應(yīng)用模糊層次分析法研究隧道施工對地下水環(huán)境的影響

王志杰，王寧，李昭，梁宏浩，何明磊

(1．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031;2．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)

應(yīng)用模糊層次分析法研究隧道施工對地下水環(huán)境的影響

王志杰1，2，王寧1，2，李昭1，2，梁宏浩1，2，何明磊1，2

(1．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031;2．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)

隧道修建會對地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。為了解隧道施工對地下水環(huán)境的影響程度，研究了川(主寺)黃(龍)公路雪山梁隧道修建過程對地下水環(huán)境的影響。針對性地建立地下水環(huán)境影響評價(jià)指標(biāo)體系，確定各指標(biāo)權(quán)重，通過模糊綜合層次分析法確定影響等級。評價(jià)結(jié)果為中等影響等級，與實(shí)際情況相符。

地下水環(huán)境;模糊層次分析法;指標(biāo)體系;雪山梁隧道

伴隨著隧道交通的快速發(fā)展，各種特殊環(huán)境下的隧道建設(shè)開始出現(xiàn)，這些特殊環(huán)境下隧道的建設(shè)，會出現(xiàn)不同的環(huán)境問題［1-3］。隧道在含水地層中修建，勢必會影響地下水的原始滲流場，導(dǎo)致山體內(nèi)水頭和徑流發(fā)生大的變化。在現(xiàn)有的關(guān)于隧道施工與地下水的影響研究中，大都是研究隧道建設(shè)中地下水對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不良影響，鮮有涉及到地下水影響研究。

本文主要針對雪山梁隧道進(jìn)行研究，該地區(qū)水敏感性較強(qiáng)。綜合已有的文獻(xiàn)資料，采用模糊層次分析法，針對性地建立評價(jià)分析體系，對水環(huán)境影響等級進(jìn)行評價(jià)，并確定評價(jià)結(jié)果。同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況佐證，評價(jià)結(jié)果與實(shí)際相符，這說明評價(jià)體系的建立具有一定的合理性，可為類似的隧道工程對地下水環(huán)境的負(fù)效應(yīng)評價(jià)及選址提供實(shí)際參考。

1　工程概況

川(主寺)黃(龍)公路雪山梁隧道起點(diǎn)順接原川主寺至黃龍公路里程K2+720處，穿越雪山梁山體后在黃龍鄉(xiāng)大巖方附近高程3 381 m出洞后接原川黃公路K40+585結(jié)束。雪山梁隧道按二級公路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速40 km/h，主洞全長7 966 m。隧道建于黃龍景區(qū)附近，所涉及生態(tài)敏感區(qū)域包括黃龍國家級風(fēng)景名勝區(qū)和四川黃龍自然保護(hù)區(qū)，水資源十分寶貴。

2　評價(jià)過程及結(jié)果

根據(jù)模糊層次分析法相關(guān)原理及評價(jià)步驟，在對環(huán)境影響進(jìn)行評價(jià)時(shí)，需要確定評價(jià)相關(guān)因素和相應(yīng)指標(biāo)。包括評價(jià)總目標(biāo)U={u1，u2，…，un}，其中ui表示總目標(biāo)的下一層次目標(biāo)因素;指定評價(jià)集V= {v1，v2，…，vn}，vi代表對應(yīng)ui處的評判等級層次;模糊關(guān)系矩陣R以及各指標(biāo)評價(jià)權(quán)重W;最終評價(jià)向量B={b1，b2，…，bn}。分析評價(jià)向量B，得出各因素影響評價(jià)。

2.1評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立

采用綜合分析法構(gòu)建本次需要進(jìn)行的評價(jià)指標(biāo)。首先，需要確定第1級評判指標(biāo)因子，即初選評價(jià)指標(biāo);隨后將評價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步劃分;然后對初選指標(biāo)進(jìn)行比較，剔除重復(fù)和交叉的指標(biāo)，保留影響大、意義明確的指標(biāo)因子［4］。

針對雪山梁隧道實(shí)際特點(diǎn)，并結(jié)合層次分析法自上而下的特性，首先確定研究隧道施工對地下水環(huán)境影響目標(biāo)層因素。隨后結(jié)合國內(nèi)外隧道施工對地下水環(huán)境影響具體因素，分3個(gè)方面研究，主要包括地下水補(bǔ)給條件、地下水徑流條件和隧道工程，確定準(zhǔn)則層。最后對準(zhǔn)則層進(jìn)行細(xì)化，確定出具體的影響指標(biāo)，共計(jì)15個(gè)指標(biāo)，分別用C11～C15，C21～C25，C31～C35表示。調(diào)查雪山梁實(shí)際工程情況以及地勘情況，各個(gè)指標(biāo)實(shí)際參數(shù)見表1。

2.2評價(jià)指標(biāo)量化及權(quán)重

評價(jià)的定量化是評價(jià)發(fā)展的方向，指標(biāo)的定量化是評價(jià)定量化的基礎(chǔ)，采用模糊層次分析法最終得到一個(gè)量化的具體數(shù)值。為更加精確地評定隧道開挖對地下水環(huán)境影響，對于各指標(biāo)層中的定量指標(biāo)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，采用較為成熟的降半梯形分布曲線構(gòu)造隸屬函數(shù)，確定隸屬度。而對于部分可以量化但是資料缺失無法量化的或者只能采用定性判斷的定性指標(biāo)，則根據(jù)評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行隸屬度分析，確定模糊矩陣。

在確定各指標(biāo)權(quán)重時(shí)，本文邀請15位專家對文中建立的指標(biāo)按重要程度進(jìn)行排序和打分，確定各指標(biāo)的相對重要度，并利用G1法［5-6］確定各指標(biāo)的權(quán)重。之后采用算術(shù)平均法，對上述專家給出的權(quán)重進(jìn)行平均，整理后得到各指標(biāo)的綜合權(quán)重見表2。

表1　評價(jià)指標(biāo)體系及相關(guān)參數(shù)

表2　G1法隧道工程地下水負(fù)效應(yīng)評價(jià)權(quán)重

2.3負(fù)效應(yīng)評價(jià)分析

根據(jù)計(jì)算出來的權(quán)重以及模糊矩陣，按照模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行評價(jià)，得到3個(gè)因素的評價(jià)結(jié)果:

地下水補(bǔ)給，U1=W1R1=(0.38，0.33，0.28，0.06，0);

地下水徑流，U2=W2R2=(0.20，0.23，0.19，0.19，0.19);

隧道工程，U3=W3R3=(0，0.15，0.40，0.32，0.31)。

在對各準(zhǔn)則層內(nèi)指標(biāo)進(jìn)行1級評判結(jié)果的基礎(chǔ)上，可根據(jù)各準(zhǔn)則層指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行2級評判，從而獲得綜合評價(jià)結(jié)果

3　評價(jià)結(jié)果分析及論證

3.1評價(jià)結(jié)果分析

1)各分項(xiàng)因素判斷

對準(zhǔn)則層3個(gè)方面因素進(jìn)行分析，地下水補(bǔ)給因素和地下水徑流因素的影響系數(shù)較小，處于弱和較弱的范圍，而隧道工程因素U3=(0，0.15，0.40，0.32，0.31)，以中等為主。由此可見隧道實(shí)際工程的設(shè)計(jì)參數(shù)對隧道產(chǎn)生的影響較大。

2)整體修建模式判斷

綜合負(fù)效應(yīng)體系的各個(gè)因素，最后得到評價(jià)結(jié)果U=(0.18，0.23，0.28，0.20，0.18)，對結(jié)果的最大隸屬度計(jì)算α=0.217，此結(jié)果不滿足最大隸屬度要求。使用模糊向量單值化進(jìn)行處理，模糊向量單值化是以加權(quán)平均為準(zhǔn)則的評判方法。最終得到評價(jià)結(jié)果U= 3.201，判定隧道開挖對地下水開挖的整體負(fù)效應(yīng)評價(jià)為中等等級。

3.2評價(jià)結(jié)果對比論證

參照建設(shè)項(xiàng)目地下水環(huán)境影響評價(jià)規(guī)范［7］以及國內(nèi)外關(guān)于地下水評價(jià)以及相關(guān)登記劃分標(biāo)準(zhǔn)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)［8］，結(jié)合雪山梁實(shí)際情況，我們確定出隧道對地下水負(fù)效應(yīng)評價(jià)等級劃分如表3所示。

表3　負(fù)效應(yīng)評價(jià)等級劃分

為判斷上述評價(jià)結(jié)果是否合理，將從隧道周邊流量觀測、隧址區(qū)實(shí)際地表情況、氣候特征分析、進(jìn)出口項(xiàng)目部用水情況以及隧道內(nèi)部情況5個(gè)方面加以分析論證。

1)長時(shí)間觀測點(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，設(shè)置了隧道周邊8個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行水流量監(jiān)測，8個(gè)測量點(diǎn)點(diǎn)位如圖1所示。為更好地反映隧道開挖對周邊流量的影響，將本次觀測數(shù)據(jù)與往年觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ确治觥Ρ确治龅玫?個(gè)觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)與往年數(shù)據(jù)相比，有6個(gè)觀測點(diǎn)流量有所降低，普遍降低了10%～25%左右，其中，降低最為明顯的點(diǎn)為1號點(diǎn)，流量減少了24.3%。對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。

圖1　隧址區(qū)取水點(diǎn)分布

2)雪山梁實(shí)際地表情況

隧道的建設(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)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。

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)氣候的特征。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的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件存在因果關(guān)系。

4)隧道附近用水情況

隧道開挖后，進(jìn)口段項(xiàng)目部由于用水困難，在隧道進(jìn)口附近往下鉆探200 m左右，欲取地下水作為生活用水和施工用水，但沒有找到類井泉的取水點(diǎn)，只能從外借水。出口段淘金溝為涪江水發(fā)源地，水位較岷江高，地表水較進(jìn)口豐富，但隧道開挖過程中出現(xiàn)若干干溶洞。僅里程K18+300附近出現(xiàn)股狀涌水情況，推斷擬建隧道進(jìn)出口及洞身大部分處于巖溶地下水垂直循環(huán)帶之中。隧道內(nèi)長期滴水可能為在山體內(nèi)的動(dòng)儲量，局部短暫滴水可能為裂隙水的靜儲量。洞身中段局部受非可溶巖夾持，可能有部分區(qū)段處于水平徑流帶。

5)隧道洞內(nèi)實(shí)際情況

觀察隧道內(nèi)涌水及掌子面滲漏水情況，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)段都處于較為干燥的狀態(tài)。分析隧道內(nèi)涌水來源，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)涌水與山體處的水源相似度較高，可判斷出隧道內(nèi)的涌水可能為山體內(nèi)的長期儲水流出所致。

綜合實(shí)際情況分析，由流量觀測可以發(fā)現(xiàn)，隧址區(qū)周邊水補(bǔ)給主要以大氣降水與冰川融水為主，并且流量減少幅度較小。同時(shí)，從地表情況分析，地表完整度較高，沒有出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。隧道進(jìn)出口及洞身大部分區(qū)段處于巖溶地下水垂直循環(huán)帶之中，僅隧道出口在修建時(shí)，掌子面附近(K18+100)出現(xiàn)股狀涌水。綜合以上結(jié)果，得到雪山梁修建隧道雖然對地下水有一定的影響，但是影響較為有限，影響程度屬于中等水平。與模糊層次分析法所得結(jié)果比較吻合。

4　結(jié)語

1)本文借鑒以往經(jīng)驗(yàn)，針對性地建立了雪山梁隧道地下水環(huán)境影響評價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊層次分析法，對雪山梁隧道修建負(fù)效應(yīng)進(jìn)行了評價(jià)，得出雪山梁隧道的地下水影響等級為中等評價(jià)等級。

2)本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)研，從地表、水源流量、隧道洞內(nèi)情況等5個(gè)方面驗(yàn)證分析，得到評價(jià)結(jié)果與實(shí)際相符合，這說明構(gòu)建的評價(jià)體系具有一定的合理性。

目前隧道的修建環(huán)境越來越復(fù)雜，對環(huán)境的影響評估必不可少，本次研究對于今后相關(guān)隧道工程地下水環(huán)境影響評價(jià)及研究具有參考價(jià)值，在隧道修建選址時(shí)可作為一定的考量指標(biāo)。

［1］劉翠容．隧道工程地下水處理與生態(tài)環(huán)境保護(hù)［J］．鐵道建筑，2005(3):24-27．

［2］王夢?。袊F路、隧道與地下空間發(fā)展概況［J］．隧道建設(shè)，2010，30(4):351-364．

［3］李顯偉．深長隧道涌水量預(yù)測影響因素評價(jià)分析［J］．鐵道建筑，2014(2):70－73．

［4］劉向遠(yuǎn)．巖溶隧道施工中地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2004．

［5］常艷梅，陳義華．基于指數(shù)標(biāo)度的G1法及其應(yīng)用［J］．重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，27(8):131-134．

［6］王學(xué)軍，郭亞軍．基于G1法的判斷矩陣的一致性分析［J］．中國管理科學(xué)，2006(6):65-70．

［7］中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部．DZ 0225—2004建設(shè)項(xiàng)目地下水環(huán)境影響評價(jià)規(guī)范［S］．北京:標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004．

［8］史景革，史彥民．隧道施工對周圍水環(huán)境影響研究［J］．鐵道建筑，2013(5):62-64．

(責(zé)任審編 趙其文)

Study on Influence of Tunnel Construction on Groundwater Environment Using Fuzzy Analytic Hierarchy Process

WANG Zhijie1，2，WANG Ning1，2，LI Zhao1，2，LIANG Honghao1，2，HE Minglei1，2
(1．School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;2．Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

The construction of tunnel will affect the groundwater environment．Taking the Chuanzhusi－Huanglong highway Xueshanliang tunnel as the research object，the degree of influence of tunnel construction on groundw ater environment was studied in this paper．The evaluation index system of the influence of groundw ater environment was set up，and the weights of each index were determ ined．The influence grade was determined by using the fuzzy analytic hierarchy process(FAHP)．The evaluation results were of medium influence grade and were consistent with the actual situation．

Groundwater environment;Fuzzy analytic hierarchy process;Index system;Xueshan liang tunnel

U455;TV213．9

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．21

1003-1995(2016)11-0080-04

2016-06-08;

2016-08-29

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專題項(xiàng)目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964—)，男，教授，碩士。