岩体加载破坏灾变预警的波速非接触式测试与反演表征方法

本发明属于岩石力学与工程安全监测，具体涉及一种在岩体加载破坏过程中，利用超声波进行非接触式测试，并结合波速反演与时空指标分析，实现岩体灾变早期预警与危险区域判识的方法。

背景技术：

1、随着浅部矿产资源日益枯竭，深部资源开发已成为我国能源与矿产领域的战略性发展方向。深部岩体处于高应力、高地温及高渗透压的复杂赋存环境，这种极端环境显著改变了岩石的力学响应行为，使得深部岩体在开挖过程中更易发生岩爆、大变形等动力灾害。因此，研究深部原位环境下岩石的力学行为规律，并在此基础上建立岩体失稳灾变监测预警方法，是保障深部资源安全高效开发的先决条件。

2、目前，针对岩体灾变预警的波速测试方法主要依赖传统接触式监测手段，传统波速测试多采用传感器直接接触岩体表面的方式，在岩体加载破坏过程中，表面变形、裂纹扩展及碎屑剥落极易导致耦合界面失效，造成信号中断，无法获取破坏全过程的连续波速数据；且现有技术多采用单一发射和接收路径获取平均波速，缺乏多角度、多通道的声波走时数据采集与反演手段，既无法重建岩体内部波速场的空间分布，也难以通过多指标融合实现灾变前兆的识别与危险区域的定位。

3、本发明针对上述问题，提出一种岩体加载破坏灾变预警的波速非接触式测试与反演表征方法，该方法采用水作为声波传输介质，实现超声探头与岩样的非接触式耦合，从根本上解决了传统接触式传感器在岩体破坏阶段的信号失效问题；通过多通道、多角度的声波发射与接收阵列，结合反演算法重建波速场空间分布图像，并基于波速场的时序异常变化与空间低速异常区识别，构建多指标融合的预警体系，实现岩体失稳前兆的判识与危险区域的定位，本发明为深部岩体工程灾变预警提供了科学可靠的测试与表征手段。

技术实现思路

1、（一）、发明目的

2、本发明针对深部岩体灾变监测中传统接触式波速测试因岩体表面变形导致监测失效、单一路径测试无法反演波速空间分布、单一指标难以准确预警灾变及定位危险区域的技术问题，提出一种岩体加载破坏灾变预警的波速非接触式测试与反演表征方法，本发明通过水介质实现非接触式声波耦合，确保岩体破坏全过程的信号连续采集；通过多角度声波走时数据与反演算法重建波速场空间分布；在此基础上，融合波速时序异常与空间低速区识别，实现岩体失稳前兆的判识与危险区域的定位。

3、（二）、技术内容

4、为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：岩体加载破坏灾变预警的波速非接触式测试与反演表征方法，包括以下步骤：

5、s1、构建非接触式超声测试实验系统：将岩石试件防水处理后浸没于水槽中，以水为耦合介质；在水槽外壁环形布设超声换能器阵列，形成非接触式声波传输路径；将换能器阵列连接至超声脉冲发射接收仪与数据处理终端，建立同步触发与多通道并行采集链路；

6、s2、多角度声波走时数据采集：依次激励各发射换能器，所有接收换能器同步采集透射波形，形成覆盖岩体内部多角度交叉射线网络并对每条波形拾取初至走时；

7、s3、水岩界面折射路径的迭代求解与走时校正：为消除水岩界面强烈折射造成的系统走时误差，建立基于斯涅尔定律与费马原理的折射路径迭代求解方法，获得岩石内部真实走时；

8、s4、基于正则化联合迭代重建的波速场层析成像反演：将岩体截面离散化为网格模型，建立走时与慢度的线性正演方程；以岩石内部真实走时为观测值，采用联合迭代重建法进行慢度更新；在迭代过程中引入tikhonov正则化与一阶差分平滑约束，通过显式正则化步骤对慢度场施加空间平滑限制；迭代收敛后获得岩体内部波速空间分布，并以伪彩色云图形式可视化表征；

9、s5、基于时空序列深度学习预测的多指标融合灾变预警：在加载过程中重复步骤s2至步骤s4，获得波速场动态演化图像序列；构建基于卷积长短期记忆网络的时空序列预测模型，以历史波速场图像帧为输入，预测未来多帧波速场演化趋势；基于预测波速场序列，提取平均波速衰减速率、低波速区面积增长速率、波速场空间熵多维预警指标，并依据指标阈值组合建立多级预警判据，实现岩体失稳前兆的超前判识；

10、s6、基于损伤张量演化的灾变危险区空间定位与破坏模式识别：将反演与预测所得波速场转换为二阶损伤张量场：根据不同方向射线簇的波速平方比进行椭球拟合，获得损伤张量主值及主方向；对损伤场序列进行连通域标记与多帧关联追踪，提取损伤区域的几何演化特征；根据损伤特征变化规律，定量划分损伤萌生、稳定扩展与加速局部化三阶段；依据损伤张量主值比与主方向特征，自动判识破坏模式；结合convlstm多次随机前向传播生成灾变概率图，圈定高、中风险区域，输出危险区信息。

11、进一步的，在步骤s2中，所述拾取初至时间采用长短时窗比法（sta/lta）与赤池信息准则（aic）联合自动拾取，辅以人工修正。

12、进一步的，在步骤s3中，所述折射路径迭代求解方法包括：以待求的水岩入射点与出射点位置为变量，构建包含水中直线段与岩内弯曲段的三段式传播路径模型；岩内路径采用基于dijkstra算法的最短路径法进行弯曲射线追踪；以界面斯涅尔定律残差为目标函数，采用牛顿拉夫逊法迭代求解入射点与出射点坐标，扣除水介质传播时间后获得岩石内部真实声波走时，作为波速场反演的观测数据。

13、进一步的，在步骤s3中，声波完整传播路径分为水中入射段、岩石内部透射段、水中出射段三段，三段式折射路径模型建立方法如下：

14、选取岩石试件高度中点水平截面作为分析平面，建立以试件截面圆心为原点的二维直角坐标系，设岩石试件半径为，截面边界方程为；记发射探头坐标为，接收探头坐标为；水介质波速为；岩石内部当前波速场为；

15、待求解未知量为声波在水岩界面的入射点和在岩水界面的出射点，两点均位于试件圆周上，满足,；

16、给定和坐标后，分别计算两段水中传播走时：

17、

18、

19、式中，为声波水中入射段走时，为声波水中出射段走时。

20、进一步的，步骤s3中采用最短路径法结合dijkstra算法求解岩内弯曲射线，具体包括：

21、岩石内部波速场呈非均匀分布，声波传播满足程函方程；将岩石截面离散为正方形网格并赋予各网格慢度，构建网格节点拓扑连接，以节点距离与网格平均慢度定义边传播走时；

22、以水岩入射点为源点运行dijkstra算法，遍历网格节点并更新最短传播走时，到达出射对应节点时提前终止计算，反向回溯得到离散射线路径节点；

23、对离散节点序列采用三次样条插值平滑处理得到连续光滑岩内声波曲线，插值过程满足坐标连续、二阶导数连续及自然边界约束条件。

24、进一步的，在步骤s4中，所述联合迭代重建法的慢度更新公式为：

25、

26、

27、其中，为穿过第j个网格的射线总数，为第i条射线在第j个网格内的路径长度。

28、进一步的，在步骤s4中，所述显式正则化平滑步骤为：

29、将正则化问题转化为迭代形式：每次迭代中，先按联合迭代重建法更新得到，然后求解一个平滑步骤：

30、

31、该问题有显示解：

32、

33、建稀疏矩阵：

34、

35、构建求解方程：

36、

37、是稀疏对称正定矩阵，可采用共轭梯度法快速求解，无需显式求逆，每次联合迭代重建法迭代后调用一次共轭梯度法(cg)求解器，得出正则化后的慢度；上式中，λ为正则化参数，l为一阶差分正则化矩阵。

38、进一步的，在步骤s5中，构建基于卷积长短期记忆网络的时空序列预测模型，所述卷积长短期记忆网络采用编码器和解码器构成的对称结构；

39、编码器由多层convlstm（卷积长短期记忆网络）堆叠而成，逐层提取输入波速场序列的时空特征；第一层convlstm输入为归一化波速场图像帧，后续各层输入为上一层输出隐藏状态；编码器最终输出最后一个时间步的隐藏状态与细胞状态，作为解码器初始时空特征；

40、解码器堆叠同等层数convlstm，结构与编码器对称，初始状态直接复制编码器输出特征；预测阶段解码器循环迭代生成未来多帧波速场，每一步预测结果送入下一层网络，最后通过映射得到单通道波速场预测图像；

41、模型离线训练时采用融合均方误差、图像结构相似性、梯度差异的复合损失函数，使用adam优化器迭代收敛，训练完成的网络用于实时波速场超前预测。

42、进一步的，在步骤s6中将波速场转换为损伤变量场，包括：

43、定义波速损伤变量：

44、

45、式中：为时刻在位置处的反演波速值；为该位置在初始无损状态下的波速值。

46、（三）、技术效果

47、本发明与现有技术相比优点在于：

48、1、本发明通过非接触式测试体系，实现了加载破坏全过程波速数据的连续、稳定获取。

49、2、本发明发展了正则化联合迭代重建层析成像反演方法，实现了岩体内部波速场空间分布的可视化表征，将传统方法的“点”或“线”波速信息拓展为“面”或“体”的分布图像，揭示了岩体内部非均匀损伤的空间演化过程。

50、3、本发明构建了融合物理约束的卷积长短期记忆网络时空预测模型，实现了对波速场演化趋势的超前预测与多级预警。

51、4、本发明提出了基于二阶损伤张量演化的危险区空间定位与破坏模式判识方法，实现了灾变高风险区域的圈定与破坏模式的自动识别。

52、5、本发明将非接触式声学测试、考虑界面折射的走时提取、正则化层析成像反演、物理信息约束的时空序列预测以及损伤张量空间定位有机融合，形成了一套完整的“感知—反演—预测—定位”闭环技术体系，为深部岩体工程灾变预警提供了科学、系统、可靠的技术解决方案。