基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的竹溪魯灘壩滑坡穩(wěn)定性分析

周迎　易武　余慶

摘要：魯灘壩滑坡位于竹溪縣新州鎮(zhèn)魯灘壩村。自2016年以來，魯灘壩滑坡一直處于持續(xù)變形階段，直接導(dǎo)致其下方部分居民房屋被破壞。本文在掌握滑坡區(qū)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問，對(duì)魯灘壩村滑坡的地質(zhì)與變形特征進(jìn)行了詳細(xì)的描述;并通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)滑坡進(jìn)行敏感性分析得出結(jié)論，在降雨工況下該類滑坡可能發(fā)生局部圓弧形滑移破壞，發(fā)生整體或大規(guī)?；谱冃纹茐牡目赡苄暂^小。本研究對(duì)類似工程穩(wěn)定性分析具有借鑒與指導(dǎo)意義。

Abstract： Lutanba landslide is located in Lutanba village， XinZhou town， ZhuXi county. Since 2016， the Lutanba landslide has been in a continuous deformation stage， directly causing the destruction of some residents' houses below it. Based on the geological data of the landslide area and the field investigation， the geological and deformation characteristics of Lutanba landslide are described in detail. Through the sensitivity analysis of the landslide by BP neural network， the conclusion is drawn that under the working condition of rainfall， this kind of landslide may occur partial circular arc slip failure， and it is less likely to occur overall or large-scale slip deformation failure. This study has reference and guiding significance for the stability analysis of similar projects.

關(guān)鍵詞：魯灘壩滑坡;變形特征;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);穩(wěn)定性分析

Key words： Lutanba landslide;deformation features;BP neural network;stability analysis

中圖分類號(hào)：P642.22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）28-0273-05

0? 引言

魯灘壩滑坡位于竹溪縣新州鎮(zhèn)魯灘壩村，匯灣河的右岸。自2016年以來，魯灘壩村滑坡一直處于持續(xù)變形階段，直接導(dǎo)致其下方部分居民房屋被破壞。本文以魯灘壩村滑坡為例，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)滑坡進(jìn)行敏感性分析，建立滑坡變形和影響因素之間的映射，從而計(jì)算出各變形因素的敏感度系數(shù)，最終識(shí)別造成該滑坡變形的關(guān)鍵因素。

本文通過收集到的勘查資料和野外調(diào)查訪問，研究了滑坡的地質(zhì)特征和變形特征，在此基礎(chǔ)上，對(duì)滑坡的影響因素及滑坡的穩(wěn)定性[1]進(jìn)行了探討。

1? 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

新洲鄉(xiāng)屬構(gòu)造剝蝕中低山嶺重丘區(qū)，其海拔在276～1150m之間，地勢(shì)高低起伏較大，溝壑縱橫，地形破碎、坡陡。

滑坡所在區(qū)總體地勢(shì)為南高北低，地形坡度20°～25°，匯灣河為區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面。滑坡平面呈舌形，地形坡度上緩下陡，中前部為居民耕地，局部經(jīng)人工改造存在陡坎地形?；鹿こ痰刭|(zhì)平面圖見圖1、滑坡工程地質(zhì)平面圖見圖2。

1.2 地層巖性

根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔揭露及地表調(diào)查，場(chǎng)地地層由新到老、從上至下分別為第四系滑坡堆積層（Qdel）、第四系殘坡積層（Q4el+dl）以及志留系中下統(tǒng)（S1-2）基巖。各巖土層的構(gòu)成與特征分述如下：

1.2.1 第四系滑坡堆積層（Qdel）

含碎石粉質(zhì)粘土：灰褐色，松散～稍密，稍濕，硬塑，淺部見植物根系，碎塊石成分主要為砂巖，粒徑0～1cm左右，呈次棱角狀，土石比9：1～8：2，巖芯呈短柱狀。

1.2.2 第四系殘坡積層（Q4el+dl）

含碎石粉質(zhì)粘土：灰褐色～黃褐色，密實(shí)，稍濕～較濕，硬塑～可塑，碎塊石成分主要為砂巖，粒徑0～3cm左右，呈棱角狀～次棱角狀，土石比9：1～8：2，巖芯呈短柱狀。在3.5m～3.7m可見石英塊石，巖芯呈短柱狀，在13.6～14.6可見砂巖塊石，巖芯呈餅狀～短柱狀。主要分布于地表以下1.5m～15m左右。

1.2.3 志留系中下統(tǒng)（S1-2）基巖

砂巖： 淺灰色，很濕，強(qiáng)風(fēng)化，巖芯呈散狀～短柱狀，底部可見短柱狀硅質(zhì)砂巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造上，本區(qū)大地構(gòu)造單元屬于秦嶺褶皺系、大巴山加里東褶皺帶，老縣—竹溪復(fù)向斜、竹溪褶皺束的東南翼，褶皺束呈北西向展布，北以竹山斷裂為界，與南秦嶺印支褶皺帶相鄰，東抵青峰斷裂，西接老縣褶皺束，南在八卦山-葛洞口一線，與平利復(fù)背斜的八角廟褶皺束為過渡關(guān)系。在鄂西北地質(zhì)構(gòu)造劃分中，本區(qū)歸屬于秦嶺地槽區(qū)，主要位于竹溪斷裂南側(cè)，該構(gòu)造是勘查區(qū)內(nèi)體系不明之構(gòu)造，為一組北西—南東向展布，規(guī)模比較大的壓斷裂組成，該組斷裂是在緯向構(gòu)造的基礎(chǔ)上加以發(fā)展，改造而成，因此斷裂部分地段與緯向構(gòu)造發(fā)生重接復(fù)合，兩者難以區(qū)分[2]。但沿?cái)嗔炎呦蜃匪餍鼻芯曄驑?gòu)造、斜切地層走向獨(dú)自展現(xiàn)。挽近時(shí)期沿?cái)嗔褧r(shí)有地震活動(dòng)，說明該組斷裂具長(zhǎng)期活動(dòng)的特點(diǎn)[3]。區(qū)內(nèi)構(gòu)造綱要圖見圖3。

滑坡區(qū)一帶總體屬單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀220°∠25°。巖體主要發(fā)育1組裂隙（節(jié)理），產(chǎn)狀為220°∠80～85°。

2? 滑坡基本特征

2.1 滑坡邊界、規(guī)模、形態(tài)特征

該滑坡前緣高程350m，后緣高程375m，相對(duì)高差25m。左側(cè)（西側(cè)）以沖溝為界，右側(cè)（東側(cè)）以凹槽地形為界，地形坡度20～25°，局部可見陡坎地形。滑坡寬約140m，縱向長(zhǎng)約100m，面積1.08×104m2，平均厚度約為2.5m，體積為3.5×104m3，平面呈圈椅狀地貌，屬小型土質(zhì)滑坡。其中，滑坡東側(cè)主要變形區(qū)（Ⅰ區(qū)）縱向長(zhǎng)約100m，橫向?qū)捈s70m，面積0.59×104m2，平均厚度約為2.5m，體積為1.75×104m3，主滑方向38°，平面呈長(zhǎng)舌型地貌。魯灘壩村滑坡全貌見圖4。

滑坡體的物質(zhì)成分主要為含碎石粉質(zhì)粘土，其中斜坡中上部陡坡地帶坡表主要為碎塊石，灰褐色，松散～稍密，稍濕，硬塑，淺部見植物根系，碎塊石成分主要為砂巖，粒徑0.2～1cm左右，呈次棱角狀，土石比9：1～8：2，巖芯呈短柱狀，厚1～2.5m。

魯灘壩村滑坡滑帶位于地表以下1.2m～2.5m，滑帶土體為粉質(zhì)粘土：灰褐色～黃褐色，很濕，密實(shí)，呈軟塑狀。

魯灘壩村滑坡滑床為含碎石粉質(zhì)粘土，其特征為：灰褐色～黃褐色，密實(shí)，稍濕～較濕，硬塑～可塑，碎塊石成分主要為砂巖，粒徑0.1～3cm左右，呈棱角狀～次棱角狀，土石比9：1～8：2，巖芯呈短柱狀。在3.5m～3.7m可見石英塊石，巖芯呈短柱狀，在13.6～14.6可見砂巖塊石，巖芯呈餅狀～短柱狀。

滑坡前緣處于普溪河洪水位以上地帶，滑坡不涉水?；轮星安糠植加芯用穹课菁肮?，人類工程活動(dòng)較強(qiáng)烈。

2.2 滑坡變形特征

通過對(duì)魯灘壩村滑坡的宏觀地質(zhì)巡查，發(fā)現(xiàn)該滑坡變形主要集中于滑坡東側(cè)，現(xiàn)對(duì)該主要變形區(qū)（Ⅰ區(qū)）變形特征作詳細(xì)闡述。主要變形情況分述如下：

①LF1：位于滑坡前緣北東側(cè)一帶，裂縫走向NW285°，長(zhǎng)約6.5m，寬10～15cm，下錯(cuò)約10cm，與滑坡主滑方向呈近垂直關(guān)系，為拉張裂縫[4]。據(jù)訪問，該裂縫于2016年8月此處修建居民房屋時(shí)首次出現(xiàn)，此后不斷擴(kuò)大至現(xiàn)今狀態(tài)。裂縫局部特征圖見圖5。

②LF2：位于滑坡中部臨近Ⅰ區(qū)右邊界一帶，裂縫走向SW190°，長(zhǎng)約10m，寬5～8cm，與滑坡主滑方向呈近平行關(guān)系，為剪切裂縫[5]。據(jù)訪問，該裂縫于2016年8月首次出現(xiàn)，此后不斷擴(kuò)大至現(xiàn)今狀態(tài)。裂縫局部特征圖見圖6。

③LF3：位于滑坡中前部臨近Ⅰ區(qū)左邊界一帶，裂縫走向NW310°，長(zhǎng)約3m，寬約2～5cm，下錯(cuò)約10cm，與滑坡主滑方向呈近垂直關(guān)系，為羽狀張裂縫[6]。據(jù)訪問，該裂縫于2016年8月首次出現(xiàn)，此后不斷擴(kuò)大至現(xiàn)今狀態(tài)。裂縫局部特征圖見圖7。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，滑坡坡腳中部有一居民房屋變形嚴(yán)重，屋外地面可見多處鼓脹裂縫，裂縫規(guī)模較大，范圍較廣。并且，此處多數(shù)裂縫均為近期形成的新鮮裂縫，據(jù)此方知滑坡近期發(fā)生過變形破壞[7]。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果分析認(rèn)為，2016年坡腳開挖為引起滑坡產(chǎn)生裂縫的根本原因。隨后由于坡腳臨空，加之坡體物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，在坡體自身重力、降雨等條件的影響下，裂縫逐漸增大，同時(shí)坡體中部及滑坡后緣開始出現(xiàn)裂縫并隨著時(shí)間的推移逐漸增大[8]。而2017年6月，受連續(xù)強(qiáng)降雨的影響，已有裂縫變形加劇并伴有新的裂縫產(chǎn)生，致滑坡發(fā)生變形，故連續(xù)強(qiáng)降雨為滑坡變形加劇的主要推動(dòng)因素[9]，滑坡變形的同時(shí)引起了其坡腳房屋及擋墻的變形?？傊?，該滑坡現(xiàn)已對(duì)其下方居民及其房屋構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

3? 滑坡穩(wěn)定性分析

前述內(nèi)容已表明，該區(qū)變形特征主要表現(xiàn)為地表、坡腳居民房屋及擋墻存在多處裂縫。目前該變形區(qū)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，因此對(duì)該區(qū)采取極限平衡法計(jì)算穩(wěn)定性[10]，穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)在1.00～1.05之間，為反演分析提供了條件。據(jù)此，利用2-2'剖面運(yùn)用反演分析確定滑坡的巖土體物理力學(xué)參數(shù)是可行的[11]。

3.1 反演分析

3.3 計(jì)算工況及荷載

根據(jù)滑坡工程地質(zhì)條件，變形影響因素等綜合分析，考慮邊坡現(xiàn)狀在降雨工況下的穩(wěn)定性，分兩種工況進(jìn)行考慮：

工況1：天然;工況2：天然+50年一遇暴雨。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果得出，滑坡2-2'剖面在天然工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.065，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨工況穩(wěn)定性系數(shù)為1.041，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)魯灘壩村滑坡體穩(wěn)定性具如下特性：

①目前滑坡變形區(qū)主要為其東側(cè)的Ⅰ區(qū)，該區(qū)可見較明顯的變形。②該區(qū)變形特征主要表現(xiàn)為地表、坡腳居民房屋及擋墻存在多處裂縫。③經(jīng)計(jì)算，Ⅰ區(qū)主剖面2-2'剖面在天然工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.065，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨工況穩(wěn)定性系數(shù)為1.041，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。④Ⅱ區(qū)在降雨工況下可能發(fā)生局部圓弧形滑移破壞，發(fā)生整體或大規(guī)?；谱冃纹茐牡目赡苄暂^小。

3.5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑坡穩(wěn)定性敏感度分析

為了分析導(dǎo)致滑坡變形各個(gè)因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響程度，需要建立滑坡變形和影響因素之間的映射，并根據(jù)該映射關(guān)系進(jìn)行敏感度分析[12]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿人腦中大量神經(jīng)元互相連接、并行信息的處理方式，可以通過對(duì)一定數(shù)量數(shù)據(jù)樣本的學(xué)習(xí)可以建立自變量與因變量之間的多參數(shù)、非線性映射。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立滑坡變形和影響因素之間的映射，然后從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中提取出輸入層到隱含層、隱含層到輸出層之間的權(quán)值，繼而以權(quán)積法進(jìn)行各誤差因素的敏感性分析計(jì)算。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及算法中的變量符號(hào)見圖11。

可以根據(jù)這種映射關(guān)系求解輸入層各個(gè)因子對(duì)輸出層的影響程度，即求解輸入層各個(gè)因子的敏感度系數(shù)。權(quán)積法是一種針對(duì)于BP網(wǎng)絡(luò)利用輸出網(wǎng)絡(luò)各層之間的連接權(quán)進(jìn)行敏感度系數(shù)計(jì)算的方法，第i個(gè)輸入因子xi對(duì)第j個(gè)輸出因子y的影響程度[12]（敏感度系數(shù)）Qi為

當(dāng)訓(xùn)練停止時(shí)，則誤差因素與測(cè)量誤差之間的非線性映射關(guān)系已建立，根據(jù)輸出網(wǎng)絡(luò)各神經(jīng)元之間的連接權(quán)值，以公式（11）計(jì)算各輸入神經(jīng)元的敏感度系數(shù)。由此，可獲得穩(wěn)定性對(duì)變形因素的敏感度系數(shù)。從而確定各個(gè)因素對(duì)滑坡變形的影響程度。

4? 結(jié)語(yǔ)

筆者通過對(duì)魯灘壩滑坡的地質(zhì)與變形特征分析，認(rèn)為2016年坡腳開挖為引起滑坡產(chǎn)生裂縫的根本原因。隨后由于坡腳臨空，加之坡體物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，在坡體自身重力、降雨等條件的影響下，裂縫逐漸增大，同時(shí)坡體中部及滑坡后緣開始出現(xiàn)裂縫并隨著時(shí)間的推移逐漸增大。而2017年6月，受連續(xù)強(qiáng)降雨的影響，已有裂縫變形加劇并伴有新的裂縫產(chǎn)生，致滑坡發(fā)生變形，故連續(xù)強(qiáng)降雨為滑坡變形加劇的主要推動(dòng)因素，滑坡變形的同時(shí)引起了其坡腳房屋及擋墻的變形。

通過BP網(wǎng)絡(luò)建立滑坡變形和影響因素之間的非線性函數(shù)映射，再以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各隱含層之間的權(quán)值計(jì)算各變形因素的敏感度系數(shù)，可以確定變形對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響程度。該方法對(duì)其它類似研究具有借鑒意義。

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