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基于时间序列的地下水封洞库变形监测ARIMA模型研究

时间:2017-10-16 20:01来源:未知 作者:正规彩票平台 点击:
由于地下水封洞库工作环境特殊,受多种岩体特性和工程特性影响因素的影响,以及考虑到目前我国地下水封洞库的发展现状,暂无足够的资料研究并论证地下水封洞库监测数学模型。本文试图采用时间序列分析方法建立地下水封洞库变形监测ARIMA模型,并通过实例证明,地下水封
  

0 引言

为了适应石油和天然气战略储备需求,我国正在投资建设大型地下水封洞库。地下水封洞库主要由地下结构部分和地面部分组成,其中地下结构部分主要由主洞室群、施工巷道、水幕巷道和竖井等结构组成,主洞室按一定方位并行布置,每23个主洞室通过连接巷道相连组成一个罐体,施工巷道则根据施工需要沿主洞室群周边和内部布置,水幕巷道布置在主洞室群顶部,某地下水封洞库工程布置详见图1[1]

1  某地下水封洞库布置图

地下水封洞库处于稳定的地下水位线以下一定深度[2],通过人工在地下岩石中开挖一定容积的洞室,利用稳定地下水的水封作用密封储存在主洞室内的油品,由于岩壁中充满地下水的静压力大于储油静压力,油品始终被封存在有岩壁和裂隙水组成的封闭的空间里,使油品不会渗漏出去,水封储油原理详见图2


2  水封储油原理示意图

为了确保地下水封洞库工程安全,需利用监测数据进行分析了解和掌握地下结构安全性状,同时还应利用已有的监测数据进行预测以了解结构未来变化性状。但于我国刚投资新建大型地下水封洞库,对地下水封洞库工程关键技术的研究处于起步阶段,其中特别是地下水封洞库安全监测理论方面的研究成果较少。

地下水封洞库变形是多种因素协同作用、共同影响的结果,主要包括地应力、岩体地质构造与力学性质、地下水、温度、时间效应等岩体特性影响因素,以及洞室布置型式和施工型式等工程特性影响因素。传统安全监测数学模型在考虑主要影响因素的前提下通过构造影响因子的数学形式形成预置因子集,采用统计回归方法建立影响因子与监测效应量的数学关系式[3]。由于地下水封洞库工程受多种岩体特性和工程特性影响因素的影响,考虑到我国地下水封洞库工程刚处于起步阶段,现暂无足够的资料研究并论证地下水封洞库监测数学模型,特别是储油期间监测数学模型。地下水封洞库监测效应量的变化过程是一个典型的以时间为排列顺序的时序递推变化过程,其本身蕴含着结构变化的重要信息,通过分析蕴含在监测数据中的重要信息能够为分析和判断结构安全提供理论支撑,目前时间序列分析方法已在大坝监测领域得到了充分应用,并得到实践的验证,因此,本文试图以时间序列分析方法为理论基础,以地下水封洞库变形监测效应量为研究对象,建立地下水封洞库变形时间序列预测模型,并通过具体工程实例验证预测模型的可行性。

1 ARIMA模型原理







2 监测数据平稳处理

对于地下水封洞库监测效应量数据序列应首先对其进行平稳性检验,平稳性时间序列需满足均值 和方差 为常数,以及自协方差函数 只与时间间隔k有关,而不依赖于时间t。平稳性检验的方法很多,通常采用散点图直观判断法、参数检验法和非参数检验法等方法。散点图直观判断法主要是根据时间序列的散点图,分析其是否围绕均值上下波动,如果是则为平稳时间序列,反之则为非平稳时间序列,具有简单、便捷的特点,因此,本文推荐采用散点图直观判断法。



















 

平稳性检验采用散点图直观判断法,由过程线图5(d)可知,3条收敛监测测线监测数据均不属于平稳时间序列,需对其进行差分处理以完成平稳化。

对三组监测数据进行一阶差分后仍未平稳,因此,对监测数据进行二阶差分,见图5(a)~图5(c)所示,结果表明二阶差分后监测数据平稳,可用于分析预测,故差分次数d2




利用SPSS软件求得标准化的AIC作为判定模型pq的标准,计算结果如表2 (a)1(c)所示。

 


 

由表可知:测线①(0,2,1)为最佳模型,测线②(0,2,0)为最佳模型,测线③(0,2,1)为最佳模型。


测线①、测线②、测线③于201291017日和24日实测值及预测值见表1,以及实测值及预测值过程线见图5(d)


注:表中“差值”=“实测值”-“预测值”


5(d)  实测值、拟合值及预测值过程线图

由表和图可知,各预测测次的预测绝对误差(│预测值-实测值│)均很小,绝大部分预测测次的预测相对误差(│预测值-实测值│/实测值)小于1%,最大相对误差仅为2%,预测效果良好,说明不考虑主要影响因素对监测效应量的影响,而仅通过监测效应量本身监测数据进行分析也能在一定程度实现结构性状的预测,即采用时间序列分析预测模型对地下水封洞库围岩变形进行预测是可行的。

7 结论

工程实例表明采用时间序列分析方法建立的地下水封洞库变形监测ARIMA模型拟合效果好,预测精度高,其预测绝对误差小,最大相对误差仅为2%,表明采用时间序列分析方法建立的地下水封洞库变形监测ARIMA模型是可行,可用于地下水封洞库变形监测资料分析,因此,预测模型的应用既能够为工程实际服务,又能补充地下水封洞库安全监测理论研究成果。由于时间序列分析方法未考虑影响因子对监测效应量的影响,而仅从监测数据本身预测结构变形性状,因此,尽管能够实现结构变形性状的预测,但仍具有一定的局限性,未来在具备条件的情况下应深入研究、建立并验证考虑影响因子影响的地下水封洞库监测数学模型。



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