一种大纵坡富水隧道运营期涌水量预测方法及利用系统

1.一种大纵坡富水隧道运营期涌水量预测方法，其特征在于：所述预测方法包括：步骤一、对采集的数据进行预处理后，根据隧道围岩分布状态及监测数据，利用古德曼公式，结合地质参数及各层结构特性，建立分层涌水量物理计算模型；步骤二、将多源实测数据作为网络输入，将古德曼理论解作为物理约束项，对建立的PINN模型进行训练；步骤三、使用训练优化后的PINN模型对隧道沿线各监测点实时采集的地质、水文和涌水量数据进行智能解算，在不同工况和多时段下，生成各监测点的涌水量动态预测值；所述根据隧道围岩分布状态及监测数据，利用古德曼公式，结合地质参数及各层结构特性，建立分层涌水量物理计算模型包括：依据隧道运营期沿线实测地质勘探资料，对隧道断面进行分层划分；根据历史检测获取初始水头数据H，根据古德曼理论推导并结合分层结构，建立隧道断面分层涌水量物理计算模型为 ，其中， 为围岩渗透系数， 为注浆圈渗透系数， 为衬砌渗透系数， 为衬砌内径半径， 为衬砌外半径， 为注浆圈外半径， 为围岩外边界半径；利用分层涌水量物理计算模型结合多组监测点参数，完成各监测点、各区段分层涌水量理论解的批量计算；所述步骤二具体包括以下内容：A1、整理并集合多源实测数据作为网络的输入数据集，多源实测数据包括地层结构参数、环境参数、各监测点历史及实时涌水量；A2、设计PINN结构，确定输入层、隐藏层、若干全连接层及输出层的神经元数量以及激活函数；A3、根据古德曼公式建立的分层涌水量计算模型，将其解析解作为PINN模型的物理约束项，以确保PINN模型预测结果与监测数据拟合以及符合隧道水力-地质物理机理；A4、设定PINN模型训练过程中总损失函数为数据拟合损失与物理约束损失的加权组合，数据拟合损失度量PINN模型输出与实际监测涌水量的误差，物理约束损失度量PINN模型输出与古德曼公式理论解的偏差，实现机理驱动与数据驱动的有机融合；A5、利用多源实测数据对网络进行迭代训练，通过反向传播算法最小化总损失函数，提升模型预测精度，并在训练过程中引入交叉验证防止过拟合，通过留出法对训练效果进行评估，确保模型的泛化能力；A6、根据验证结果，调整网络架构、超参数及损失权重，反复优化模型性能。 2.根据权利要求1所述的一种大纵坡富水隧道运营期涌水量预测方法，其特征在于：所述预测方法还包括数据采集与预处理步骤，其具体包括以下内容：B1、根据隧道沿线地质建造和运营期风险分区，布设涌水量监测点、地下水位监测井、渗漏点观测点及气象数据采集点，明确每类数据的采集对象、采集频率、传感类型以及数据传输路径，保证监测数据的时空连续性和覆盖代表性；B2、隧道建设期，采用地质钻探设备，获取各监测点岩土样品，用于地层分层及埋深分析；采用地质雷达探测仪，进行隧道及周边地下结构快速无损探查；采用地震检波器与地震波仪，辅助判定断层及岩体结构完整性；采用地下三维扫描仪，构建隧道周边地层的三维模型，补足空间分布信息；采集的数据涵盖围岩类别、节理裂隙、围岩完整性、衬砌厚度与注浆圈参数；B3、隧道运营期，采用地下水位自动监测仪在隧道沿线及周边布设的监测井中，实时采集各监测点的地下水水头高度数据；利用渗透系数测试仪，对不同地段围岩及含水层进行原位渗透性测试，获知各区段渗透系数变化；结合GPRS/物联网远程传输模块，实现地下水位和渗透性数据的自动采集与远程传输；B4、隧道运营期，采用自动流量计对隧道沿线各监测点进行涌水量的连续监测，实时获取各区段的涌水流量数据；采用渗漏点观测装置，精准记录隧道内各渗漏点的位置及流量变化；应用数据采集终端与物联网远程传输模块，实现涌水量与渗漏数据的在线自动采集和远程传输；B5、隧道运营期，通过自动化处理系统对汇总的涌水量、地下水位、渗透系数进行统一管理，利用异常检测工具自动剔除极端值，缺失数据采用插值或历史数据估算补全，所有数据转换为统一量纲和标准格式后，归一化处理并存入数据库，确保信息安全可靠。 3.一种基于大纵坡富水隧道运营期涌水量预测方法的水能资源化利用系统，其特征在于：所述系统包括工程条件确认与数据输入装置、导水收集系统布设装置、旁通与安全排放系统设置装置、监控与反馈装置；所述工程条件与数据输入装置：用于接收隧道不同断面的涌水预测结果，并将预测结果转换为可用于系统调控的输入参数，建立用水工况库，并确定安全边界条件；所述导水收集系统布设装置：用于沿隧道纵坡布设，用于将各断面产生的涌水汇集并导入主汇水管，用于削减涌水流量波动并调节储水量，用于将涌水的势能转化为电能，并将所产生的电能供给隧道通风、照明和监测的设施；所述旁通与安全排放系统设置装置：用于在机组检修或来水量超过发电能力时将涌水直接排出隧道；所述监控与反馈装置：用于实时采集水流量、水位及发电功率参数，并基于涌水预测结果调节导水收集系统与旁通与安全排放系统的运行状态。 4.根据权利要求3所述的一种基于大纵坡富水隧道运营期涌水量预测方法的水能资源化利用系统，其特征在于：所述导水收集系统布设模块具体包括以下内容：采集隧道纵坡线形、关键标高、洞内既有排水构造与设备间位置；将已获得的不同断面涌水预测结果及汇水位置输入至数据模块，建立断面-时间的涌水工况库；依据运营期负荷类型生成目标功率/负荷曲线，作为后续运行调度基准；确定安全边界条件：洞内允许水位区间、最大允许背压、最小稳定过流条件、隧道结构防水等级与运维检修窗口。 5.根据权利要求3所述的一种基于大纵坡富水隧道运营期涌水量预测方法的水能资源化利用系统，其特征在于：所述导水收集系统布设装置包括导水收集系统、稳压与蓄能单元和能量转化单元；所述导水收集系统：沿隧道纵坡分布式布设，用于将各断面产生的涌水汇集并导入主汇水管；所述稳压与蓄能单元：与主汇水管连通，用于削减涌水流量波动并调节储水量；所述能量转化单元：设置于隧道纵坡下游位置，用于将涌水的势能转化为电能，并将所产生的电能供给隧道通风、照明和监测的设施。 6.根据权利要求3所述的一种基于大纵坡富水隧道运营期涌水量预测方法的水能资源化利用系统，其特征在于：所述旁通与安全排放系统设置装置具体包括以下内容：在发电机组前设置旁通管与快速切换阀，在机组故障、检修或流量低于最小稳定值时自动切换旁通直排；发电机组尾水并入尾水渠或者既有排水系统，确保洞内排水安全优先原则随时满足；设置手动或电动双回路控制与机械限位，保证紧急状态下的可靠切换。 7.根据权利要求3所述的一种基于大纵坡富水隧道运营期涌水量预测方法的水能资源化利用系统，其特征在于：所述监控与反馈装置具体包括监测点布置单元、运行调度与控制策略单元：所述监测点布置单元：在各支路设置流量计与阀位反馈点，在干管设置压力/流量监测点，在稳压单元设置液位与溢流监测点；在压力管道设置压力与水锤事件记录，在发电机组设置转速、功率、温升与振动监测点；监测信号接入控制器，与数据与调度模块联动，实现远程或就地两级控制；所述运行调度与控制策略单元：功率跟踪模式：当需要跟踪运营期目标负荷时，依据实时水头计算目标入机流量并限幅，通过导叶或阀门实现闭环调节；水位稳定模式：当以排水安全优先时，控制目标为维持溢流水位 在 之间，入机流量与旁通量 按水位偏差分配，hS，min为最小溢流水位，hS，max为最大溢流水位；支路选择：综合可用水头与损失确定支路优先级，优先启用高水头、低损失支路；安全联锁：当任一监测量超限，系统触发相应联锁，包括减载、开旁通、停机、溢流排放。