王卓穎 南華
(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454000)
隨著全球氣候環(huán)境的不斷變化,極端降雨情況出現(xiàn)的頻率逐年遞增,山地、公路邊坡等區(qū)域易發(fā)生山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,具有影響范圍廣、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn),嚴(yán)重影響了區(qū)域生態(tài)環(huán)境和交通道路安全[1-3]。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是近些年邊坡防護(hù)技術(shù)中的主流方法,通過(guò)植物莖葉的水文效應(yīng)與根系的錨固作用,實(shí)現(xiàn)對(duì)土體的防護(hù)和加固,以減小自然災(zāi)害的發(fā)生概率[4]。喬木具有根系發(fā)達(dá)、固土效果較好、生命力頑強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是常見(jiàn)護(hù)坡植物之一[5],而雨水入滲使土體發(fā)生非飽和-飽和滲流為引發(fā)喬木失穩(wěn)的主要原因之一,極易誘發(fā)山體滑坡、泥石流等災(zāi)害[6-7]。因此,對(duì)喬木穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)可有效預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,以保護(hù)城市基礎(chǔ)設(shè)施及交通道路的安全運(yùn)營(yíng)。
降雨對(duì)土體穩(wěn)定性的影響機(jī)理十分復(fù)雜,土壤性質(zhì)、降雨強(qiáng)度、瞬態(tài)水壓力、飽和水強(qiáng)度、孔隙水單位重量等因素均會(huì)影響土體的穩(wěn)定性[8-9],而植物根系利用其錨固及黏結(jié)作用可與土壤形成一個(gè)更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體[10],故降雨對(duì)根-土復(fù)合結(jié)構(gòu)的影響屬于多因素影響的非線性回歸問(wèn)題。線性回歸、經(jīng)驗(yàn)方程及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前常見(jiàn)的預(yù)測(cè)方法,其中,反饋式(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近些年最成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一,非常適合解決非線性回歸問(wèn)題[11-12]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目前已應(yīng)用于高邊坡土壤水分預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)施工安全智能預(yù)測(cè)等方面,均取得了較好的效果[13-16]。但是BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型需要大量的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練[17],而降雨對(duì)喬木穩(wěn)定性影響情況的相關(guān)數(shù)據(jù)較少,故限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在暴雨致災(zāi)預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
本文將理論分析、數(shù)值模擬與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,以喬木根系固土機(jī)理和非飽和土體力學(xué)特征為基礎(chǔ),分析失穩(wěn)原因并構(gòu)建幾何模型,利用數(shù)值模擬為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型提供訓(xùn)練樣本,同時(shí)預(yù)測(cè)模型也解決了數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。結(jié)果表明,本文所構(gòu)建的暴雨致災(zāi)預(yù)測(cè)模型不僅預(yù)測(cè)精度高,而且計(jì)算速度相比于數(shù)值模擬提高了數(shù)萬(wàn)倍,可及時(shí)預(yù)判坡體的穩(wěn)定性,為救災(zāi)措施(搬遷、疏散等)的制定及實(shí)施提供時(shí)間,以減小災(zāi)害所帶來(lái)的損失。
土體的強(qiáng)度主要由土顆粒間的相互作用力決定,一般物體埋入土中,其主要受力只有與土顆粒之間的摩擦力。和木樁、電線桿等無(wú)根系物體不同,喬木根系發(fā)達(dá),可與土體形成一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)體系。喬木根系多被看做柔性材料,具有較高的抗拉強(qiáng)度,能抗剪,但抗彎性能較差,故根系附近的土體可以看做是加筋土,即喬木根系能大大提高土體的抗剪強(qiáng)度。
喬木的根系主要由須根和主根兩部分組成,主根一般可達(dá)2 ~12 m,自表土層開(kāi)始向下部各方向延伸,部分主根可穿過(guò)土體表層的松散風(fēng)化層,錨固到深處穩(wěn)定的巖土層上。主根周?chē)罅康母晚毟嗷ダp繞黏結(jié),對(duì)土顆粒有粘結(jié)作用,可以使土顆粒緊密附著在主根周?chē)棠靖档墓掏翙C(jī)理與全長(zhǎng)樹(shù)脂錨桿的錨固機(jī)理十分相似,如圖1 所示。若將主根看作錨桿,那根毛和須根便可看作是樹(shù)脂錨固劑,起到黏結(jié)錨桿桿體(主根)與孔壁巖石(土顆粒)的作用[18-19]。因此,后續(xù)的數(shù)值模擬中選用錨桿來(lái)模擬喬木根系。
圖1 喬木根系與錨桿作用機(jī)理對(duì)比
一般認(rèn)為,非飽和土的滲透系數(shù)kw與孔隙比e和含水量(飽和度S)有關(guān),并且含水量(飽和度S)對(duì)滲透系數(shù)的影響十分明顯,故研究土體非飽和滲流的關(guān)鍵是建立非飽和滲透系數(shù)kw與含水量(飽和度S)之間的函數(shù)關(guān)系。在預(yù)測(cè)非飽和土滲透系數(shù)的模型中,認(rèn)可度最高的是Van Genuchten(VG)提出的模型,該模型結(jié)合了土-水特征曲線(SWCC)與滲透系數(shù)模型,其模型方程為:式中,S 為飽和度;Sr為殘余飽和度;Se為有效飽和度;為體積含水量;r為殘余體積含水量;s為飽和體積含水量;a、m、n 分別為VG 模型擬合參數(shù);s 為基質(zhì)吸力。
根據(jù)式(1)可以得到體積含水量與基質(zhì)吸力的關(guān)系為:
非飽和土的抗剪強(qiáng)度主要由真黏聚力、凈法向應(yīng)力所產(chǎn)生的摩擦力,以及吸力所產(chǎn)生的吸附強(qiáng)度或附加摩擦力3 部分組成,基質(zhì)吸力(ua-uw)和凈法向應(yīng)力( -ua)是2 個(gè)表示應(yīng)力狀態(tài)的獨(dú)立變量。一般認(rèn)為,土體吸附強(qiáng)度和含水量之間呈線性相關(guān),非飽和土抗剪強(qiáng)度公式為[20]:
式中,f為土體破壞時(shí)破壞面上的剪應(yīng)力;c'、'為有效強(qiáng)度參數(shù),通過(guò)飽和土試驗(yàn)確定;為法向應(yīng)力;ua為孔隙氣壓力;uw為孔隙水壓力;s為飽和含水量。
在試驗(yàn)場(chǎng)地(河南省洛陽(yáng)市嵩縣山金礦區(qū))按深度取土進(jìn)行土壤含水率實(shí)驗(yàn),其土質(zhì)為粉質(zhì)黏土,由實(shí)驗(yàn)測(cè)得土體參數(shù)見(jiàn)表1。所得數(shù)據(jù)結(jié)合式(2)擬合得到如圖2 所示的SWCC 曲線。因?yàn)闆](méi)有進(jìn)氣值和殘余值2 個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),所以圖2 沒(méi)有構(gòu)成完整的SWCC 曲線。
表1 土體參數(shù)
圖2 擬合SWCC 曲線
將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)代入SWCC 模型表達(dá)式(1)得到基本參數(shù):a=0.06,m=0.48,n=1.71。飽和體積含水量s=0.493 8,r=0.08,則式(2)可變?yōu)椋?/p>
喬木具有粗壯高大的主干,護(hù)坡多選用小喬木,通常高度為5 ~10 m,根深可達(dá)2 ~12 m,后續(xù)選取高8 m、根深5 m、胸徑0.6 m 的喬木進(jìn)行模擬。喬木根系發(fā)達(dá),往往相互纏繞、盤(pán)根錯(cuò)節(jié),分布十分復(fù)雜,這使得數(shù)值模擬時(shí)難以準(zhǔn)確模擬其形態(tài),故本文旨在模擬其力學(xué)特征。以喬木根系固土機(jī)理為基礎(chǔ),結(jié)合其分布形態(tài),將喬木根系簡(jiǎn)化為如圖3 所示的模型。
圖3 喬木根系簡(jiǎn)化模型(單位:m)
礦業(yè)工程中常采用FLAC3D模擬軟件中的Cable 單元模擬錨桿。故本文先采用Rhino 軟件建立如圖3(b)所示的樹(shù)根簡(jiǎn)化模型,后采用FLAC3D 中的Cable單元模擬喬木根系,通過(guò)賦參使錨桿不具有抗彎性能以模擬喬木根系的力學(xué)特征,同時(shí)調(diào)整Cable單元參數(shù)模擬全長(zhǎng)注漿錨固以模擬根毛和須根的粘結(jié)作用,由實(shí)驗(yàn)測(cè)得根系參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 喬木根系材料參數(shù)
FLAC3D提供了二相流模型,適合模擬非飽和土[21],故利用FLAC3D 建立幾何模型如圖4 所示。土體模型尺寸為15 m×15 m×30 m,采用Mohr-Coulom 本構(gòu)模型,認(rèn)為土體為各向同性滲流模型,頂面為自由邊界條件同時(shí)設(shè)置滲流邊界條件,其余各面均設(shè)置固定邊界條件。喬木為不透水材料模型,與土體的接觸界面設(shè)置為不透水邊界。在得到穩(wěn)定狀態(tài)下的滲流場(chǎng)之后,添加降雨邊界條件,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。
圖4 數(shù)值模擬三維模型
為了使后續(xù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練出來(lái)的模型更符合實(shí)際情況,結(jié)合洛陽(yáng)市近10 年的降雨情況,根據(jù)降雨強(qiáng)度的不同,制定了如下6 類(lèi)契合實(shí)際的多雨型降雨方案,共計(jì)14 組不同降雨強(qiáng)度的模擬方案。擬利用數(shù)值模擬得到多種降雨條件下暴雨致災(zāi)樣本,模擬時(shí)在喬木頂端施加一個(gè)穩(wěn)定的上拔載荷,1—7h內(nèi)每隔10 min 監(jiān)測(cè)一次孔壓及上拔位移的變化情況,故可得588 組不同降雨強(qiáng)度下的孔壓及位移數(shù)據(jù),相關(guān)的降雨參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 各方案降雨參數(shù)
降雨入滲率是影響非飽和土體穩(wěn)定性的重要因素[22]。根據(jù)非飽和土體的滲透特征可知,當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土體的滲透系數(shù)時(shí),土體的入滲率即為土體滲透系數(shù);當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土體的滲透系數(shù)時(shí),土體的入滲率即為降雨強(qiáng)度。通過(guò)計(jì)算可知,當(dāng)12 h 內(nèi)的降雨量超過(guò)112.752 mm 時(shí),降雨強(qiáng)度等于滲透系數(shù),即此后土體的入滲率即為土體的滲透系數(shù)。數(shù)值模擬中非飽和土體的相關(guān)滲流參數(shù)見(jiàn)表4。
表4 非飽和土滲流參數(shù)
在距土體表面1 m 的位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)此處的孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè),可得到14 種降雨強(qiáng)度下的孔壓及位移變化特征曲線,如圖5 所示。根據(jù)非飽和土的強(qiáng)度特征可知,基質(zhì)吸力等于孔隙氣壓力與孔隙水壓力之差(ua-uw),由于土體與大氣連通,故此處孔隙氣壓力默認(rèn)為0,因此基質(zhì)吸力即為負(fù)孔隙水壓力。從圖5(a)可以看出,土體經(jīng)歷了從非飽和到飽和的滲流過(guò)程,孔隙水壓力由負(fù)值逐步增至正值,故基質(zhì)吸力隨著雨水入滲逐漸減小。同時(shí),隨著降雨強(qiáng)度的增大,孔壓的變化梯度越大,即土體達(dá)到飽和所需時(shí)間越少。
圖5 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)曲線
降雨會(huì)使土體含水率增高,則喬木根系與土體之間的黏結(jié)及錨固效果將會(huì)減弱,故喬木的抗拔性能將逐步減弱。在喬木頂端給一穩(wěn)定的上拔載荷(900 kPa),則可得到如圖5(b)所示的不同降雨強(qiáng)度下的上拔位移變化特征曲線。由圖5(b)可以看出,在降雨時(shí)間相同的情況下,隨著降雨強(qiáng)度的增大,喬木上拔位移逐步增大。這是因?yàn)殡S著降雨強(qiáng)度的增大,土體含水率變化梯度也會(huì)增大,則基質(zhì)吸力減小的速度隨之增大,故上拔位移逐漸增大。
降雨引起的基質(zhì)吸力變化是影響喬木穩(wěn)定性的直接因素,降雨條件下基質(zhì)吸力的衰減情況可由上木的滲埋比相同,則深徑比越大,上拔位移變化系數(shù)越小,即基質(zhì)吸力的衰減程度越不明顯,樹(shù)木的拔位移變化系數(shù)的函數(shù)關(guān)系式表述。定義無(wú)量綱自變量滲埋比和深徑比:
式中,ht為喬木的根長(zhǎng);hd為雨水的入滲深度;Dt為喬木的根莖。
構(gòu)建喬木上拔位移變化系數(shù)的函數(shù)關(guān)系式:
式中,Sn0為無(wú)降雨時(shí)喬木的上拔位移;Sn為雨水入滲深度為hd時(shí)喬木的上拔位移。
通過(guò)origin 擬合可得到雙變量無(wú)量綱上拔位移變化系數(shù)擬合曲線如圖6 所示。本文中上拔位移變化系數(shù)的具體表達(dá)式為:
圖6 上拔位移變化系數(shù)擬合曲線
由式(8)可知,在某一確定的降雨條件下,若樹(shù)安全穩(wěn)定性越好,此表達(dá)式可為易受暴雨影響地區(qū)的道路設(shè)計(jì)及栽種樹(shù)木選取提供參考。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)簡(jiǎn)稱(chēng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),是一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征,進(jìn)行分布式并行信息處理的數(shù)學(xué)模型,主要通過(guò)調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點(diǎn)之間相互連接的關(guān)系,從而達(dá)到處理信息的目的[22]。反饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,即BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,是一種按照誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),是應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一,非常適合解決非線性回歸問(wèn)題[23]。
降雨對(duì)喬木穩(wěn)定性的影響程度與降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間、喬木埋深、土體參數(shù)等多種因素相關(guān),屬于多因素影響的非線性回歸問(wèn)題。本文選用Matlab 軟件建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的暴雨致災(zāi)預(yù)測(cè)系統(tǒng),依靠數(shù)值模擬獲得的588 組不同降雨方案下的暴雨致災(zāi)樣本,其中任選14 組用作后續(xù)的模型驗(yàn)證,剩余樣本中的70%(402 組)用作訓(xùn)練樣本,15%(86 組)用作驗(yàn)證樣本,15%(86 組)用作測(cè)試樣本。
BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖7 所示,主要包括輸入層、隱含層以及輸出層。本文的預(yù)測(cè)模型共有2×402個(gè)輸入值,1×402 個(gè)輸出值。由于訓(xùn)練樣本有限,為防止神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象,在降低模型復(fù)雜度的基礎(chǔ)上,分別用Levenberg-Marquarbt、Bayesian Regularization、Scaled Conjugate Gradient 這3 個(gè)算法進(jìn)行訓(xùn)練,降低單個(gè)模型的過(guò)擬合風(fēng)險(xiǎn),最終選擇訓(xùn)練效果最好的Levenberg-Marquarbt 算法。訓(xùn)練過(guò)程中,首先對(duì)輸入值進(jìn)行歸一化處理,然后輸入值向前傳輸,經(jīng)過(guò)各隱含層之間的權(quán)值以及閾值b,最終至輸出層輸出結(jié)果,同時(shí)模型自動(dòng)計(jì)算輸出值與實(shí)際輸出值之間的誤差△e。若△e 沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的收斂值,則修改各層之間的、b,進(jìn)入逆向反饋過(guò)程,直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的收斂值,即可停止訓(xùn)練。
圖7 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型可以根據(jù)相關(guān)系數(shù)R 的大小來(lái)判斷模型的預(yù)測(cè)效果,R 越接近1,表示預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的擬合程度越高。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程曲線如圖8 所示。可以看出,訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集以及整體訓(xùn)練模型的相關(guān)系數(shù)R 均大于0.99,未出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象。由此可見(jiàn),此暴雨致災(zāi)預(yù)測(cè)模型的擬合誤差小、預(yù)測(cè)精度高。
圖8 暴雨致災(zāi)預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練過(guò)程曲線
為了進(jìn)一步分析預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性,選用無(wú)降雨時(shí)穩(wěn)定載荷下喬木的最大上拔位移量進(jìn)行基礎(chǔ)拉拔實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,結(jié)果如圖9 所示。由圖9(a)可以看出,數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值之間的誤差為1.34%,BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值之間的誤差為2.29%,誤差增加了0.95%,這是因?yàn)閿?shù)值模擬與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合時(shí),2 種模型會(huì)產(chǎn)生誤差疊加,但是誤差僅為1.62%。相信隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的逐步完善和發(fā)展,其對(duì)訓(xùn)練樣本的數(shù)量及質(zhì)量要求也會(huì)逐漸降低,并且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也在不斷地豐富和完善中。未來(lái)將可以實(shí)現(xiàn)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,構(gòu)建更客觀精準(zhǔn)的暴雨致災(zāi)預(yù)測(cè)模型。
圖9 模型準(zhǔn)確性分析
利用未進(jìn)行訓(xùn)練的14 組數(shù)據(jù),在訓(xùn)練好的暴雨致災(zāi)預(yù)測(cè)模型中進(jìn)行降雨模擬,記錄隨著降雨強(qiáng)度的改變樹(shù)木在一穩(wěn)定拉拔力下的位移變化情況,并與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由圖9(b)可以看出,數(shù)值模擬結(jié)果曲線與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果曲線吻合度較高,降雨模擬平均誤差僅為0.91%。由圖9 可以看出,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型和數(shù)值模擬結(jié)果接近,平均誤差僅為1.265%,能反映不同降雨強(qiáng)度下喬木穩(wěn)定性的變化情況。
此外,BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型計(jì)算一個(gè)7 h 的強(qiáng)降雨方案僅需0.1 s,而利用數(shù)值模擬軟件則需耗費(fèi)數(shù)小時(shí),計(jì)算速度提高了數(shù)萬(wàn)倍。綜上所述,本文所建立的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的暴雨致災(zāi)預(yù)測(cè)模型在節(jié)約計(jì)算時(shí)間的基礎(chǔ)上,也滿足了預(yù)測(cè)精度的要求,可在發(fā)生強(qiáng)降雨等突發(fā)暴雨災(zāi)害時(shí)及時(shí)做出反饋,以降低山體滑坡、泥石流等災(zāi)害所帶來(lái)的損失,可為災(zāi)害預(yù)防工作提供參考。
結(jié)合理論分析及預(yù)測(cè)結(jié)果制定分類(lèi)預(yù)警評(píng)判指標(biāo)及防治措施如表5 所示,可為臺(tái)階邊坡及公路的災(zāi)害防治工作提供參考。
表5 分類(lèi)預(yù)警評(píng)判指標(biāo)
1)基于非飽和土體力學(xué)特征和喬木根系固土機(jī)理,對(duì)數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理分析,得到雙變量無(wú)量綱上拔位移變化系數(shù)的擬合曲線及其表達(dá)式,此表達(dá)式可為易受暴雨影響地區(qū)的道路設(shè)計(jì)及栽種樹(shù)木選取提供參考。
2)將數(shù)值模擬與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,提出新的暴雨致災(zāi)預(yù)測(cè)模型,此模型相比于數(shù)值模擬計(jì)算速度提高了數(shù)萬(wàn)倍,與數(shù)值模擬的誤差也僅為1.265%,可為救災(zāi)措施的制定及實(shí)施提供更多時(shí)間。
3)根據(jù)理論分析及預(yù)測(cè)結(jié)果,制定與預(yù)測(cè)模型相對(duì)應(yīng)的分類(lèi)預(yù)警評(píng)判指標(biāo),共分為藍(lán)、黃、紅3 個(gè)等級(jí),通過(guò)降雨對(duì)喬木穩(wěn)定性的影響情況分析其護(hù)坡?tīng)顩r,并制定相應(yīng)的防護(hù)措施,可為災(zāi)害防治工作提供參考。