基于gis的高溫隧道熱害危險性評估與區(qū)劃

基于gis的高溫隧道熱害危險性評估與區(qū)劃

高地溫問題（熱害）是隧道工程、采礦和其他地下工程中常見的地質災害。上世紀初日本的安房隧洞、美國的辛普倫隧洞、瑞士的喀斯卡隧洞、佛拉蒂赫德隧洞都遇到了較嚴重的高溫熱害問題。大瑞鐵路東起大理,西至瑞麗,穿行于青藏高原南東緣之橫斷山脈南段,中間跨越瀾滄江、怒江等大江大河,是國內目前為止艱險山區(qū)地形、地質條件最為復雜的一條線路。尤其是,滇西地區(qū)是我國典型的地熱異常區(qū),水熱活動十分強烈,因此,高溫熱害問題已經(jīng)成為影響鐵路建設的重大災害地質問題。國內外學者,結合一些礦井建設、隧道開挖等具體工程,對高溫熱害問題進行了大量的研究工作,側重于地溫場的數(shù)值模擬。本次籍助于鐵道部科技研發(fā)課題“大瑞鐵路復雜地質艱險山區(qū)重大工程地質問題研究”,重點對大瑞鐵路穿越的高黎貢山區(qū)段的高溫熱害問題進行研究。通過綜合考慮多種影響因素,應用GIS空間分析技術,評價識別熱害發(fā)生點段,取得了一些重要的認識,從而為鐵路線路設計提供了重要的科學依據(jù)。1第四系及水熱活動區(qū)域分布本區(qū)地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶附近之滇緬泰亞板塊內,屬青、藏、滇、緬巨型“歹”字型構造西支中段弧形構造帶與經(jīng)向構造帶復合之“蜂腰部位”南段。深大活動斷裂發(fā)育。SN向轉SW向弧性構造帶、SN及NE向構造帶構成區(qū)內“A”字型構造格架體系(圖1)。區(qū)內地層繁多,巖性復雜,除白堊系缺失以外,自寒武系至第四系均有出露。其中高黎貢山群是一套中寒武-前寒武系變質巖系地層,構成了高黎貢山中、南段山體主要巖性。不同期巖漿巖均有分布(喜山期、燕山期、印支期以及加里東晚期—華力西中期)。巖漿入侵活動的規(guī)模由東南到西北逐漸增大,空間上由深→中深→淺噴發(fā)。其中怒江斷裂以西地區(qū),以北東—南西向弧形構造帶和近南北向構造帶交替出現(xiàn),具有多期多階段持續(xù)活動的特點,加之斷裂構造的控制,對地下熱水活動起到明顯的控制作用。高黎貢山越嶺地段所處的滇西地區(qū)是地中?！蟻喌責岙惓У闹匾M成部分,具有較高的區(qū)域地熱背景,熱水活動強烈。高溫地下水水溫25～108℃,地溫梯度一般大于4℃/100m,高于正常地溫梯度(2.5℃/100m)。按照溫泉(水熱區(qū))分布規(guī)律劃分為三個水熱活動帶:(1)騰沖—梁河弧形構造水熱活動帶;(2)高黎貢山—三臺山弧形構造水熱活動帶;(3)怒江南北向構造水熱活動帶(圖1)。2評價因子的確定結合研究區(qū)的地質、構造、地形、地熱和水文地質條件,選取巖性、地溫場、斷層、主要蓄水構造、主要河流5個因素作為評價因子。采用層次分析法(AHP)和專家打分法確定權重和等級標準,通過GIS空間分析實現(xiàn)熱害危險性評估和區(qū)劃。3主要影響因素分析和指標賦值3.1含水層序地層格架本區(qū)巖層類型主要有巖漿巖、變質巖、碎屑巖、碳酸鹽巖(圖2A)。從熱泉的區(qū)域分布規(guī)律來看,水熱活動顯示與巖漿長期大規(guī)模的持續(xù)侵入、變質巖帶的分布有關。在高黎貢山—三臺山弧形構造熱水活動帶,熱水出露層位為下古生界片麻巖、混合花崗巖等變質巖類及燕山期、加里東—華西期花崗巖,熱水多沿花崗巖與圍巖接觸帶、斷裂面出露。在騰沖—梁河弧形構造水熱活動帶,出露熱水的地層為燕山期花崗巖、上第三系花崗質砂礫巖等。根據(jù)以上巖性影響特征,巖性因子作以下指標賦值(表1)。3.2高壓水熱活動帶區(qū)內斷裂以南北向為主,次為北東向、北西向(圖2B)。南北向斷裂多為張性或張扭性斷裂,是地熱水的主要通道。在怒江南北向構造水熱活動帶,溫泉主要見于南北向的斷裂和近東西向斷裂交匯部位。在騰沖—梁河弧形構造水熱活動帶,地熱異常顯示均受弧形構造控制,溫泉空間分布呈帶狀、弧形狀,與區(qū)域構造線、地貌界線吻合,多見于北西向和南北向次級斷裂上和交匯部位。因此,根據(jù)斷裂帶影響距離進行因子指標賦值(表2)。3.3熱害評估標準地溫場區(qū)域分布規(guī)律是最直接的地熱顯示。主要根據(jù)出露泉點的水溫繪制而成(圖2C)。依據(jù)鐵二院制定的高溫熱害評估標準“按熱害對施工和營運的影響程度,擬劃分為五級:≤28℃,無熱害;28～37℃,熱害輕微;37～50℃、熱害中等;50～60℃、熱害較嚴重;>60℃、熱害嚴重”,地溫場影響因子作以下賦值(表3)。3.4地下水的關性從熱泉點分布來看,大都分布于盆地邊緣,說明與儲水盆地有相關性(圖2D)。從熱泉形成來看,要有補給水源,通過地下水深循環(huán),以對流形式將熱量傳輸?shù)降乇怼Ｒ虼?儲水盆地對于突熱水災害也有一定的控制作用。因此,采用以下指標賦值(表4)。3.5河流河流對區(qū)域水熱活動的控制機制與儲水盆地相似(圖2E)。因此,指標賦值如表5所示。4圖層空間疊加分析技術首先根據(jù)各影響因子的分值做出其單因素分區(qū)圖(圖2),采用GIS圖層空間疊加分析技術,做5個影響因子分區(qū)圖的合并疊加分析(圖3),形成一個新的圖層,新圖層帶有參與疊加的各單因素分區(qū)圖層的內部屬性信息。以新圖層中圖元作為計算單位,分別進行相應圖元的熱害評估。5和積法確定各影響因子權重權系數(shù)的確定合理與否直接影響到評估結果的準確性,本文中采用層次分析法來確定各指標的權重分配。層次分析法(AHP)的特點是在對復雜的決策問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上,利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學化,從而為多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法。層次分析法解決了地質定性因人而異,人的主觀性帶來的偏差。本次的熱害評估中采用層次分析法中的和積法來確定各影響因子的權重。首先根據(jù)兩兩比較法和1～9標度法(表6)構造各影響因子的成對比較矩陣,采用和積法計算比較矩陣的最大特征根及其對應的特征向量,并作一致性檢驗。若檢驗通過,特征向量(歸一化后)即為權量;若不通過,需要重新構造成對比較矩陣。和積法計算權重的方法如下:(1)將判斷矩陣的每一列歸一化:—aij=aijn∑k=1aij(i,j=1,2,?,n)(1)a—ij=aij∑k=1naij(i,j=1,2,?,n)(1)(2)歸一化后的矩陣按行相加:—Wi=n∑j=1—aij(i=1,2,?,n)(2)W—i=∑j=1na—ij(i=1,2,?,n)(2)(3)對向量歸一化,Wi即為所求特征向量:Wi=—Win∑j=1—Wj(3)Wi=W—i∑j=1nW—j(3)(4)計算判斷矩陣的最大特征根:λmax=n∑i=1(A—Wi)inWi(4)λmax=∑i=1n(AW—i)inWi(4)式中(—W)i(W—)i——向量的第i個元素。6熱害評估的分類6.1熱害分類基準本次熱害評估中熱害共分為四級:熱害極危險區(qū)、熱害較危險區(qū)、熱害危險區(qū)、無熱害區(qū),熱害的區(qū)劃的分值如表7所示。6.2wi—熱害評估區(qū)劃以各影響因子的GIS疊加分析圖元為計算單元,根據(jù)層次分析法確定的權重,計算出各個圖元的得分數(shù)。計算公式為:Ζ=6∑i=1Bi×WiZ=∑i=16Bi×Wi式中Bi——單元圖層指標的分值;Wi——圖層的權重。根據(jù)熱害區(qū)劃的分值范圍和計算得出的各個圖元的分值,進行相應的熱害評估區(qū)劃。經(jīng)過計算得出的高黎貢山越嶺地段深埋隧道區(qū)的熱害評估區(qū)劃如圖4所示。經(jīng)初步評估,沿C12K線路方案,發(fā)現(xiàn)四段熱害危險區(qū)段,易發(fā)生突熱水災害。7評估結果的分析7.1斷裂對熱害的控制作用研究區(qū)的熱害整體上呈北西—南東向分布,且西北部熱害分布較為集中。斷裂對熱害的控制作用顯著,熱害危險區(qū)和熱害較危險區(qū)沿斷裂帶分布,在線路以北地區(qū)表現(xiàn)尤其明顯。從巖性上來看,熱害危險區(qū)和熱害較危險區(qū)主要分布在花崗巖地區(qū)及花崗巖的巖基周邊,其次分布在變質巖區(qū)。7.2斷裂表面上出露出的地層和構造環(huán)境根據(jù)評估結果,沿C12線路存在四個熱害危險區(qū)段,這些地段地溫在28～37℃之間,這些地段的地質特點是斷裂集中分布、位于巖漿巖地區(qū)、變質巖地區(qū)或是儲水盆地的邊緣。突熱水區(qū)段①位于F4-2斷裂和F1-1斷裂之間,出露于變質巖地區(qū),且位于鎮(zhèn)安盆地的南端。突熱水區(qū)段②位于斷裂集中分布區(qū)(F4-9、F4-6、F4-4和F1-1)和勐昌盆地的北部邊緣。突熱水區(qū)段③位于斷裂F4-8和F4-8-1交匯區(qū)域,出露巖性為變質巖。突熱水區(qū)段④位于F2-1-1及其次及斷裂分布中,出露巖性為花崗巖和變質巖。8采用層次分析法確定熱害地質性(1)熱害影響的五個主要因子分別是