岩溶隧洞突涌水灾害风险评价研究

江新 陈婧 赵力 张腾飞 邱国坤 李骏骁

摘要：受复杂地质条件的影响，岩溶隧洞在施工过程中极易发生突涌水灾害。为准确评估岩溶隧洞突涌水风险等级，将结构方程模型（SEM）与改进的模糊综合评价法（FCEM）相结合，构建岩溶隧洞突涌水风险评价模型。从地形地貌、气象水文、地层因素、地质构造、岩溶水文地质、施工因素6个方面深入研究；利用SEM确定各指标标准化路径系数并求得其权重，运用改进FCEM法对岩溶隧洞突涌水风险等级进行评价；以滇中引水工程昆呈隧洞为应用实例，利用Crystal Ball软件验证模型的有效性。结果表明：昆呈隧洞有90%的几率处于52～73分值区间范围内（Ⅲ级风险），与现场实际情况一致，表明基于SEM-改进FCEM法构建的岩溶隧洞突涌水风险评价模型具有一定的适用性；其中岩溶水文地质、地质构造、气象水文是该隧洞的主要影响因素，施工中应加强对这几方面的监控和量测，避免发生突涌水灾害。研究成果可为类似岩溶隧洞工程提供参考。

关键词：岩溶隧洞； 突涌水； 结构方程模型（SEM）； 改进模糊综合评价法（FCEM）； 蒙特卡洛模拟； 昆呈隧洞； 滇中引水工程

中图法分类号： TV512

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.022

0引 言

近二十多年来，中国西南地区流域梯级水电的开发不但有利于充分发挥雅砻江、澜沧江等水力资源的规模效益，还能推动“西电东送”的进一步发展。然而，该地区岩溶分布广泛，水文地质条件极为复杂，也为水电开发带来了巨大挑战。其中，岩溶地区的隧洞施工极易引发涌水、突泥等事故，轻则延误工期，重则造成人员伤亡和重大经济损失［1］。

岩溶隧洞突涌水风险问题已成为国内外学者研究的热点之一。黄小通等［2］利用改进理想点法，预测杨林隧道4个突水区域的风险等级；李录等［3］以宜万铁路野三关隧道工程为背景，利用模糊综合评价法实现对该隧道的风险等级分级；刘敦文［4］、Lin［5］等为准确评价岩溶隧道突水的危险程度，提出基于云模型的综合评价方法并应用于具体工程案例；Zhu等［6］通过对影响岩溶隧道突水突泥概率的因素进行分析，运用突变理论确定岩溶隧道突水突泥地质灾害的危险性；周宗青等［7-8］选取7个致灾因素构建风险评价体系，建立岩溶隧道突涌水危险性评价的属性识别模型；李新平等［9］建立以地层岩性、地形地貌、地下水位、不良地质构造、气候降水等影响因素为主的指标评价体系，结合组合赋权法-TOPSIS法构建一种新的隧道突水风险评价系统。上述研究将层次分析法、模糊综合评价法、理想点法、属性区间识别法和突变理论应用到岩溶隧道突涌水实际工程案例的风险评价和预测中，均取得了一定的成果。但上述方法未考虑各指标间复杂的相互关系，且权重计算方法多以主观赋值法或客观赋值法为主，存在对原始数据处理的局限性或主观干扰问题，未从整体系统上考虑指标的权重。

岩溶隧洞突涌水的风险影响因素众多，且因素间相互作用导致其本身具有较强的不确定性和模糊性，部分因素甚至无法直接观测。结构方程模型（structural equation model，SEM）可以同时处理包括无法直接观测的潜变量在内的多个变量关系，克服了上述方法确定权重的不足。模糊综合评价法（fuzzy comprehensive evaluation method，FCEM）以模糊数学为基础，能对评价问题中的模糊性特征进行很好地描述。岩溶隧道突涌水风险指标中既有定量指标又有定性指标，FCEM法可将定性评价转为定量评价，但传统FCEM法采取的最大隶属度原则忽略了隶属度之间相差较小的问题，易导致评价结果不能真实反映实际工程风险程度。鉴于此，本研究以岩溶隧洞突涌水风险作为研究对象，基于SEM-改进FCEM法构建岩溶隧洞突涌水风险评价模型，对其风险等级进行评价。

1岩溶隧洞突涌水风险指标分析

1.1构建风险指标体系

岩溶隧洞处于地质构造较为复杂的富水环境地区，其突涌水灾害是不良地质构造和地下工程活动综合作用导致的［10］，即突涌水灾害的发生与隧洞施工中特殊地质和施工因素存在复杂的联系。综合考虑岩溶发育、蓄积地下水系统、地下水入渗和径流方式、隧道施工等许多因素［11］，通过定量与定性相结合的方法，本文主要从地形地貌、气象水文、地层因素、地质构造、岩溶水文地质、施工因素6个方面进行研究，构建风险评价指标体系，如图1所示。

（1） 地形地貌：負地形面积比和地形坡度。负地形面积占比越大，则聚水能力越强，岩溶越发育；地形坡度影响地表水的下渗流量，地形越陡，地表径流越快，岩溶越发育，在周宗青［8］、杨艳娜［12］等研究的基础上，将负地形面积比和地形坡度划分为4个等级。

（2） 气象水文：年均降雨量和地表水系。降雨量的多少影响水入渗条件和水交替运动，是岩溶地区地下水补给的主要来源，在借鉴刘敦文等［4］研究的基础上，将年均降雨量划分为4个等级。地表水系［13］通过下渗或径流进入地下，形成水流通道，增加隧洞地下水体的联系，隧洞排水时，水体流失严重，会增加突涌水的可能性。

（3） 地层因素：地层岩性和岩层倾角。地层岩性是岩溶发育的基础，决定岩溶的可溶性，隧洞在可溶岩层发生突涌水情况的比重达到99%［14］。根据岩石的可溶性，可分为非可溶岩、弱可溶岩、中等可溶岩和强可溶岩4级［15］。岩层倾角不仅影响岩溶发育，对地下水的流动性也有重要影响，当岩层倾角为25°～65°时最利于岩溶发育，发生突涌水的概率极高，借鉴周宗青等［8］的研究，将修正后的岩层倾角作为评价指标。

（4） 地质构造：断层构造、褶皱构造、节理裂隙。断层是地下水集中渗入和循环地带，张性断层比压性断层的岩溶更为发育，因此张性断层发生突涌水的概率较高，根据断层性质分为压性、扭性、张扭性、张性4个等级［16］。褶皱构造影响岩溶发育的方向和部位，根据岩溶发育状况将褶皱构造分为缓倾褶皱翼部、缓倾褶皱核部、陡倾褶皱翼部、陡倾褶皱核部4级［12］。节理裂隙是地下水入渗的基本结构面，倾角越陡溶蚀越强烈。

（5） 岩溶水文地质：地下水位与隧洞底板高程差、岩溶水动力分带、岩溶水补径排条件、岩溶含水岩组富水性。地下水是影响岩溶隧洞发生突水灾害的根本原因，地下水的水位、隧洞与岩溶水动力分带的位置关系都会导致隧洞施工中所遭遇突水风险等级的差异。岩溶水的补径排条件以及含水岩组富水性与地形地貌、地质构造、岩溶发育、大气降雨的补给等条件有密切联系。

（6） 施工因素：超前地质预报、监控量测、开挖扰动与支护强度。施工因素是导致突涌水灾害发生的直接因素，主要包括超前地質预报、监控量测、开挖扰动与支护强度3个方面。对预报和量测的数据解译不合理、设备陈旧、施工人员支护不及时等问题，均是导致突涌水灾害发生的风险因素。

1.2风险分级

本文共选取16个二级指标，其中定量指标5个，定性指标11个，参考GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》［17］及相关文献［4，8，12，15，18］，将突涌水等级划分为4个风险等级（Ⅰ～Ⅳ），其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别表示无风险或微风险、低风险、中等风险、高风险。Ⅰ级风险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级风险表示突涌水的概率较低，但需要采取相应的防治措施；Ⅲ级风险表示突涌水的概率较高，必须采取有效的防治措施；Ⅳ级风险表示突涌水的概率非常高，必须采取最为有效的防控措施，否则可能造成严重的灾害后果。定量指标为各变量测度，定性指标确定分数依次为0～25分、25～50分、50～75分、75～100分评价标准量化值区间，岩溶隧洞突涌水风险指标评价分级标准如表1所列。

2岩溶隧洞突涌水风险评价模型建立

2.1SEM-改进FCEM法

在岩溶隧洞突涌水风险评价中，综合考虑了地形地貌、气象水文、地层因素、地质构造、岩溶水文地质、施工因素等多个因素，有些因素难以量化，往往需要用定性描述的方式来进行评价。考虑到FCEM法可将定性评价转为定量评价，对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价，因此，采用FCEM法对风险等级进行综合评价。

但传统的权重计算方法和FCEM法存在以下局限性：

（1） 权重的确定方法一般分为两类。一类是主观赋值法，常见的有专家评判法和层次分析法等；第二类是客观赋值法，常见的有变异系数法和熵值法等。但不论是主观赋值法还是客观赋值法，都存在着信息的缺失，缺少从整体层面考虑指标的权重，无法确定因素之间的关系。

（2） 传统FCEM法根据最大隶属度原则，对评价结果进行判定，但最大隶属度原则适用于指标间隶属度相差较大时的情况。而在实际工程评价中，会出现各指标隶属度相差较小的情况，最大隶属度原则会因舍弃其他隶属度的客观存在而失效或低效，可能得到不合理的评价结果［19］。

由于岩溶隧洞突涌水风险因素众多，且多风险因素间相互影响，而SEM可以很好地处理多个风险因素间的相互影响关系，克服了主观赋值法过分依赖专家的意见和客观赋值法过分依赖统计或数学的定量方法而忽视了评价指标的主观定性分析的不足。因此，为实现对岩溶隧洞突涌水风险的科学评价，本文在已有研究基础之上，参考文献［20］，综合运用SEM与改进FCEM法，构建了岩溶隧洞突涌水风险评价模型，具体评价流程如图2所示。

2.2确定因素集和评语集

根据建立的岩溶隧洞突涌水风险评价指标体系，建立因素集如下：U=U1，U2，U3，U4，U5，U6。其中U1～U6代表各一级指标。因一级指标的每个指标又包含若干个二级指标，故以Ui=Ui1，…，Uim表示指标体系第i层第j个指标，且j=1，2，…，m。评语集用V来表示：V=V1，V2，V3，V4，V1～V4分别表示无风险或微风险、低风险、中等风险、高风险。

2.3确定权重集

SEM是由测量模型和结构模型组成的，测量模型主要反映潜变量和观测变量之间的关系，结构模型主要反映潜变量之间的关系，文中潜变量为地形地貌、气象水文和地质构造等一级指标，观测变量为负地形面积比、地形坡度等二级指标。公式如下：

通过问卷调查的形式，利用SPSS和AMOS对构建的模型进行检验、拟合，确定各评价指标间的标准化路径系数，并对标准化路径系数进行归一化处理，进而确定各个指标的权重。

利用AMOS软件对模型进行拟合计算，得到各风险指标间的路径系数，根据公式（4）对其进行归一化处理，进而得到各指标的权重。

2.4确定隶属度函数

最常见的隶属函数有矩形、三角形、梯形、菱形等，虽然各个隶属函数的形式有所不同，但是最终的分析结果一致，因此所选择的隶属函数种类不会影响研究结论［2］。在岩溶隧洞突涌水风险评价中，采用梯形和三角形隶属函数构造各个指标的隶属度。

对于定量指标（例如负地形面积比、地形坡度等因素），隶属度函数公式如下：

2.5确定风险评价结果

将突涌水风险指标的权重集W与各个风险指标的模糊判断矩阵R进行乘积，进而构建各风险指标的评判结果向量B，即

式中：E为指标模糊综合评价结果；bm为第m等级的隶属度；em为不同等级的具体分值，4个等级从低到高分别取风险区间边界值0，25，50，75；k′为待定系数，本文取k′=1。

3岩溶隧洞突涌水灾害风险评价

3.1工程概况

昆呈隧洞全长56.584 km，为滇中引水工程第2长隧洞，位于云南省昆明市，该区域内降雨量主要集中于6～10月，约占全年降雨量的80%，地表水系属于金沙江水系，与地下水的补给径流量密切相关。该隧洞岩溶形态较为发育，洼地、岩溶漏斗、溶洞分布广泛，其中洼地分布最为广泛，总面积达0.354 km2，溶蚀多集中于1 870～1 930 m高程范围内。该隧洞沿线穿越多个岩溶水系统，其中富水性最好的岩层为二叠系栖霞茅口组（Pq+m1）。该隧洞不良地质复杂，岩溶分布广泛，极易发生突涌水。2020年3月1日施工到11号支洞时，受到雨季持续降水影响，岩溶系中的水量增大，地表汇水面积增大，导致水压力增强，严重影响围岩稳定性，围岩较差位置出现的裂痕水水量突增，小溶洞突涌水现象严重，由于施工单位及时启动应急预案，迅速处置，因此并未出现人员伤亡事故。

通过查阅昆呈隧洞水文地质、地形地质及相关施工信息，参考文献［21-22］，结合工程实际情况确定定量指标数据，定性指标则邀请15位经验丰富且具有权威性的专家，结合昆呈隧洞实际工程情况打分评定后取得加权平均结果，具体参数取值见表2。

3.2确定权重集

（1） 问卷调查。

邀请从事施工和管理的工作人员从知识和经验上衡量各因素对发生突涌水事故的影响程度，填写调查问卷。问卷采用Likert五级量表，将影响因素的重要等级分为5级。调查过程中共发放问卷320份，回收有效问卷290份，问卷有效率为90.6%。根据所得数据进行分析，受问卷调查人员的性别、年龄、受教育程度和工作年限等信息符合这一行业群体特征。

（2） 信效度分析。

为反映问卷的可靠性和设计的有效性，运用SPSS 25.0对问卷数据进行分析。结果显示，问卷总体的Cronbach′α系数为0.922，各一级指标的Cronbach′α系数也均大于0.8，表明问卷信度较好，可靠性较高；问卷整体的KOM值为0.856且Bartlett球形度检验的显著性值为0.000，适合做因子分析。

（3） 模型拟合和修正。

将问卷数据导入 AMOS 24.0软件中，对一阶SEM进行拟合，如图3所示。为检验模型拟合的优良程度，SEM引入适配度进行评价，适配度类型包括绝对适配度、增值适配度和精简适配度。绝对适配度指标常用CMIM/DF、GFI、AGFI等指标进行衡量；增值适配度指标常用NFI、TLI、CFI等指标进行衡量；精简适配度指标常用PGFI、PNFI、PCFI等指标进行衡量。表3结果显示一阶SEM整体拟合度较好，虽然增值适配度指标中的AGFI系数小于0.9，但大于0.85，在可接受范围内。

（4） 确定指标权重。

3.3建立评价矩阵

根据表2所得昆呈隧洞突涌水风险指标参数取值，结合表1给出的风险因素参数取值范围和对应的等级，通过公式（5）～（13）计算得出各个因素指标的隶属度，从而得出评价矩阵R1～R6：

3.4评价结果与分析

根据公式（14）～（16）计算昆呈隧洞突涌水风险等级，结果见表5。

由图3可知，潜变量之间相关系数均位于0～0.95之间，说明潜变量之间有较强的共线性，即地形地貌、气象水文、地层因素、地质构造、岩溶水文地质以及施工因素间有较强的相关性。由图4可得，岩溶水文地质、地质构造、气象水文、地层因素是影响昆呈隧洞突涌水风险的主要因素，其次是施工技术和地形地貌。结合实际工程情况来看，该研究区域地质结构复杂，岩溶形态发育，地下水压力高，隧洞在施工过程中，尤其是雨季施工，如果遇到容腔體系中包含岩溶地质构造，在高水压的作用下，极易发生突涌水灾害。即一个因素的变动，会导致其他因素产生连锁反应，最终引发突涌水灾害，因此在施工过程中应重视并采取有效的防控措施。

由表5可知，昆呈隧洞发生突涌水风险等级为Ⅲ级（即中等风险），具体来看，岩溶水文地质的风险等级最高，为Ⅳ级，其次是气象水文、地质构造、地层因素和施工因素。其中，地形地貌、岩溶水文地质和地质构造的有效度均大于0.5，说明采用最大隶属度原则判别其风险等级是可靠的；气象水文、地层因素和施工因素的第一大隶属度值和第二大隶属度值相差较小，此时采用最大隶属度原则进行判别风险等级可能会得到不合理的判别结果，通过计算两者的有效度，得到α＜0.5，改用加权平均原则进行计算，气象水文、地层因素、地质构造的风险值均位于Ⅲ级风险区间范围内。

3.5模拟验证与防控措施

3.5.1模拟验证

为验证构建的岩溶隧洞突涌水风险评价模型是否具有可行性，本文利用蒙特卡洛模拟的思想，运用Crystal Ball 11.1对该模型进行模拟验证。将表2和表4中的数据设置为模拟数据，设置模拟次数为5 000次，以置信度5%划分区间，运行后可得昆呈隧洞突涌水各风险指标敏感度图及风险分布趋势图，如图5～6所示。

由图5可知，各风险指标敏感性排序为岩溶水文地质＞地质构造＞气象水文＞地层因素＞施工因素＞地形地貌，岩溶水文地质的敏感度最高，为 24.60%，地形地貌敏感度最低，为10.60%，即岩溶水文地质、地质构造、气象水文、地层因素是影响昆呈隧洞突涌水风险的主要因素，其次是施工技术和地形地貌。在风险分布趋势图中，蓝色代表90%确定性范围的带区，表示预测有90%的几率处于该值范围。由图6可得，除岩溶水文地质有90%的几率处于72～85分值区间范围内（Ⅳ级风险），地形地貌有90%的几率处于30～52分值区间范围内（Ⅱ级风险），其余各一级风险指标均有90%的几率处于52～74分值区间范围内（Ⅲ级风险），昆呈隧洞有90%的几率处于52～73分值区间范围内（Ⅲ级风险），表明该隧洞发生突涌水灾害的风险概率较高，但若及时采取防控措施，可避免发生重大事故。

实际情况中该隧洞强岩溶地层分布广泛，水环境交互影响深远，在雨量充沛的季节，地表水量大幅增加，地表水通过岩体渗入到地下，增加了蓄水系统中的含水量，水压升高，极易发生突涌水灾害。因此施工过程中应更为重视岩溶水文地质、地层、地质构造以及气象水文情况。若施工单位在施工前及时进行超前地质预报，施工过程支护得当，则该洞段突涌水风险在可控范围内，该模拟结果与现场实际情况基本相符。

3.5.2防控措施

昆呈隧洞岩溶地貌分布广泛，岩溶状态较为发育，为更加准确地掌控水文地质和地质构造的变化规律和实时情况，在施工前，可运用物探手段对其进行探测分析，查明隧洞轴线岩溶发育位置、形态、规模等地下岩溶系统，同时兼顾查明地质构造和地下水埋深情况，向当地气象部门了解历年的气象资料，针对性地撰写施工组织设计，编制雨季施工作业指导书。在施工过程中，利用监测数据和数值模拟分析，对隧洞不同地段涌水量进行预测，确定合理的开挖顺序，降低对周围水位的影响面积，在开挖过程中，加强支护强度，尽量减小隧洞开挖对环境的扰动，雨季施工的工程严格执行施工技术规范的各项规定，做好排水、挡水、防水工作。

4结 论

（1） 岩溶隧洞突涌水风险指标间是相互关联、相互影响的。利用SEM的原理，确定各指标的权重，同时也能得到指标间的相关性系数，进而找到指标间的内在联系，为制定合适的岩溶隧洞突涌水风险缓控措施提供依据。

（2） 依据有效度原则和加权平均原则对传统FCEM法进行改进，避免当隶属度值相差小时最大隶属度原则低效或失效的问题，也可避免单一评判原则给岩溶隧洞突涌水风险评价带来的局限性。

（3） 依托滇中引水工程昆呈隧洞，结合工程实际情况得到的参数取值，对昆呈隧洞突涌水风险等级进行评价，并利用Crystal Ball 11.1对该模型计算结果进行模拟验证，结果表明：昆呈隧洞发生突涌水的风险等级为Ⅲ级，岩溶水文地质、地质构造、气象水文、地层因素是影响昆呈隧洞突涌水风险的主要因素，即施工过程中可针对这些问题进行重点处理，及时采取防控措施，可避免发生重大事故。

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（编辑：刘 媛）