基于BP神经网络的周口店遗址裂缝变形监测数据分析与预测

周口店遗址是世界范围内更新世古人类遗址中内涵较丰富、材料较齐全、较有科研价值的遗址之一,是我国古人类学、旧石器时代考古学和第四纪地质学的科研基地。国家对周口店遗址的长期保护和监测,留存了大量的不同类型的监测数据,但是长期以来对这些监测数据缺乏深层次的数据挖掘和高效利用。基于周口店遗址的地质资料和实地勘察,利用反向传播(back propagation,BP)神经网络方法,运用时间序列预测原理,结合周口店遗址的原始监测数据,对周口店遗址第3地点裂缝变形状况展开了预测研究,并将预测研究分为补全缺失数据和预测未来数据2个方面。结果表明,基于BP神经网络和周口店遗址监测数据所构建的预测模型,经过大量的数据训练,具有较高的预测精度,能够通过预测实现对监测数据缺失部分的补全工作和对监测数据未来发展的预测工作。该研究成果为周口店遗址监测数据的处理提供了一种新方法,丰富了周口店遗址监测中心对大量监测数据的处理手段;此外,构建的周口店遗址第3地点的裂缝变形预警等级结构,对周口店遗址后续预防性保护工作的开展具有重要意义。

自然条件下石窟岩石裂缝宽度的变化规律

以北京周口店猿人洞遗址侧壁上的钙质胶结砾岩为研究对象,通过12个岩石测缝计连续7年监测数据和周边环境监测数据的统计分析,得出自然条件下石窟岩石裂缝的变化规律。研究表明:(1)自然条件下,岩石裂缝宽度呈现出季节性、周期性变化规律,采用适宜于非平稳季节的差分自回归滑动平均模型(autoregressive integrated moving average model,简称ARIMA模型)对裂缝宽度进行预测,其中ARIMA(2, 1, 1)模型的拟合精度最高。(2)岩石裂缝宽度与环境温度、湿度呈负相关性关系,与环境温度的相关性明显高于湿度;岩石裂缝宽度变化滞后于环境温度和湿度的变化,与温度的滞后相关性高于湿度,与温度的滞后时间远小于与湿度的滞后时间。(3)岩石裂缝宽度与环境温度的相关性及滞后相关性程度为常温>高温>低温>极端低温;滞后时间为极端低温>低温>高温;周边环境相对湿度越稳定,它们的相关性越高。(4)相同温度下,岩石裂缝宽度随时间呈缓慢增长趋势,近似呈指数增长或指数渐近式分布。(5)环境温度相同条件下,湿度越稳定,岩石裂缝宽度随时间的增长越缓慢;天然状态下,环境温度越低,岩石裂缝宽度随时间的增长越快。该研究成果有助于深入了解石窟岩石裂缝在自然条件下的扩展规律,为温带季风气候地区岩石古遗址、石窟、石刻等的预防性保护提供了裂缝变化的参考依据。

岩体表层凝结水的形成与转化规律:对岩石风化水分来源的指示意义

水对岩石风化具有重要控制作用,但人们对非露天岩石表层的水分来源一直认识不足。本文以我国北方云冈石窟的岩石壁面为例,利用频域反射技术开展了岩石浅表层含水率监测,利用2020年5月至2021年5月逐小时的岩石视含水率数据为例,识别了夏季和冬季岩石含水率波动的控制机理。从6月初到10月初,大气湿度变化是岩石视含水率先增大后减小的直接控制因素,当存在指向山体内部的大气湿度梯度时,水汽迁移至岩石孔隙内,发生毛细凝聚转变为液态水,从而引起视含水率增大;当存在指向山体外部的大气湿度梯度时,岩石孔隙内的液态水蒸发,从而引起岩石视含水率下降。从10月中旬至次年6月初,岩石普遍较干燥,但是12月中旬浅部岩石含水率在冻结吸力控制下还是会发生明显增大现象,表明岩石中存在可迁移、可发生化学风化的弱结合水。本研究识别了非露天石质文物壁面水分的一种重要来源,加深了对凝结水形成机理及其对风化控制作用的认识,可为石质文物保护提供决策依据。