基于正態(tài)檢驗的排水型隧道排水水質(zhì)特征的統(tǒng)計與預測分析

遲勝超，張震遠

(青島地鐵集團有限公司運營分公司 青島市 266000)

地下水對隧道的一個較大的危害就是腐蝕性，它含有的化學物質(zhì)在通常情況下都會對隧道的結構產(chǎn)生很大的腐蝕作用[1-5]，使其受到破壞，具有腐蝕性的水會對隧道襯砌結構產(chǎn)生侵蝕作用，降低襯砌結構的安全性和耐久性。

水質(zhì)特征是隧道全壽命周期研究重要的工作內(nèi)容，可為設計到施工到運營期間的腐蝕提供依據(jù)，其中，楊曉盟[6]對引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺北施工廢水做了水質(zhì)預測與分析評價，楊斌、莫蘋[7]通過對正在施工的8座隧道各個施工階段的施工廢水大量檢測數(shù)據(jù)的整理分析,總結隧道施工廢水的水質(zhì)特征，對確定隧道施工廢水處理工藝具有指導作用，當下，學者們對隧道施工產(chǎn)生的廢水水質(zhì)研究較多[8-9]，但對運營期間的隧道排水水質(zhì)研究較少，隧道排水的水質(zhì)特征對隧道裂縫、安全性和排水系統(tǒng)都有一定的影響[10-11]，了解和掌握隧道排水水質(zhì)是隧道監(jiān)測和安全評價中重要的一部分[12]，對隧道運營期間的安全具有重要意義。

1 項目概況

1.1 工程概況

青島某隧道采用半包排水設計，結構防水等級為二級，根據(jù)前期工作的調(diào)研分析資料，針對其中三個區(qū)間，挑選了不同位置目測含有顏色或雜質(zhì)的和較清澈的等多種類型的水樣進行采取，如圖1所示。對三個區(qū)間不同位置的水質(zhì)進行取樣化驗分析，確定排水型隧道中的水質(zhì)組成成分及有害物質(zhì)含量，生成水質(zhì)檢測報告。

圖1 現(xiàn)場水質(zhì)采樣

1.2 水質(zhì)檢測指標的確定

地下水起腐蝕作用的化學物質(zhì)多為酸性物質(zhì)，酸的腐蝕一般為化學腐蝕為主。酸與混凝土中的石頭反應，可以生成易溶的產(chǎn)物，此反應產(chǎn)物溶于水后由水的滲透和流動而流失，酸還可以促使水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣的水解，從而破壞了孔隙結構的膠凝體。

硫酸鹽可以和混凝土中的水化產(chǎn)物發(fā)生反應，生成膨脹性水化產(chǎn)物，從而使混凝土開裂，然后氯離子、水分和空氣等進入混凝土內(nèi)部，使結構進一步劣化。Mg2+可以和Ca(OH)2反應，生成難溶松軟的Mg(OH)2，從而降低了Ca(OH)2的濃度，加快凝膠物質(zhì)解體，使混凝土失去強度。氯化物中Cl-離子是混凝土腐蝕破壞最重要的原因之一，它可以和混凝土中水泥石反應，生成易溶的CaCl2和帶有多個結晶水、體積比反應物大幾倍的固相化合物，造成混凝土的膨脹破壞。

綜上所述，本次水質(zhì)指標檢測選取了PH值、氯化物、硫酸鹽和Ca2+濃度、Mg2+濃度。

2 統(tǒng)計學分析

2.1 研究方法

以青島某隧道為研究對象，以此區(qū)間水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎，主要分析了PH值、氯化物、硫酸鹽和Ca2+濃度、Mg2+濃度等在區(qū)間不同位置的變化規(guī)律，水質(zhì)分析數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場取樣檢測，統(tǒng)計分析采用了SPSS25軟件，得出了樣本的均值、標準差、方差、偏度、峰度等數(shù)據(jù)，進行了正態(tài)性分布檢驗，得出了Kolmogorov-Smirnov和Shapiro-Wilk檢驗下的顯著性水平。

通過統(tǒng)計學檢驗法進行正態(tài)性檢驗，當Kolmogorov-Smirnov檢驗和Shapiro-Wilk檢驗檢驗結果的p值小于0.05，則認為數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)性;反之，則認為數(shù)據(jù)滿足正態(tài)性。但是，上述檢驗方法存在一定局限性。因此，通過繪制直方圖來判斷數(shù)據(jù)的正態(tài)性。在直方圖中數(shù)據(jù)呈現(xiàn)鐘型分布，中間高,兩端逐漸下降，左右兩側呈現(xiàn)對稱或近似對稱。

偏度是表征概率分布密度函數(shù)曲線相對于平均值的不對稱程度。正態(tài)分布的偏度為0，那么兩側尾部長度對稱；偏度為負，即負偏離(左偏離)，則數(shù)據(jù)位于平均值左邊的比右邊的少，直觀表現(xiàn)為左邊的尾部相對于右邊的尾部要長，因為少數(shù)變量值很小，使曲線左側尾部被拖得很長；左側尾部比右側長，絕大多數(shù)值包括中位數(shù)位于平均值的右側，平均值左側的數(shù)值又少又小。

偏度為正，即正偏離(右偏態(tài))，則數(shù)據(jù)位于平均值右邊的比左邊的少，直觀表現(xiàn)為右邊的尾部相對于左邊的尾部要長，因為少數(shù)變量值很大，使曲線右側尾部被拖得很長；右側尾部比左側長，絕大多數(shù)值位于平均值的左側，平均值右側的數(shù)值又少又大，右偏時：平均數(shù)>中位數(shù)>眾數(shù)，左偏時：眾數(shù)>中位數(shù)>平均數(shù)。正態(tài)分布三者相等。

峰度是表征概率分布密度函數(shù)曲線在平均值處的狀態(tài)；若峰度<3，則分布平緩；若峰度>3，則分布陡峭；正態(tài)分布的峰度為常數(shù)3(實際中，將峰度做減3處理，使得正態(tài)分布的峰度為0)；均勻分布的峰度為常數(shù)1.8；若將數(shù)據(jù)標準化，在相同的標準差下，峰度越大，則極端值更多。

2.2 結果與討論

青島某隧道排水主要水質(zhì)指標的統(tǒng)計分析結果和正態(tài)性檢驗如表1所示。根據(jù)表1得出的Kolmogorov-Smirnov和Shapiro-Wilk的統(tǒng)計量、偏度和峰度結果，可以對各項水質(zhì)指標的分布進行正態(tài)性檢驗，當樣本量N<1000時，Shapiro-Wilk檢驗更為準確，PH值、氯化物、硫酸鹽和Mg2+的顯著性水平均小于0.05，說明以上四項指標不服從正態(tài)分布，以上各水質(zhì)指標的偏度系數(shù)都大于0，峰度系數(shù)基本都大于0，因此可以判斷各項水質(zhì)指標數(shù)據(jù)分布均呈正偏態(tài)分布，Ca2+的顯著性水平大于0.05，說明服從正態(tài)分布。

青島某隧道排水主要水質(zhì)指標變化規(guī)律如圖2所示，從圖3PH濃度直方概率分布圖可以看出，概率分布較高的范圍在6.8～7.4，其累計概率為80%。氯化物濃度分布在148～275mg/L，在425～480mg/L區(qū)間有兩個異常值，且平均值高于中間值，和上四分位數(shù)接近，箱型圖氯化物濃度波動范圍不大，說明氯化物濃度變化不大，水質(zhì)較穩(wěn)定，各取水點的氯化物濃度差別不大，從圖4氯化物濃度直方概率分布圖可以看出，在累計頻率為80%時，氯化物濃度為100～225mg/L。

圖2 水質(zhì)不同指標箱型圖

圖3 PH值直方概率圖

圖4 氯化物濃度直方概率圖

硫酸鹽濃度分布在175mg/L到275mg/L之間，在350mg/L左右有個異常值，且平均值接近于中間值，從圖2來看硫酸鹽濃度波動范圍不大，說明硫酸鹽濃度變化不大，水質(zhì)較穩(wěn)定，各取水點的硫酸鹽濃度差別不大，從圖5硫酸鹽濃度直方概率分布圖可以看出，概率分布較高的濃度范圍在150～250mg/L，其累計概率為85%，在累計頻率為90%時，硫酸鹽濃度為275～325mg/L。

圖5 硫酸鹽濃度直方概率圖

Ca2+濃度分布在100mg/L到225mg/L之間，且平均值接近于中間值，從圖2來看濃度波動范圍不大，說明Ca2+濃度變化不大，水質(zhì)較穩(wěn)定，各取水點的Ca2+濃度差別不大，從圖Ca2+濃度直方概率分布圖(圖6)可以看出，概率分布較高的濃度范圍在125～200mg/L，其累計概率為70%，在累計頻率為90%時，Ca2+濃度為200～225mg/L。

圖6 Ca2+濃度直方概率圖

Mg2+濃度分布在18mg/L到34mg/L之間，且平均值接近于中間值，從圖2來看Mg2+濃度波動范圍不大，說明Mg2+濃度變化不大，水質(zhì)較穩(wěn)定，從Mg2+濃度直方概率分布圖(圖7)可以看出，各取水點的Mg2+濃度差別不大，概率分布較高的濃度范圍在18～28mg/L，其累計概率為70%，在累計頻率為90%時，Mg2+濃度為18～34mg/L。

綜上所述，青島某隧道排水主要水質(zhì)指標變化規(guī)律呈正偏態(tài)分布或正態(tài)分布，且根據(jù)直方概率圖分析可知各項水質(zhì)指標變化不大，水質(zhì)較穩(wěn)定，各取水點的水質(zhì)差別不大，如表2所示，根據(jù)中心極限定理，估計了概率為95%時青島地區(qū)隧道排水水質(zhì)的參考值范圍。

圖7 Mg2+濃度直方概率圖

表2 參考值范圍

2.3 腐蝕性評價

混凝土硬化以后，水分主要以自由水的形式存在，混凝土在硬化過程中，多余的水分逐漸蒸發(fā)，會在混凝土內(nèi)部形成大小不同的孔隙和毛細通道，混凝土的構件接觸環(huán)境中的地下水通過這些孔道進入到混凝土構件中，發(fā)生物理-化學反應，導致混凝土強度降低。地下水對混凝土的腐蝕作用主要包括三種類型:分解類腐蝕、結晶類腐蝕以及分解-結晶復合類腐蝕。PH值、氯化物、硫酸鹽和Ca2+濃度、Mg2+濃度的檢測依據(jù)是GB/T 5750.4-2006生活飲用水標準檢驗方法感官性狀和物理指標，玻璃電極法；GB/T 5750.5-2006生活飲用水標準檢驗方法無機非金屬指標，離子色譜法等，生成水質(zhì)分析報告。根據(jù)水質(zhì)分析報告各水質(zhì)指標，按《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)2009版，對地下水進行腐蝕性評價如下：

12個水樣中有2個水樣在Ⅱ類環(huán)境中干濕交替作用對混凝土中為弱腐蝕性，除去上述兩次評價，12個水樣在Ⅱ類環(huán)境中干濕交替作用對混凝土、按地層滲透性對混凝土、長期浸水時對混凝土結構的鋼筋、干濕交替時對混凝土結構的鋼筋四種情況下均為微腐蝕性。

3 結論

(1)PH值、氯化物、硫酸鹽和Mg2+濃度正態(tài)性檢驗結果顯示不服從正態(tài)分布，但可以判斷以上各項水質(zhì)指標數(shù)據(jù)分布均呈正偏態(tài)分布，Ca2+濃度服從正態(tài)分布。從統(tǒng)計分析結果來看各水質(zhì)指標波動范圍不大，水質(zhì)較穩(wěn)定，各取水點的水質(zhì)差別不大，根據(jù)中心極限定理，估計了概率為95%時青島地區(qū)隧道排水水質(zhì)的參考值范圍。

(2)根據(jù)水質(zhì)分析報告，按《巖土工程勘察規(guī)范》，對地下水進行腐蝕性評價如下：12個水樣中有2個水樣在Ⅱ類環(huán)境中干濕交替作用對混凝土中為弱腐蝕性，除去上述兩次評價，12個水樣在Ⅱ類環(huán)境中干濕交替作用對混凝土、按地層滲透性對混凝土、長期浸水時對混凝土結構的鋼筋、干濕交替時對混凝土結構的鋼筋四種情況下均為微腐蝕性。