基于层次分析法的某岩溶引水隧洞地质选线研究

摘 要：【目的】某引水隧洞需穿越岩溶发育地段，因此有必要评估隧洞在穿越岩溶段时可能遇到的主要地质挑战，研究岩溶引水隧洞的地质选线问题。【方法】对某电站引水隧洞穿越岩溶段的地形地貌、地层岩性、水文地质条件及岩溶等方面进行研究，分析隧洞工程中可能遇到的主要地质问题，包括围岩塌方、涌突水与突泥及次生环境地质问题等，并采用层次分析法进行优劣对比，将定性的地质分析转化为定量的数学计算，为线路方案的比选提供准确依据。【结果】从各因子的权重来看，隧洞开挖引发的次生环境问题、硐室围岩条件、涌突水和突泥及岩溶发育程度是比选的主要因素。【结论】本研究实现了岩溶区引水隧洞工程的定性和定量地质分析，提出了优选线路方案，可为今后类似工程的地质勘察和设计提供参考。

关键词：引水隧洞；岩溶；地质选线；层次分析法

中图分类号：TV743" " " 文献标志码：A" " 文章编号：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

基金项目：水利部重大科技项目（SKS-2022147）。

作者简介：孙翊博（1992—），男，硕士，工程师，研究方向：工程地质与水文地质；李承中（1982—），男，本科，高级工程师，研究方向：工程地质与水文地质。

0 引言

广西桂林市某电站引水线路需穿越岩溶地段，且与该岩溶区呈大角度相交，在平面区域内难以避让。岩溶段引水隧洞工程地质和岩溶地质特性复杂，溶洞和地下水系统发育，对隧洞工程选线和施工带来巨大挑战［1］。为确保工程安全，在对研究区开展钻探、物探、遥感、水文地质调查等工作的基础上［2］，通过对北线、中线2条比选线路的地质条件进行系统分析［3］，并应用层次分析法［4］，确定最优的引水隧洞线路方案。

1 岩溶地质概况

1.1 地形地貌

工程区总体位于山前坡积、洪冲积形成的平缓地带，地形特点是西高东低，北高南低。在南北方向上中线附近地势较高，为局部分水岭。某隧洞岩溶段沿线地面高程为160～220 m，隧洞沿线地形相对较完整，发育有较大冲沟，沟内有季节性流水。

1.2 地层岩性

工程区范围出露地层主要为泥盆系（D）、白垩系（K）及第四系（Q）。由老至新分述如下：泥盆系上统桂林组（D3g）和融县组（D3r）主要由石灰岩、白云岩组成，呈浅灰色、灰白色，中厚层～厚层状，厚度为160～220 m；白垩系下统永福组（K1y）主要由砂岩组成，以紫红色为主，偶见灰白色，多为厚层状，层底可见底砾岩；全新统冲洪积层（Q4alp），以含砾粉质黏土和卵石混合土为主，主要分布在河床、河岸缓坡。

1.3 水文地质条件

1.3.1 地表水系。工程区地表水系发育，均来源于西部山区大气降水，总体径流方向自西向东，多以溪河的形态呈树枝状分布。局部有地下水以泉、浸水田的形式出露地表，最终排入洛清江流域。工程区地表水系细分为3个相对独立的次级单元，其中北线及中线方案均位于隧洞沿线～洛清江单元（Ⅱ单元）范围之内。

1.3.2 地下水系。工程区地下水系与地表水系联系紧密，地下水分区基本与地表水一致。北线及中线方案均位于分水岭单元（Ⅱ单元）范围之内，具体如图1所示。分水岭单元地貌上为东西向狭长的冲积谷地，宽度为1.0～1.5 km，为古宁河到洛清江两江之间的相对高地，并发育两条东西向的季节性溪河。该地下水单元为工程区高位地下水的定水头补给边界，地下水补给来源主要为西部山区地下水侧向补给，其次为大气降水，地面溪河在有水季节补给分水岭地段的地下水位置。该单元内地下水分别向南、北、东等3个方向径流，其地下水径流及排泄如下：①分水岭地段南侧高位地下水向南、侧向补给盘洞-青龙口单元（Ⅲ单元）地下水系统。浅层地下水或松散层地下水主要是顺地势向东部洛清江（大溪河）方向流动，向深部岩溶地下水补给，部分排泄至大溪河附近松散含水层中；单元内岩溶地下水主要补给工程区内更大的、水动力条件更好的地下水强径流带。②分水岭地段北侧高位地下水向北补给北线-古宁河单元（Ⅰ单元）地下水系统；分水岭地段下游岩溶地下水主要进入南北向地下水强径流带一起向洛清江方向排泄。③该单元在丰水季节和枯水季节地下水位的变化，以及补给来源的剧烈变化导致地下水的径流及排泄特征有一定的变化（季节变动带）。

1.3.3 地下水类型。工程区地下水类型主要分为泥盆系碳酸盐岩溶水、白垩系碎屑岩裂隙水及第四系松散岩类孔隙水。根据区域水文埋藏条件划分，工程区主要为半覆盖型、覆盖型岩溶水，且含水岩组主要是泥盆系石灰岩。

1.4 岩溶

1.4.1 岩溶发育类型。根据区域岩溶发育类型划分，工程区北线及中线方案均为覆盖型岩溶。地表为第四系松散堆积物，下部为泥盆系碳酸盐岩。碳酸盐岩发育溶洞（隙）、溶沟、溶槽、溶蚀裂隙等。

1.4.2 岩溶发育特征。某隧洞岩溶段溶洞根据埋藏条件分为地表型和地下型。其中地表型溶洞主要出露于地下河出口和岩溶泉出口处，溶洞高0.2～1.0 m，宽0.4～2.0 m，为半圆形或不规则形；地下埋藏型岩溶形态包括溶隙、溶孔、溶洞等，埋藏型溶洞多为沿层面裂隙或竖向裂隙发育的岩溶通道，后全充填、半充填黏性土、碎石或为空腔，以中小型为主，零散分布。

1.4.3 岩溶发育分段。隧洞岩溶段沿线岩溶发育特征与地表及地下沿线水文地质条件分段联系紧密。根据钻探及物探资料，岩溶发育长度分别为：北线岩溶强发育约61.4%、中等发育约4.8%、弱发育约29.0%、不发育约4.8%；中线岩溶强发育约73.0%、弱发育约27.0%。①中线方案钻孔揭露沿线共计60个溶洞，其中揭露10 m以上溶洞1个，占总揭露溶洞个数的1.7%；3～10 m溶洞15个，占25%；3 m以下溶洞共计44个，占73.3%个。钻孔遇洞率为73.33%，沿线平均岩溶发育率为21.01%。②北线方案钻孔揭露沿线共计38个溶洞，其中揭露10 m以上溶洞2个，占总揭露溶洞个数的5.3%；3～10 m溶洞14个，占36.8%；3 m以下溶洞22个，占57.9%。钻孔遇洞率为60.87%，沿线平均岩溶发育率为20.29%。③北线及中线方案均位于同一地表水系及地下水系单元内，总体岩溶发育程度及岩溶分布特征相差不大，但中线岩溶发育程度略高于北线。

2 隧洞主要工程地质问题

2.1 围岩稳定性

工程区位于岩溶洼地，隧洞岩体以碳酸盐岩为主，地下水水位较高。岩石层面裂隙和构造裂隙受地下水溶蚀，裂隙面起伏、张开，易形成岩溶通道，小型岩溶通道多为饱水状态，较大规模的岩溶通道后期多被黏性土和碎石充填。围岩稳定性受地下水、岩溶、充填物影响较大，在硐室开挖过程中易造成失稳或局部塌方。

中线方案Ⅲ类围岩约占54%，Ⅳ类围岩约占27%，Ⅴ围岩类约占19%，硐室稳定性相对较高。北线方案以Ⅴ类围岩为主，约占85%，Ⅳ类围岩约占5%，Ⅲ类围岩约占10%，硐室稳定性相对较低。

2.2 涌突水与突泥

在工程区地下水位较浅，隧洞开挖过程中易发生涌突水。隧洞上覆岩体岩溶发育，尤其是沿竖向裂隙发育的岩溶通道，在开挖过程中局部易与硐室连通，进而引发严重的涌突水与突泥。

2.3 次生环境地质问题

在施工开挖过程中，隧洞洞身成为区域集水廊道，地下水位突然或快速下降，地下水流速突然增大，加大了地下水对泥、沙的搬运能力，原充填、半充填岩溶裂隙管道得到疏通，造成岩溶空腔内水压力降低，甚至产生负压，伴随着空腔开口附近土体所受压力增大，促进土体中渗透压力的增加从而使土体迅速发生渗透变形破坏，使得与岩溶管道连通的覆盖层稳定性受到破坏，当塌陷力超过极限抗塌力时，便会产生塌陷。中线方案紧邻盘洞村，最近距离为100 m，在隧洞开挖过程中一旦引发岩溶塌陷，危害性大、危险性高。北线方案距离盘洞村0.8～1.0 km，村落对线路的影响相对要小，在村落附近发生塌陷的可能性相对较小，危害性和危险性相对较低。

3 层次分析法线路比选

层次分析法是一种运筹学方法，通过将复杂问题进行分解，并通过定量和定性方法对各层次因素进行比较，进而进行优选［5］。本研究通过层次分析法将岩溶线路比选问题进行分解。

3.1 建立层次结构模型

通过对岩溶地质概况和隧洞主要工程地质问题进行描述，得出影响岩溶隧洞稳定性和安全的因素主要有隧洞区地形条件、水文地质条件、岩溶发育特征，引发的主要工程问题主要为次生环境地质问题、围岩稳定性、隧洞突水与突泥。因此，岩溶隧洞比选的评价因子包括地形条件、水文地质条件、岩溶发育特征、次生环境地质问题、硐室围岩条件、突水与突泥。根据评价因子建立的某岩溶引水隧洞地质选线层次结构模型如图2所示。

3.2" 构建判断矩阵

采用层次分析法的九标度法构建判断矩阵，对准则层的各元素相对目标层的重要程度进行对比打分，形成比较矩阵。比较矩阵中aij代表i相对j的重要程度，判断矩阵的标度1代表两个元素同样重要，9代表一个元素比另一个重要得多，2～8为中间值。B1～B6比较矩阵见式（1）。

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

3.3 一致性检验

经计算，矩阵最大特征值λmax = 6.605 9，对应特征向量W=（0.068，0.105，0.245，0.800，0.351，0.402）T。

为避免其他因素的干扰，需要对判断矩阵进行一致性检验，一致性检验见式（2）。

[CR=CIRI] （2）

式中 ： CR为一致性比率；RI为均随机一致性指标。当CR＜0.1时，则认为判断矩阵通过一致性检验。RI其值的大小与矩阵的阶数有关。矩阵的阶数为6时，RI的取值为1.24，具体计算过程如下：[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，矩阵通过了一致性检验。将向量标准化后得到权重向量（0.034，0.053，0.124，0.406，0.178，0.204）。

3.4 综合评价

同理，对中线和北线两个方案进行B1～B6准则的优劣对比［6］，中线和北线的权重向量分别为（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）。综合评分，中线得分为0.402，北线得分为0.598，因此选择北线方案为推荐方案。

4 结论

通过对某电站引水隧洞穿越岩溶段的地形地貌、地层岩性、水文地质条件及岩溶等方面进行研究，分析了隧洞工程中可能遇到的主要地质问题，包括围岩塌方、涌突水与突泥及次生环境地质问题等。采用层次分析法将隧洞的岩溶地质条件和主要工程地质问题进行优劣对比，并进行定量的数学计算。从各因子的权重来看，隧洞开挖引发的次生环境问题、硐室围岩条件、涌突水和突泥、岩溶发育程度是进行比选的主要因素。本研究为岩溶区引水隧洞工程的地质分析提供了参考，对今后类似工程的地质勘察和设计具有重要意义。

参考文献：

［1］张羽军，陈建发，岳志勤.成贵铁路岩溶特征及线路选线［J］.铁道工程学报，2020，37（4）：38-42.

［2］毕焕军.黔张常铁路岩溶区水文地质选线研究［J］.铁道工程学报，2018，35（2）：11-13，28.

［3］崔建宏，蒋良文.六沾复线梅花山至天生桥线路方案地质选线［J］.工程地质学报，2014，22（5）：975-980.

［4］汪继锋.应用层次分析法评价铁路岩溶隧道选线水文地质条件［J］.铁道勘察，2011，37（6）：45-49.

［5］裴成元，韩书臣，来海祥，等.基于模糊评价法的TBM选型决策模型研究［J］.河南科技，2024，51（9）：58-65.

［6］解红.基于层次分析法的输水隧洞风险评估方法的应用［J］.水利技术监督，2023（6）：223-228.