基于神经网络的区域地壳稳定性评价

第27卷 第9期 岩 土 工 程 学 报 Vol.27 No.9 2005年 9月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Sep., 2005 基于神经网络的区域地壳稳定性评价朱庆杰，马亚杰，陈艳华（河北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063009）摘 要：在重大工程的选址中，由于多种影响因素的控制和复杂的非线性相关关系，如何建立统一的数学模型，充分利用已有地质资料，对区域地壳稳定性做出早期的准确评价一直是一个难题。

基于人工神经网络方法，建立了区域地壳稳定性评价的数学模型，并介绍了计算方法。

以沂沭断裂带区域地壳稳定性定量评价为例，介绍了模型结构和关联系数矩阵的确定方法，在模型中，考虑地形地貌、含水层岩性、地下水活动、地质构造、地震活动等多种因素的影响，对区域地壳稳定性进行了定量评价。

同时，选取多种运算参数，分析了模型参数对运算的影响。

依据计算结果，对研究区的铁路选线和今后的研究工作提出了几点认识和建议。

关键词：工程地质；稳定性；人工神经网络；模型；综合评价中图分类号：TU 458.4 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2005)09–1105–05作者简介：朱庆杰(1966–)，男，博士，教授，主要从事岩土工程与地震安全评价方向的研究。

Evaluation of regional crust based on ANNZHU Qing-jie, MA Ya-jie, CHEN Yan-hua(Civil Engineering and Architecture College, Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009, China) Abstract: Because the stability of regional crust was controlled by many factors, and the nonlinear correlation among influencing factors was complicated, it was difficult to construct a mathematical model by traditional methods to evaluate the stability precisely during geological surveying, and many geological data could not be applied adequately. Based on artificial neural network (ANN), the evaluating model of regional crust stability was established, and the calculating method was investigated. The structure of evaluating model was introduced by taking example for Yishu faulted zone, and the correlative coefficient matrices were explained. In this model, topography, lithology of aquifer, underground water, geological structure and seismic activity were considered. So the regional crust stability in Yishu faulted zone was calculated as a basis of this model. Furthermore, model preferences were discussed and their influence on the calculated result was analyzed. According to the calculated results, some advice for the construction of railway in this area and further researches were proposed.Key words: regional crust; stability; ANN; model; assessment0 引 言准确评价区域地壳稳定性是工程选址成败的关键，其稳定性具有影响因素多的特点。

如何充分利用以往的工程地质资料，建立合适的模型，是准确评价区域地壳稳定性的“瓶颈”问题。

准确的评价结果可以避免部分工程量重复投人、工期延长以及资金浪费[1]。

庄乾城等运用优势面理论，发展了一套工程地质层组划分和优势层判定的分析方法来评价工程稳定性[2]。

徐卫亚等将模糊集理论应用于边坡稳定性分析，建立模糊数学分析模型，并构造了边坡稳定性评价的隶属函数[3]。

刘之葵等针对影响溶洞地基稳定性的地质构造、结构面、岩层性质等因素，利用格里菲斯强度理论，对含溶洞岩石地基的稳定性进行了定量计算判别[4]。

笔者在国家九五攻关课题中，应用模糊数学方法建立了地下岩石破裂概率隶属度函数，基于格里菲斯准则对地下油气富集的稳定性进行了评价[5]。

李爱兵等利用矢量分析法，评价了某铅锌矿露天采场边坡三维楔块体的稳定性[6]。

孔宪京等采用非连续变形分析方法，对面板坝的抗震稳定性进行了分析[7]。

以上定量评价方法主要是针对单个地质体或局限在小范围内的破坏机制分析和稳定性评价。

研究中，人们注意到地应力与地质体物理力学参数间的关系和对稳定性分析的意义[8]。

但“模型不准”一直是困扰广大岩土科技者的难题。

如何使稳定性分析具有高精───────基金项目：国家自然科学基金资助项目（59895410）收稿日期: 2004–11–031106 岩 土 工 程 学 报 2005年度以更好地对区域地壳稳定性进行综合评价是提高早期评价精度的关键。

基于地震动研究成果分析[9]，本文采用人工神经网络方法（ANN ），构建了区域地壳稳定性综合评价数学模型，并以沂沭断裂带地壳稳定性定量评价为例，介绍了模型结构和关联系数矩阵的确定方法，得到较为准确的评价结果。

1 模型介绍区域地壳稳定性受到地层岩性、地质构造、水文地质特征、历史地震活动、不良地质现象等多方面影响，而且各种条件对稳定性的贡献较难确定，故区域地壳稳定性定量评价的关键是找到统一的数学模型，正确反映各个影响因素与稳定性之间以及各个影响因素之间的复杂非线性关系，从而能够适应评价区的地质条件变化。

尤其随着地理信息系统技术在大型工程建设规划中的应用，对这种要求就更为迫切。

建立统一数学模型的关键是考虑各种影响因素对综合指标的非线性综合贡献，而用传统的统计方法难以实现，因此，应用ANN 方法来构建评价模型[10]。

依据ANN 的双并联前向网络方法，模型可表示为(){}ij n n n n n j x W W W W P 102,11,0,⋅⋅⋅⋅+=−−− ， (1) 式中 i 表示影响因子数；j 表示已知样品组数；W n,n-1阵为第n 个隐层与第n-1个隐层的关联矩阵。

这样，可根据不同地区指标的变化确定模型的具体形式和关联矩阵，即最终确定模型。

ANN 模型的双并联前向网络理论与误差向后传播学习算法中，前向网络的运转功能可以分成信息前向传播处理与误差向后传播学习两个方面。

双并联前向网络前向处理方程为输入层： I 0i =X i ， (2) Z 0i =f 0(X i ) 。

(3) 隐层：∑=−−−+⋅=HLn j i l l j l ijl l i w z wI 10)1()1()1(，(1≤i ≤n HL ) (1≤l ≤L-1) 。

(4))(li l li I f z =(1≤i ≤n HL ) (1≤l ≤L-1) ， (5)式中 w l(l-1)i 0表示门限值；Z li 为第l 层第i 个处理元件的输出；f l 为第l 层处理元件的活动函数。

输出层：∑∑==−−−++=L ln j n j j ij L i L L j L ij L L li z w w z w I 11000)1()1()1( ， (6))(Li L i I f y =(1≤i ≤n 0) 。

(7)误差向后传播调整算法中，输出层δ误差。

))](()[()(i i L L i i L LLk Li y d C A y y C A −+−−=λδ (8)对于任一隐层l ，有∑=+++=Ln i q i l k lij l lj l k lj I f wI f 1)1('1)()1(')()()(δ∑+=++++11)2('2)1)(2()(l n q s i l k sq l l I f w ∑+=−−⋅⋅⋅211)1('1)(l n s i L L I f∑=−−−Ln i i i Li L k i i L L y d I f w1')()2)(1(111121))(( 。

(9)在上面的表达式中，W lmij 表示第l 层第i 个处理元件与第m 层第j 个处理元件之间权值；δ表示某一层某元件的误差增量。

2 评价实例蓝村至新沂线是东北至长江三角洲陆海通道的一部分，是我国一条新的沿海南北大通道，沟通了东北、环渤海、长江三角洲三大经济区域。

其位于我国东部最大的活动断裂带—郯庐断裂带的中段沂沭断裂带中，区域稳定性将成为决定取舍方案的关键。

如图1所示，华北地台中的鲁东地盾和鲁西台背斜两个二级构造单元，包括胶莱坳陷、胶南隆起、沂沭断裂带、鲁中南隆起四个三级构造单元，其间界线均为深大断裂[11]。

该区域地壳稳定性评价涉及因素较多，如地形地貌、地层岩性、断裂活动、地震活动等，故将本区作为实例来进行区域地壳稳定性评价。

图1 沂沭断裂带平面结构示意图 Fig. 1 Structure of Yishu faulted zone2.1 工程地质情况简介该区地形地貌特征为，稳定区内的剥蚀丘陵区地形起伏不大，大部分地段基岩裸露。

较稳定区的剥蚀丘陵区多为残丘及缓坡，与丘间洼地及丘间冲积平原相间。

欠稳定区和不稳定区的剥蚀丘陵区地形起伏较大，沭河及其支流为欠稳定区的主要河流，不稳定区的剥蚀丘陵区基岩裸露。

地层岩性特征为，稳定区的剥蚀丘陵区岩性为太古界混合岩、片麻岩及元古界花第9期 朱庆杰，等. 基于神经网络的区域地壳稳定性评价 1107岗岩等。