巖溶隧洞突涌水災害風險評價研究

江新 陳婧 趙力 張騰飛 邱國坤 李駿驍

摘要：受復雜地質條件的影響，巖溶隧洞在施工過程中極易發(fā)生突涌水災害。為準確評估巖溶隧洞突涌水風險等級，將結構方程模型（SEM）與改進的模糊綜合評價法（FCEM）相結合，構建巖溶隧洞突涌水風險評價模型。從地形地貌、氣象水文、地層因素、地質構造、巖溶水文地質、施工因素6個方面深入研究；利用SEM確定各指標標準化路徑系數(shù)并求得其權重，運用改進FCEM法對巖溶隧洞突涌水風險等級進行評價；以滇中引水工程昆呈隧洞為應用實例，利用Crystal Ball軟件驗證模型的有效性。結果表明：昆呈隧洞有90%的幾率處于52～73分值區(qū)間范圍內(nèi)（Ⅲ級風險），與現(xiàn)場實際情況一致，表明基于SEM-改進FCEM法構建的巖溶隧洞突涌水風險評價模型具有一定的適用性；其中巖溶水文地質、地質構造、氣象水文是該隧洞的主要影響因素，施工中應加強對這幾方面的監(jiān)控和量測，避免發(fā)生突涌水災害。研究成果可為類似巖溶隧洞工程提供參考。

關鍵詞：巖溶隧洞； 突涌水； 結構方程模型（SEM）； 改進模糊綜合評價法（FCEM）； 蒙特卡洛模擬； 昆呈隧洞； 滇中引水工程

中圖法分類號： TV512

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.022

0引 言

近二十多年來，中國西南地區(qū)流域梯級水電的開發(fā)不但有利于充分發(fā)揮雅礱江、瀾滄江等水力資源的規(guī)模效益，還能推動“西電東送”的進一步發(fā)展。然而，該地區(qū)巖溶分布廣泛，水文地質條件極為復雜，也為水電開發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)。其中，巖溶地區(qū)的隧洞施工極易引發(fā)涌水、突泥等事故，輕則延誤工期，重則造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失［1］。

巖溶隧洞突涌水風險問題已成為國內(nèi)外學者研究的熱點之一。黃小通等［2］利用改進理想點法，預測楊林隧道4個突水區(qū)域的風險等級；李錄等［3］以宜萬鐵路野三關隧道工程為背景，利用模糊綜合評價法實現(xiàn)對該隧道的風險等級分級；劉敦文［4］、Lin［5］等為準確評價巖溶隧道突水的危險程度，提出基于云模型的綜合評價方法并應用于具體工程案例；Zhu等［6］通過對影響巖溶隧道突水突泥概率的因素進行分析，運用突變理論確定巖溶隧道突水突泥地質災害的危險性；周宗青等［7-8］選取7個致災因素構建風險評價體系，建立巖溶隧道突涌水危險性評價的屬性識別模型；李新平等［9］建立以地層巖性、地形地貌、地下水位、不良地質構造、氣候降水等影響因素為主的指標評價體系，結合組合賦權法-TOPSIS法構建一種新的隧道突水風險評價系統(tǒng)。上述研究將層次分析法、模糊綜合評價法、理想點法、屬性區(qū)間識別法和突變理論應用到巖溶隧道突涌水實際工程案例的風險評價和預測中，均取得了一定的成果。但上述方法未考慮各指標間復雜的相互關系，且權重計算方法多以主觀賦值法或客觀賦值法為主，存在對原始數(shù)據(jù)處理的局限性或主觀干擾問題，未從整體系統(tǒng)上考慮指標的權重。

巖溶隧洞突涌水的風險影響因素眾多，且因素間相互作用導致其本身具有較強的不確定性和模糊性，部分因素甚至無法直接觀測。結構方程模型（structural equation model，SEM）可以同時處理包括無法直接觀測的潛變量在內(nèi)的多個變量關系，克服了上述方法確定權重的不足。模糊綜合評價法（fuzzy comprehensive evaluation method，F(xiàn)CEM）以模糊數(shù)學為基礎，能對評價問題中的模糊性特征進行很好地描述。巖溶隧道突涌水風險指標中既有定量指標又有定性指標，F(xiàn)CEM法可將定性評價轉為定量評價，但傳統(tǒng)FCEM法采取的最大隸屬度原則忽略了隸屬度之間相差較小的問題，易導致評價結果不能真實反映實際工程風險程度。鑒于此，本研究以巖溶隧洞突涌水風險作為研究對象，基于SEM-改進FCEM法構建巖溶隧洞突涌水風險評價模型，對其風險等級進行評價。

1巖溶隧洞突涌水風險指標分析

1.1構建風險指標體系

巖溶隧洞處于地質構造較為復雜的富水環(huán)境地區(qū)，其突涌水災害是不良地質構造和地下工程活動綜合作用導致的［10］，即突涌水災害的發(fā)生與隧洞施工中特殊地質和施工因素存在復雜的聯(lián)系。綜合考慮巖溶發(fā)育、蓄積地下水系統(tǒng)、地下水入滲和徑流方式、隧道施工等許多因素［11］，通過定量與定性相結合的方法，本文主要從地形地貌、氣象水文、地層因素、地質構造、巖溶水文地質、施工因素6個方面進行研究，構建風險評價指標體系，如圖1所示。

（1） 地形地貌：負地形面積比和地形坡度。負地形面積占比越大，則聚水能力越強，巖溶越發(fā)育；地形坡度影響地表水的下滲流量，地形越陡，地表徑流越快，巖溶越發(fā)育，在周宗青［8］、楊艷娜［12］等研究的基礎上，將負地形面積比和地形坡度劃分為4個等級。

（2） 氣象水文：年均降雨量和地表水系。降雨量的多少影響水入滲條件和水交替運動，是巖溶地區(qū)地下水補給的主要來源，在借鑒劉敦文等［4］研究的基礎上，將年均降雨量劃分為4個等級。地表水系［13］通過下滲或徑流進入地下，形成水流通道，增加隧洞地下水體的聯(lián)系，隧洞排水時，水體流失嚴重，會增加突涌水的可能性。

（3） 地層因素：地層巖性和巖層傾角。地層巖性是巖溶發(fā)育的基礎，決定巖溶的可溶性，隧洞在可溶巖層發(fā)生突涌水情況的比重達到99%［14］。根據(jù)巖石的可溶性，可分為非可溶巖、弱可溶巖、中等可溶巖和強可溶巖4級［15］。巖層傾角不僅影響巖溶發(fā)育，對地下水的流動性也有重要影響，當巖層傾角為25°～65°時最利于巖溶發(fā)育，發(fā)生突涌水的概率極高，借鑒周宗青等［8］的研究，將修正后的巖層傾角作為評價指標。

（4） 地質構造：斷層構造、褶皺構造、節(jié)理裂隙。斷層是地下水集中滲入和循環(huán)地帶，張性斷層比壓性斷層的巖溶更為發(fā)育，因此張性斷層發(fā)生突涌水的概率較高，根據(jù)斷層性質分為壓性、扭性、張扭性、張性4個等級［16］。褶皺構造影響巖溶發(fā)育的方向和部位，根據(jù)巖溶發(fā)育狀況將褶皺構造分為緩傾褶皺翼部、緩傾褶皺核部、陡傾褶皺翼部、陡傾褶皺核部4級［12］。節(jié)理裂隙是地下水入滲的基本結構面，傾角越陡溶蝕越強烈。

（5） 巖溶水文地質：地下水位與隧洞底板高程差、巖溶水動力分帶、巖溶水補徑排條件、巖溶含水巖組富水性。地下水是影響巖溶隧洞發(fā)生突水災害的根本原因，地下水的水位、隧洞與巖溶水動力分帶的位置關系都會導致隧洞施工中所遭遇突水風險等級的差異。巖溶水的補徑排條件以及含水巖組富水性與地形地貌、地質構造、巖溶發(fā)育、大氣降雨的補給等條件有密切聯(lián)系。

（6） 施工因素：超前地質預報、監(jiān)控量測、開挖擾動與支護強度。施工因素是導致突涌水災害發(fā)生的直接因素，主要包括超前地質預報、監(jiān)控量測、開挖擾動與支護強度3個方面。對預報和量測的數(shù)據(jù)解譯不合理、設備陳舊、施工人員支護不及時等問題，均是導致突涌水災害發(fā)生的風險因素。

1.2風險分級

本文共選取16個二級指標，其中定量指標5個，定性指標11個，參考GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規(guī)范》［17］及相關文獻［4，8，12，15，18］，將突涌水等級劃分為4個風險等級（Ⅰ～Ⅳ），其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別表示無風險或微風險、低風險、中等風險、高風險。Ⅰ級風險表示隧洞施工中突涌水的概率很低，可以不采取任何措施；Ⅱ級風險表示突涌水的概率較低，但需要采取相應的防治措施；Ⅲ級風險表示突涌水的概率較高，必須采取有效的防治措施；Ⅳ級風險表示突涌水的概率非常高，必須采取最為有效的防控措施，否則可能造成嚴重的災害后果。定量指標為各變量測度，定性指標確定分數(shù)依次為0～25分、25～50分、50～75分、75～100分評價標準量化值區(qū)間，巖溶隧洞突涌水風險指標評價分級標準如表1所列。

2巖溶隧洞突涌水風險評價模型建立

2.1SEM-改進FCEM法

在巖溶隧洞突涌水風險評價中，綜合考慮了地形地貌、氣象水文、地層因素、地質構造、巖溶水文地質、施工因素等多個因素，有些因素難以量化，往往需要用定性描述的方式來進行評價?？紤]到FCEM法可將定性評價轉為定量評價，對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價，因此，采用FCEM法對風險等級進行綜合評價。

但傳統(tǒng)的權重計算方法和FCEM法存在以下局限性：

（1） 權重的確定方法一般分為兩類。一類是主觀賦值法，常見的有專家評判法和層次分析法等；第二類是客觀賦值法，常見的有變異系數(shù)法和熵值法等。但不論是主觀賦值法還是客觀賦值法，都存在著信息的缺失，缺少從整體層面考慮指標的權重，無法確定因素之間的關系。

（2） 傳統(tǒng)FCEM法根據(jù)最大隸屬度原則，對評價結果進行判定，但最大隸屬度原則適用于指標間隸屬度相差較大時的情況。而在實際工程評價中，會出現(xiàn)各指標隸屬度相差較小的情況，最大隸屬度原則會因舍棄其他隸屬度的客觀存在而失效或低效，可能得到不合理的評價結果［19］。

由于巖溶隧洞突涌水風險因素眾多，且多風險因素間相互影響，而SEM可以很好地處理多個風險因素間的相互影響關系，克服了主觀賦值法過分依賴專家的意見和客觀賦值法過分依賴統(tǒng)計或數(shù)學的定量方法而忽視了評價指標的主觀定性分析的不足。因此，為實現(xiàn)對巖溶隧洞突涌水風險的科學評價，本文在已有研究基礎之上，參考文獻［20］，綜合運用SEM與改進FCEM法，構建了巖溶隧洞突涌水風險評價模型，具體評價流程如圖2所示。

2.2確定因素集和評語集

根據(jù)建立的巖溶隧洞突涌水風險評價指標體系，建立因素集如下：U=U1，U2，U3，U4，U5，U6。其中U1～U6代表各一級指標。因一級指標的每個指標又包含若干個二級指標，故以Ui=Ui1，…，Uim表示指標體系第i層第j個指標，且j=1，2，…，m。評語集用V來表示：V=V1，V2，V3，V4，V1～V4分別表示無風險或微風險、低風險、中等風險、高風險。

2.3確定權重集

SEM是由測量模型和結構模型組成的，測量模型主要反映潛變量和觀測變量之間的關系，結構模型主要反映潛變量之間的關系，文中潛變量為地形地貌、氣象水文和地質構造等一級指標，觀測變量為負地形面積比、地形坡度等二級指標。公式如下：

通過問卷調(diào)查的形式，利用SPSS和AMOS對構建的模型進行檢驗、擬合，確定各評價指標間的標準化路徑系數(shù)，并對標準化路徑系數(shù)進行歸一化處理，進而確定各個指標的權重。

利用AMOS軟件對模型進行擬合計算，得到各風險指標間的路徑系數(shù)，根據(jù)公式（4）對其進行歸一化處理，進而得到各指標的權重。

2.4確定隸屬度函數(shù)

最常見的隸屬函數(shù)有矩形、三角形、梯形、菱形等，雖然各個隸屬函數(shù)的形式有所不同，但是最終的分析結果一致，因此所選擇的隸屬函數(shù)種類不會影響研究結論［2］。在巖溶隧洞突涌水風險評價中，采用梯形和三角形隸屬函數(shù)構造各個指標的隸屬度。

對于定量指標（例如負地形面積比、地形坡度等因素），隸屬度函數(shù)公式如下：

2.5確定風險評價結果

將突涌水風險指標的權重集W與各個風險指標的模糊判斷矩陣R進行乘積，進而構建各風險指標的評判結果向量B，即

式中：E為指標模糊綜合評價結果；bm為第m等級的隸屬度；em為不同等級的具體分值，4個等級從低到高分別取風險區(qū)間邊界值0，25，50，75；k′為待定系數(shù)，本文取k′=1。

3巖溶隧洞突涌水災害風險評價

3.1工程概況

昆呈隧洞全長56.584 km，為滇中引水工程第2長隧洞，位于云南省昆明市，該區(qū)域內(nèi)降雨量主要集中于6～10月，約占全年降雨量的80%，地表水系屬于金沙江水系，與地下水的補給徑流量密切相關。該隧洞巖溶形態(tài)較為發(fā)育，洼地、巖溶漏斗、溶洞分布廣泛，其中洼地分布最為廣泛，總面積達0.354 km2，溶蝕多集中于1 870～1 930 m高程范圍內(nèi)。該隧洞沿線穿越多個巖溶水系統(tǒng)，其中富水性最好的巖層為二疊系棲霞茅口組（Pq+m1）。該隧洞不良地質復雜，巖溶分布廣泛，極易發(fā)生突涌水。2020年3月1日施工到11號支洞時，受到雨季持續(xù)降水影響，巖溶系中的水量增大，地表匯水面積增大，導致水壓力增強，嚴重影響圍巖穩(wěn)定性，圍巖較差位置出現(xiàn)的裂痕水水量突增，小溶洞突涌水現(xiàn)象嚴重，由于施工單位及時啟動應急預案，迅速處置，因此并未出現(xiàn)人員傷亡事故。

通過查閱昆呈隧洞水文地質、地形地質及相關施工信息，參考文獻［21-22］，結合工程實際情況確定定量指標數(shù)據(jù)，定性指標則邀請15位經(jīng)驗豐富且具有權威性的專家，結合昆呈隧洞實際工程情況打分評定后取得加權平均結果，具體參數(shù)取值見表2。

3.2確定權重集

（1） 問卷調(diào)查。

邀請從事施工和管理的工作人員從知識和經(jīng)驗上衡量各因素對發(fā)生突涌水事故的影響程度，填寫調(diào)查問卷。問卷采用Likert五級量表，將影響因素的重要等級分為5級。調(diào)查過程中共發(fā)放問卷320份，回收有效問卷290份，問卷有效率為90.6%。根據(jù)所得數(shù)據(jù)進行分析，受問卷調(diào)查人員的性別、年齡、受教育程度和工作年限等信息符合這一行業(yè)群體特征。

（2） 信效度分析。

為反映問卷的可靠性和設計的有效性，運用SPSS 25.0對問卷數(shù)據(jù)進行分析。結果顯示，問卷總體的Cronbach′α系數(shù)為0.922，各一級指標的Cronbach′α系數(shù)也均大于0.8，表明問卷信度較好，可靠性較高；問卷整體的KOM值為0.856且Bartlett球形度檢驗的顯著性值為0.000，適合做因子分析。

（3） 模型擬合和修正。

將問卷數(shù)據(jù)導入 AMOS 24.0軟件中，對一階SEM進行擬合，如圖3所示。為檢驗模型擬合的優(yōu)良程度，SEM引入適配度進行評價，適配度類型包括絕對適配度、增值適配度和精簡適配度。絕對適配度指標常用CMIM/DF、GFI、AGFI等指標進行衡量；增值適配度指標常用NFI、TLI、CFI等指標進行衡量；精簡適配度指標常用PGFI、PNFI、PCFI等指標進行衡量。表3結果顯示一階SEM整體擬合度較好，雖然增值適配度指標中的AGFI系數(shù)小于0.9，但大于0.85，在可接受范圍內(nèi)。

（4） 確定指標權重。

3.3建立評價矩陣

根據(jù)表2所得昆呈隧洞突涌水風險指標參數(shù)取值，結合表1給出的風險因素參數(shù)取值范圍和對應的等級，通過公式（5）～（13）計算得出各個因素指標的隸屬度，從而得出評價矩陣R1～R6：

3.4評價結果與分析

根據(jù)公式（14）～（16）計算昆呈隧洞突涌水風險等級，結果見表5。

由圖3可知，潛變量之間相關系數(shù)均位于0～0.95之間，說明潛變量之間有較強的共線性，即地形地貌、氣象水文、地層因素、地質構造、巖溶水文地質以及施工因素間有較強的相關性。由圖4可得，巖溶水文地質、地質構造、氣象水文、地層因素是影響昆呈隧洞突涌水風險的主要因素，其次是施工技術和地形地貌。結合實際工程情況來看，該研究區(qū)域地質結構復雜，巖溶形態(tài)發(fā)育，地下水壓力高，隧洞在施工過程中，尤其是雨季施工，如果遇到容腔體系中包含巖溶地質構造，在高水壓的作用下，極易發(fā)生突涌水災害。即一個因素的變動，會導致其他因素產(chǎn)生連鎖反應，最終引發(fā)突涌水災害，因此在施工過程中應重視并采取有效的防控措施。

由表5可知，昆呈隧洞發(fā)生突涌水風險等級為Ⅲ級（即中等風險），具體來看，巖溶水文地質的風險等級最高，為Ⅳ級，其次是氣象水文、地質構造、地層因素和施工因素。其中，地形地貌、巖溶水文地質和地質構造的有效度均大于0.5，說明采用最大隸屬度原則判別其風險等級是可靠的；氣象水文、地層因素和施工因素的第一大隸屬度值和第二大隸屬度值相差較小，此時采用最大隸屬度原則進行判別風險等級可能會得到不合理的判別結果，通過計算兩者的有效度，得到α＜0.5，改用加權平均原則進行計算，氣象水文、地層因素、地質構造的風險值均位于Ⅲ級風險區(qū)間范圍內(nèi)。

3.5模擬驗證與防控措施

3.5.1模擬驗證

為驗證構建的巖溶隧洞突涌水風險評價模型是否具有可行性，本文利用蒙特卡洛模擬的思想，運用Crystal Ball 11.1對該模型進行模擬驗證。將表2和表4中的數(shù)據(jù)設置為模擬數(shù)據(jù)，設置模擬次數(shù)為5 000次，以置信度5%劃分區(qū)間，運行后可得昆呈隧洞突涌水各風險指標敏感度圖及風險分布趨勢圖，如圖5～6所示。

由圖5可知，各風險指標敏感性排序為巖溶水文地質＞地質構造＞氣象水文＞地層因素＞施工因素＞地形地貌，巖溶水文地質的敏感度最高，為 24.60%，地形地貌敏感度最低，為10.60%，即巖溶水文地質、地質構造、氣象水文、地層因素是影響昆呈隧洞突涌水風險的主要因素，其次是施工技術和地形地貌。在風險分布趨勢圖中，藍色代表90%確定性范圍的帶區(qū)，表示預測有90%的幾率處于該值范圍。由圖6可得，除巖溶水文地質有90%的幾率處于72～85分值區(qū)間范圍內(nèi)（Ⅳ級風險），地形地貌有90%的幾率處于30～52分值區(qū)間范圍內(nèi)（Ⅱ級風險），其余各一級風險指標均有90%的幾率處于52～74分值區(qū)間范圍內(nèi)（Ⅲ級風險），昆呈隧洞有90%的幾率處于52～73分值區(qū)間范圍內(nèi)（Ⅲ級風險），表明該隧洞發(fā)生突涌水災害的風險概率較高，但若及時采取防控措施，可避免發(fā)生重大事故。

實際情況中該隧洞強巖溶地層分布廣泛，水環(huán)境交互影響深遠，在雨量充沛的季節(jié)，地表水量大幅增加，地表水通過巖體滲入到地下，增加了蓄水系統(tǒng)中的含水量，水壓升高，極易發(fā)生突涌水災害。因此施工過程中應更為重視巖溶水文地質、地層、地質構造以及氣象水文情況。若施工單位在施工前及時進行超前地質預報，施工過程支護得當，則該洞段突涌水風險在可控范圍內(nèi)，該模擬結果與現(xiàn)場實際情況基本相符。

3.5.2防控措施

昆呈隧洞巖溶地貌分布廣泛，巖溶狀態(tài)較為發(fā)育，為更加準確地掌控水文地質和地質構造的變化規(guī)律和實時情況，在施工前，可運用物探手段對其進行探測分析，查明隧洞軸線巖溶發(fā)育位置、形態(tài)、規(guī)模等地下巖溶系統(tǒng)，同時兼顧查明地質構造和地下水埋深情況，向當?shù)貧庀蟛块T了解歷年的氣象資料，針對性地撰寫施工組織設計，編制雨季施工作業(yè)指導書。在施工過程中，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析，對隧洞不同地段涌水量進行預測，確定合理的開挖順序，降低對周圍水位的影響面積，在開挖過程中，加強支護強度，盡量減小隧洞開挖對環(huán)境的擾動，雨季施工的工程嚴格執(zhí)行施工技術規(guī)范的各項規(guī)定，做好排水、擋水、防水工作。

4結 論

（1） 巖溶隧洞突涌水風險指標間是相互關聯(lián)、相互影響的。利用SEM的原理，確定各指標的權重，同時也能得到指標間的相關性系數(shù)，進而找到指標間的內(nèi)在聯(lián)系，為制定合適的巖溶隧洞突涌水風險緩控措施提供依據(jù)。

（2） 依據(jù)有效度原則和加權平均原則對傳統(tǒng)FCEM法進行改進，避免當隸屬度值相差小時最大隸屬度原則低效或失效的問題，也可避免單一評判原則給巖溶隧洞突涌水風險評價帶來的局限性。

（3） 依托滇中引水工程昆呈隧洞，結合工程實際情況得到的參數(shù)取值，對昆呈隧洞突涌水風險等級進行評價，并利用Crystal Ball 11.1對該模型計算結果進行模擬驗證，結果表明：昆呈隧洞發(fā)生突涌水的風險等級為Ⅲ級，巖溶水文地質、地質構造、氣象水文、地層因素是影響昆呈隧洞突涌水風險的主要因素，即施工過程中可針對這些問題進行重點處理，及時采取防控措施，可避免發(fā)生重大事故。

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（編輯：劉 媛）