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

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 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

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

為了解決黃龍景區雪山梁隧道開挖過程中的涌水水源識別問題，結合黃龍景區雪山梁隧道的相關施工資料，依據已有的地質資料和涌突水預測，通過水分析化學實驗，采用灰色理論計算方法研究不同水系之間的關聯度； 而后針對單一水源和混合水源分別進行試驗和分析，得出雪山梁隧道出口段內滲漏水來源最可能為大氣降水，關聯度較高的還有淘金溝上游水系和隧道出口處水系； 最后進行比對，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論，并依據現場資料及實地踏勘，驗證了灰色理論分析結果的可靠性。

灰色理論； 雪山梁隧道； 滲漏水； 水源識別； 灰色關聯度

0 引言

在山嶺隧道的開挖過程中，經常不可避免地遇到涌突水和滲漏水問題，現行的JTG D70—2004《公路隧道設計規范》[1]防排水遵循“防、排、截、堵”結合的原則，在黃龍景區周邊并不適用，隧道內部的滲漏水在不進行水源識別的情況下不能盲目施工，因為可能產生對國家旅游資源影響極其嚴重的后果[2-4]。因此，如何有效、快速、正確地判別隧道滲漏水的來源，是景區隧道施工亟待解決的問題。

目前，國內對隧道水源識別最直接的方法是連通試驗，其次是通過水化學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測及整治具有重要作用，特別是在富水景區附近修建的隧道，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地形地貌的復雜性，采用同位素和示蹤試驗可能具有不確定性，故本次研究采用水分析化學實驗，通過研究不同元素的含量，來探討富水景區附近不同區域水系之間的聯系。

1 灰色關聯模型

1.1 灰色關聯分析原理

灰色關聯分析(GRA)是一種多因素統計分析的方法，以各因素的樣本數據為依據，用灰色關聯度來描述因素間關系的強弱、大小和次序。如果樣本數據序列反映出2個因素變化的態勢(方向、大小和速度等)基本一致，則它們之間的關聯度較大； 反之，關聯度較小。與傳統的多因素分析方法(相關和回歸等)相比，灰色關聯分析對數據要求較低且計算量小，便于廣泛應用[12]。該方法自創建以來，已在航天、醫藥、石油、經濟、軍事、教育等行業和領域得到迅速推廣。

1.2 灰色關聯分析法一般步驟

灰色關聯分析法(Grey Relational Analysis)[13]是一種對多因素影響的對象作統計分析的方法。灰色關聯分析法分為4個步驟。

1.2.1 建立灰色關聯參考序列和比較序列

以隧道內的水為參考對象，設為參考序列

(1)

以隧道外取水為比較對象，設為比較序列

…

(2)

式中Xm(i)為水樣第m個比較序列的第i項指標。

參考序列和比較序列經過歸一化，變成無量綱的可比較值。

1.2.2 灰色關聯系數計算

灰色關聯系數在數學上的解釋為曲線之間的差異程度，設為分辨系數，一般取0.5[14]。灰色關聯系數

(3)

1.2.3 灰色關聯度計算

先計算指標的標準差σk，標準差代表各指標的絕對變異程度。

(4)

然后計算指標的變異系數ck，變異系數體現各指標的相對變異程度。

(5)

再對指標變異系數歸一化處理，計算各指標的權數

(6)

最后根據計算出的指標關聯系數ξ0i(k)，由式(7)計算灰色關聯度

(7)

1.2.4 進行關聯度分析

一般來說，關聯度γ0i可視為衡量比較序列與參考序列總體相關性的一個度量。γ0i越接近1，比較序列與參考序列的關聯性越好。

當分辨系數取時ρ=0.5時[15]，灰色關聯度分析表見表1。

表1 灰色關聯分析表

2 雪山梁隧道出口涌水關聯度分析

2.1 雪山梁隧道工程概況

2.2 雪山梁隧址區水樣采集

雪山梁隧址區海拔3 375 m，進出口河流的最低基準面分別為岷江和涪江，雪山梁為該地區的地表分水嶺。由于隧址區處于高海拔地區，北有高大的秦嶺山脈屏護，大大削弱了冬季從蒙古高原來的冷高壓寒流對本區域的影響； 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，地下水補給來源為大氣降水和雪山融水。

圖1 隧址區取水點及流場分布

2.3 單一水源關聯度分析

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

使用上述方法對冬、春、夏、秋4個季節同一地方的水樣進行處理分析，計算其關聯度結果見表4。

4.整合資源、統籌發展，是“楓橋經驗”創新發展的必然選擇。堅持治本與抓源、眼前與長遠、頂層與基層并重，注重發揮社會力量在社會治理中的作用，善于組織動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，又把平安創建放在全局中謀劃，統籌推進“發展、穩定、管理”三大核心任務，以融合求提升，以聚力保平安。

表2 灰色關聯矩陣——隧道出口(冬季水樣)

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

根據灰色理論，由表1可知，數據之間的變化趨勢越一致，關聯度越高。雪山梁隧道出口附近四季水樣的關聯計算結果表明：

1)隧道滲漏水和大氣降水關聯最好，隧道水由大氣降水補給的概率很大，降雨后經過圍巖中的微小節理裂隙進入隧道，能較好地解釋施工實際過程在該里程降雨后隧道內滴水量變大的現象；

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

3)隧道滲漏水與黃龍景區水的相關性差，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水環境無水力聯系。

表3 歸一化各參數計算結果

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

表4 隧道出口水樣關聯度結果

2.4 混合水源關聯度分析

根據上面的計算得出大氣降水是隧道內主要滲漏水水源的結論，但對比原始數據，隧道滲漏水和大氣降水的部分相關指標仍有一些差異。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水源。下面進行不同水系的混合性計算。

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，計算其關聯度，繪制結果見圖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，關聯度呈先下降后增長的趨勢。當淘金溝上游水和大氣降水的配比為7∶3時，與隧道滲漏水的關聯度最小。在淘金溝上游水和大氣降水配比達到7∶3之前，隨著淘金溝上游水的比例不斷增大，關聯度先減小后增大， 且均小于大氣降水本身的關聯度； 因此，可認為隧道滲漏水與大氣降水的關聯程度最高，且與淘金溝河流水也有關聯性，但大氣降水和河流水沒有直接的聯系。由于關聯系數隨著淘金溝水體的增加而增加，也說明2個水體都可能是滲漏水的來源，這和單一水源分析結果吻合。

2)黃龍核心景區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，將黃龍核心景區水和大氣降水進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，計算其關聯度，繪制結果見圖3。

由圖3可以看出，隨著黃龍核心景區水所占比例不斷上升，混合水樣和隧道滲漏水的關聯度呈下降趨勢，且最高關聯度值小于大氣降水與隧道滲漏水的關聯度值。試驗結果進而驗證了黃龍核心景區水與隧道滲漏水關聯度很小的結論，說明雪山梁隧道施工對黃龍核心景區水體基本無影響。

3 現場踏勘對比分析

為判斷上述試驗評價結果是否合理，科研組從隧道周邊流量觀測點、隧址區實際地表情況、隧址區氣候特征以及隧道內部情況4個方面分別加以分析論證。

圖3 黃龍核心景區水樣與大氣降水混合后關聯度計算結果

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

3.1 現場水流量觀測點流量分析

為調查隧道修建對隧址區周邊水流量的影響，在隧道同邊設置了隧道周邊8個觀測點進行水流量監測，流量測點布置如圖1所示。為更好地反映隧道開挖對周邊流量的影響，將流量觀測點流量數據分別進行橫向和縱向的分析。對比分析得到，8個觀測點與往年數據相比，有6個觀測點流量普遍降低了10%～25%，其中降低最為明顯的點流量減少了24.3%。8個觀測點統一分析發現，觀測點流量隨大氣降水的變化幅度較大，季節變化明顯，這說明周邊水主要補給源為大氣降水以及冰川融水。

3.2 雪山梁隧道實際地表情況

在雪山梁隧道建設過程中，沒有出現隧道內圍巖坍塌和襯砌變形過大的情況，根據流量觀測可得，在進出口隧址區區域有6個觀測點地表水流量減少，實際地表植被也有影響，但在隧道涉及到的地表周圍尚未發現因隧道修建而導致的地表局部坍塌或沉降現象。隧道修建期間地表實際情況如圖4所示。

圖4 雪山梁隧道實際地表情況

3.3 氣候特征分析

黃龍因受高空西風氣流和印度西南季風影響，具有明顯的青藏高原季風氣候特征，區內降水量在時間和空間上分配都不均衡。根據地表觀測點的動態變化特征，觀察到在此期間的地表流量變化與大氣降水相關性較大。水位減小的原因與當地的氣候條件存在明顯因果關系，與隧道施工周期關系不大。

3.4 隧道洞內實際情況

通過定期觀察隧道內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，其余區段都較為干燥。分析隧道滲漏水來源，采用灰色關聯分析方法，選取隧道內的涌水與隧道周邊水源點進行分析，得到隧道內涌水補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 結論與討論

1)采用灰色關聯理論，對黃龍景區雪山梁隧道滲漏水來源進行分析，單一水源辨識的結果說明，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水關聯很小，基本排除隧道開挖引起黃龍核心景區水滲漏的可能。

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聯度也降低，且均小于大氣降水本身的關聯度。試驗結果進一步驗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水基本無關聯。

3)通過現場的實地調查與試驗，發現由于隧道的開挖，周邊流量監測點的水流量有一定程度的減少，而隧道滲漏水水量與當地雨季關系密切，一般在雨季隧道內的滲漏水量會增加一倍，也從側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，但是對于水系聯系之間的分析，不如示蹤劑和同位素的方式直觀，考慮到隧址地區場地水系的復雜性，故采用灰色理論的水化學分析法。

[1] 公路隧道設計規范： JTG D70—2004[S].北京： 人民交通出版社，2004.(Code for design of road tunnel: JTG D70—2004[S].Beijing: China Communications Press,2004.(in Chinese))

[2] 毛正君. 脆弱生態區隧道群施工期地下水運移特征及環境效應研究[D]. 西安： 長安大學,2013.(MAO Zhengjun. Study of characteristics of groundwater transport and its environment effect during constructing tunnel group in fragile ecology region[D].Xi’an: Chang’an University, 2013.(in Chinese))

[3] 賴明. 敘嶺關隧道建設對地下水環境的影響研究[D]. 成都： 西南交通大學,2011. (LAI Ming. Study of the impact on the groundwater environment during the construction of the Xulingguan Tunnel[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University,2011.(in Chinese))

[4] 趙金鳳. 歌樂山隧道施工涌水對周邊地下水系統的影響及環境效應[D]. 成都： 成都理工大學,2004. (ZHAO Jinfeng. Impact of Gele Mountain Tunnel construction water on the surrounding groundwater system and environmental effect[D].Chengdu: Chengdu University of Technology, 2004.(in Chinese))

[5] 洪新建. 礦井涌水的判斷[J]. 煤礦安全,1978(6): 18. (HONG Xinjian. Identification of mine water gushing [J]. Coal Mine Safety, 1978(6): 18.(in Chinese))

[6] 張可誠, 竇培松, 牟瑞芳, 等. 大瑤山隧道巖溶涌水連通試驗研究[J]. 工程勘察, 1993(1): 35-39,34. (ZHANG Kecheng，DOU Peisong, MOU Ruifang, et al. Study of connectivity experiment of Dayaoshan Tunnel karst water gushing[J].Engineering Survey, 1993(1): 35-39,34.(in Chinese))

[7] 劉建, 劉丹. 基于Bayes判別分析方法的敘嶺關隧道溶洞水源識別[J]. 現代隧道技術, 2012, 49(1): 72-77. (LIU Jian, LIU Dan. Water source identification of Karst cave in Xulingguan Tunnel based on Bayes discriminant analysis[J]. Modern Tunnelling Technology, 2012, 49(1): 72-77.(in Chinese))

[8] 高飛,劉丹. 模糊聚類分析法在敘嶺關隧道涌水來源識別中的應用[J]. 現代隧道技術,2013,50(2): 52-57,65. (GAO Fei,LIU Dan. Application of fuzzy clustering to the identification of sources of water inflow in the Xulingguan Tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2013, 50(2)： 52-57,65.(in Chinese))

[9] Walton-Day K, Poeter E, Thompson A,et al. Investigating hydraulic connections and the origin of water in a mine tunnel using stable isotopes and hydrographs[J]. Applied Geochemistry, 2009, 24(12): 2266-2282.

[10] JIN Xinfeng, XIA Riyuan, LIANG Bin. Analysis of bursting water source of Maluqing Tunnel, Yichang-Wanzhou Railway[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2007(2): 16.

[11] 何明磊. 雪山梁隧道施工對地下水環境負效應評價研究[D]. 成都： 西南交通大學, 2015. (HE Minglei. Study of the negative effect of Xueshanliang Tunnel construction on underground water environment[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2015.(in Chinese))

[12] 劉思峰, 蔡華, 楊英杰, 等. 灰色關聯分析模型研究進展[J]. 系統工程理論與實踐, 2013,33(8): 2041-2046. (LIU Sifeng, CAI Hua, YANG Yingjie, et al. Advance in grey incidence analysis modelling[J]. Systems Engineering—Theory & Practice,2013, 33(8): 2041-2046.(in Chinese))

[13] 張瑩,蘇小四,董維紅,等. 六盤山巖溶水與白堊系地下水的水力聯系研究[J]. 人民黃河,2010,32(1): 55-56,58. (ZHANG Ying, SU Xiaosi, DONG Weihong, et al. Study of hydraulic connection between Liupanshan karst water and cretaceous groundwater[J].Yellow River, 2010, 32(1): 55-56, 58.(in Chinese))

[14] 彭道平,黃濤,李政,等. 水化學成分聚類法判別咸陽路站淺層地下水水力聯系的應用[J]. 路基工程,2012(4): 110-113. (PENG Daoping, HUANG Tao, LI Zheng, et al. Application of hydrochemical constituents clustering method on determination of hydraulic connection of shallow groundwater at Xianyanglu Station[J]. Subgrade Engineering, 2012(4): 110-113.(in Chinese))

[15] 張光明,賀玉龍,楊立中. 扎西隧道與其上部水庫的水力聯系分析[J]. 鐵道建筑,2012(7): 40-42. (ZHANG Guangming, HE Yulong, YANG Lizhong. Analysis of hydraulic connection between Tashi Tunnel and upper reservoir[J].Railway Engineering, 2012(7): 40-42.(in Chinese))

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

交通運輸部西部科技項目(2013-318-J13-340)； 中央高校基本科研業務費專項資金資助(SWJTU11ZT33)； 教育部創新團隊發展計劃資助(IRT0955)

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

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

U 455.46

A

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