基于層次分析法的某巖溶引水隧洞地質(zhì)選線研究

摘 要：【目的】某引水隧洞需穿越巖溶發(fā)育地段，因此有必要評(píng)估隧洞在穿越巖溶段時(shí)可能遇到的主要地質(zhì)挑戰(zhàn)，研究巖溶引水隧洞的地質(zhì)選線問(wèn)題?！痉椒ā繉?duì)某電站引水隧洞穿越巖溶段的地形地貌、地層巖性、水文地質(zhì)條件及巖溶等方面進(jìn)行研究，分析隧洞工程中可能遇到的主要地質(zhì)問(wèn)題，包括圍巖塌方、涌突水與突泥及次生環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題等，并采用層次分析法進(jìn)行優(yōu)劣對(duì)比，將定性的地質(zhì)分析轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)學(xué)計(jì)算，為線路方案的比選提供準(zhǔn)確依據(jù)?！窘Y(jié)果】從各因子的權(quán)重來(lái)看，隧洞開挖引發(fā)的次生環(huán)境問(wèn)題、硐室圍巖條件、涌突水和突泥及巖溶發(fā)育程度是比選的主要因素?！窘Y(jié)論】本研究實(shí)現(xiàn)了巖溶區(qū)引水隧洞工程的定性和定量地質(zhì)分析，提出了優(yōu)選線路方案，可為今后類似工程的地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：引水隧洞；巖溶；地質(zhì)選線；層次分析法

中圖分類號(hào)：TV743" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2025）01-0056-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.010

Study on Geological Route Selection of a Karst Water Diversion Tunnel by AHP

SUN Yibo1 LI Chengzhong1 JIANG Lei2 WANG Gang2

（1.China Water Resources Beifang Investigation， Design and Research Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China;

2.China Gezhouba Group Three Gorges Construction Engineering Co.， Ltd.， Yichang 443000， China）

Abstract： [Purposes] The water diversion tunnel must pass through a karst developed area， so it is important to assess the main geological challenges that may arise during this passage and study on geological route selection of karst diversion tunnel. [Methods] The study on the topography and geomorphology， stratigraphic lithology， hydrogeological conditions and karst of a power station diversion tunnel passing through the karst section analyzed the main geological problems that may be encountered in the tunnel project， including surrounding rock collapse， water gusher and mud outburst and secondary environmental geological problems， and compared the advantages and disadvantages with analytic hierarchy process. The qualitative geological analysis is transformed into quantitative mathematical calculation， which provides an accurate basis for the comparison and selection of route schemes. [Findings] From the weight of each factor， the secondary environmental problems caused by tunnel excavation， surrounding rock conditions， water gushing and mud outburst and karst development degree are the main factors.[Conclusions] This study realizes the qualitative and quantitative geological analysis of the diversion tunnel project in karst area， and puts forward the optimal route scheme， which has an important reference for the geological investigation and design of similar projects in the future.

Keywords： diversion tunnel; karst; geological route selection; AHP

收稿日期：2024-08-12

基金項(xiàng)目：水利部重大科技項(xiàng)目（SKS-2022147）。

作者簡(jiǎn)介：孫翊博（1992—），男，碩士，工程師，研究方向：工程地質(zhì)與水文地質(zhì)；李承中（1982—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：工程地質(zhì)與水文地質(zhì)。

0 引言

廣西桂林市某電站引水線路需穿越巖溶地段，且與該巖溶區(qū)呈大角度相交，在平面區(qū)域內(nèi)難以避讓。巖溶段引水隧洞工程地質(zhì)和巖溶地質(zhì)特性復(fù)雜，溶洞和地下水系統(tǒng)發(fā)育，對(duì)隧洞工程選線和施工帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)［1］。為確保工程安全，在對(duì)研究區(qū)開展鉆探、物探、遙感、水文地質(zhì)調(diào)查等工作的基礎(chǔ)上［2］，通過(guò)對(duì)北線、中線2條比選線路的地質(zhì)條件進(jìn)行系統(tǒng)分析［3］，并應(yīng)用層次分析法［4］，確定最優(yōu)的引水隧洞線路方案。

1 巖溶地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

工程區(qū)總體位于山前坡積、洪沖積形成的平緩地帶，地形特點(diǎn)是西高東低，北高南低。在南北方向上中線附近地勢(shì)較高，為局部分水嶺。某隧洞巖溶段沿線地面高程為160～220 m，隧洞沿線地形相對(duì)較完整，發(fā)育有較大沖溝，溝內(nèi)有季節(jié)性流水。

1.2 地層巖性

工程區(qū)范圍出露地層主要為泥盆系（D）、白堊系（K）及第四系（Q）。由老至新分述如下：泥盆系上統(tǒng)桂林組（D3g）和融縣組（D3r）主要由石灰?guī)r、白云巖組成，呈淺灰色、灰白色，中厚層～厚層狀，厚度為160～220 m；白堊系下統(tǒng)永福組（K1y）主要由砂巖組成，以紫紅色為主，偶見灰白色，多為厚層狀，層底可見底礫巖；全新統(tǒng)沖洪積層（Q4alp），以含礫粉質(zhì)黏土和卵石混合土為主，主要分布在河床、河岸緩坡。

1.3 水文地質(zhì)條件

1.3.1 地表水系。工程區(qū)地表水系發(fā)育，均來(lái)源于西部山區(qū)大氣降水，總體徑流方向自西向東，多以溪河的形態(tài)呈樹枝狀分布。局部有地下水以泉、浸水田的形式出露地表，最終排入洛清江流域。工程區(qū)地表水系細(xì)分為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的次級(jí)單元，其中北線及中線方案均位于隧洞沿線～洛清江單元（Ⅱ單元）范圍之內(nèi)。

1.3.2 地下水系。工程區(qū)地下水系與地表水系聯(lián)系緊密，地下水分區(qū)基本與地表水一致。北線及中線方案均位于分水嶺單元（Ⅱ單元）范圍之內(nèi)，具體如圖1所示。分水嶺單元地貌上為東西向狹長(zhǎng)的沖積谷地，寬度為1.0～1.5 km，為古寧河到洛清江兩江之間的相對(duì)高地，并發(fā)育兩條東西向的季節(jié)性溪河。該地下水單元為工程區(qū)高位地下水的定水頭補(bǔ)給邊界，地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為西部山區(qū)地下水側(cè)向補(bǔ)給，其次為大氣降水，地面溪河在有水季節(jié)補(bǔ)給分水嶺地段的地下水位置。該單元內(nèi)地下水分別向南、北、東等3個(gè)方向徑流，其地下水徑流及排泄如下：①分水嶺地段南側(cè)高位地下水向南、側(cè)向補(bǔ)給盤洞-青龍口單元（Ⅲ單元）地下水系統(tǒng)。淺層地下水或松散層地下水主要是順地勢(shì)向東部洛清江（大溪河）方向流動(dòng)，向深部巖溶地下水補(bǔ)給，部分排泄至大溪河附近松散含水層中；單元內(nèi)巖溶地下水主要補(bǔ)給工程區(qū)內(nèi)更大的、水動(dòng)力條件更好的地下水強(qiáng)徑流帶。②分水嶺地段北側(cè)高位地下水向北補(bǔ)給北線-古寧河單元（Ⅰ單元）地下水系統(tǒng)；分水嶺地段下游巖溶地下水主要進(jìn)入南北向地下水強(qiáng)徑流帶一起向洛清江方向排泄。③該單元在豐水季節(jié)和枯水季節(jié)地下水位的變化，以及補(bǔ)給來(lái)源的劇烈變化導(dǎo)致地下水的徑流及排泄特征有一定的變化（季節(jié)變動(dòng)帶）。

1.3.3 地下水類型。工程區(qū)地下水類型主要分為泥盆系碳酸鹽巖溶水、白堊系碎屑巖裂隙水及第四系松散巖類孔隙水。根據(jù)區(qū)域水文埋藏條件劃分，工程區(qū)主要為半覆蓋型、覆蓋型巖溶水，且含水巖組主要是泥盆系石灰?guī)r。

1.4 巖溶

1.4.1 巖溶發(fā)育類型。根據(jù)區(qū)域巖溶發(fā)育類型劃分，工程區(qū)北線及中線方案均為覆蓋型巖溶。地表為第四系松散堆積物，下部為泥盆系碳酸鹽巖。碳酸鹽巖發(fā)育溶洞（隙）、溶溝、溶槽、溶蝕裂隙等。

1.4.2 巖溶發(fā)育特征。某隧洞巖溶段溶洞根據(jù)埋藏條件分為地表型和地下型。其中地表型溶洞主要出露于地下河出口和巖溶泉出口處，溶洞高0.2～1.0 m，寬0.4～2.0 m，為半圓形或不規(guī)則形；地下埋藏型巖溶形態(tài)包括溶隙、溶孔、溶洞等，埋藏型溶洞多為沿層面裂隙或豎向裂隙發(fā)育的巖溶通道，后全充填、半充填黏性土、碎石或?yàn)榭涨?，以中小型為主，零散分布?/p>

1.4.3 巖溶發(fā)育分段。隧洞巖溶段沿線巖溶發(fā)育特征與地表及地下沿線水文地質(zhì)條件分段聯(lián)系緊密。根據(jù)鉆探及物探資料，巖溶發(fā)育長(zhǎng)度分別為：北線巖溶強(qiáng)發(fā)育約61.4%、中等發(fā)育約4.8%、弱發(fā)育約29.0%、不發(fā)育約4.8%；中線巖溶強(qiáng)發(fā)育約73.0%、弱發(fā)育約27.0%。①中線方案鉆孔揭露沿線共計(jì)60個(gè)溶洞，其中揭露10 m以上溶洞1個(gè)，占總揭露溶洞個(gè)數(shù)的1.7%；3～10 m溶洞15個(gè)，占25%；3 m以下溶洞共計(jì)44個(gè)，占73.3%個(gè)。鉆孔遇洞率為73.33%，沿線平均巖溶發(fā)育率為21.01%。②北線方案鉆孔揭露沿線共計(jì)38個(gè)溶洞，其中揭露10 m以上溶洞2個(gè)，占總揭露溶洞個(gè)數(shù)的5.3%；3～10 m溶洞14個(gè)，占36.8%；3 m以下溶洞22個(gè)，占57.9%。鉆孔遇洞率為60.87%，沿線平均巖溶發(fā)育率為20.29%。③北線及中線方案均位于同一地表水系及地下水系單元內(nèi)，總體巖溶發(fā)育程度及巖溶分布特征相差不大，但中線巖溶發(fā)育程度略高于北線。

2 隧洞主要工程地質(zhì)問(wèn)題

2.1 圍巖穩(wěn)定性

工程區(qū)位于巖溶洼地，隧洞巖體以碳酸鹽巖為主，地下水水位較高。巖石層面裂隙和構(gòu)造裂隙受地下水溶蝕，裂隙面起伏、張開，易形成巖溶通道，小型巖溶通道多為飽水狀態(tài)，較大規(guī)模的巖溶通道后期多被黏性土和碎石充填。圍巖穩(wěn)定性受地下水、巖溶、充填物影響較大，在硐室開挖過(guò)程中易造成失穩(wěn)或局部塌方。

中線方案Ⅲ類圍巖約占54%，Ⅳ類圍巖約占27%，Ⅴ圍巖類約占19%，硐室穩(wěn)定性相對(duì)較高。北線方案以Ⅴ類圍巖為主，約占85%，Ⅳ類圍巖約占5%，Ⅲ類圍巖約占10%，硐室穩(wěn)定性相對(duì)較低。

2.2 涌突水與突泥

在工程區(qū)地下水位較淺，隧洞開挖過(guò)程中易發(fā)生涌突水。隧洞上覆巖體巖溶發(fā)育，尤其是沿豎向裂隙發(fā)育的巖溶通道，在開挖過(guò)程中局部易與硐室連通，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的涌突水與突泥。

2.3 次生環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題

在施工開挖過(guò)程中，隧洞洞身成為區(qū)域集水廊道，地下水位突然或快速下降，地下水流速突然增大，加大了地下水對(duì)泥、沙的搬運(yùn)能力，原充填、半充填巖溶裂隙管道得到疏通，造成巖溶空腔內(nèi)水壓力降低，甚至產(chǎn)生負(fù)壓，伴隨著空腔開口附近土體所受壓力增大，促進(jìn)土體中滲透壓力的增加從而使土體迅速發(fā)生滲透變形破壞，使得與巖溶管道連通的覆蓋層穩(wěn)定性受到破壞，當(dāng)塌陷力超過(guò)極限抗塌力時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生塌陷。中線方案緊鄰盤洞村，最近距離為100 m，在隧洞開挖過(guò)程中一旦引發(fā)巖溶塌陷，危害性大、危險(xiǎn)性高。北線方案距離盤洞村0.8～1.0 km，村落對(duì)線路的影響相對(duì)要小，在村落附近發(fā)生塌陷的可能性相對(duì)較小，危害性和危險(xiǎn)性相對(duì)較低。

3 層次分析法線路比選

層次分析法是一種運(yùn)籌學(xué)方法，通過(guò)將復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行分解，并通過(guò)定量和定性方法對(duì)各層次因素進(jìn)行比較，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)選［5］。本研究通過(guò)層次分析法將巖溶線路比選問(wèn)題進(jìn)行分解。

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

通過(guò)對(duì)巖溶地質(zhì)概況和隧洞主要工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行描述，得出影響巖溶隧洞穩(wěn)定性和安全的因素主要有隧洞區(qū)地形條件、水文地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育特征，引發(fā)的主要工程問(wèn)題主要為次生環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題、圍巖穩(wěn)定性、隧洞突水與突泥。因此，巖溶隧洞比選的評(píng)價(jià)因子包括地形條件、水文地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育特征、次生環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題、硐室圍巖條件、突水與突泥。根據(jù)評(píng)價(jià)因子建立的某巖溶引水隧洞地質(zhì)選線層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

3.2" 構(gòu)建判斷矩陣

采用層次分析法的九標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣，對(duì)準(zhǔn)則層的各元素相對(duì)目標(biāo)層的重要程度進(jìn)行對(duì)比打分，形成比較矩陣。比較矩陣中aij代表i相對(duì)j的重要程度，判斷矩陣的標(biāo)度1代表兩個(gè)元素同樣重要，9代表一個(gè)元素比另一個(gè)重要得多，2～8為中間值。B1～B6比較矩陣見式（1）。

[X=11/31/31/71/51/5311/51/51/31/73511/511/37551335311/3125731/31/21]" " "（1）

3.3 一致性檢驗(yàn)

經(jīng)計(jì)算，矩陣最大特征值λmax = 6.605 9，對(duì)應(yīng)特征向量W=（0.068，0.105，0.245，0.800，0.351，0.402）T。

為避免其他因素的干擾，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性檢驗(yàn)見式（2）。

[CR=CIRI] （2）

式中 ： CR為一致性比率；RI為均隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)CR＜0.1時(shí)，則認(rèn)為判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)。RI其值的大小與矩陣的階數(shù)有關(guān)。矩陣的階數(shù)為6時(shí)，RI的取值為1.24，具體計(jì)算過(guò)程如下：[CI=λmax?nn?1=6.605 9?66?1=0.121 2]，[CR=CIRI=0.121 21.24=0.097 7＜0.10]。因此，矩陣通過(guò)了一致性檢驗(yàn)。將向量標(biāo)準(zhǔn)化后得到權(quán)重向量（0.034，0.053，0.124，0.406，0.178，0.204）。

3.4 綜合評(píng)價(jià)

同理，對(duì)中線和北線兩個(gè)方案進(jìn)行B1～B6準(zhǔn)則的優(yōu)劣對(duì)比［6］，中線和北線的權(quán)重向量分別為（0.5，0.5）、（0.5，0.5）、（0.333 3，0.666 7） 、（0.199 8，0.800 2） 、（0.750 0，0.249 9）、（0.5，0.5）。綜合評(píng)分，中線得分為0.402，北線得分為0.598，因此選擇北線方案為推薦方案。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某電站引水隧洞穿越巖溶段的地形地貌、地層巖性、水文地質(zhì)條件及巖溶等方面進(jìn)行研究，分析了隧洞工程中可能遇到的主要地質(zhì)問(wèn)題，包括圍巖塌方、涌突水與突泥及次生環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題等。采用層次分析法將隧洞的巖溶地質(zhì)條件和主要工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)劣對(duì)比，并進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)計(jì)算。從各因子的權(quán)重來(lái)看，隧洞開挖引發(fā)的次生環(huán)境問(wèn)題、硐室圍巖條件、涌突水和突泥、巖溶發(fā)育程度是進(jìn)行比選的主要因素。本研究為巖溶區(qū)引水隧洞工程的地質(zhì)分析提供了參考，對(duì)今后類似工程的地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)具有重要意義。

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