（森林工程专业论文）基于神经网络及遗传算法技术的边坡稳定性评价研究.pdf

中南林业科技大学硕十学位论文 摘要 随着大规模工程建设的开展 在工程建设领域出现了越来越多的高陡边坡 而 这些边坡又往往成为制约工程是否经济合理乃至成败的重要因素 因此 经济 安全 可靠的设计边坡工程和准确地分析评价天然边坡的稳定性 意义尤为重大 在边坡稳 定性评价的各种方法之中 神经网络方法是一种有效而且准确的途径 针对该课题 本文对边坡稳定性评价的神经网络方法及神经网络的遗传优化进行了探讨和研究 本文首先引入神经网络及遗传算法的基本概念 简要介绍了b p 神经网络 自组 织竞争神经网络及遗传算法的基本原理和特点 然后阐述了神经网络在边坡稳定性预 测中的使用方法和遗传算法优化b p 神经网络拓扑结构的基本方法 在上述基本原理 和方法的基础上 本文详细介绍了如何进行学习样本的选择以及网络拓扑结构的优化 方法 本文采用自组织竞争神经网络对收集到的边坡样本进行归类 使学习样本的噪声 大为降低 b p 神经网络采用归类后的样本进行学习 使学习效率有了明显提高 网 络的推广及泛化能力也得到7 进一步加强 同时 b p 神经网络拓扑结构的优化采用 遗传算法编程实现 试验证明 优化后的b p 神经网络在安全系数的拟合以及样本的 误差分布方面均有明显的改善 本文编制了可以通用的边坡稳定性评价程序 通过将该边坡稳定性评价程序应用 于边坡实例的稳定性评价分析 得到的边坡状态与实际相符 准确度较高 用于计算 边坡的安全系数误差较小 因此 在实际应用中只要找出合适的学习样本集合 即可 使用本程序求解目标边坡的安全系数及边坡稳定状态 关键词 边坡 自组织神经网络 b p 神经网络 遗传算法 样本归类 里茎些丝垄奎薹耋圭茎竺笙兰 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o np r o j e c t s m o r ea n dm o r ch i g ha n d s t e e ps l o p e sh a v ea p p e a r e di na l lk i n d so fc o n s t r u c t i o nf i e l d s w h i c ha r ea l w a y se s s e n t i a l f a c t o r si nd e c i d i n gw h e t h e rt h ep r o j e c ti se c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l eo rn o t t h e r e f o r e h o wt od e s i g nas l o p ep r o j e c to re v a l u a t et h es t a b i l i t yo fan a t u r a ls l o p ei na l le c o n o m i c a l s a f e t ya n dr e l i a b l ew a yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e a m o n gt h em e t h o d so fs l o p es t a b i l i t y e v a l u a t i o n n e u r a ln e t w o r k sm e t h o di sar e l a t i v e l ye f f e c t i v eo n e a st ot h i sm e t h o d s o l n e r e s e a r c h e sa b o u tt h es l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o nb yn e u r a ln e t w o r k sm e t h o da n di t s o p t i m i z i n gn 峙锄w c t ed o n eb yt h i st h e s i s f i r s t l y t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p t so fn e u r a ln e t w o r k sa n dg e n e t i c a l g o r i t h m s b pn e u r a ln e t w o r k s m a i nc h a r a c t e r sa n dp r i n c i p l e so fs e l f o r g a n i z i n gn a l r a l n e t w o r k sa n dg e n e t i ca l g o r i t h m sw e r ea l s ob r i e f l yd i s c u s s e di nt h ef i r s tp a r t t h e nt h e p a p e ri l l u m i n a t e dt h a th o w t ot a k eu s eo f s e l f o r g a n i z i n gn e u r a ln e t w o r k si nf o r e c a s t i n gt h e s t a b i l i t yo fas l o p ea n dp r i n c i p a lw a y si no p t i m i z i n gt h et o p o l o g i c a ls t n l c t u r eo fb pn e u r a l n e t w o r k st h r o u g hg e n e t i ca l g o r i t h m s o nt h eb a s i so fa b o v et h e o r i e sa n dm e t h o d s t h e t h e s i sc o u l df u l l ye x p l a i nh o wt oc h o o s et h el e a r n i n gs a m p l e sa n do p t i m i z et o p o l o g i c a l s t r u c t u r en e t w o r k sa sw e l l t h i st h e s i sa d o p t e dt h es e l f o r g a n i z i n gc o m p e t i t i v en e u r a ln e t w o r k st oc l a s s i f yt h o s e c o l l e c t e ds l o p es a m p l e s w h i c hm a d en o i s e sc a u s e db yl e a r n i n gs a m p l e sg r e a t l yr e d u c e d b pn e l l r a ln e t w o r k sw 哪l e a r n e dt h r o u g hi t sc l a s s i f i e ds a m p l e s w h i c hl e dt oi m p r o v e d l e a r n i n ge f f i c i e n c ya n d e n h a n c e dp o p u l a r i z i n g a b i l i t y o fn e t w o r k s f u r t h e r m o r e t o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fb pn e u r a ln e t w o r k so p t i m i z i n gw a sa c h i e v e db yt h eg e n e t i c a l g o r i t h m sp r o g r a m m i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h a tt h es a f e t yc o e f f i c i e n tf i t t i n ga s w e l la ss a m p l ee r r o ro fb pn e u r a ln e t w o r k sh a dg o td i s t i n c ti m p r o v e m e n ta f t e rt h e i r o p t i m i z a t i o n a g e n e r a lp r o g r a m u s e dt oa p p r a i s et h es t a b i l i t yo fas l o p eh a db e e ne s t a b f i s h e di nt h i s t h e s i s w h e na p p l y i n gt h a tp r o g r a mt oar e a lc a s e w ec o u l do b t a i nam o r ea c c u r a t er e s u l t w h i c hw a sa c c o r dw i t ht h ea c t u a lc o n d i t i o n sa n dh a ds m a l l e re r r o ro fs a f e t yc o e f f i c i e n l 恤tw e o n l yn e e dw a sf i n d i n gt h ea p p r o p r i a t es a m p l es e ti na c t u a la p p l i c a t i o n s ot h a tt h e g o a ls l o p e ss a f e t yc o e f f i c i e n ta n di t ss t a b i l i t yc o n d i t i o n sc o u l db ew o r k e do u tb yt h ev e r y p r o g r a m k e yw o r d s s l o p e s e l f o r g a n i z i n gn e u r a ln e t w o r k s b pn e u r a ln e t w o r k g e n e t i c a l g o r i g h m c l a s s i f i c a t i o no f s a m p l e s 中南林业科技大学硕十学位论文 插图索引 图2 1 神经元模型 1 4 图2 2s 型输 输出特征 1 5 图2 3 前向网络 1 5 图2 4b p 网络的结构 1 7 图2 5 竞争型神经网络结构 2 0 图2 6s o m 网络的结构 2 l 图2 7 交叉操作 2 9 图2 8 变异操作 2 9 图3 1 步数为1 0 0 0 时s o m 网络的聚类结果 3 9 图3 2 目标边坡学习样本集合 4 0 图3 35 6 号样本组网络结果分析 4 1 图3 45 6 号样本组误差分布 4 l 图3 55 7 号样本组网络结果分析 4 2 图3 65 7 号样本组误差分布 4 2 图3 71 到2 0 号边坡样本组结果分析 4 3 图3 81 到2 0 号边坡样本组误差分布 4 3 图4 1 三层网络结构图 4 7 图4 2 单隐层5 隐节点网络结构编码矩阵 4 7 图4 3 子代个体生成方法 4 9 图4 4 优化神经网络结构流程图 5 2 图5 1 优化前后网络的误差分布 5 4 图5 2 优化后5 6 号样本组网络结果 5 5 图5 3 优化前后5 6 号样本组网络误差分布 5 5 图5 4 优化后5 7 号样本组网络结果 5 6 图5 5 优化前后5 7 号样本组网络误差分布 5 6 中南林业科技大学硕七学位论文 附表索引 表1 1 各种极限平衡分析法之间的比较 7 表1 2 几种数值方法的比较 8 表3 1 边坡实例样本 3 5 表3 2 归一化后的边坡样本 3 6 表3 3 待求边坡样本 3 9 表3 4 目标边坡学习样本集合 4 0 表5 1 边坡稳定性安全系数网络预测结果 5 6 表5 2 各神经网络模型边坡实例求解结果 5 7 幸龠扦蒜科懿屯甾 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 也不包含为 获得中南林学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式表明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 丢l 熄 沙p 6 年6 月 阳 斗留静尊槲然六甾 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文 的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子舨 允许论文被查阅或借阅 本人授权中南林 学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密囤 作者签名 由旦马 导师签名 4 1i 麓 埘g 9 f g 日加 年 月 扣 中南林业科技大学硕七学位论文 l 绪论 1 1 引言 人类赖以生存的地球表层是一个由岩石圈表层 大气层 水圈 生物圈组成的四 圈层复杂动态系统 这些圈层相互作用 相互渗透 相互联系 相互依存 共同构成 了人类生存与发展的总体环境 其中 生物圈的作用 尤其是人类的作用对环境的影 响已经引起世界各国政府和科学家的高度重视 人类的工程活动已成为地球表层特别 活跃的因素和力量 人类作用已成为与自然作用并驾齐驱的作用力 某些方面甚至已 经超过自然地质作用的速度和强度 例如 人类工程活动对岩石圈表层的开挖作用 其速度已远远大于自然营力对岩石圈表层的侵蚀速度 在工程活动范围内 其强度也 大于自然营力的作用 据统计 人类活动的地下开挖深度已超过1 0 0 0 m 最高人工边 坡已达6 0 0 m 可见 人类工程活动已成为影响环境的重要力量 这种影响如果不协 调和不规范 往往导致工程地质灾害的频繁发生 人类财富的极大损失 据有关部门 报道 发展中国家每年因地质环境恶化和地质灾害所造成的经济损失到达国民生产总 值的5 以上 我国的滑坡 崩塌和泥石流等边坡地质灾害正随着工程建设和资源能 源的开发而加剧 每年由此造成的损失近3 0 0 亿元 近1 0 年来 全国4 0 0 多个市 县受到边坡地质灾害的侵害导致了有近万人死亡 据调查其中5 0 以上的地质灾害是 人为因素造成的1 1 1 因此 规范人类的工程活动 协调人一地关系 已成为地质工程 和环境地质学科中非常重要的研究课题 中国是世界上最大的发展中国家 已经成为目前世界上具有最大规模资源开发工 程和土木建设工程的国家 随着西部开发战略的实施 资源开发和基础设施的建设正 以前所未有的速度发展 我们正在快速修建国家主干高速公路网和完善铁路运输系 统 以开展城市基础设施建设和促进都市化的进展 同时还在大规模开采矿产资 源 然而 我国地形地质条件复杂 三分之二的国土为山地 特别是西部地区 受青藏高原隆升的影响 地形变化大 地质构造复杂 因此 在西部地区开展大规模 的水电工程 公路工程 铁路工程 矿山工程等建设活动中 经常不可避免的需要开 挖岩土体 从而形成大量工程边坡 随着工程规模的增大 工程边坡的高度也越来越 高 如三峡水电工程船闸高边坡高达1 7 0 m 黄河小浪底水电工程进水口边坡高1 2 0 m 澜沧江小弯水电站泄水建筑物边坡高达2 3 9 m 清江隔河岩水利枢纽出水口边坡最高 达1 5 0 m 溪咯渡水电站拱肩槽边坡高达2 5 0 m 抚顺西露天矿高边坡开挖深度已超过 3 0 0 m 这些工程边坡的稳定性状况 事关工程建设的成败与安全 对整个工 中南林业科技大学硕十学位论文 程的可行性 安全性及经济性等起着重要的控制作用 并在很大程度上影响着工程建 设的投资及使用效益 如果处理不当 往往会导致边坡失稳 形成滑坡 其后果不堪 设想 如云南澜沧江漫湾水电站左岸缆机平台边坡失稳的治理工程耗资1 2 亿元 延 误工期一年 损失超过l o 亿元1 2 龙羊峡水电站的虎山边坡治理工程耗资近3 亿元 天生桥二级水电站进口右岸挡墙基坑开挖导致滑坡 使4 8 人丧生 清江隔河岩水电 站右岸导流洞出口边坡失稳 近2 0 万m 3 岩体解体 延误工期3 个月 黄河小浪底水 电工程进场公路开挖时 发生3 0 万m 3 滑坡 造成公路改道 增开交通隧道及桥梁工 程等大量投资1 3 1 分析认为 我国工程边坡失稳频繁发生的主要原因有以下几点 政府管理决策 部门和工程建设业主对工程边坡认识不足 他们往往认为边坡不是工程建设的主体 不愿意事前花较多经费对工程边坡进行勘察 论证和治理 受我国传统分工体系 的影响 工程边坡的设计多由结构设计人员完成 而结构设计人员往往对边坡的工程 地质条件缺乏足够的了解 加之工程地质人员又对边坡治理结构不甚熟悉 这就导致 了认识边坡和改造边坡人员之间的脱节 工程边坡的地质条件的多样性和复杂性 提高了边坡稳定性设计的难度 工程边坡设计仍然为非标准设计 特别是坡比设 计常为经验设计 人们往往对滑坡的研究多 而对工程边坡研究相对较少 尤其 是对岩质工程边坡的研究还未形成一套完善的技术方法体系 国外边坡破坏的事故也很频繁 所造成的损失也常常十分严重 1 9 0 3 年 在加 拿大阿尔伯达州的龟山发生了巨大的滑坡 伤亡人数达7 0 余人 毁坏了不少财产 淹没了长达2 3 0 0 米的铁路 4 1 1 9 6 3 年 在意大利瓦依昂拱坝左岸的岩质边坡发生破 坏 约有2 0 0 3 0 0 x1 0 6 立方米的岩石沿斜坡滑动 造成了3 0 0 0 多人死亡的重大事 故 在美国怀俄明州的格罗斯凡特大滑坡也在一个河谷内形成了一座长2 4 公里顶宽 3 0 0 米高约5 4 米的堆积体 总方量约3 8 1 0 6 立方米 1 9 5 9 年 法国m a l p a s s e t 拱坝在初次蓄水时发生溃坝 1 9 7 0 年秘鲁h u a s c a r a n 山区因地震而触发的一起山崩 造成1 8 万人死亡的悲惨事件 等等 通过上述种种事例 我们不难看出由于边坡的不合理设计造成了时间上和经济上 的种种损失 为了减少和消灭各种滑坡事故的发生 必须加强边坡稳定性研究工作 对于具体的工程设计 要求在安全可靠的前提下求得经济和适用 同时 旋工上必须 尽可能采用先进的旅工技术方法 以确保和提高施工质量 边坡岩土体稳定性研究的 目的 就是为设计和施工部门正确解决安全 经济和适用三者之间的关系提供科学的 依据 具体来说 第一要结合工程实际 提出各种不同情况下安全可靠和经济合理的 边坡角 第二对已经发生边坡破坏的工程地段查明原因 建议或指出处理原则和处理 2 中南林业科技大学硕十学位论文 意见 第三预报滑坡可能发生的时间 具体位置和规模 为了达到上述目的 必须将 设计 施工和生产部门紧密结合 进行综合的试验研究 1 2 边坡稳定性研究现状 边坡包括了天然斜坡和人工边坡 边坡稳定性问题的工程地质分析包含了两个相 互联系的基本任务 一方面要对人类工程活动有关的天然斜坡或已建成的人工边坡的 稳定状况 演化趋势及成灾可能性作出评价和预测 另一方面要为设计不合理的边坡 制定有效的边坡整治措施提供依据 5 j 边坡的失稳和成灾总是与它的变形破坏相联系 因而要对边坡稳定性作出确切的 评价和预测 必须阐明边坡是否具有发生危害性变形与破坏的可能以及变形破坏的方 式和规模 所以边坡稳定性问题的工程地质分析要从研究边坡变形和破坏的规律入 手 边坡变形破坏过程中所造成的各种迹象 清楚的揭示了表层岩体在不同条件下演 变的全过程 因而也是建立岩体边坡变形破坏地质力学模式的重要依据 1 2 1 边坡的变形与破坏 边坡内部应力发生变化 引起应力重分布和应力集中效应 为适应这种应力状态 的变化 边坡发生不同形式和规模的变形 这是引起边坡变形破坏的内因 各种自然 应力和人类工程活动造成边坡外形 内部结构及应力状态的变化 这些则是引起边坡 变形破坏的外因 由于应力重分布 边坡岩体应力状态的特点有 1 边坡周围的主 应力迹线发生了明显的偏转 越靠近临空面 最大主应力越接近平行于临空面 最小 主应力则垂直于临空面 2 临空面附近造成了应力集中带 3 与主应力迹线偏转相 联系 坡体内最大剪应力迹线由直线变为近似圆弧线 正是由于应力状态发生了变化 所以导致了边坡的变形与破坏 1 2 1 1 边坡变形的主要类型 边坡的变形研究是基础性工作 边坡破坏是变形的继续 失稳是破坏的发展 只 有深入研究边坡在各种条件下的变形形式 才能掌握边坡体正常变形规律 很好的利 用位移监测资料识别边坡体的异常变形 边坡的变形阶段一般分为卸荷回弹和斜坡蠕变两个过程 卸荷回弹是边坡岩体内 积存的弹性应变能释放而产生的 当积存的能量释放完毕 这种变形即告结束 一般 在成坡后较短时间内完成 边坡蠕变则是在坡体应力 以自重应力为主 长期作用下 发生的一种缓慢而特殊的变形 这种变形包含某些局部破裂 并产生一些新的表生破 裂面 一般能看到有明显破裂迹象的岩体一变形体 中南林业科技大学硕十学位论文 1 2 1 2 边坡破坏的主要类型 根据国际工程地质学会滑坡委员会建议 采用v a r n e s 的滑坡分类为国际标准方 案 该分类综合考虑了边坡的物质组成和运动方式 按物质组成分为岩质和土质边坡 按运动方式划分为崩塌 倾倒 滑动 侧向扩离和流动等五种基本类型 还可组合成 多种复合类型 如崩塌一碎屑流 滑坡一泥石流等 v a r n e s 的分类实际上是将边坡变 形 破坏和破坏后的运动三者综合在一起 如 流动 包括前期斜坡岩体蠕变 后期 的碎屑流或者泥石流 蠕变属于边坡变形 在边坡发生滑坡 崩塌等破坏之前 都要 经历蠕变 泥石流 碎屑流则是边坡失稳后继续运动过程中发展而成的运动形式 故 它应属于崩塌或滑坡破坏 同样 倾倒 也是一种变形方式 所以 崩塌 滑坡 倾向扩离是边坡破坏的三种基本方式 也是边坡失稳的基本方式 从岩体破坏机制方 面来讲 崩塌以拉断破坏为主 滑坡是剪断破坏 扩离则主要是塑性流动破坏 崩塌 包括小块石坠落 倾倒块体 翻转及大规模山崩 其崩落体堆于山脚 可能发展为碎 屑流 滑坡按滑动面或破坏面形态分为平滑型滑坡和弧形滑坡 其形态也可能是两者 的组合形式或更为复杂的形式 扩离是由于边坡岩体中下伏平缓产状的软弱层塑性破 坏或者流动引起的破坏 软层上覆的岩体作整体扩离 呈塑性流动状态是这种破坏方 式区别于一般滑坡的主要特征 1 2 1 3 边坡变形破坏的地质力学模式 边坡变形破坏的地质力学模式揭示了边坡发展变化内在的力学机制 并基本确定 了边坡岩体最终破坏的可能方式与特征 建立边坡岩体变形破坏的地质模式在岩体稳 定性分析中有很广泛的用途 6 包括 1 根据各种模式的产生条件 预测边坡岩体可能的主要破坏方式 2 在详细研究各模式演进的阶段划分判据和各阶段的典型结构图式的基础上 根据实际观察到的变形破裂迹象和外貌特征来判定岩体所处演变阶段 预测其发展趋 势 3 判定促进岩体交形破坏的关键部位以及岩体中的应力集中和应力活跃部位 为定量评价其稳定性和制订整治方案提供依据 边坡变形破坏基本的地质力学模式有蠕滑 拉裂 滑移 压致拉裂 弯曲 拉裂 塑流 拉裂和滑移 弯曲5 种 1 蠕滑 拉裂 可发生在各类岩体中 以块状 层状和散体状岩体中多见 表现为一定形状的岩体沿岩体中原有的软弱面或潜在剪切面的蠕滑 并伴有向滑移面 方向逐渐收敛的拉裂 边坡坡体中的这类变形往往可于变形体的后缘直接观测到拉裂 4 中南林业科技大学硕十学位论文 缝 它是判断变形的发生和进展情况的重要标志 这类变形若发生在坝基 可使坝踵 部位岩体拉裂 从而造成防渗帷幕失效 若发生在洞室边墙或顶拱围岩中 将增高围 岩对支撑的压力 这类变形的进展主要由蠕滑的发展所控制 一旦使滑移面贯通或剪 断潜在剪切面 即发展为剪切破坏 2 滑移 压致拉裂 大多发生在块状或层状岩体中 表现为一定形状的岩体 沿软弱面的滑移 并伴以起源于滑移面的分枝拉裂面 这类变形的发展可使岩体碎裂 化 散体化 也可因拉裂而非与滑移面的交接部位压碎扩容 使两者连成贯通性滑动 面而发展为剪切破坏 3 弯曲 拉裂 主要发生在层状 尤其是薄层状岩体中 表现为层状或板状 岩体的悬臂梁弯曲 横弯曲和纵弯曲 并伴以层间拉裂 斜坡坡体中陡立的层状岩体 经卸荷回弹并在自重应力作用下发生向i 晦空方向的弯曲 于后缘造成拉裂 如坝基陡 立层状岩体在坝体水平剪应力作用下发生弯曲 于坝踵部位产生拉裂 也可导致防渗 帷幕破裂失效 洞室层状围岩的此类变形可引起顶拱下陷 边墙突出 底板隆起 变 形的进展可使弯曲的层 板 状岩体被折断 导致拉断破坏 4 塑流 拉裂 主要见于硬软相问互层状岩体中 通过下伏软弱带 或破碎 带 压碎带等 的塑性流动导致上覆岩体弯折拉裂 变形的发展可使上覆岩体解体造 成剪切破坏 5 滑移 弯曲 主要见于层状岩体 表现为层状岩体顺层滑移并伴以纵弯曲 弯曲部位内部可出现层问拉裂 弯形的发展往往因弯曲部位被剪断或压碎而导致剪切 破坏 此外 边坡岩体变形形式还可由两种或两种以上基本组合模式复合面 并且某些 组合模式在发展演变过程中也可转化为另一种组合模式 1 2 1 4 影响边坡稳定性的主要因素 影响边坡稳定的主要因素有f 7 8 1 1 边坡材料力学特性 由弹性模量 泊松比 摩擦角 粘结力 容重 抗剪强 度等参数反映 2 边坡几何尺寸 边坡几何尺寸包括边坡高度 坡面角和边坡边界尺寸以及坡 面后方坡体的几何形状 即坡体的不连续面与开挖面的坡度及方向之间的几何关系 它将确定坡体的各个部分是否滑动或塌落 3 边坡外部荷载 包括地震力 重力场 渗流场 地质构造地应力场等 中南林业科技大学硕士学位论文 1 2 2 边坡稳定性的分析方法 岩体是在漫长的地质发展过程中形成的地质体的一部分 它的成因和构造复杂 岩性多样 从结构特点来看 可分为连续介质 裂隙介质和散体介质 从力学性能来 看 它包括了几乎所有固体材料的力学属性一弹性 塑性 粘性 流变性 各向异性 和非均质性魏1 0 1 不同类型岩体 即使在相同的外界条件作用下 将出现不同的变形 和破坏机制 因而在工程实践中也就形成了不同的研究途径和各具特色的分析方法 目前岩质边坡的稳定性分析方法中主要有两大类方法 第一类方法是在边坡滑面确定 的情况下 根据滑裂面上的抗滑力和下滑力直接计算边坡安全系数 滑裂面上的力可 以由滑体的静力平衡条件求解 这类方法包括极限平衡法 关键块理论等 第二类方 法首先采用数值分析方法确定边坡的位移场和应力场 再采用超载法 强度储备法等 使边坡达到极限状态 从而问接地得到安全系数 这种方法不仅考虑了滑移体力的平 衡 而且考虑了位移协调条件和岩体本构关系等 现将这几种主要岩质边坡稳定性分 析方法概述如下 1 2 2 1 极限平衡分析法 极限平衡分析法目前仍是岩质边坡稳定性分析的主要方法之一 该方法应用较为 广泛 简便易行 计算工作量小 容易为工程技术人员所掌握 有一定的实践经验 特别是当滑动面为单一优势面时 该方法能较合理地确定其稳定性 但对于复杂的滑 动面 必须引入若干假定 因此所得的结果就存在一定的近似性 采用极限平衡法分 析边坡的稳定性 要事先确定可能失去平衡的潜在滑体以及滑动模式 然后根据力学 平衡原理分析边坡各种破坏模式的受力状态 采用抗滑力和下滑力之间的关系来评价 边坡的稳定性 通常可采用解析法求解 目前常用的极限平衡法主要包括 b i s h o p 法 f e l l e n i u s 法 j a n b u 法 s p e n c e r 法 m o r g e n s t e r n p r i c e 法和s a r m a 法等等 t l l 之 间的比较见表1 1 极限平衡方法并不是一种 严格的 力学方法 即使边坡破坏模式相同 不同技 术人员算法可能不同 结论可能不一致 同时该方法不考虑岩体的变形与应力 不能 够确定相应的位移和应力分布 因而不能模拟系统的破坏过程和探索边坡的渐进破坏 机理 近几年来 国内外学者针对极限平衡法的这些缺陷进行了大量的研究改进 如 1 9 9 9 年杨松林针对传统竖直条分法和萨尔玛法应用于岩石边坡稳定性分析的缺点 提出了适用范围更广的广义条分法 该方法考虑了条块间分界面的应力变形关系 采 用条块间分界面的应力变形本构关系代替传统的两类条分法对条块分界面上力的大 小 方向或作用点的人为假定 这一做法更加符合岩土工程的实际情况 并采用优化 6 中南林业科技大学硕士学位论文 搜索的方法给出了相对最危险的潜在滑动面及其安全系数1 1 2 2 0 0 0 年h k u m s a r 等介 绍了静力和动力荷载条件下楔体滑坡模型试验研究情况 在极限平衡分析方法中考虑 了动力的作用 并且在严格的试验条件和实际工程中得到验证l i 3 2 0 0 1 年李冬田提 出一种三维的岩石边坡极限平衡法 即应用岩石边坡多层d e m 几何模型 参照简化 b i s h o p 法的假定 进行边坡稳定性分析的层分析方法 进而提出了抗滑系数谱的概念 以反映碎裂岩体稳定因素的不均匀性f 1 4 t 表1 1 各种极限平衡分析法之间的比较 1 2 2 2 数值分析方法 在很多岩质边坡工程的实际问题中 出于岩士体的非均质 非线性的性状以及几 何形状的任意性 不连续等因素 在多数情况下不可能获得其数值精确解 最近三十 多年来 随着计算机盼迅速发展 在岩质边坡工程中 数值分析受到了极大重视 各 种数值方法在岩质边坡工程中都得到了广泛应用 而随着岩质边坡工程中各种复杂问 题的解决又深化和丰富了数值分析的方法 应用数值方法进行边坡工程的计算具有下 列独特的优点 1 由于边坡具有复杂的边界条件和地质环境 如岩土体的非均匀性 非连续性 造成边坡工程问题的非线性等特性 这些问题要采用弹塑性理论和极限平 衡分析解决 数值分析可以方便地处理上述问题 2 数值方法可以得到边坡的应力场 应变场和位移场 非常直观地模拟边坡变形破坏过程 3 数值分析能根据岩土体的破 坏准则 确定边坡的塑性区或拉裂区域 分析边坡的累进性破坏过程和确定边坡的起 始破坏部位 4 数值方法适用于分析边坡工程的分步开挖 边坡岩土体与加固结构的 7 中南林业科技大学硕十学位论文 相互作用 地下水渗流 爆破和地震等因素对边坡稳定性的影响 阁 目前常用于岩质边坡稳定分析数值计算方法包括有限元法 边界元法 离散元法 有限差分法 流形元法 不连续变形分析方法d d a 等等 它们主要区别如表1 2 所 示 同时也开发了相应的商业软件和专业程序 如e c l i p s e m o r e a n s y s f l a c m i s e p h a s e f l o w 3 d 盯 表1 2 几种数值方法的比较 随着数值分析方法的不断发展 同时也出现了不同数值分析方法的结合使用 如 有限元 边界元 无限元 离散元 块体元等方法之间的相互结合 数值解与解析解 的相互结合 这些方法的相互结合使用能充分发挥各自的特性 解决复杂的岩体边坡 问题 如2 0 0 1 年任清文等采用块体单元法进行边坡稳定性分析 此法兼有极限平衡 法和有限元法的优点 既满足全部平衡条件 又在一定程度上考虑了材料的变形1 1 6 2 0 0 2 年张季如对边坡开挖作非线性有限元分析 获得边坡变形的大小和分布 塑性 区的扩展状态 滑移面的形成 发展直至整体破坏的演变过程 并以此确定合理的滑 移面位置 最后采用极限平衡法计算边坡的安全系数 7 l 数值分析方法日益广泛地应用于在岩质边坡的变形与稳定问题的分析中 为解决 许多工程难题提供了有力的工具 然而我们应该认识到 数值计算方法并不是万能的 它有一定的前提条件和适用范围 运用数值方法解决工程实际问题 计算结果的正确 与否主要取决于三个方面的影响因素 l s l 1 计算参数的选取 计算参数的选取在很大程度上决定了计算结果的精确程度 目前 取得计算参数的主要途径是试验室试验和原位测试 但岩体力学参数是岩体中 的岩块 断层 节理 裂隙等的力学参数的综合反应 故现场的力学参数往往要比在 室内不含节理裂隙的岩块试样测得的低得多 即使是现场试验 与实际工程也存在尺 寸效应问题 另一方面 无论室内试验还是原位测试 取得的岩体力学参数或初始应 力状态 在一定程度上都受到了扰动 与实际情况有一定的偏差 再者 岩土工程建 中南林业科技大学硕士学位论文 设规模较大 在工程范围内不可能布设过多的测点 否则要花费太多的人力 物力与 财力 因此 光靠这些手段获得可靠的岩体力学参数非常困难 另外 工程的施工爆 破 在一定范围会产生松动圈与卸载带 使得这些区域的岩体力学参数也是动态变化 的 2 地质模型的抽取与力学模型的选取 工程地质条件的查明是数值分析的基础 和前提 地质模型是在工程地质条件综合分析的基础上 对工程地质体的概括与简化 如地质边界条件 水文地质条件的组合特征 断层的分布情况等 在地质模型的基础 上 通过合理的抽象 简化和概括 便可建立工程地质数值分析的力学模型 力学模 型选取的好坏对计算结果的影响也很大 选取的力学模型必须突出控制工程地质问题 的主导因素 要能准确地反映地质体的客观实际 同时又要具有力学分析的可能性 3 所采用的计算方法 目前 用于岩质边坡稳定性计算的数值分析方法很多 如前所述的有限元法 边界元法 离散元法等等 这些岩质边坡稳定性分析方法都是 人们在不同的认识阶段 根据对岩体认识程度的不同 针对岩体的主要特性 在做出 某些假定的基础上提出的 因而这些方法具有一定的实用范围和一定局限性 同时 由于岩土体的复杂多变性 非连续各向异性 隐蔽性 各种分析方法得出的结论仍需 要综合分析比较 对于数值方法 有些精度很高的计算由于边界条件 参数选择 参 数与计算模型的配套问题不是很严格 有时得出的结论仅具有参考价值 因此长期以 来 岩质边坡稳定性研究一直成为岩土工程界研究的难点和热点之一 上述三个方面的影响因素中 力学参数的选取是第一位的 对计算结果的正确与 否影响最大 其次是地质模型的简化及所选取的力学模型 所采用的计算方法对计算 结果的影响与前两个因素相比虽然较小 但对某些特殊问题有时又非常重要 如由于 流形元法引入了覆盖的概念 比较适合模拟开裂问题 在实际工程问题中 应该具体 问题具体分析 全方位考虑各因素的影响 选取最佳的计算参数 理论模型以及计算 手段 1 2 2 3 智能方法 人工神经网络是依据人脑结构的基本特征发展起来的一种信息处理体系或计算 体系 它仅是对神经系统的数学抽象 粗略的逼近及模仿 由输入层 隐含层 输出 层组成 神经元是其基本处理单元 神经元之间有连线 知识由各神经元之间的连接 强度表达 网络的记忆存储行为表现为各单元之间连接权重的动态演化过程 网络学 习的目的就是寻找一组合适的连接强度 它以并行方式处理数据和信息 具有良好的 容错性 很强的自学习能力和对环境的自适应能力 通过搜索非精确的满意解来达到 9 中南林业科技大学硕十学位论文 输入和输出的非线性映射 特别适宜处理知识背景不清楚 推理规则不明确等复杂类 型模式识别且难以建模的问题 利用神经网络理论 可以尽可能多地将各种影响因素 作为输入变量 建立这些定性或定量影响因素同边坡安全系数与变形量之间的高度非 线性映射模型 然后用模型来预测和评价边坡的安全性i 撑 2 0 2 1 2 2 现在用得最成熟的 是b p 网 但其存在易陷入局部最小 收敛速度慢等缺点 为克服这些缺点 自适应 网 复合网络等也逐渐被应用到边坡工程中来 如1 9 9 9 年卢才金等结合前人的研究 成果对神经网络中的b p 算法进行综合改进 并将其运用于岩石边坡稳定性评判 并 建立了评判模型1 乃1 边坡稳定性分析是不确定性问题 具有随机性 模糊性 传统方法为定值方法 没有考虑实际存在的不确定性 所给的安全系数并不能反应分析对象真实的安全度和 可靠度 对于这类具有模糊性的事件可以采用模糊数学方法 该方法是应用模糊变换 原理和最大隶属度原则 综合考虑被评事物或其属性的相关因素 进而进行等级或级 别评价 近几年来在这方面的研究也取得了不少成果 如1 9 9 9 年刘瑞玲等采用f u z z y 数学方法充分考虑工程实际经验 建立了f u z z y 综合评判模型 1 应用系统科学 人工智能 神经网络 进化计算和模糊数学等新兴学科理论 综 合研究岩石边坡工程系统的不确定性和工程经验 发展出一套切实可行的智能力学分 析方法 这可能是解决复杂的边坡工程涉及问题的一条有效途径 如2 0 0 0 年冯夏庭 对影响边坡稳定性的因素进行了分析 提出了边坡稳定性分析的综合集成理论和方 法 1 3 边坡稳定性分析方法的局限性及发展方向 1 3 1 边坡稳定性评价方法的局限性 以上叙述了目前边坡稳定性分析中所应用的各种方法 不同的工程的具体情况要 求不同的方法 加上边坡本身的复杂性 故目前边坡稳定性评价中尚无统一的方法 也就是没有一种万能的方法能解决所有的边坡稳定问题 尽管现有的边坡稳定性分析方法很多 但存在的局限性也十分明显 篮i 拍1 1 极限平衡法将滑体视为刚塑体 边界条件过多简化 并加了许多假设条件 而且不能解决超静定问题 2 岩体结构分析法和地质构造力学分析法本身不能估算或判定边坡稳定性 而 且不能定量分析 3 数理统计分析法边坡稳定性问题中许多物理量都是随机的 因此在工程实践 中南林业科技大学硕十学位论文 中 常采用概率统计方法进行分析 但该方法需要一定量的数据支撑 如c 妒值指 标的统计等 而这些恰恰是边坡中难以准确获取的指标 此外 采取的途径不同 结 果也不同 因此 这种方法只能是作为研究边坡稳定性的一种趋势分析或估计 4 有限单元等数值分析方法边坡岩土体的本构关系难以确定 原始计算数据的 离散性和随机性以及分析的严格性不足 单元之间应力不连续 存在突变性跳跃 边 界条件也难以确定 另外 分析中各种参数的灵敏度 可靠性和采用模型的适用性等 往往缺乏理论上和试验上的验证 此外 有限元计算不能直接得出边坡稳定系数值 只是根据应力应变结果来判断边坡的稳定性 但由于岩体的不均匀性和复杂性 至今 尚没有统一的标准 仍然需要人为的分析判断 得出的稳定性结论只是一种定性的概 念 5 f u z z y 法主要是指标间的相关程度不易把握 指标的隶属函数不易建立 评 价因子的权值难以确定 而且评价结果只能是定性的判断 6 经验分析法只是一种定性分析判断 难以定量化 7 神经网络法神经网络的局限性主要表现在 1 网络不易收敛 容易陷入局 部最小 2 计算和训练十分费时 3 神经网络可以实现无导师聚类学习 但不能确 定哪些知识是冗余的 哪些知识是有用的等 1 3 2 边坡稳定性研究中的问题 从上述可以看出 目前尽管边坡稳定性研究取得了长足的发展 但还存在许多不 足 3 h 1 模型研究定量化程度低 与工程结合程度低 向评价方法的转化程度也低 2 模型研究与评价指标及评价方法之间尚未能实现一体化 重计算 轻模型 轻分析的现象十分突出 3 计算模型过多的简化 使得计算结果难以真实反映边坡稳定性的实际情况 导致工程实践中常常出现稳定系数大于1 的边坡破坏了 而稳定系数小于1 的边坡却 稳定的反常现象 4 计算指标的选用中 有的过于简单 而有的又过于繁多 使得主要因子不突 出 影响评价结果 另外 评价因子研究中对工程因素作用的研究甚少 尚没有建立 一套既体现地质因子的影响又反映工程因素作用的评价指标 混用的现象十分突出 由此可见 尽管目前边坡稳定性分析方法很多 但由于边坡本身的复杂性 边坡 稳定性分析方法尚有待进一步探索 更合理的边坡稳定性评价方法有待开发 中南林业科技大学硕十学位论文 1 3 3 边坡稳定性研究的发展趋势 1 高边坡稳定性研究 随着高等级道路工程的增加 大型水利工程的开发以及 露天采矿深度的不断加深 高陡边坡稳定性问题将日益突出 现有的技术方法已不能 满足高陡边坡发展的需要 必须不断探讨高边坡稳定性研究的技术方法和高边坡加固 以及综合治理技术 高边坡稳定性研究将成为边坡研究的热点和重要的发展方向 1 捌 2 多学科 多方法在边坡研究中交叉渗透 边坡研究不是单纯的岩土工程问题 它是一个综合的系统工程 它不仅是个技术问题 而且是融合经济效益 社会效益的 整体 加之边坡本身的复杂性 需要多学科 多方法的参与和渗透 解决日益重要的 边坡稳定性问题 3 计算机仿真分析和动态反演将是边坡稳定性研究的又一新热点 通过输入相 关的地质工程资料 建立分析模型 利用计算机仿真模拟边坡动态 以及通过现场观 测资料反演边坡的变形破坏过程 并对边坡进行优化设计 4 朝人工智能集成方向发展 由于边坡工程的复杂性 加之边坡稳定性研究 设计和施工中存在许多不确定的因素和经验判断 边坡稳定性研究不能依赖于单一方 法 因此 依托计算机技术 形成集成式的智能评价系统 将是未来发展的趋势 1 4 本文的主要研究内容 目前神经网络虽然已经广泛运用于工程建设 但是神经网络的不足之处却始终没 有得到满意的解决 本文广泛收集国内外相关资料 在总结前人研究成果的基础上 对遗传算法和人工神经网络方法进行了探讨和研究 并将之运用于边坡稳定性的预 测 本文主要完成的工作如下 1 通过对自适应竞争神经网络进行研究分析 建立了基于自适应竞争神经网络的 边坡稳定性样本的分类 传统的b p 神经网络往往会出现泛化 推广能力不佳等现象 该工作基于自适应竞争神经网络技术 对用来进行b p 神经网络学习的若干组样本进 行分类 尽可能的使每组数据都具有代表性 从而在一定程度上消除了网络噪声 提 高了网络的泛化能力及推广能力 2 对b p 神经网络的优化作了一定的尝试 针对进行边坡稳定性预测的具体情况 对b p 神经网络进行了优化 并确定了适用于边坡稳定性预测的b p 神经网络的学习 算法 初步建立了适用于边坡稳定性预测的b p 神经网络模型 3 由于b p 神经网络容易陷入局部最小 网络结构不易确定以及网络结果收敛 中南林业科技大学硕十学位论文 较慢等问题 本文通过遗传算法来解决b p 神经网络的结构优化及全局收敛问题 首 先 本文建立了一套适用于边坡稳定性预测的b p 神经网络结构编码方法 使网络结 构能够精确地转化为可以通过遗传算子运算的二进制编码 然后 将每代染色体通过 遗传算子所得的个体输入优化了的b p 神经网络进行计算 最后 将网络误差转化为 该个体的适