崔廣強(qiáng), 陳士海

(1.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021; 2.福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾的產(chǎn)量急劇增加，垃圾填埋場(chǎng)的建設(shè)受到越來(lái)越多的關(guān)注與重視。垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)的首要問(wèn)題是穩(wěn)定，其失穩(wěn)破壞的事故在國(guó)內(nèi)外均有發(fā)生，造成嚴(yán)重的后果[1]。因此，對(duì)垃圾填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[2]。不少學(xué)者對(duì)垃圾填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究表明其穩(wěn)定性的影響因素很多[3～7]，例如，垃圾土的物理化學(xué)性質(zhì)，襯里的類型，襯里與垃圾或土壤之間的剪切特性，垃圾填埋場(chǎng)的幾何特征，滲濾液的高度和垃圾分解產(chǎn)生的氣體存在狀態(tài)與遷移以及垃圾填埋場(chǎng)的建設(shè)、施工、運(yùn)營(yíng)等。其中垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)的滲濾液水位對(duì)垃圾填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的影響，滲濾液在填埋體內(nèi)的集聚，其水位會(huì)不斷的升高，伴隨孔隙水壓力的增加，導(dǎo)致土體及襯墊界面處的抗剪強(qiáng)度降低，可能引起邊坡的失穩(wěn)破壞[8,9]。而關(guān)于滲濾液高度對(duì)填埋體穩(wěn)定性影響的程度和其他因素的對(duì)比分析尚未見(jiàn)有正式論文的發(fā)表。

本文充分考慮滲濾液高度對(duì)垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，借助正交試驗(yàn)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分析九個(gè)因素的變化對(duì)穩(wěn)定性的影響，找出主次要影響因素，對(duì)穩(wěn)定性分析提供一些有意義的理論依據(jù)。另一方面，垃圾填埋場(chǎng)的不穩(wěn)定性通常是由多種因素共同影響，但在一某些條件下，可能只有一種或幾種起主要影響作用。各種因素的影響程度也決定了不穩(wěn)定的機(jī)制與方式，所以研究各因素的影響程度，可以有針對(duì)的給予重視或關(guān)注以提醒工程建設(shè)采取必要的工程措施。最后，通過(guò)敏感性分析區(qū)分主要和次要因素，這有利于垃圾填埋場(chǎng)工程建設(shè)的反分析并對(duì)工程設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[10]是指研究多個(gè)因素和多個(gè)水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法?；谡恍?，從綜合測(cè)試中選擇出其中具有代表性的數(shù)據(jù)作為代表點(diǎn)，選出的這些代表點(diǎn)均勻分散，整齊可比。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是采用組合理論推導(dǎo)進(jìn)而形成正交表安排試驗(yàn)的主要方法。當(dāng)研究三個(gè)或跟多影響因素，并且這些因素之間可能存在相互作用時(shí)，計(jì)算分析的工作量將成倍的增加，有時(shí)可能難以實(shí)現(xiàn)。為了減少計(jì)算工作量應(yīng)對(duì)這種困境，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的解決方法是正確的選擇。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)依靠組合理論得到的正交表的正交性，從試驗(yàn)所列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選出一些代表點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并且可以用最少的試驗(yàn)或計(jì)算次數(shù)，系統(tǒng)分析等同于全面試驗(yàn)的效果。因此正交表試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有高效、快速而及經(jīng)濟(jì)且能夠分析多因素等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。文中利用計(jì)算極差的方法分析了各影響因素對(duì)穩(wěn)定性影響的程度，分析了不同影響因素對(duì)安全系數(shù)的變化趨勢(shì)， 將各影響因素的影響程度進(jìn)行了排序，得出意義的結(jié)論和進(jìn)一步的研究方向。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是簡(jiǎn)單神經(jīng)元組成誤差逆?zhèn)鬟f的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其可以進(jìn)行模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)與真實(shí)世界的相互作用。它不僅具有通用的計(jì)算能力，并且還能夠通過(guò)學(xué)習(xí)和記憶來(lái)推理所獲得的知識(shí)，并具備很大的非線性映射能力。被應(yīng)用最廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是誤差逆?zhèn)鞑ド窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)，稱之為BP網(wǎng)絡(luò)[11,12]，BP神經(jīng)通常由一個(gè)輸入層、若干個(gè)隱藏層和一個(gè)輸出層組成，如圖1所示。實(shí)踐證明，三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以滿足絕大多數(shù)函數(shù)的映射或擬合問(wèn)題。

圖1 三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)

圖1中小圓圈表示神經(jīng)元，x1,x2,…,xn為輸入信號(hào)，即輸入的數(shù)據(jù)，yi為輸出信號(hào)。其中，輸入層有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有n個(gè)輸入；隱藏層包含m個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的m輸出響應(yīng)，輸出層只有1個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)特定的分析問(wèn)題來(lái)確定輸入層和輸出層中的節(jié)點(diǎn)數(shù)，并且可以不同的選擇每層中的神經(jīng)元的數(shù)量。在常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中一般的對(duì)應(yīng)關(guān)系是m=2n+1(m為隱藏層中神經(jīng)元的數(shù)量，n是輸入層中神經(jīng)元的數(shù)量)。通過(guò)權(quán)重調(diào)整層間的節(jié)點(diǎn)，其中隱藏層中的神經(jīng)元的數(shù)量是不定數(shù)，并且神經(jīng)元之間的轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)通常使用Sig-moid函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與訓(xùn)練的基本原則是通過(guò)不斷修改網(wǎng)絡(luò)權(quán)重和閾值來(lái)減少沿負(fù)梯度方向的誤差[13]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程主要由四部分組成：(a)輸入模式順傳播；(b)輸出誤差逆?zhèn)鞑ィ?c)循環(huán)記憶訓(xùn)練；(d)學(xué)習(xí)結(jié)果的判斷。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以解決輸出和輸入之間的任意復(fù)雜的非線性映射問(wèn)題，并且已廣泛應(yīng)用于邊坡工程中[14]，擴(kuò)大該方法在巖土工程其它領(lǐng)域的應(yīng)用是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的課題。

2 采用的計(jì)算分析方法

將滲濾液高度作為垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要影響因素，討論了滲濾液不同高度作用下填埋場(chǎng)的滑移破壞的安全系數(shù)，采用雙楔體法[9]驗(yàn)算填埋場(chǎng)的滑移穩(wěn)定性，計(jì)算見(jiàn)圖圖2所示。

圖2 填埋場(chǎng)雙楔體法分析圖

在分析垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定性時(shí)，安全系數(shù)是確定垃圾填埋場(chǎng)是否穩(wěn)定的一個(gè)重要指標(biāo)，因此被視為系統(tǒng)特性。垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定性影響因素的影響程度是在影響因素變化的前提條件下，安全系數(shù)FS變化的幅度(極差)。

計(jì)算公式：

η=(FS0-FS1)/FS0×100%

式中，F(xiàn)S0為影響因素未改變時(shí)的安全系數(shù)；FS1為影響因素發(fā)生某一改變時(shí)的安全系數(shù)；η為安全系數(shù)變化的百分?jǐn)?shù)。

選擇9個(gè)影響因素：填埋體滲濾液面的高度、填埋場(chǎng)的高度和寬度、垃圾體的填埋坡角、垃圾體的重度、垃圾土的內(nèi)摩擦角、垃圾土的粘聚力、復(fù)合襯墊層之間的最小摩擦角及最小粘聚力。利用前述的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)滑移破壞穩(wěn)定性的安全系數(shù)，輸入層為9個(gè)影響因素，中間層單元的數(shù)量為2*9+1=19，使用線性激活的函數(shù)輸出安全系數(shù)作為輸出層。本文所使用的9-19-1的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。

3 填埋場(chǎng)穩(wěn)定性影響因素分析

3.1 工程算例

工程實(shí)例：某衛(wèi)生填埋場(chǎng)[15]：垃圾體滲濾液面高度為3m，垃圾土的重度為rsw=10.2 kN·m-3、垃圾土的內(nèi)摩擦角φsw=30°、垃圾土的粘聚力csw=3kPa, 復(fù)合襯墊層之間的最小摩擦角δln=18°和最小粘聚力cln=4kPa，填埋場(chǎng)的高度H=30m, 寬度B=20m, 角度α=14.036°。

BP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)30 步學(xué)習(xí)收斂，精度達(dá)0.01，訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)確定輸入和輸出層之間的權(quán)重和閾值。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

在文中，雙楔體法用于計(jì)算安全系數(shù)，計(jì)算模型如圖2所示。根據(jù)傳統(tǒng)的單因素分析方法，采用雙楔體法計(jì)算不同因素不同水平作用下的安全系數(shù)。 分析所考慮的因素和因素水平取值見(jiàn)表1所示。采用雙楔體法計(jì)算9個(gè)因素單獨(dú)改變時(shí)，各因素在不同水平下的安全系數(shù)如表2 所示。根據(jù)表1的水平將填埋場(chǎng)9個(gè)因素進(jìn)行組合，形成56組樣本，將這56組樣本輸入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸出的安全系數(shù)見(jiàn)表3所示。

表1 影響因素和水平

為了研究各因素影響程度與傳統(tǒng)方法的對(duì)比，根據(jù)表3和56組樣本組合情況，計(jì)算每個(gè)影響因素的每個(gè)水平的安全系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值，并列于表4中。不同水平同一因素的安全系數(shù)平均值的最大值與最小值之差稱為該因素變化所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)的極差，極差的大小表現(xiàn)為該因素影響安全系數(shù)的程度(重要性)。從表2和表4中的計(jì)算結(jié)果可以看出，盡管兩種方法的極差不同，但其排序先后順序一致，說(shuō)明每個(gè)因素的重要性是一致的，并且由于正交試驗(yàn)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)充分考慮了多因素共同作用的影響是符合實(shí)際的，也充分證明了該方法的實(shí)用性。

表2 單因素變化所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果表

表4 安全系數(shù)正交試驗(yàn)結(jié)果匯總表

4 結(jié) 論

(1)所考慮的9個(gè)影響因素對(duì)衛(wèi)生填埋場(chǎng)滑移破壞的影響程度依次排序?yàn)椋害膌n(°)>α(°)>cln(kN)>h(m)>H(m)>B(m)>rsw(kN·m-3)>φsw(°)>csw(kN)。其中，復(fù)合襯里層之間的最小摩擦角δln、垃圾體的堆填坡角α、垃圾體的最小粘聚力cln和滲濾液面的高度h為主要影響因素，它們?cè)谔盥駡?chǎng)穩(wěn)定性方面起主要作用，其他因素是次要影響因素。

(2)滲濾液面高度的影響程度排位第4，表明了滲濾液高度對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定性的影響有很大的作用，在其他的論文中沒(méi)有表述，分析計(jì)算填埋場(chǎng)穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)給予充分的考慮。

(3)填埋場(chǎng)各因素取值的確定受所用材料、施工工況和填埋情況的影響而不同，需要研究相應(yīng)的試驗(yàn)方法去確定，應(yīng)該改變傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法綜合分析與計(jì)量。

(4)滲濾液高度的確定受多種因素的影響，需要研究填埋體的組成成分和其持水率等因素，在今后的試驗(yàn)與研究中，應(yīng)加強(qiáng)該方面的收集與整理。

(5)所使用的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與BP神經(jīng)網(wǎng)相結(jié)合的方法，考慮了多種因素同時(shí)變化對(duì)安全系數(shù)影響，與傳統(tǒng)的單因素方法分析的因素影響程度一致，證明了該方法的實(shí)用性。而該方法更符合工程實(shí)際情況，覆蓋面廣，計(jì)算準(zhǔn)確性高，可以在類似工程中推廣應(yīng)用。