基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋基防滲方案最優(yōu)比選分析

宋紫朝

（北京市政路橋管理養(yǎng)護集團有限公司，北京 100000）

1 研究背景

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)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(jīng)濟發(fā)展及居民生活的便利性[1-2]。隨著現(xiàn)如今國家對環(huán)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(zhì)量要求也隨之提高[3-4]。地基對橋梁工程質(zhì)量的影響十分關(guān)鍵，良好的地基質(zhì)量直接影響橋梁工程的使用壽命，由于橋梁工程基礎(chǔ)位于水下，因此采用合理的防滲措施對橋基進行維護至關(guān)重要，將直接影響橋梁工程的質(zhì)量及穩(wěn)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(guān)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(yōu)；曹麗娟等[9]研究了水庫地基的最優(yōu)防滲措施，由于研究對象位于巖溶地區(qū)，因此防滲措施的實施十分關(guān)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(yōu)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(xiàn)滲水，對整個橋梁工程的質(zhì)量將產(chǎn)生十分嚴重的影響，為找出適用于橋基防滲的最優(yōu)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(jiān)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yōu)措施。

2 橋基防滲效果評價指標體系構(gòu)建

為從多方面綜合比較三種方案的效果，選出最優(yōu)方案，本文從方案的實施合理性、方案的經(jīng)濟性和對環(huán)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(gòu)建情況見表1。

表1 評價指標體系構(gòu)建

3 評價方法基本步驟

3.1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

Takagi 和Sugen 于1985 年構(gòu)建了T-S 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型基于IF-THEN 的原則，當假設(shè)規(guī)則為yi時，具體模糊評價步驟為：

將模糊數(shù)據(jù)集的相對隸屬度進行模糊計算，最終得出計算結(jié)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(yōu)劣性，而灰色聚類-SPA 理論的具體步驟如下：

對傳統(tǒng)白化函數(shù)及三角白化權(quán)函數(shù)進行改進，構(gòu)造指數(shù)型白化函數(shù)，改進后的函數(shù)曲線是平滑的，擴大了函數(shù)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(qū)間。具體函數(shù)模型如下：

（1）當k=1，Ⅰ等級對應(yīng)灰類指數(shù)型函數(shù)模型為：

（2）當2≤k≤n-1，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等級對應(yīng)灰類指數(shù)型函數(shù)模型為：

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

將區(qū)間[-1,1]平均劃分成(n-1)個子區(qū)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(yīng)，利用同樣的均分原則將區(qū)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(qū)間范圍。具體評判區(qū)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(jié)合集對分析SPA 理論與灰色聚類評價，運用上述函數(shù)模型，計算各評價指標相應(yīng)的聚類系，與SPA 模型的聯(lián)系度分量ak、bk、ck、dk、ek建立如下函數(shù)關(guān)系：

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

各指標i 在不同灰類下的聚類系數(shù)由改進的指數(shù)型白化函數(shù)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(wěn)的趨勢，而土料夯實措施下的土壤入滲速率最高，在100min 內(nèi)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(xiàn)為相似的變化規(guī)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(yōu)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(yōu)防滲措施方案比選

首先根據(jù)AHP 法的基本原理，確定第二層準則層指標的權(quán)重，確定準則層指標判斷矩陣，結(jié)果見表2。然后確定不同指標的相對隸屬度矩陣，結(jié)果見表3。根據(jù)表3 和表4 中的數(shù)據(jù)，得出指標最終權(quán)重，結(jié)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(quán)重

表5 第三層指標最終綜合權(quán)重

土料夯實措施各聯(lián)合度分量計算數(shù)據(jù)，結(jié)果見表6。由表6 中的數(shù)據(jù)可以看出，土料夯實年算得的綜合聯(lián)系數(shù)為-0.194，達到了一般的標準，同理得出漿砌石綜合聯(lián)系數(shù)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(fā)現(xiàn)，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(yōu)方案。

表6 土料夯實措施綜合聯(lián)系數(shù)確定

表7 列出了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yōu)。同時模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價標準

表8 模型輸出結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)濟性和對環(huán)境的影響性三個方面構(gòu)建了橋基防滲方案評價指標體系，同時將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算結(jié)果與傳統(tǒng)的SPA理論進行了對比，證明了該模型的適應(yīng)性。