輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的BP網(wǎng)絡(luò)模型

韋立德，安少鵬，李鵬云，段華雍

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071；2.廣東網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510600；3.南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063)

1 概述

應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP模型建立土質(zhì)邊坡安全系數(shù)估算方法，國內(nèi)文獻(xiàn)首先做了探討，他們采用文獻(xiàn)邊坡實(shí)例建立邊坡穩(wěn)定性預(yù)測模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立的模型是普遍性和考慮孔隙壓力比的，普遍性體現(xiàn)在的模型考慮了土坡、尾礦壩、甚至巖坡情況。此后也有類此工作，有的針對(duì)黃土邊坡建立邊坡安全系數(shù)估算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。但是針對(duì)廣東土坡的邊坡安全系數(shù)估算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型還沒有相關(guān)研究成果。

電塔基礎(chǔ)的承載體邊坡猶如皮膚，電塔基礎(chǔ)猶如膚毛，“皮之不存，毛將焉附”能夠非常恰當(dāng)?shù)男稳萘穗娝A(chǔ)對(duì)它下面邊坡的依賴關(guān)系。如果邊坡因?yàn)榛禄蛘邲_刷導(dǎo)致完全失去承載功能失效或承載功能下降，往往導(dǎo)致其上電塔倒塌、傾斜而失去掛線功能。由此可見邊坡對(duì)電塔的重要性。邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算一般采用數(shù)值計(jì)算方法，極限平衡法是在工程中應(yīng)用最廣也是最可靠的數(shù)值計(jì)算方法之一，該方法在應(yīng)用時(shí)其準(zhǔn)備工作較繁瑣，考慮降雨時(shí)一般要進(jìn)行滲流計(jì)算。邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算如果采用一般的邊坡穩(wěn)定性預(yù)測模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型沒有針對(duì)性，作為輸電線路塔基維護(hù)的供電局職工為了考慮滲流影響要確定孔隙壓力比也比較困難。因此，為了輸電線路塔基維護(hù)方便有效，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP模型建立具有針對(duì)性的土質(zhì)邊坡安全系數(shù)估算方法具有實(shí)用意義。

本文基于工程實(shí)例，針對(duì)廣東輸電線路塔基邊坡情況探索應(yīng)用正交試驗(yàn)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP模型建立土質(zhì)邊坡安全系數(shù)估算方法，研制相應(yīng)程序，并對(duì)廣東輸電線路塔基邊坡情況進(jìn)行預(yù)報(bào)與對(duì)比，論證該估算方法的合理性。

2 模型的建立和實(shí)現(xiàn)

2.1 BP網(wǎng)絡(luò)模型

本文采用誤差逆?zhèn)鞑?簡稱BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，所謂誤差逆?zhèn)鞑ナ前演敵鰧映霈F(xiàn)的誤差歸結(jié)為各連接權(quán)的“過錯(cuò)”。通過把輸出層單元的誤差逐層向輸入層“分?jǐn)偂苯o各層單元，從而獲得參考誤差，并調(diào)整各邊連接權(quán)。

2.2 廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測模型探索

我們?cè)趯?duì)廣東韶關(guān)地區(qū)、河源地區(qū)、梅州地區(qū)等地區(qū)輸電線路塔基邊坡工程廣泛地質(zhì)調(diào)查和資料收集分析基礎(chǔ)上，認(rèn)為廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡工程地質(zhì)特征各參數(shù)變化范圍為密度1400～2300kg/m3、凝聚力0～60kPa、內(nèi)摩擦角12°～39°、坡角6°～66°、坡高0～50m，參照文獻(xiàn)[1-3]把這五個(gè)因素作為邊坡穩(wěn)定性最重要影響因素，而降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響通過密度、凝聚力和內(nèi)摩擦角體現(xiàn)。根據(jù)廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡工程地質(zhì)特征各參數(shù)變化范圍，采用正交法按照l16(45)創(chuàng)建的16個(gè)危險(xiǎn)圓弧破壞的、安全系數(shù)采用極限平衡法的土坡實(shí)例是建立邊坡穩(wěn)定性影響因素和安全系數(shù)影射關(guān)系所需要的最少訓(xùn)練樣本，見表1。按照慣例，采用表1土坡實(shí)例作為訓(xùn)練樣本，建立邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)預(yù)測BP網(wǎng)絡(luò)模型，并且所建立的模型適合用于廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)報(bào)，達(dá)到滿足這些條件即是所建的廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測模型。為此，我們采用表1數(shù)據(jù)進(jìn)行了很多次BP網(wǎng)絡(luò)建模訓(xùn)練，曾經(jīng)也得到過誤差極小的訓(xùn)練結(jié)果，但是采用自己訓(xùn)練得到BP網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性預(yù)測的計(jì)算結(jié)果和極限法結(jié)算結(jié)果對(duì)比誤差很大，因此不適合于土坡穩(wěn)定性安全系數(shù)預(yù)測，未求得打算建立的廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測模型。

表1 基于正交法建立的廣東地區(qū)土質(zhì)邊坡實(shí)例

2.3 廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測模型的建立

從文獻(xiàn)[3,6]收集了30個(gè)危險(xiǎn)圓弧破壞的、不考慮孔隙壓力比的且符合廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡工程地質(zhì)特征各參數(shù)變化范圍的土坡實(shí)例，其安全系數(shù)采用極限平衡法計(jì)算后修正，見表1。注意，雖然文獻(xiàn)[1、2]采用文獻(xiàn)[3]邊坡實(shí)例建立邊坡穩(wěn)定性預(yù)測模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，他們建立的模型是普遍性和考慮孔隙壓力比的，普遍性體現(xiàn)在他們的模型考慮了土坡、尾礦壩、甚至巖坡情況，參數(shù)變化范圍大容易導(dǎo)致具體問題預(yù)測結(jié)果精度降低；本文是征對(duì)廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡工程地質(zhì)特征各參數(shù)變化范圍取邊坡實(shí)例且不考慮孔隙壓力比，參數(shù)變化范圍相對(duì)小些和減少影響因素這些措施都是為了提高精度，另外邊坡實(shí)例安全系數(shù)采用極限平衡法(Beshop法和Janbu法)計(jì)算后修正，是本文和文獻(xiàn)[1,2]的主要不同點(diǎn)。

邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用四層結(jié)構(gòu)，影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素，如土體容重、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、邊坡角、邊坡高度等用網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)表達(dá)，安全系數(shù)用網(wǎng)絡(luò)的輸出節(jié)點(diǎn)表達(dá)。網(wǎng)絡(luò)的輸入層與輸出層之間的隱含層可有一個(gè)或多個(gè)。本例中采用自適應(yīng)方法確定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為5-8-2-1。采用BP模型計(jì)算的安全系數(shù)和采用極限平衡法計(jì)算的安全系數(shù)很一致。

采用該BP網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)表1實(shí)例進(jìn)行預(yù)報(bào)計(jì)算并與極限平衡法計(jì)算結(jié)果，詳見表1，可見采用建立的BP網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果和采用極限平衡法計(jì)算結(jié)果比較一致，在極限狀態(tài)附近它們誤差很小，而離極限狀態(tài)較遠(yuǎn)情況它們是否穩(wěn)定判定正確，因此可把建立的BP網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)值和閥值當(dāng)作由正交法建立的16個(gè)邊坡實(shí)例樣本建立的BP網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)值和閥值。由于該土坡穩(wěn)定性安全系數(shù)預(yù)測BP網(wǎng)絡(luò)模型滿足采用表1土坡實(shí)例作為訓(xùn)練樣本建立模型的要求，并且所建立的模型適合用于廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)報(bào)(或者說能夠應(yīng)用于如表2邊坡實(shí)例穩(wěn)定性預(yù)報(bào))，所以所建立的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)預(yù)測BP網(wǎng)絡(luò)模型就是廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測BP網(wǎng)絡(luò)模型。

表2 危險(xiǎn)圓弧破壞的邊坡實(shí)例

2.4 廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測BP網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用

為了有效的對(duì)廣東地區(qū)輸電線路進(jìn)行塔基滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，我們利用所建立的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)預(yù)測BP網(wǎng)絡(luò)模型作為廣東地區(qū)輸電線路塔基滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中邊坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型，基于intel Fortran計(jì)算機(jī)語言研制了廣東地區(qū)輸電線路塔基滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。圖1為對(duì)表1樣本2進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)預(yù)測的計(jì)算結(jié)果，由該結(jié)果和極限平衡法計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測BP網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用使廣東地區(qū)輸電線路塔基滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中邊坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)計(jì)算得到大大簡化，比較方便實(shí)用。

圖1 廣東地區(qū)輸電線路塔基滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)

3 結(jié)語

本文基于工程實(shí)例，針對(duì)廣東輸電線路塔基邊坡情況探索應(yīng)用正交試驗(yàn)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP模型建立土質(zhì)邊坡安全系數(shù)估算方法，研制相應(yīng)程序，并對(duì)廣東輸電線路塔基邊坡情況進(jìn)行預(yù)報(bào)與對(duì)比，計(jì)算結(jié)果表明該估算方法合理可靠。

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