劉田珂，馬 沖

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.貴州順成勞務(wù)管理有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施也得到了極大的改善。同時(shí)，由于土壤、氣候等因素的不確定，使得面板堆石壩基的潛在威脅日益增大。面板堆石壩的沉降問(wèn)題與路基結(jié)構(gòu)、土質(zhì)、邊坡穩(wěn)定性等因素密切相關(guān)，而面板式堆石壩一般橫線路長(zhǎng)，其地質(zhì)構(gòu)造、土質(zhì)也各不相同。因此，在施工中難以精確地控制路基的質(zhì)量及參數(shù)，造成工程實(shí)際效果與預(yù)期結(jié)果有較大差異，進(jìn)而導(dǎo)致路基不同程度地崩塌[1]。

面板堆石壩沉降會(huì)使基礎(chǔ)產(chǎn)生縱向沉陷，因此，對(duì)面板堆石壩沉降進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)與控制，制定合理的施工方案，對(duì)于保證建筑物運(yùn)行有重要意義。

1 基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降數(shù)據(jù)采集

利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)面板堆石壩體沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將BP網(wǎng)絡(luò)劃分為輸入層、隱藏層和輸出層，每個(gè)層之間具有充分的互連。隱藏層可以是一層或多層，視具體情況而定。隱藏層神經(jīng)元數(shù)量的計(jì)算歷來(lái)受到眾多學(xué)者的重視，由于隱藏層神經(jīng)元的數(shù)目很小，使得網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力很差，樣本的識(shí)別和訓(xùn)練變得非常困難。對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并對(duì)其進(jìn)行研究，進(jìn)而計(jì)算隱藏層神經(jīng)元個(gè)數(shù)m，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，a—計(jì)算后得到的輸入層神經(jīng)元數(shù)量；b—計(jì)算前得到的輸出層神經(jīng)元數(shù)量；c—在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行訓(xùn)練的樣本個(gè)數(shù)；z—訓(xùn)練次數(shù)[2]。

深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練分為2個(gè)階段：正向信息轉(zhuǎn)移和反向傳輸。在輸入層，每一個(gè)神經(jīng)元接受外界的輸入信息，把它傳遞給中間層的每一個(gè)神經(jīng)元，而中間層則是一個(gè)內(nèi)部的信息處理層，它負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)化和分類(lèi)，當(dāng)實(shí)際的產(chǎn)出與期望的不相符時(shí)，就會(huì)進(jìn)入逆向傳播階段。在輸入層中，利用誤差梯度遞減方法對(duì)各層權(quán)重進(jìn)行修正，并將其逐級(jí)反求。通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)階段的權(quán)重，學(xué)習(xí)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，直至網(wǎng)絡(luò)的錯(cuò)誤降至可以接受的程度，或者達(dá)到一定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止，該方法在深度卷積網(wǎng)絡(luò)中獲得了一套最優(yōu)權(quán)重[3]。

SNE通過(guò)仿射變換把數(shù)據(jù)點(diǎn)映射到概率分布，構(gòu)造高維物體的概率分布能夠提高物體的選取概率，減少了非相似物體的選取。在低維空間中，通過(guò)構(gòu)造2個(gè)點(diǎn)的概率分布，使得其概率分布盡量相近。

圖1 神經(jīng)元基本結(jié)構(gòu)

基本的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，x1，x2，x3為神經(jīng)元的輸入信息，通過(guò)不同的激活函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行激活。

激活函數(shù)一般都是非線性的。在2個(gè)層次的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，只有在激活函數(shù)是非線性的情況下，才能逼近全部的功能。但是，一個(gè)常量的啟動(dòng)函數(shù)是一個(gè)特別的例子。在多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，若采用固定的激勵(lì)功能，則網(wǎng)絡(luò)與單一層次網(wǎng)絡(luò)間隔很小。在給定有效值范圍的情況下，采用梯度學(xué)習(xí)方法可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在單層網(wǎng)絡(luò)模型中，當(dāng)激勵(lì)函數(shù)為單調(diào)時(shí)，其損失函數(shù)是凸性的。近似函數(shù)近似于原點(diǎn)，在靠近原始點(diǎn)的情況下，采用初始化方法可以有效地提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)效率。

本文通過(guò)基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)監(jiān)控混凝土面板堆石壩的非均勻沉降。在滿足原有結(jié)構(gòu)要求的情況下，對(duì)面板堆石壩地基進(jìn)行了高壓噴灌灌漿[4]。

混凝土面板堆石壩的監(jiān)控和加固措施如下：利用正常工作的高壓噴水設(shè)備對(duì)壩體進(jìn)行清潔和殺菌。經(jīng)清洗、消毒后，再用高壓噴嘴將基層材料均勻噴拌，直到漿液達(dá)到黏稠狀態(tài)；持續(xù)攪拌時(shí)，漿液在離心力作用下會(huì)滲入地基的孔隙，并與填充劑一同固化，使填充劑具有一定的剛性，從而有效地抑制了面板堆石壩的沉降。

依據(jù)地基沉降的基本特征，選用合適的觀測(cè)手段和設(shè)備對(duì)面板堆石壩進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在重力作用下，壩體的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[5]。根據(jù)實(shí)測(cè)地表沉降資料及面板堆積體的土質(zhì)特性，確定了不同地區(qū)的沉陷類(lèi)型。結(jié)合沉陷的類(lèi)型及特征，應(yīng)用相應(yīng)的內(nèi)觀法對(duì)沉陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

單點(diǎn)監(jiān)測(cè)需要采用監(jiān)測(cè)樁，也就是將高強(qiáng)度的鋼筋插入到錨桿內(nèi)，使整個(gè)錨桿與地基相結(jié)合。采用特殊的測(cè)量設(shè)備對(duì)鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)樁進(jìn)行了測(cè)試。監(jiān)測(cè)樁在混凝土面板堆石壩的地基上豎向插入，監(jiān)測(cè)樁的頂面與地面垂直，在進(jìn)行橫向測(cè)量時(shí)，依據(jù)土壤性質(zhì)，確定合理的、科學(xué)的監(jiān)測(cè)頻率。每次觀測(cè)時(shí)，測(cè)量加筋頂至地表的距離、并測(cè)量沉降速度，從而獲得沉降曲線，實(shí)現(xiàn)多個(gè)單一點(diǎn)監(jiān)測(cè)[6]。

局部沉降監(jiān)測(cè)要求在沉降監(jiān)測(cè)工程中，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置沉降板，并在監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置感應(yīng)設(shè)備，對(duì)沉降板的影響進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外，可以調(diào)節(jié)沉降板上的金屬測(cè)量棒的長(zhǎng)度，并且金屬測(cè)量棒的頂端一定要暴露于泥土之外。若沉盤(pán)與泥土一起下沉，則應(yīng)立即拉緊金屬尺，使其露出頂端。利用此方法，可以實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)測(cè)區(qū)域的局部沉陷，并計(jì)算有關(guān)參數(shù)，得到其特征與沉降的關(guān)系，分析相似地區(qū)的沉降規(guī)律[7]。

由于面板堆石壩的土層是多層的，各層土體的特性各有差異，因此可以利用分層沉降器進(jìn)行分層沉降監(jiān)測(cè)。分層沉降器可根據(jù)地基土壤的分布，對(duì)監(jiān)測(cè)器磁環(huán)進(jìn)行定位，以實(shí)現(xiàn)磁環(huán)與各層的匹配，磁環(huán)與監(jiān)測(cè)器的導(dǎo)管相連。通過(guò)磁環(huán)探測(cè)土壤及地表的變形與沉降，內(nèi)部傳感器將其傳輸至外部的記錄設(shè)備，并進(jìn)行追蹤。分層沉降器還能通過(guò)控制器對(duì)測(cè)量工作進(jìn)行控制，設(shè)定適當(dāng)?shù)念l率、時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控。

2 基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)

地基沉降的監(jiān)測(cè)，必須選用適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)手段?，F(xiàn)場(chǎng)勘查所選用的傳感器必須符合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，并具備一定的耐熱、耐寒、耐水、耐腐蝕、耐磨損等基本性能。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的傳感器參數(shù)，以防止在監(jiān)控中出現(xiàn)能量不足或失控。

由于地基應(yīng)力試驗(yàn)設(shè)備是常用的，所以應(yīng)力計(jì)的質(zhì)量必須滿足面板堆石壩的極限承載能力[8]，且材料和結(jié)構(gòu)要堅(jiān)固。壓力傳感器更加準(zhǔn)確，可以監(jiān)測(cè)土壤的體積、密度、濕度、形狀等。在安裝過(guò)程中，為了避免在安裝過(guò)程中受到重力的直接擠壓，應(yīng)按設(shè)備的適應(yīng)性逐步進(jìn)行。該系統(tǒng)由輸入和輸出2個(gè)部分組成，將待處理的資料輸入到該模型的輸入層中。在此基礎(chǔ)上，將各神經(jīng)元的輸入信號(hào)與各神經(jīng)元進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將其與輸出神經(jīng)元相連，從而在2維空間內(nèi)構(gòu)成了一個(gè)神經(jīng)平面矩陣網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，利用權(quán)重矢量法對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次學(xué)習(xí)，使其與空間分布的密度保持一致。對(duì)輸入神經(jīng)元進(jìn)行處理，獲得最接近于自身載體的神經(jīng)元，并將其作為最佳的匹配單元。然后，通過(guò)加權(quán)矢量對(duì)所選擇的最優(yōu)匹配神經(jīng)元和相鄰神經(jīng)元進(jìn)行調(diào)整，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與目前的樣本分布相同。

在地面上設(shè)置傳感器，等地面沉降觀測(cè)設(shè)備正常運(yùn)行后，由感應(yīng)通訊將監(jiān)測(cè)資料傳送至地面。采集器能夠通過(guò)有線、無(wú)線方式接收其他探測(cè)器的通訊方式，實(shí)現(xiàn)地面壓力、變形等信息的讀取。有些高檔的信息收集裝置，內(nèi)部會(huì)設(shè)置一個(gè)硬盤(pán)，把接收到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)儲(chǔ)存，并把輸出與控制系統(tǒng)相連，通過(guò)電腦的運(yùn)算程序分析、收集數(shù)據(jù)。

當(dāng)前的監(jiān)測(cè)設(shè)備一般都是通過(guò)無(wú)線通信傳遞數(shù)據(jù)，該裝置配備有通訊裝置，能夠支持無(wú)線、移動(dòng)、藍(lán)牙等無(wú)線通信。通過(guò)與信號(hào)采集裝置、控制器進(jìn)行通訊，在無(wú)線通信中完成數(shù)據(jù)傳輸，使操作更為簡(jiǎn)便，并能有效地提高數(shù)據(jù)的傳送速率。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)地基的受力及變形模式，提出了一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)沉降計(jì)算模型，該模型的構(gòu)造是以不同的指數(shù)為基礎(chǔ)的，需要從各個(gè)指數(shù)的相互關(guān)系中找出因素之間的影響，確定相互關(guān)系[9]。通過(guò)模擬計(jì)算，得到了地基的垂直沉降面板堆石壩體沉降模型，以土壤應(yīng)力作為參數(shù)，以不同的數(shù)值作為基準(zhǔn)，與同期的基礎(chǔ)沉降量及變形量相對(duì)應(yīng)。根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果，得出了地基的受力與地基的沉降變形之間的關(guān)系。通過(guò)多層分析，可以求出各層土壤的受力與變形，并由此得出各層的應(yīng)力-應(yīng)變映射關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，對(duì)其進(jìn)行了全面的分析。

3 實(shí)驗(yàn)研究

通過(guò)以上對(duì)基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法的研究，本文設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法和本文研究的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用效果。為了確保實(shí)驗(yàn)的公正，一方面使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)資料，另一方面，在同一位置進(jìn)行2種不同位置的仿真實(shí)驗(yàn)。得到的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為20s時(shí)，傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為10%，本文提出的基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為60%；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為40s時(shí)，數(shù)據(jù)挖掘的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為8%，基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為69%；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為60s時(shí)，數(shù)據(jù)挖掘的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為20%，基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為72%；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為80s時(shí)，數(shù)據(jù)挖掘的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為22%，基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為78%；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為100s時(shí)，數(shù)據(jù)挖掘的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為33%，基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為86%；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為120s時(shí)，數(shù)據(jù)挖掘的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為50%，基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為99%。由此可見(jiàn)，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率也在不斷增加，本文提出的監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率始終高于傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘方法的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，本文監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率具有更好的監(jiān)測(cè)能力。

監(jiān)測(cè)深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為10s時(shí)，傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為7m，本文監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為15m；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為20s時(shí)，傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為12m，本文監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為26m；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為30s時(shí)，傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為14m，本文監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為32m；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為40s時(shí)，傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為7m，本文監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為35m；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為50s時(shí)，傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為15m，本文監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為35m；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為60s時(shí)，傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)挖掘監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為16m，本文監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)深度為36m。由此可見(jiàn)，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，監(jiān)測(cè)深度也在不斷增加，本文提出的監(jiān)測(cè)方法，能夠更快地達(dá)到閾值，而傳統(tǒng)方法加深速度較慢，且最終難以達(dá)到閾值。

圖3 監(jiān)測(cè)深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，本文提出的基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法具有更好的監(jiān)測(cè)能力，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率更高，更適合于應(yīng)用到實(shí)際的石壩體沉降監(jiān)測(cè)工作中。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有沉降監(jiān)測(cè)方法存在監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率低和監(jiān)測(cè)深度不足的問(wèn)題，對(duì)基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的面板堆石壩體沉降監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究。并通過(guò)仿真測(cè)試能夠證明設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法具有較好的應(yīng)用效果，可以滿足設(shè)計(jì)需求，對(duì)石壩體沉降監(jiān)測(cè)工作有積極的意義。但是本文設(shè)計(jì)的方法忽略了人為因素的影響，因此，在接下來(lái)的研究中，將不斷完善設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)石壩體沉降情況，保障水利建設(shè)工程的運(yùn)行安全。同時(shí)，在路面工程中，應(yīng)針對(duì)各種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力需求，選用適當(dāng)?shù)奶盍?，?yán)格控制施工質(zhì)量，規(guī)范施工，確保壓實(shí)達(dá)到工程要求，為以后的鋪裝工作奠定良好的基礎(chǔ)。