，拾取冲击波的响应信号，采用虚拟脉冲响应函数计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴顺川，张化进，程海勇，王登华，
申请(专利权)人：昆明理工大学，北京科技大学，
类型：发明
国别省市：云南,53