邊坡穩(wěn)定性評價BP網(wǎng)絡模型在輸電線路塔基工程中的應用

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?shù)匦稳蓦娝A(chǔ)對它下面邊坡的依賴關(guān)系。如果邊坡因為滑坡或者沖刷而完全失去承載功能或承載功能下降，往往導致其上電塔倒塌、傾斜而失去掛線功能。由此可見電塔基礎(chǔ)下面邊坡對電塔的重要性。

邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計算一般采用數(shù)值計算方法，極限平衡法是在工程中應用最廣也是最可靠的數(shù)值計算方法之一，該方法在應用時其準備工作也較煩瑣，特別是圓弧形破壞和楔形破壞情況。因此，若有可能的話，采用一種準備工作更為簡單的方法估算邊坡的安全系數(shù)應是受歡迎的。

研究基于工程實例，探索應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡BP模型建立土質(zhì)邊坡安全系數(shù)估算方法，并對廣東輸電線路塔基邊坡情況進行預報與對比，論證該估算方法的合理性。

1 BP 網(wǎng)絡模型［1－2］

本文采用誤差逆?zhèn)鞑?簡稱BP)神經(jīng)網(wǎng)絡模型，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“過錯”。通過把輸出層單元的誤差逐層向輸入層“分攤”給各層單元，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)間的隨機值。

(2)給學習樣本賦輸入值與希望輸出值。

(3)計算網(wǎng)絡節(jié)點的值:

(4)計算代價函數(shù):BP網(wǎng)絡通過代價函數(shù)最小化過程完成輸入到輸出的映射。

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

圖1 BP型神經(jīng)網(wǎng)絡的拓撲結(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為學習率;dj、ei為輸出層和隱含層節(jié)點參考誤差。公式:

(6)重復迭代運算直至代價函數(shù)小于預先給定的某一值為止，網(wǎng)絡學習結(jié)束。

(7)用學習好的網(wǎng)絡，輸入待測的樣本參數(shù)，就可以直接得到預測結(jié)果。

2 模型的建立和實現(xiàn)

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

筆者在對廣東韶關(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個危險圓弧破壞的、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)變化范圍的土坡實例［3］，其安全系數(shù)采用極限平衡法計算后修正，如表1所示。

邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計算的神經(jīng)網(wǎng)絡模型采用四層結(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)絡的輸入節(jié)點表達，安全系數(shù)用網(wǎng)絡的輸出節(jié)點表達。網(wǎng)絡的輸入層與輸出層之間的隱含層可有一個或多個。本例中采用自適應方法確定的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為5—8—2—1。采用BP模型計算的安全系數(shù)和采用極限平衡法計算的安全系數(shù)很一致。據(jù)此我們采用intel Fortran語言開發(fā)了廣東地區(qū)輸電線路塔基滑坡風險評價系統(tǒng)。

表1 危險圓弧破壞的邊坡實例Tab.1 Cases of circular slope failure

2.2 輸電線路塔基滑坡風險評價系統(tǒng)在塔基邊坡穩(wěn)定性預測中應用實例

通洛乙線N90塔基滑坡區(qū)位于110kV通洛乙線N90號塔位下方，該滑坡長約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，因強降雨及持續(xù)降雨致使坡體充水軟化，最終導致邊坡極限平衡被打破而變形失穩(wěn)。勘察測量結(jié)果表明，該邊坡典型剖面坡高16.5m，坡角41°，滑坡帶包含全風化花崗巖和強風化花崗巖，滑坡帶飽和土體容重為20.6kN/m3。直剪試驗結(jié)果全風化花崗巖內(nèi)摩擦角33°和凝聚力1kPa，考慮滑坡帶包含全風化花崗巖和強風化花崗巖，計算用內(nèi)摩擦角33°和凝聚力10kPa。采用輸電線路塔基滑坡風險評價系統(tǒng)計算結(jié)果表明，該邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.958(見圖2)，邊坡不穩(wěn)定。該邊坡曾經(jīng)發(fā)生過滑坡，現(xiàn)在錨固后而穩(wěn)定，可見計算結(jié)果和實際情況一致。

3 結(jié)語

研究基于工程實例，探索應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡BP模型建立土質(zhì)邊坡安全系數(shù)估算方法，并對廣東輸電線路塔基邊坡情況進行預報與對比，論證該估算方法是有效的。

圖2 塔基滑坡風險評價系統(tǒng)計算結(jié)果Fig.2 Calculated results of Taki landslide risk evaluation system

［1］聞新.MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡應用設計［M］.北京:科學出版社，2000.

［2］陳明.神經(jīng)網(wǎng)絡模型［M］.大連:大連理工大學出版社，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.