王志杰， 李 昭， 馬德林， 王國棟

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

基于灰色理論的雪山梁隧道施工過程滲漏水水源識別研究

王志杰， 李 昭， 馬德林， 王國棟

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

為了解決黃龍景區(qū)雪山梁隧道開挖過程中的涌水水源識別問題，結(jié)合黃龍景區(qū)雪山梁隧道的相關(guān)施工資料，依據(jù)已有的地質(zhì)資料和涌突水預(yù)測，通過水分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)，采用灰色理論計(jì)算方法研究不同水系之間的關(guān)聯(lián)度； 而后針對單一水源和混合水源分別進(jìn)行試驗(yàn)和分析，得出雪山梁隧道出口段內(nèi)滲漏水來源最可能為大氣降水，關(guān)聯(lián)度較高的還有淘金溝上游水系和隧道出口處水系； 最后進(jìn)行比對，得出隧道滲漏水主要來源是大氣降水和淘金溝上游水體的結(jié)論，并依據(jù)現(xiàn)場資料及實(shí)地踏勘，驗(yàn)證了灰色理論分析結(jié)果的可靠性。

灰色理論； 雪山梁隧道； 滲漏水； 水源識別； 灰色關(guān)聯(lián)度

0 引言

在山嶺隧道的開挖過程中，經(jīng)常不可避免地遇到涌突水和滲漏水問題，現(xiàn)行的JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]防排水遵循“防、排、截、堵”結(jié)合的原則，在黃龍景區(qū)周邊并不適用，隧道內(nèi)部的滲漏水在不進(jìn)行水源識別的情況下不能盲目施工，因?yàn)榭赡墚a(chǎn)生對國家旅游資源影響極其嚴(yán)重的后果[2-4]。因此，如何有效、快速、正確地判別隧道滲漏水的來源，是景區(qū)隧道施工亟待解決的問題。

目前，國內(nèi)對隧道水源識別最直接的方法是連通試驗(yàn)，其次是通過水化學(xué)成分和同位素等其他間接的方法[11]。由于水源識別對隧道滲漏水預(yù)測及整治具有重要作用，特別是在富水景區(qū)附近修建的隧道，因此，研究隧道滲漏水來源和水源識別具有重要意義。由于雪山梁隧道隧址區(qū)地形地貌的復(fù)雜性，采用同位素和示蹤試驗(yàn)可能具有不確定性，故本次研究采用水分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過研究不同元素的含量，來探討富水景區(qū)附近不同區(qū)域水系之間的聯(lián)系。

1 灰色關(guān)聯(lián)模型

1.1 灰色關(guān)聯(lián)分析原理

灰色關(guān)聯(lián)分析(GRA)是一種多因素統(tǒng)計(jì)分析的方法，以各因素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)，用灰色關(guān)聯(lián)度來描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序。如果樣本數(shù)據(jù)序列反映出2個(gè)因素變化的態(tài)勢(方向、大小和速度等)基本一致，則它們之間的關(guān)聯(lián)度較大； 反之，關(guān)聯(lián)度較小。與傳統(tǒng)的多因素分析方法(相關(guān)和回歸等)相比，灰色關(guān)聯(lián)分析對數(shù)據(jù)要求較低且計(jì)算量小，便于廣泛應(yīng)用[12]。該方法自創(chuàng)建以來，已在航天、醫(yī)藥、石油、經(jīng)濟(jì)、軍事、教育等行業(yè)和領(lǐng)域得到迅速推廣。

1.2 灰色關(guān)聯(lián)分析法一般步驟

灰色關(guān)聯(lián)分析法(Grey Relational Analysis)[13]是一種對多因素影響的對象作統(tǒng)計(jì)分析的方法?；疑P(guān)聯(lián)分析法分為4個(gè)步驟。

1.2.1 建立灰色關(guān)聯(lián)參考序列和比較序列

以隧道內(nèi)的水為參考對象，設(shè)為參考序列

(1)

以隧道外取水為比較對象，設(shè)為比較序列

…

(2)

式中Xm(i)為水樣第m個(gè)比較序列的第i項(xiàng)指標(biāo)。

參考序列和比較序列經(jīng)過歸一化，變成無量綱的可比較值。

1.2.2 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)在數(shù)學(xué)上的解釋為曲線之間的差異程度，設(shè)為分辨系數(shù)，一般取0.5[14]?；疑P(guān)聯(lián)系數(shù)

(3)

1.2.3 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算

先計(jì)算指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差σk，標(biāo)準(zhǔn)差代表各指標(biāo)的絕對變異程度。

(4)

然后計(jì)算指標(biāo)的變異系數(shù)ck，變異系數(shù)體現(xiàn)各指標(biāo)的相對變異程度。

(5)

再對指標(biāo)變異系數(shù)歸一化處理，計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)數(shù)

(6)

最后根據(jù)計(jì)算出的指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ0i(k)，由式(7)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

(7)

1.2.4 進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析

一般來說，關(guān)聯(lián)度γ0i可視為衡量比較序列與參考序列總體相關(guān)性的一個(gè)度量。γ0i越接近1，比較序列與參考序列的關(guān)聯(lián)性越好。

當(dāng)分辨系數(shù)取時(shí)ρ=0.5時(shí)[15]，灰色關(guān)聯(lián)度分析表見表1。

表1 灰色關(guān)聯(lián)分析表

2 雪山梁隧道出口涌水關(guān)聯(lián)度分析

2.1 雪山梁隧道工程概況

2.2 雪山梁隧址區(qū)水樣采集

雪山梁隧址區(qū)海拔3 375 m，進(jìn)出口河流的最低基準(zhǔn)面分別為岷江和涪江，雪山梁為該地區(qū)的地表分水嶺。由于隧址區(qū)處于高海拔地區(qū)，北有高大的秦嶺山脈屏護(hù)，大大削弱了冬季從蒙古高原來的冷高壓寒流對本區(qū)域的影響； 東南受龍門山的阻擋，使來自太平洋的暖濕氣流多在龍門山東坡停留，故降水偏少，地下水補(bǔ)給來源為大氣降水和雪山融水。

圖1 隧址區(qū)取水點(diǎn)及流場分布

2.3 單一水源關(guān)聯(lián)度分析

針對雪山梁隧道B標(biāo)隧道出口段采集的水樣，選取具有代表性的7份水樣，采用灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行水化學(xué)分析，選取分析隧道水、河流水、黃龍景區(qū)水和大氣降水之間的聯(lián)系，建立灰色關(guān)聯(lián)矩陣。以冬季采集的水樣為例，灰色關(guān)聯(lián)矩陣建立如表2所示。無量綱化處理的方法較多，此次研究根據(jù)指標(biāo)特點(diǎn)，采用較為常用的“極差法”對表1的序列進(jìn)行歸一化處理，見表3。

使用上述方法對冬、春、夏、秋4個(gè)季節(jié)同一地方的水樣進(jìn)行處理分析，計(jì)算其關(guān)聯(lián)度結(jié)果見表4。

4.整合資源、統(tǒng)籌發(fā)展，是“楓橋經(jīng)驗(yàn)”創(chuàng)新發(fā)展的必然選擇。堅(jiān)持治本與抓源、眼前與長遠(yuǎn)、頂層與基層并重，注重發(fā)揮社會力量在社會治理中的作用，善于組織動(dòng)員廣大人民群眾依法有序參與社會治理，積極整合各類資源；同時(shí)，又把平安創(chuàng)建放在全局中謀劃，統(tǒng)籌推進(jìn)“發(fā)展、穩(wěn)定、管理”三大核心任務(wù)，以融合求提升，以聚力保平安。

表2 灰色關(guān)聯(lián)矩陣——隧道出口(冬季水樣)

注： 1)各化學(xué)成分除pH外，均以mg/L計(jì)； 2)總硬度和TDS以CaCO3計(jì)。

根據(jù)灰色理論，由表1可知，數(shù)據(jù)之間的變化趨勢越一致，關(guān)聯(lián)度越高。雪山梁隧道出口附近四季水樣的關(guān)聯(lián)計(jì)算結(jié)果表明：

1)隧道滲漏水和大氣降水關(guān)聯(lián)最好，隧道水由大氣降水補(bǔ)給的概率很大，降雨后經(jīng)過圍巖中的微小節(jié)理裂隙進(jìn)入隧道，能較好地解釋施工實(shí)際過程在該里程降雨后隧道內(nèi)滴水量變大的現(xiàn)象；

2)隧道滲漏水與淘金溝上游水的相關(guān)性較好，大氣降水以及雪山融水進(jìn)入隧道中成為隧道水，然后排出到淘金溝上游，由于山體內(nèi)外部巖體化學(xué)元素含量相近，因此在各成份的含量上關(guān)聯(lián)性較好；

3)隧道滲漏水與黃龍景區(qū)水的相關(guān)性差，成份含量差異明顯，可能是隧道水流路徑和巖石成份等情況不一致，也說明隧道滲漏水與黃龍景區(qū)水環(huán)境無水力聯(lián)系。

表3 歸一化各參數(shù)計(jì)算結(jié)果

注： 1)各化學(xué)成分除pH外，均以mg/L計(jì)； 2)總硬度和TDS以CaCO3計(jì)。

表4 隧道出口水樣關(guān)聯(lián)度結(jié)果

2.4 混合水源關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)上面的計(jì)算得出大氣降水是隧道內(nèi)主要滲漏水水源的結(jié)論，但對比原始數(shù)據(jù)，隧道滲漏水和大氣降水的部分相關(guān)指標(biāo)仍有一些差異。由圖1可知，隧道滲漏水和淘金溝上游的距離較近，因此需要考慮混合水源的可能性，以便確定是否溝通了黃龍核心景區(qū)水源。下面進(jìn)行不同水系的混合性計(jì)算。

1)淘金溝上游水樣和大氣降水的混合。將淘金溝上游水樣和大氣降水進(jìn)行不同比例的配比混合，混合水源定為比較序列，隧道出口的滲漏水作為參考序列，計(jì)算其關(guān)聯(lián)度，繪制結(jié)果見圖2。

Fig. 2 Calculation results of relational degree of composite sample mixed by upstream water of Taojin Ditch and atmospheric precipitation

由圖2可以看出，隨著淘金溝上游水和大氣降水的混合水體配合比的變化，關(guān)聯(lián)度呈先下降后增長的趨勢。當(dāng)淘金溝上游水和大氣降水的配比為7∶3時(shí)，與隧道滲漏水的關(guān)聯(lián)度最小。在淘金溝上游水和大氣降水配比達(dá)到7∶3之前，隨著淘金溝上游水的比例不斷增大，關(guān)聯(lián)度先減小后增大， 且均小于大氣降水本身的關(guān)聯(lián)度； 因此，可認(rèn)為隧道滲漏水與大氣降水的關(guān)聯(lián)程度最高，且與淘金溝河流水也有關(guān)聯(lián)性，但大氣降水和河流水沒有直接的聯(lián)系。由于關(guān)聯(lián)系數(shù)隨著淘金溝水體的增加而增加，也說明2個(gè)水體都可能是滲漏水的來源，這和單一水源分析結(jié)果吻合。

2)黃龍核心景區(qū)水樣和大氣降水的混合。為確定隧道滲漏水是否可能來源于黃龍核心景區(qū)，將黃龍核心景區(qū)水和大氣降水進(jìn)行不同比例的配比混合，混合水源定為比較序列，隧道出口的滲漏水作為參考序列，計(jì)算其關(guān)聯(lián)度，繪制結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，隨著黃龍核心景區(qū)水所占比例不斷上升，混合水樣和隧道滲漏水的關(guān)聯(lián)度呈下降趨勢，且最高關(guān)聯(lián)度值小于大氣降水與隧道滲漏水的關(guān)聯(lián)度值。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)而驗(yàn)證了黃龍核心景區(qū)水與隧道滲漏水關(guān)聯(lián)度很小的結(jié)論，說明雪山梁隧道施工對黃龍核心景區(qū)水體基本無影響。

3 現(xiàn)場踏勘對比分析

為判斷上述試驗(yàn)評價(jià)結(jié)果是否合理，科研組從隧道周邊流量觀測點(diǎn)、隧址區(qū)實(shí)際地表情況、隧址區(qū)氣候特征以及隧道內(nèi)部情況4個(gè)方面分別加以分析論證。

圖3 黃龍核心景區(qū)水樣與大氣降水混合后關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

Fig. 3 Calculation results of relational degree of composite sample mixed by water of Huanglong core scenic and atmospheric precipitation

3.1 現(xiàn)場水流量觀測點(diǎn)流量分析

為調(diào)查隧道修建對隧址區(qū)周邊水流量的影響，在隧道同邊設(shè)置了隧道周邊8個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行水流量監(jiān)測，流量測點(diǎn)布置如圖1所示。為更好地反映隧道開挖對周邊流量的影響，將流量觀測點(diǎn)流量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行橫向和縱向的分析。對比分析得到，8個(gè)觀測點(diǎn)與往年數(shù)據(jù)相比，有6個(gè)觀測點(diǎn)流量普遍降低了10%～25%，其中降低最為明顯的點(diǎn)流量減少了24.3%。8個(gè)觀測點(diǎn)統(tǒng)一分析發(fā)現(xiàn)，觀測點(diǎn)流量隨大氣降水的變化幅度較大，季節(jié)變化明顯，這說明周邊水主要補(bǔ)給源為大氣降水以及冰川融水。

3.2 雪山梁隧道實(shí)際地表情況

在雪山梁隧道建設(shè)過程中，沒有出現(xiàn)隧道內(nèi)圍巖坍塌和襯砌變形過大的情況，根據(jù)流量觀測可得，在進(jìn)出口隧址區(qū)區(qū)域有6個(gè)觀測點(diǎn)地表水流量減少，實(shí)際地表植被也有影響，但在隧道涉及到的地表周圍尚未發(fā)現(xiàn)因隧道修建而導(dǎo)致的地表局部坍塌或沉降現(xiàn)象。隧道修建期間地表實(shí)際情況如圖4所示。

圖4 雪山梁隧道實(shí)際地表情況

3.3 氣候特征分析

黃龍因受高空西風(fēng)氣流和印度西南季風(fēng)影響，具有明顯的青藏高原季風(fēng)氣候特征，區(qū)內(nèi)降水量在時(shí)間和空間上分配都不均衡。根據(jù)地表觀測點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化特征，觀察到在此期間的地表流量變化與大氣降水相關(guān)性較大。水位減小的原因與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件存在明顯因果關(guān)系，與隧道施工周期關(guān)系不大。

3.4 隧道洞內(nèi)實(shí)際情況

通過定期觀察隧道內(nèi)涌水及掌子面滲漏水情況得知，隧道出口段掌子面(K18+100)附近200 m處(K18+300)有股狀涌水，其余區(qū)段都較為干燥。分析隧道滲漏水來源，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，選取隧道內(nèi)的涌水與隧道周邊水源點(diǎn)進(jìn)行分析，得到隧道內(nèi)涌水補(bǔ)給主要以大氣降水和冰川融水為主，并且流量減少幅度較小。

4 結(jié)論與討論

1)采用灰色關(guān)聯(lián)理論，對黃龍景區(qū)雪山梁隧道滲漏水來源進(jìn)行分析，單一水源辨識的結(jié)果說明，隧道滲漏水主要來自于大氣降水，其次可能是淘金溝上游河流水； 滲漏水與黃龍核心景區(qū)水關(guān)聯(lián)很小，基本排除隧道開挖引起黃龍核心景區(qū)水滲漏的可能。

2)通過多水源不同配合比的混合分析表明，隨著混合水樣中大氣降水比例的降低，其與隧道滲漏水的關(guān)聯(lián)度也降低，且均小于大氣降水本身的關(guān)聯(lián)度。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證隧道滲漏水來源主要是大氣降水，其次是淘金溝上游河流水；混合水樣分析也表明隧道滲漏水與黃龍核心景區(qū)水基本無關(guān)聯(lián)。

3)通過現(xiàn)場的實(shí)地調(diào)查與試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于隧道的開挖，周邊流量監(jiān)測點(diǎn)的水流量有一定程度的減少，而隧道滲漏水水量與當(dāng)?shù)赜昙娟P(guān)系密切，一般在雨季隧道內(nèi)的滲漏水量會增加一倍，也從側(cè)面印證了基于灰色理論的水源識別的可靠性。

4)采用灰色理論分析，一定程度上簡化了試驗(yàn)，但是對于水系聯(lián)系之間的分析，不如示蹤劑和同位素的方式直觀，考慮到隧址地區(qū)場地水系的復(fù)雜性，故采用灰色理論的水化學(xué)分析法。

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Research on Water Source Identification of Water Leakage during Construction of Xueshanliang Tunnel Based on Grey Theory

WANG Zhijie, LI Zhao, MA Delin, WANG Guodong

(KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The grey relational degrees among different water systems of Xueshanliang Tunnel are studied by water chemical analysis experiment based on existing geological data and water gushing prediction, so as to identify the water source of water leakage. The single water source and multiple water sources are tested and analyzed. The results show that the atmospheric precipitation may be the main water source of water leakage of exit section of Snow Mountain Tunnel, and the upstream water system of Taojin Ditch and water system of tunnel exit have a high relational degree as well. Site investigation is carried out, and the results show that the atmospheric precipitation and upstream water system of Taojin Ditch are the main water sources of water leakage of Snow Mountain Tunnel. The analytical results of grey theory are proved to be feasible.

grey theory; Xueshanliang Tunnel; water leakage; water source identification; grey relational degree

2016-05-27;

2016-07-29

交通運(yùn)輸部西部科技項(xiàng)目(2013-318-J13-340)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(SWJTU11ZT33)； 教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT0955)

王志杰(1964—)，男，山西萬榮人，1996年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，教授，主要研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程。E-mail: 1049814641@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.004

U 455.46

A

1672-741X(2017)01-0024-06