申二寧

（江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002）

1 引言

地下水環(huán)境的變化，對(duì)于路面工程的建設(shè)以及關(guān)聯(lián)施工均會(huì)造成極大的影響。不同的水環(huán)境會(huì)改變土壤和內(nèi)結(jié)構(gòu)層，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致地質(zhì)狀況的變化［1］。所以，通常情況下，在設(shè)立建筑工程之前，均需要對(duì)施工區(qū)域的地下水環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬［2］。初始的模擬方式為單向影響分析，但是這種形式在對(duì)地下水進(jìn)行采樣和環(huán)境監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，十分容易受到外部因素以及特定場(chǎng)景的影響，導(dǎo)致最終獲取的模擬結(jié)果并未達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上也阻礙了工程建設(shè)進(jìn)度的推進(jìn)［3］。為此提出對(duì)基于因子分析—模糊綜合法的地下水環(huán)境影響數(shù)值模擬的分析和驗(yàn)證。

因子分析—模糊綜合法指的是以因子作為分析的主要單元，形成定向的模擬結(jié)構(gòu)，再融合模糊數(shù)學(xué)測(cè)定框架的一種綜合性的評(píng)價(jià)模式［4］。將該方法應(yīng)用在地下水環(huán)境影響數(shù)值模擬工作之中，一定程度上可以進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)際的測(cè)定范圍，采用比照的方式進(jìn)行數(shù)值的獲取以及測(cè)算，以此來(lái)進(jìn)一步確保數(shù)值模擬模型的執(zhí)行精度，打破傳統(tǒng)高數(shù)值模擬測(cè)定條件的束縛，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，此外，在因子分析—模糊綜合法的輔助下，還可以對(duì)地下水環(huán)境進(jìn)行無(wú)間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，形成更為穩(wěn)定、多元化的數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)，為后續(xù)地面工程的建設(shè)提供參考依據(jù)。

2 區(qū)域概況

選定Q 區(qū)域作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象，該區(qū)域?yàn)楦咚偎?jīng)路線，中心位置的走廊帶走勢(shì)較為奇特，大致為中部高、側(cè)向及東西低，整體的地形差異相對(duì)較大［5］。經(jīng)過(guò)測(cè)定，Q 區(qū)域最高點(diǎn)基本處于K22＋050線路段的左方550 m 位置，高程值為1 026 m；而最低1 267 m，最低點(diǎn)位于K40＋420 線路段右方205 m位置［6］。

該區(qū)域的水資源較為豐富，尤其是地下水，四通八達(dá)，流向?yàn)槎喾较颍?］。區(qū)域的西側(cè)發(fā)育形成一條河床，高程值為652 m，極限高差450 m。該位置的水環(huán)境雖然豐富，但是對(duì)于工程的建設(shè)以及路段的開發(fā)擴(kuò)展也會(huì)造成不同程度的影響［8］。例如地下水徑流增大導(dǎo)致道路沉降、塌方、農(nóng)作物減產(chǎn)、山體事故頻發(fā)、軟土區(qū)域不斷擴(kuò)大，對(duì)房屋建設(shè)形成不可控的阻礙，時(shí)刻威脅人們的生產(chǎn)生活。具體如圖1 所示。

根據(jù)圖1，完成對(duì)地下水環(huán)境變化影響的分析與了解。該區(qū)的自然環(huán)境和溫度變化速度較快，地下水資源雖然豐富，但是相關(guān)人員并未對(duì)其進(jìn)行處理和管控，導(dǎo)致地下水環(huán)境常年處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，對(duì)于周圍人們的生活埋下安全隱患。為解決這一問(wèn)題，采用因子分析—模糊綜合法，對(duì)該區(qū)域的水環(huán)境影響進(jìn)行數(shù)值模擬，確保更為直觀地觀測(cè)影響情況，實(shí)現(xiàn)多維分析。

3 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

通過(guò)上述對(duì)該區(qū)域地下水環(huán)境的簡(jiǎn)要了解，采用因子分析—模糊綜合法先進(jìn)行初始水樣的抽采。測(cè)定地下水的存儲(chǔ)深度，一般需要設(shè)定在2.0～4.5 m之間，選定5 個(gè)測(cè)定點(diǎn)位，按實(shí)際地質(zhì)條件建立采樣結(jié)構(gòu)，抽采的范圍距離為1.5 m，針對(duì)這5 個(gè)不同的單元區(qū)域進(jìn)行地下水樣的獲取。利用FLAC 模型對(duì)不同巖石的地下水進(jìn)行轉(zhuǎn)換，見表1。

表1 不同巖層地下水FLAC 模型轉(zhuǎn)換

根據(jù)表1，完成對(duì)不同巖層地下水FLAC 模型的轉(zhuǎn)換處理。隨著地下水抽采深度的增加，地下水水壓逐漸升高，如圖2 所示。

圖2 地下水抽采深度對(duì)于水壓力影響分析

根據(jù)圖2，完成對(duì)地下水抽采深度對(duì)于水壓力影響的分析和了解。接下來(lái)，綜合實(shí)際的模擬需求和因子分析—模糊綜合法，對(duì)該位置的水環(huán)境影響進(jìn)行完整性數(shù)值模擬。對(duì)上述采集的水樣進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，設(shè)計(jì)能量平衡方程為：

式中，H 表示物質(zhì)平衡標(biāo)準(zhǔn)；y 表示測(cè)驗(yàn)區(qū)域；R 表示單項(xiàng)距離；m 表示積累能量；n 表示可檢驗(yàn)?zāi)芰?；t 表示檢驗(yàn)次數(shù)。

根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)數(shù)值模擬平衡環(huán)境的設(shè)定。依據(jù)物質(zhì)平衡模擬的需求，測(cè)算出水環(huán)境對(duì)應(yīng)的物質(zhì)累計(jì)項(xiàng)，公式為：

式中，D 表示物質(zhì)累計(jì)項(xiàng)；β 表示地下水孔隙度；i 表示水環(huán)境劃分區(qū)域；X 表示標(biāo)定偏差；v 表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)；δ 表示轉(zhuǎn)換累計(jì)分?jǐn)?shù)；σ 表示定向飽和度。

根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)地下水環(huán)境數(shù)值模擬物質(zhì)累計(jì)項(xiàng)的測(cè)算。根據(jù)實(shí)際的模擬需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，調(diào)整對(duì)應(yīng)的模擬累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 模擬需求量變化指標(biāo)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)表2 完成對(duì)模擬需求量變化指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定，此時(shí)營(yíng)造穩(wěn)定的水環(huán)境模擬條件和動(dòng)態(tài)化處理環(huán)境，隨即融合因子分析—模糊綜合法進(jìn)行單元模擬邊緣框的設(shè)置。這部分需要注意的是，為確保最終數(shù)值模擬效果的真實(shí)性與合理性，需要先對(duì)該區(qū)域的水環(huán)境進(jìn)行邊緣標(biāo)定，獲取相對(duì)應(yīng)的初始還原數(shù)值，將水環(huán)境下每一個(gè)劃定單元設(shè)定為單階層的塑造因子，融合模糊綜合法，設(shè)計(jì)離散模擬框架，具體如圖3 所示。

圖3 模糊綜合法下離散數(shù)值模擬框架設(shè)定

根據(jù)圖3 完成對(duì)模糊綜合法下離散數(shù)值模擬框架的設(shè)定與調(diào)整，隨后進(jìn)行水環(huán)境影響模擬的多方向分析，并建立數(shù)值模擬模型。利用因子分析—模糊綜合法，使用正交網(wǎng)格進(jìn)行地下水環(huán)境的定向劃分，設(shè)置6 個(gè)拋分層，采集此時(shí)的水環(huán)境基礎(chǔ)性數(shù)值以及信息，并測(cè)算出對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)，一般為0.020，這部分需要注意的是，在3 個(gè)階段設(shè)定的滲透系數(shù)均是不同的，可以將其控制在0.02～0.09。

同時(shí)，為了提高數(shù)值模擬處理和計(jì)算速度以及效率，對(duì)內(nèi)部地層環(huán)境進(jìn)行單值合并處理，水平模擬方向范圍設(shè)定為259 000～358 010 m 之間。將標(biāo)定位置的水環(huán)境進(jìn)行坐標(biāo)劃分，利用設(shè)計(jì)的初始數(shù)值模擬模型對(duì)X，Y 軸方向上各個(gè)地層進(jìn)行單獨(dú)剖分。

當(dāng)水環(huán)境發(fā)生相應(yīng)的變化時(shí)，周圍會(huì)形成對(duì)應(yīng)的壓力，對(duì)地質(zhì)層以及巖石層也會(huì)造成影響。為此，綜合獲取的數(shù)據(jù)以及信息，測(cè)算出水環(huán)境壓力變化的正交垂向范圍，公式為：

式中，B 表示水環(huán)境壓力變化的正交垂向范圍；f 表示過(guò)渡距離；?表示垂直方向；e 表示正交處理次數(shù)；r 表示垂直堆疊范圍；θ 表示地層深度。

根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)水環(huán)境壓力變化的正交垂向范圍的確定，將其設(shè)定在構(gòu)建的初始數(shù)值模擬模型之中，作為模型的虛擬化外延標(biāo)準(zhǔn)。

遵循物質(zhì)平衡的標(biāo)準(zhǔn)，在合理的范圍之內(nèi)調(diào)整模擬需求的變化總量以及單元量，在模型中設(shè)定離散數(shù)值模擬框架，將獲取的數(shù)據(jù)以及信息填充導(dǎo)入框架之中，形成完整的數(shù)值模擬動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行模型基礎(chǔ)數(shù)值以及指標(biāo)的設(shè)置，見表3。

表3 模型基礎(chǔ)數(shù)值設(shè)定調(diào)整

根據(jù)表3 完成對(duì)模型基礎(chǔ)數(shù)值的設(shè)定與調(diào)整。以此為基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)定的數(shù)值模擬模型進(jìn)行調(diào)整，并針對(duì)標(biāo)定的地下水環(huán)境，分析此時(shí)標(biāo)定點(diǎn)位壓裂區(qū)域的水壓，具體如圖4 所示。

圖4 地下水標(biāo)定點(diǎn)位壓裂區(qū)域水壓變動(dòng)情況

根據(jù)圖4 完成對(duì)地下水標(biāo)定點(diǎn)位壓裂區(qū)域水壓變動(dòng)的分析和研究。在測(cè)試的過(guò)程中，設(shè)定具體的測(cè)試周期，共12 個(gè)周期，每一個(gè)周期48 h，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的模擬分析之后，定時(shí)采集相對(duì)應(yīng)的水環(huán)境數(shù)據(jù)以及信息。分析之后，實(shí)現(xiàn)初始的數(shù)值模擬。隨即以此為基礎(chǔ)，利用因子分析—模糊綜合法將地下水環(huán)境的變動(dòng)情況設(shè)定為一個(gè)梯形，針對(duì)每一層的數(shù)值模擬情況測(cè)算出地層的壓強(qiáng)值，公式為：

式中，A 表示地層壓強(qiáng)值；L 表示平均移動(dòng)距離；s?表示偏移距離；ε 表示定向壓力值；Q 表示模糊定值；ω表示水力壓裂值。

根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)地層壓強(qiáng)值的測(cè)算，根據(jù)該數(shù)值的變動(dòng)，逐步對(duì)最終的結(jié)果進(jìn)行比照分析與研究。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

綜合上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試，利用因子分析—模糊綜合法對(duì)選定區(qū)域地下水環(huán)境變動(dòng)影響進(jìn)行數(shù)值模擬測(cè)定，針對(duì)地下水環(huán)境的變動(dòng)，結(jié)合實(shí)際的測(cè)試需求及標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)算獲取最終的測(cè)試結(jié)果，見表4。

表4 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)表4 完成對(duì)最終測(cè)試結(jié)果的分析與驗(yàn)證研究：針對(duì)選定的地下水環(huán)境，標(biāo)定出地下水的流經(jīng)地層，在不同深度的地層狀態(tài)分別為白云巖、泥巖以及頁(yè)巖，通過(guò)數(shù)值模擬，測(cè)算出最終的地層壓強(qiáng)的具體數(shù)值以及分解信息?？梢杂^測(cè)到，隨著地層深度的增加，地下水環(huán)境會(huì)發(fā)生一定的改變，在數(shù)值模擬背景下，地層壓強(qiáng)值逐漸增大；反之，地層深度減少，地下水環(huán)境地層壓強(qiáng)值逐漸減小，壓強(qiáng)控制在120～350 kPa 之間，存在正向的變動(dòng)關(guān)系。

5 結(jié)論

依據(jù)實(shí)驗(yàn)的分析和研究，最終可以得出以下結(jié)論：數(shù)值模擬分析過(guò)程中，隨著地層深度的增加，地下水環(huán)境會(huì)發(fā)生一定的改變，地層壓強(qiáng)值逐漸增大；反之，地層深度減少，地下水環(huán)境地層壓強(qiáng)值逐漸減小，對(duì)地下水的流動(dòng)方向以及徑流都會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的影響，存在正向的變動(dòng)關(guān)系。

針對(duì)不同的工程建設(shè)需求以及標(biāo)準(zhǔn)，需對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行邊緣標(biāo)定，過(guò)程中通過(guò)獲取的地下水環(huán)境數(shù)值信息，分析地下水的流動(dòng)情況、流動(dòng)方向以及流動(dòng)狀態(tài)，針對(duì)劃分的區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合地下水文環(huán)境進(jìn)行深層次的模擬分析，逐步構(gòu)建更為穩(wěn)定、多元的模擬結(jié)構(gòu)，確保施工過(guò)程中數(shù)值的精準(zhǔn)度與可靠性，確保工程順利完成。