邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)BP網(wǎng)絡(luò)模型在輸電線路塔基工程中的應(yīng)用

柳玉波，張 峰，李鵬云

(1.廣東電網(wǎng)公司韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān) 512026;2.廣東電網(wǎng)公司，廣州 510600;3.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510600)

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)匦稳蓦娝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_刷而完全失去承載功能或承載功能下降，往往導(dǎo)致其上電塔倒塌、傾斜而失去掛線功能。由此可見(jiàn)電塔基礎(chǔ)下面邊坡對(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)備工作也較煩瑣，特別是圓弧形破壞和楔形破壞情況。因此，若有可能的話，采用一種準(zhǔn)備工作更為簡(jiǎn)單的方法估算邊坡的安全系數(shù)應(yīng)是受歡迎的。

研究基于工程實(shí)例，探索應(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，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。

1 BP 網(wǎng)絡(luò)模型［1－2］

本文采用誤差逆?zhèn)鞑?簡(jiǎn)稱BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，所謂誤差逆?zhèn)鞑ゾ褪前演敵鰧映霈F(xiàn)的誤差歸結(jié)為各連接權(quán)的“過(guò)錯(cuò)”。通過(guò)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)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由三部分組成，即輸入層LA，隱含層LB和輸出層LC，如圖1所示。其算法步驟如下:

(1)網(wǎng)絡(luò)初始化，給權(quán)重矩陣(V和W)及閾值(θ和γ)賦［－1，+1］區(qū)間的隨機(jī)值。

(2)給學(xué)習(xí)樣本賦輸入值與希望輸出值。

(3)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的值:

(4)計(jì)算代價(jià)函數(shù):BP網(wǎng)絡(luò)通過(guò)代價(jià)函數(shù)最小化過(guò)程完成輸入到輸出的映射。

式中，Cj為實(shí)際輸出為希望輸出;q為輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù);N為樣本個(gè)數(shù)。

圖1 BP型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 BP neural network topology

(5)連接權(quán)和閾值調(diào)整。

輸出層與隱含層之間調(diào)整:

隱含層與輸入層之間的調(diào)整:

式中:k為迭代次數(shù);α、β為學(xué)習(xí)率;dj、ei為輸出層和隱含層節(jié)點(diǎn)參考誤差。公式:

(6)重復(fù)迭代運(yùn)算直至代價(jià)函數(shù)小于預(yù)先給定的某一值為止，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)束。

(7)用學(xué)習(xí)好的網(wǎng)絡(luò)，輸入待測(cè)的樣本參數(shù)，就可以直接得到預(yù)測(cè)結(jié)果。

2 模型的建立和實(shí)現(xiàn)

2.1 廣東地區(qū)輸電線路塔基土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型建立

筆者在對(duì)廣東韶關(guān)地區(qū)輸電線路塔基邊坡工程廣泛地質(zhì)調(diào)查基礎(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1 400～2 300kg/m3、凝聚力0～60kPa、內(nèi)摩擦角12°～39°、坡角6°～66°、坡高0 ～50m。

研究收集了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［3］，其安全系數(shù)采用極限平衡法計(jì)算后修正，如表1所示。

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、孔隙壓力比等用網(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。據(jù)此我們采用intel Fortran語(yǔ)言開(kāi)發(fā)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)。

表1 危險(xiǎn)圓弧破壞的邊坡實(shí)例Tab.1 Cases of circular slope failure

2.2 輸電線路塔基滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)在塔基邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)中應(yīng)用實(shí)例

通洛乙線N90塔基滑坡區(qū)位于110kV通洛乙線N90號(hào)塔位下方，該滑坡長(zhǎng)約27m，寬約34m，坡度約為41°。滑坡區(qū)原始坡面地形為30°～55°，微具匯水地形特征，因強(qiáng)降雨及持續(xù)降雨致使坡體充水軟化，最終導(dǎo)致邊坡極限平衡被打破而變形失穩(wěn)。勘察測(cè)量結(jié)果表明，該邊坡典型剖面坡高16.5m，坡角41°，滑坡帶包含全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，滑坡帶飽和土體容重為20.6kN/m3。直剪試驗(yàn)結(jié)果全風(fēng)化花崗巖內(nèi)摩擦角33°和凝聚力1kPa，考慮滑坡帶包含全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，計(jì)算用內(nèi)摩擦角33°和凝聚力10kPa。采用輸電線路塔基滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果表明，該邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.958(見(jiàn)圖2)，邊坡不穩(wěn)定。該邊坡曾經(jīng)發(fā)生過(guò)滑坡，現(xiàn)在錨固后而穩(wěn)定，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況一致。

3 結(jié)語(yǔ)

研究基于工程實(shí)例，探索應(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，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，論證該估算方法是有效的。

圖2 塔基滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculated results of Taki landslide risk evaluation system

［1］聞新.MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.

［2］陳明.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，1995.

［3］N.K.SAH，P.R.SHEOREY and L.N.UPADHYAYA.Maximumlikelihood estimation of slope stability ［J］.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.Geo.Abstr，1994，31(1):47－54.