基于模糊神經網絡的橋基防滲方案最優比選分析

宋紫朝

（北京市政路橋管理養護集團有限公司，北京 100000）

1 研究背景

隨著國內經濟的快速發展，目前對城市交通的要求也在逐漸提高，城市交通的便利程度直接影響著城市經濟發展及居民生活的便利性[1-2]。隨著現如今國家對環境的要求，對城市水系的要求也是逐漸提高，因此，為連接城市交通，對城市橋梁的質量要求也隨之提高[3-4]。地基對橋梁工程質量的影響十分關鍵，良好的地基質量直接影響橋梁工程的使用壽命，由于橋梁工程基礎位于水下，因此采用合理的防滲措施對橋基進行維護至關重要，將直接影響橋梁工程的質量及穩定性[5-7]，因此對于城市橋梁工程來說，合理的橋基防滲措施十分關鍵。

目前，對于工程地基防滲的研究已取得了一定的進展。郝磊[8]以渠道地基為研究對象，比較了混凝土等不同防滲措施的防滲效果，指出混凝土防滲措施在不同措施中對地基的防滲效果最優；曹麗娟等[9]研究了水庫地基的最優防滲措施，由于研究對象位于巖溶地區，因此防滲措施的實施十分關鍵，她比較了垂直防滲帷幕、局部粘土水平鋪蓋和整體土工膜水平鋪蓋三種方案的防滲效果，指出局部粘土水平鋪蓋措施為防滲效果最優的措施；溫立峰等[10]研究了混凝土防滲措施對壩基的防滲效果，指出該措施是透水和可壓縮壩基滲流控制的主要措施。

橋梁地基若出現滲水，對整個橋梁工程的質量將產生十分嚴重的影響，為找出適用于橋基防滲的最優措施，本文選擇原土夯實、漿砌石和混凝土三種防滲措施，通過監測入滲速率初步分析不同措施的土壤防滲效果，同時基于模糊神經網絡模型，對不同措施不同方面進行綜合評價，以期得出適用于橋基防滲的最優措施。

2 橋基防滲效果評價指標體系構建

為從多方面綜合比較三種方案的效果，選出最優方案，本文從方案的實施合理性、方案的經濟性和對環境的影響性三個方面，共12 個評價指標建立橋基防滲方案綜合評價指標體系，具體體系構建情況見表1。

表1 評價指標體系構建

3 評價方法基本步驟

3.1 模糊神經網絡

Takagi 和Sugen 于1985 年構建了T-S 模糊神經網絡模型，該模型基于IF-THEN 的原則，當假設規則為yi時，具體模糊評價步驟為：

將模糊數據集的相對隸屬度進行模糊計算，最終得出計算結果的輸出值。

3.2 灰色聚類-SPA 理論

本文基于灰色聚類-SPA 理論，對不同防滲措施的優劣性，而灰色聚類-SPA 理論的具體步驟如下：

對傳統白化函數及三角白化權函數進行改進，構造指數型白化函數，改進后的函數曲線是平滑的，擴大了函數涵蓋范圍[9]。將防滲措施防滲效果劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共五個區間。具體函數模型如下：

（1）當k=1，Ⅰ等級對應灰類指數型函數模型為：

（2）當2≤k≤n-1，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等級對應灰類指數型函數模型為：

公式中ak、bk、ck、dk、ek稱為聯系度分量，分別反映指標k 對已劃分的5 級灰類區間V1-V5 等級的偏向度；j為對立系數，通常取-1；m3、m2和m1為評價樣本與評價等級的差異度系數。

將區間[-1,1]平均劃分成(n-1)個子區間，各分點值從左到右分別與式（7）中j m3、m2和m1的值相對應，利用同樣的均分原則將區間[-1,1]進行n 等分，從左到右可分別得到五個評價等級的區間范圍。具體評判區間如下：

當0.6≤μk≤1.0 時，判定級別為好（Ⅴ）；當0.2≤μk≤0.6 時，判定風險級別為較好(Ⅳ)；當-0.2≤μk≤0.2時，判定風險級別為一般(Ⅲ)；當-0.6≤μk≤-0.2 時，判定風險級別為較差(Ⅳ)；當-1.0≤μk≤-0.6 時，判定風險級別為差(Ⅴ)。

結合集對分析SPA 理論與灰色聚類評價，運用上述函數模型，計算各評價指標相應的聚類系，與SPA 模型的聯系度分量ak、bk、ck、dk、ek建立如下函數關系：

式中θi1、θi2、θi3、θi4、θi5分別為指標i 的五個聚類系數分量。

各指標i 在不同灰類下的聚類系數由改進的指數型白化函數式（1）-（6）計算得到，采用式（10）進行歸一化處理：

4 不同措施效果比較

4.1 不同措施土壤入滲速率對比

圖1 為不同防滲措施下的橋基土壤入滲速率對比。由圖中可以看出，隨著時間的增長，不同方案的土壤入滲速率變化趨勢均為先降低后平穩的趨勢，而土料夯實措施下的土壤入滲速率最高，在100min 內的平均入滲速率為0.38cm/s，而漿砌石措施和混凝土措施的土壤平均入滲速率相差不大，分別為0.22和0.21cm/s，土壤累積入滲量表現為相似的變化規律。不同措施的土壤入滲速率不同，在土料夯實措施下的土壤入滲速率仍然較快，而漿砌石和混凝土的入滲速率相近，混凝土入滲速率略優于漿砌石措施，但考慮到相同面積下，漿砌石的投資要低于混凝土，所以初步選擇漿砌石防滲為橋基防滲的主要措施。

圖1 不同防滲措施土壤入滲速率對比

4.2 不同方法最優防滲措施方案比選

首先根據AHP 法的基本原理，確定第二層準則層指標的權重，確定準則層指標判斷矩陣，結果見表2。然后確定不同指標的相對隸屬度矩陣，結果見表3。根據表3 和表4 中的數據，得出指標最終權重，結果見表5。

表2 準則層指標判斷矩陣

表3 第三層指標相對隸屬度矩陣

表4 第三層指標初始綜合權重

表5 第三層指標最終綜合權重

土料夯實措施各聯合度分量計算數據，結果見表6。由表6 中的數據可以看出，土料夯實年算得的綜合聯系數為-0.194，達到了一般的標準，同理得出漿砌石綜合聯系數分別為0.207，雖然增幅較低，達到了較好的標準，同時，漿砌石方案雖然入滲速率略高于混凝土措施，但綜合比較后發現，由于混凝土的造價較高，施工較復雜，漿砌石方案為橋基防滲的最優方案。

表6 土料夯實措施綜合聯系數確定

表7 列出了模糊神經網絡對不同橋基防滲措施效果的評價標準，不同防滲措施的防滲效果可見表8，由表中可知，漿砌石措施和混凝土措施的防滲效果均達到了較好，且漿砌石措施較優。同時模糊神經網絡的運算時間遠低于SPA 理論，因此，證明了該方法的適用性。

表7 模糊神經網絡評價標準

表8 模型輸出結果

5 結論

本文基于模糊神經網絡對不同橋基防滲方案效果進行了比較，從方案的實施合理性、方案的經濟性和對環境的影響性三個方面構建了橋基防滲方案評價指標體系，同時將模糊神經網絡模型計算結果與傳統的SPA理論進行了對比，證明了該模型的適應性。