余鵬程,李渝生,趙建壯,李正聰,白彥波

(1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院,成都 610072;2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室,成都 610059)

基于B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工程場地的構(gòu)造穩(wěn)定性評價

余鵬程1,李渝生2,趙建壯1,李正聰1,白彥波1

(1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院,成都 610072;2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室,成都 610059)

為開展關(guān)于工程選址的可利用性評價,建立區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價模型。從地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷裂活動、地震條件和應(yīng)力特征4個方面,建立指標(biāo)體系,利用B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對甘谷地進(jìn)行構(gòu)造穩(wěn)定性評價。評價值表明目標(biāo)地構(gòu)造較穩(wěn)定,符合實際情況。

工程選址;區(qū)域構(gòu)造;穩(wěn)定性評價;B-P模型

進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著人類社會、經(jīng)濟(jì)的不斷向前發(fā)展,人類工程活動的范圍和規(guī)模迅速增大,資源、環(huán)境與人口已成為當(dāng)今人類發(fā)展所面臨的三大問題[1]。并且隨著人口增長、經(jīng)濟(jì)繁榮,居住地的不斷拓展,使得工程建設(shè)場地的選擇越來越復(fù)雜。在此背景下,本文針對四川西部已有工程建設(shè)場地的評價建立場地可利用性評價體系,評價體系主要從工程場地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價、工程場地穩(wěn)定性評價、工程場地地基穩(wěn)定性評價及工程場地適宜性評價4個方面出發(fā),評價建設(shè)場地的可利用性,可利用性評價流程見圖1。

圖1 場地可利用性評價流程圖Fig.1 Flow chart of site availability evaluation

場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價作為場地可利用性評價的基礎(chǔ),而且其穩(wěn)定性是多個影響因素作用的結(jié)果。在以往的評價中,評價結(jié)果往往依賴于研究者在多個影響因素的基礎(chǔ)上的經(jīng)驗判斷。于是,如何建立有效的評價體系對場地進(jìn)行準(zhǔn)確的評價是近年來許多研究者所關(guān)注的焦點(diǎn)。朱慶杰[2]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立了區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價模型,并且在模型中考慮了地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地震活動等多種影響因素;徐衛(wèi)亞[3,4]提出了一種工程邊坡模糊穩(wěn)定性分析的新方法,建立了邊坡穩(wěn)定性分析的模糊數(shù)學(xué)模型;劉國東[5,6]等基于類比推理推理和灰色系統(tǒng)理論,提出一種定量開發(fā)利用經(jīng)驗知識的新方法,并將其應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析和評價;李章明[8]基于模糊綜合評價的基本方法,建造模糊綜合評價模型并構(gòu)造穩(wěn)定性邊界矩陣,結(jié)合實測實際邊坡關(guān)聯(lián)因素,來評價邊坡穩(wěn)定的實際問題;陳新民[7～9]等基于類比推理推理和灰色系統(tǒng)理論,提出一種定量開發(fā)利用經(jīng)驗知識的新方法,并將其應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析和評價。

本文從工程建設(shè)場地可利用性評價的基礎(chǔ)——區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價開始,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的研究成果,結(jié)合實踐反饋資料,對目標(biāo)場地進(jìn)行構(gòu)造穩(wěn)定性評價。

1 B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述

B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種利用誤差反向傳播算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、抗干擾能力。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由輸入層、中間層(隱層)和輸出層構(gòu)成,輸入層接收到的信號經(jīng)過隱層激活放大后再由輸出層輸出,信號傳遞時每一層神經(jīng)元通過權(quán)值只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

其基本原理是:先從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中給出具有代表性的網(wǎng)絡(luò)輸入信號(訓(xùn)練樣本),并根據(jù)所要關(guān)心的具體問題構(gòu)造出期望的目標(biāo)信號(教師樣本)輸入網(wǎng)絡(luò),然后在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和自適應(yīng)過程中,通過輸入信號激活放大傳播和向誤差的方向傳播,不斷修改調(diào)整各層神經(jīng)元的鏈接權(quán)值,使輸出信號與期望目標(biāo)輸出信號間的誤差信號減至最小,當(dāng)其值小于某一給定的值時,即認(rèn)為完成或訓(xùn)練好該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),在此基礎(chǔ)上將進(jìn)行下一步評價。

2 評價指標(biāo)

場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價是工程場地可利用性評價的基礎(chǔ)。本文認(rèn)為:場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價,是在區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,考慮內(nèi)動力地質(zhì)作用及地應(yīng)力特征的相互作用和現(xiàn)今場址區(qū)地殼及其淺表層的穩(wěn)定程度。只有在場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性滿足場地建設(shè)要求時,才能進(jìn)行下一步的評價,即工程場地穩(wěn)定性評價,否則另選場址,重新開始進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價。本文涉及的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的評價體系及指標(biāo)見圖2。

圖2 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價指標(biāo)Fig.2 Evaluation indexes for regional tectonic stability

綜上所述評價指標(biāo),場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價包括區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、斷裂活動性、地震條件及地應(yīng)力特征4個評價指標(biāo),同時這4個指標(biāo)包括若干次級評價因子。由于不同評價因子的影響程度不同,可以通過確立評價因子的權(quán)重來進(jìn)行評價,在本文中將不對評價因子及評價因子權(quán)重進(jìn)行量化,只是列出其概念上的評價。需要說明的是,評價因子如需量化,對可量化指標(biāo)則直接取值,對不能直接取值指標(biāo)則可按影響程度進(jìn)行賦值(表1):高(50)、中等(30)、低(20),如對于沉積建造的地層可取低值,而變質(zhì)建造巖層取高值,巖漿建造則中等,賦值后需對其進(jìn)行歸一化處理(式1),以使評價體系中量值達(dá)到統(tǒng)一及防止有些評價因子受到過度的壓抑;對于評價因子權(quán)重的確定,為了使權(quán)重的賦值更具科學(xué)性、客觀性和真實性,通?？捎脤＜以u議法、專家調(diào)查法與判斷矩陣分析法確定。

式中,Aij為第i個指標(biāo)中第j個因素的基本值;max{˙Aij}為第i個指標(biāo)影響因素最大取值;A′ij為歸一化處理后的第i個指標(biāo)中第j個因素的基本值。

圖3 B-P人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 B-P neural network model

對于定量指標(biāo),以地震峰值加速度為例,以汶川地震后的地震動峰值加速度區(qū)劃為標(biāo)準(zhǔn)[10],最大峰值加速度取 0.4g,若評價場地峰值加速的為0.2g,則按(1)式可以得到經(jīng)過歸一化[11]處理后的地震峰值加速度評價指標(biāo)基本值為0.2/0.4=0.5;對于定性指標(biāo),以大地構(gòu)造環(huán)境為例,如果評價場地處于穩(wěn)定區(qū),根據(jù)式(1),經(jīng)歸一化處理后的大地構(gòu)造環(huán)境評價指標(biāo)基本值為20/50=0.4。且經(jīng)過規(guī)格化處理后 ,則有 0 ≤A′ij≤1。

3 場地構(gòu)造穩(wěn)定性評價B-P模型

根據(jù)上文影響工程場地穩(wěn)定性的評價因素作為輸入層(共有14個),由于區(qū)域構(gòu)造的穩(wěn)定性為穩(wěn)定、較穩(wěn)定及欠穩(wěn)定3種形式,所以輸出層一般用3個神經(jīng)元來表示區(qū)域構(gòu)造的穩(wěn)定性,評價時選取輸出值最大者所在的輸出作為最終判別。當(dāng)輸出神經(jīng)元內(nèi)的3個輸出值相近時,判斷場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性將是一個問題。根據(jù)有關(guān)參考文獻(xiàn),為克服這一問題,本文采取一個神經(jīng)元輸出模式,且穩(wěn)定性狀態(tài)采取數(shù)值表示,即欠穩(wěn)定狀態(tài)為1、較穩(wěn)定狀態(tài)為2及穩(wěn)定狀態(tài)為3。本文采取一個隱層,由于中間隱層神經(jīng)元個數(shù)及誤差初始值的選取對訓(xùn)練時間及評價結(jié)果有重要的影響,且中間隱層神經(jīng)元個數(shù)越少適用性越強(qiáng),中間隱層神經(jīng)元個數(shù)取5,誤差范圍取ε=10-4。輸入層則根據(jù)影響場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定的影響因素定位14個,具體評價模型見圖4。

圖4 工程場地穩(wěn)定性B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 B-P neural netwo rk model for the stability evaluation of engineering sites

該模型計算過程如下:在已有工程場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上,結(jié)合穩(wěn)定性影響因素,以已有8個工程場地的區(qū)域穩(wěn)定性及其影響場地構(gòu)造穩(wěn)定性的14個影響因素作為訓(xùn)練樣本,然后對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各項權(quán)值和閥值賦初始值,再將這些多組訓(xùn)練樣本記錄(樣本數(shù)為8,每一條記錄有14個因素)輸入B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行計算,如誤差小于ε,則可停止計算,如果輸出值誤差大于ε,則需調(diào)整中間權(quán)值和閥值重新開始計算,直到輸出結(jié)果誤差小于ε為止。

表1為已有場地穩(wěn)定性評價及待評價場地的影響因素的基本值。

表1 已有場地與目標(biāo)場地的評價數(shù)據(jù)Table 1 Evaluation values for the existing and target sites

4 工程實例分析

某工程場地擬選場地之一的甘谷地場地,位于四川盆地與青藏高原之間的過渡地帶,屬于高山深切峽谷地區(qū)。場址區(qū)地跨甘孜-松潘地槽區(qū)南部邊緣及鹽源-麗江臺緣凹陷兩個不同的沉積建造單元,場地內(nèi)地層巖性單一,地質(zhì)構(gòu)造簡單。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有金坪斷裂、二郎山斷裂與摩西斷裂的基地斷裂。已有的地質(zhì)資料[8]表明:金坪斷裂及二郎山斷裂不具備明顯的新活動特征;摩西斷裂目前左旋錯動速率仍保持在5～6 mm/a左右,最大歷史平均錯動速率17 mm/a,斷裂距站址西側(cè)16～18 km。周邊發(fā)育的甚大斷裂有鮮水河斷裂、龍門山斷裂及安寧河斷裂,研究表明[1]:鮮水河斷裂現(xiàn)今平均滑動速率5.0～8.0 mm/a,最大速率17.0 mm/a;龍門山斷裂Q4以來的平均錯動速率1.4～1.8 mm/a;安寧河斷裂Q4以來的平均錯動速率1.4～5.3 mm/a[12～15]。

擬建場地區(qū)不存在強(qiáng)烈地震的發(fā)震構(gòu)造,地震危害性主要受周邊地震帶的波及影響,最大波及地震強(qiáng)度為8級。據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃:場地基本烈度為Ⅷ度,峰值加速度為0.3 g[10]。

據(jù)工程區(qū)外圍區(qū)域構(gòu)造及中強(qiáng)地震的震源機(jī)制解資料,場地現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主,地殼巖體應(yīng)力-形變作用的現(xiàn)今形式主要表現(xiàn)為走滑剪切位移。利用上述已有工程場地的穩(wěn)定性狀態(tài)及各影響因素經(jīng)歸一化處理后的基本值,將已有場地穩(wěn)定性評價因素及評價結(jié)果作為訓(xùn)練樣本,對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,訓(xùn)練速率η=0.6,收斂準(zhǔn)則采取最大相對誤差ε=10-4,進(jìn)行過473次訓(xùn)練,8個已有工程場地的網(wǎng)絡(luò)輸出與其相對應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)輸出(1、2或3)的最大相對誤差小于10-4,可見該B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是滿足要求的。于是,將目標(biāo)工程場地甘谷地場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性影響因素的14個基本值加到訓(xùn)練好的B-P網(wǎng)絡(luò)輸入端,則有計算結(jié)果后輸出端輸出的結(jié)果為2.319,采取四舍五入的準(zhǔn)則,則有輸出結(jié)果為2,其對應(yīng)的區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)為較穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文在已有多個四川西部工程場地選址的基礎(chǔ)上,考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、斷裂活動性、地震條件及地應(yīng)力特征的影響因素下建立區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價體系,并收集已有場地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價建立數(shù)據(jù)庫,將已有工程場地的構(gòu)造穩(wěn)定性及各評價指標(biāo)輸入到B-P模型進(jìn)行訓(xùn)練。本文采取一個神經(jīng)元輸出模式,且穩(wěn)定性狀態(tài)采取數(shù)值表示,即欠穩(wěn)定狀態(tài)為1、較穩(wěn)定狀態(tài)為2及穩(wěn)定狀態(tài)為3。然后將目標(biāo)場地評價指標(biāo)值輸入到訓(xùn)練好的B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,得到評價值,結(jié)合實踐反饋資料,采用四舍五入的原則,對目標(biāo)場地進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價。

該場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價完成后,作者曾多次經(jīng)過該場地,并對當(dāng)?shù)卮迕襁M(jìn)行訪問及現(xiàn)場調(diào)查,雖然經(jīng)歷了“5.12”地震的作用,場地并沒有明顯變形跡象,位于場地上部的建筑物具有經(jīng)地震作用后形成的裂紋,但經(jīng)有關(guān)部門對其評價后,該裂紋并不影響建筑物整體的強(qiáng)度,說明甘谷地場地的構(gòu)造穩(wěn)定性評價結(jié)果——較穩(wěn)定是可靠的。

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STABIL ITY EVALUATION FOR THE TECTONIC STRUCTURE OF ENGINEERING SITES BASED ON THE B-P NEURAL NETWORK

YU Peng-cheng1,L I Yu-sheng2,Zhao jian-zhuang1,L IZheng-cong1,BAi Yan-bo1
(1.Sichuan Provincial Coal Geological Engineering Design&Research Institute,Chengdu 610072,China;2.State Key Labo ratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

The purpose is to establish a regional tectonic stability evaluation model for the selection of the engineering site.The indexes fo r themodel are determined according to geo-structural features,fault activity,seismic conditions and stress features,and,then,the evaluation of Gangudi tectonic stability was carried out using B-P neural netwo rk.The result revealed a comparable stability,w hich is in line w ith the realities.

engineering site selection;regional tectonics;stability evaluation;B-Pmodel

P642

A

1006-4362(2011)02-0079-04

2010-11-30 改回日期: 2011-03-03

余鵬程(1981- ),男,水工環(huán)工程師,地質(zhì)工程碩士研究生,研究方向:區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)。