0 引言
為了適應(yīng)石油和天然氣戰(zhàn)略儲(chǔ)備需求，我國(guó)正在投資建設(shè)大型地下水封洞庫(kù)。地下水封洞庫(kù)主要由地下結(jié)構(gòu)部分和地面部分組成，其中地下結(jié)構(gòu)部分主要由主洞室群、施工巷道、水幕巷道和豎井等結(jié)構(gòu)組成，主洞室按一定方位并行布置，每2～3個(gè)主洞室通過(guò)連接巷道相連組成一個(gè)罐體，施工巷道則根據(jù)施工需要沿主洞室群周邊和內(nèi)部布置，水幕巷道布置在主洞室群頂部，某地下水封洞庫(kù)工程布置詳見圖1[1]。
圖1 某地下水封洞庫(kù)布置圖
地下水封洞庫(kù)處于穩(wěn)定的地下水位線以下一定深度[2]，通過(guò)人工在地下巖石中開挖一定容積的洞室，利用穩(wěn)定地下水的水封作用密封儲(chǔ)存在主洞室內(nèi)的油品，由于巖壁中充滿地下水的靜壓力大于儲(chǔ)油靜壓力，油品始終被封存在有巖壁和裂隙水組成的封閉的空間里，使油品不會(huì)滲漏出去，水封儲(chǔ)油原理詳見圖2。
圖2 水封儲(chǔ)油原理示意圖
為了確保地下水封洞庫(kù)工程安全，需利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析了解和掌握地下結(jié)構(gòu)安全性狀，同時(shí)還應(yīng)利用已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)以了解結(jié)構(gòu)未來(lái)變化性狀。但于我國(guó)剛投資新建大型地下水封洞庫(kù)，對(duì)地下水封洞庫(kù)工程關(guān)鍵技術(shù)的研究處于起步階段，其中特別是地下水封洞庫(kù)安全監(jiān)測(cè)理論方面的研究成果較少。
地下水封洞庫(kù)變形是多種因素協(xié)同作用、共同影響的結(jié)果，主要包括地應(yīng)力、巖體地質(zhì)構(gòu)造與力學(xué)性質(zhì)、地下水、溫度、時(shí)間效應(yīng)等巖體特性影響因素，以及洞室布置型式和施工型式等工程特性影響因素。傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型在考慮主要影響因素的前提下通過(guò)構(gòu)造影響因子的數(shù)學(xué)形式形成預(yù)置因子集，采用統(tǒng)計(jì)回歸方法建立影響因子與監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的數(shù)學(xué)關(guān)系式[3]。由于地下水封洞庫(kù)工程受多種巖體特性和工程特性影響因素的影響，考慮到我國(guó)地下水封洞庫(kù)工程剛處于起步階段，現(xiàn)暫無(wú)足夠的資料研究并論證地下水封洞庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型，特別是儲(chǔ)油期間監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型。地下水封洞庫(kù)監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的變化過(guò)程是一個(gè)典型的以時(shí)間為排列順序的時(shí)序遞推變化過(guò)程，其本身蘊(yùn)含著結(jié)構(gòu)變化的重要信息，通過(guò)分析蘊(yùn)含在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的重要信息能夠?yàn)榉治龊团袛嘟Y(jié)構(gòu)安全提供理論支撐，目前時(shí)間序列分析方法已在大壩監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了充分應(yīng)用，并得到實(shí)踐的驗(yàn)證，因此，本文試圖以時(shí)間序列分析方法為理論基礎(chǔ)，以地下水封洞庫(kù)變形監(jiān)測(cè)效應(yīng)量為研究對(duì)象，建立地下水封洞庫(kù)變形時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)具體工程實(shí)例驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的可行性。
1 ARIMA模型原理
2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平穩(wěn)處理
對(duì)于地下水封洞庫(kù)監(jiān)測(cè)效應(yīng)量數(shù)據(jù)序列應(yīng)首先對(duì)其進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)，平穩(wěn)性時(shí)間序列需滿足均值
平穩(wěn)性檢驗(yàn)采用散點(diǎn)圖直觀判斷法，由過(guò)程線圖5(d)可知，3條收斂監(jiān)測(cè)測(cè)線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均不屬于平穩(wěn)時(shí)間序列，需對(duì)其進(jìn)行差分處理以完成平穩(wěn)化。
對(duì)三組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分后仍未平穩(wěn)，因此，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二階差分，見圖5(a)～圖5(c)所示，結(jié)果表明二階差分后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平穩(wěn)，可用于分析預(yù)測(cè)，故差分次數(shù)d＝2。
利用SPSS軟件求得標(biāo)準(zhǔn)化的AIC作為判定模型p、q的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果如表2 (a)～1(c)所示。
由表可知：測(cè)線①(0,2,1)為最佳模型，測(cè)線②(0,2,0)為最佳模型，測(cè)線③(0,2,1)為最佳模型。
測(cè)線①、測(cè)線②、測(cè)線③于
注：表中“差值”=“實(shí)測(cè)值”-“預(yù)測(cè)值”
圖5(d) 實(shí)測(cè)值、擬合值及預(yù)測(cè)值過(guò)程線圖
由表和圖可知，各預(yù)測(cè)測(cè)次的預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差(│預(yù)測(cè)值-實(shí)測(cè)值│)均很小，絕大部分預(yù)測(cè)測(cè)次的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差(│預(yù)測(cè)值-實(shí)測(cè)值│/實(shí)測(cè)值)小于1%，最大相對(duì)誤差僅為2%，預(yù)測(cè)效果良好，說(shuō)明不考慮主要影響因素對(duì)監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的影響，而僅通過(guò)監(jiān)測(cè)效應(yīng)量本身監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析也能在一定程度實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性狀的預(yù)測(cè)，即采用時(shí)間序列分析預(yù)測(cè)模型對(duì)地下水封洞庫(kù)圍巖變形進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。
7 結(jié)論
工程實(shí)例表明采用時(shí)間序列分析方法建立的地下水封洞庫(kù)變形監(jiān)測(cè)ARIMA模型擬合效果好，預(yù)測(cè)精度高，其預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差小，最大相對(duì)誤差僅為2%，表明采用時(shí)間序列分析方法建立的地下水封洞庫(kù)變形監(jiān)測(cè)ARIMA模型是可行，可用于地下水封洞庫(kù)變形監(jiān)測(cè)資料分析，因此，預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用既能夠?yàn)楣こ虒?shí)際服務(wù)，又能補(bǔ)充地下水封洞庫(kù)安全監(jiān)測(cè)理論研究成果。由于時(shí)間序列分析方法未考慮影響因子對(duì)監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的影響，而僅從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變形性狀，因此，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)變形性狀的預(yù)測(cè)，但仍具有一定的局限性，未來(lái)在具備條件的情況下應(yīng)深入研究、建立并驗(yàn)證考慮影響因子影響的地下水封洞庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型。
