國內(nèi)外巖溶塌陷監(jiān)測方法綜述

吳亞楠，周紹智，王延嶺，焦玉國，陳偉清，程鳳，趙志偉

(山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000)

0 引言

巖溶塌陷的日益頻繁，成為巖溶區(qū)主要環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球已有16個(gè)國家存在嚴(yán)重的巖溶塌陷問題，我國是較為嚴(yán)重的國家之一。

巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的廣泛性和危害性，引起了國際社會(huì)的普遍關(guān)注，特別是20世紀(jì)70年代以來，先后召開了多次與巖溶塌陷有關(guān)的國際性會(huì)議。例如，1973年，國際工程地質(zhì)協(xié)會(huì)在西德漢諾威首次舉行“巖溶塌陷與沉陷—與可溶巖有關(guān)的工程地質(zhì)問題”國際討論會(huì)；1984—1995年在美國佛羅里達(dá)州先后舉行了五屆巖溶塌陷及其環(huán)境影響的多學(xué)科多維度的國際討論會(huì)。

頻發(fā)的巖溶塌陷災(zāi)害破壞了巖溶區(qū)工程設(shè)施，威脅人類的生命安全，嚴(yán)重影響并制約了巖溶區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。由于巖溶塌陷的產(chǎn)生在時(shí)間上具有突發(fā)性，在空間上具有隱蔽性[1]，常規(guī)手段對巖溶塌陷的監(jiān)測預(yù)報(bào)效果一般，因此選擇有效的監(jiān)測方法,對巖溶塌陷的監(jiān)測預(yù)報(bào)具有重大的意義。

1 巖溶塌陷發(fā)育特征

巖溶塌陷是由于可溶巖洞(隙)上覆土體在自然或人為因素作用下向下塌落的現(xiàn)象，開口巖溶形態(tài)、上覆一定厚度的松散蓋層及自然和人為外部作用力等是巖溶塌陷形成的基本條件[2-3]。大量研究表明，巖溶塌陷的發(fā)育和分布規(guī)律受形成條件的影響[4-9]。

(1)隱伏巖溶發(fā)育強(qiáng)度影響。巖溶的發(fā)育引起裂隙、溶洞等發(fā)育，導(dǎo)致巖溶空洞中地下水流速顯著增大，因此對覆蓋層的作用力增大，從而加速了塌陷的形成。

(2)構(gòu)造發(fā)育程度影響。斷裂帶附近，巖石破碎，裂隙發(fā)育，是地下水的良好賦存空間和運(yùn)移通道，地下水與巖石密切接觸，溶蝕作用增強(qiáng)，從而加速溶洞及土洞的形成。

(3)土層結(jié)構(gòu)、厚度影響。土層結(jié)構(gòu)分為一元結(jié)構(gòu)、二元結(jié)構(gòu)和多元結(jié)構(gòu)：一元結(jié)構(gòu)土層巖性主要為粘性土，厚度一般較??；二元結(jié)構(gòu)和多元結(jié)構(gòu)土層主要有粘性土、砂卵石層交互組成，厚度一般較厚；以往研究表白，相同條件下，二元結(jié)構(gòu)和多元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塌陷比一元結(jié)構(gòu)容易。土層厚度主要影響地面塌陷坑的形成時(shí)間和規(guī)模，土層越厚，塌陷孕育的時(shí)間越長，塌陷坑規(guī)模越大[4]，另有研究表明，巖溶塌陷多發(fā)生在土層厚度30m以淺的地區(qū)[6]。

(4)水動(dòng)力條件影響。地下水位及水壓變動(dòng)大的地帶易發(fā)生巖溶塌陷，如地下水抽取過度形成的降落漏斗區(qū)、溶蝕洼地、河床兩側(cè)等地區(qū)[4]。研究表明，地下水位變幅大、變化速率大及水位長時(shí)間在基巖面上下波動(dòng)的地區(qū)巖溶塌陷極易發(fā)生，山東省泰安市城區(qū)巖溶塌陷區(qū)為典型地區(qū)[6]。

2 巖溶塌陷監(jiān)測內(nèi)容

2.1 土體形變監(jiān)測

土體形變主要是指土洞的發(fā)生、發(fā)展和砂性土體及軟弱土體的內(nèi)部變形，是塌陷監(jiān)測的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2 地面沉降及構(gòu)筑物變形監(jiān)測

主要監(jiān)測土體變形后已經(jīng)引起地面變形和構(gòu)筑物變位，包括地面標(biāo)高降低和地面傾斜、構(gòu)筑物變形、變位等。

2.3 水動(dòng)力條件監(jiān)測

水動(dòng)力條件是誘發(fā)巖溶塌陷的最主要的動(dòng)力條件，決定了巖溶洞穴擴(kuò)展速率和上覆塌陷物質(zhì)轉(zhuǎn)移的速率。監(jiān)測內(nèi)容主要包括地下水水位、水質(zhì)、水氣壓力監(jiān)測，地表水及大氣降水監(jiān)測。

2.4 前兆監(jiān)測

地表水、地下水異常變化監(jiān)測。如地表水、地下水水位突變、混濁等現(xiàn)象，如2003年5月31日山東省泰安市東羊婁村產(chǎn)生巨大的巖溶塌陷，據(jù)走訪記錄，5月24日塌陷坑西側(cè)即巖溶水運(yùn)動(dòng)的下游地區(qū)的巖溶水陸續(xù)出現(xiàn)了混濁現(xiàn)象。

2.5 地面變形監(jiān)測

如地面出現(xiàn)環(huán)狀裂縫并不斷擴(kuò)展，產(chǎn)生局部的地鼓或下沉現(xiàn)象。

3 巖溶塌陷監(jiān)測技術(shù)與方法

3.1 土體形變監(jiān)測

3.1.1 BOTDR光纖傳感監(jiān)測

BOTDR光纖傳感又稱布里淵光時(shí)域反射(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer)光纖傳感，是一類基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)。該方法在國外主要用于大壩、橋梁等結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，并取得了較好的效果；近年來，BODTR技術(shù)在我國國內(nèi)巖土工程、土木工程上的應(yīng)用亦得到有效開展，并在隧道工程、滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等方面得到了應(yīng)用[10-11]。2003年，該方法用于三峽庫區(qū)巫山縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警示范站監(jiān)測[12]；2005年巖溶地質(zhì)研究所將該技術(shù)應(yīng)用于巖溶塌陷監(jiān)測預(yù)報(bào)模型研究，驗(yàn)證該方法的可靠性和適用性[13]。

(1)工作原理：依據(jù)巖溶塌陷形成發(fā)展過程，在可能發(fā)生塌陷的地段埋設(shè)光纖設(shè)備，當(dāng)土洞發(fā)育到一定程度時(shí)，光纖即可發(fā)生形變甚至斷裂，通過對傳感光纖應(yīng)變的時(shí)空變化分析，判斷土洞形成位置規(guī)模及過程，達(dá)到對巖土體變形破壞連續(xù)監(jiān)測的目的(圖1)[4]。

圖1 BOTDR光纖傳感監(jiān)測原理示意圖

(2)技術(shù)要求：BOTDR監(jiān)測預(yù)報(bào)巖溶塌陷的核心是光纖對土體的變形響應(yīng)，這就要求光纖必須與土體同步變形。光纖的鋪設(shè)方式和深度主要取決于監(jiān)測精度和監(jiān)測場地地質(zhì)條件，因此首先需要對監(jiān)測場地的巖溶塌陷影響因素及已發(fā)生的塌陷特征進(jìn)行調(diào)查研究。對于土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜或土層厚度較大的場地，一般采用多層鋪設(shè)。根據(jù)監(jiān)測精度，在同一層可選用柵格鋪設(shè)，網(wǎng)格間距一般小于1m，各層之間網(wǎng)格應(yīng)相互交叉[4,10-11]。同時(shí)，應(yīng)剔除溫度對光纖的影響，這一項(xiàng)尤為關(guān)鍵，需進(jìn)行大量的測試模擬試驗(yàn)。

(3)應(yīng)用實(shí)例：2005年中科院巖溶地質(zhì)研究所開展了光纖傳感技術(shù)監(jiān)測預(yù)報(bào)巖溶塌陷的室內(nèi)試驗(yàn)研究，研究表明，BOTDR光纖傳感技術(shù)可以及時(shí)監(jiān)測到不同位置土層的位移，圈定土洞發(fā)育及其影響范圍，證明了該方法的適用性[10]。

(4)優(yōu)缺點(diǎn)：BOTDR光纖傳感具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)，傳遞信息量大的優(yōu)點(diǎn)，因此容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)測溶洞或土洞的發(fā)育；不僅可以測量光纖因剪切、拉伸導(dǎo)致的變形位置，也能監(jiān)測到光纖發(fā)生的軸向變形量大小。但這一技術(shù)目前主要用于線性工程，在巖溶地區(qū)一般只監(jiān)測已發(fā)現(xiàn)溶洞地區(qū)，對于未發(fā)現(xiàn)溶洞地區(qū)，監(jiān)測效果一般；另外，BOTDR設(shè)備價(jià)格昂貴，光纖鋪設(shè)、保護(hù)要求也較高[4]。

3.1.2 TDR監(jiān)測

TDR即時(shí)域反射法(Time Domain Reflectrometry)，是一種遠(yuǎn)程電子測量技術(shù)[14]，最早被應(yīng)用于電力和通訊行業(yè)，用來確定通信電纜和輸電線路故障與斷裂；后用于測定土壤含水量[15-16]。近年來，TDR技術(shù)已經(jīng)開始在滑坡、采空塌陷監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用。

(1)工作原理：TDR工作原理是利用電磁波在同軸電纜傳播過程中，受到剪切力或拉張力時(shí)對導(dǎo)致局部阻抗變化，進(jìn)而影響接收到的反射波和散射波，從而可以推斷形變的具體位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測溶洞或土洞的發(fā)育情況[4,17-19]。TDR與BOTDR均為時(shí)域反射的一種，區(qū)別在于TDR是由于阻抗不同造成接收電磁波不同，材料為同軸光纜；BOTDR主要是由于光纖形變造成散射光不同，材料為光纖(圖2)[4]。

圖2 TDR系統(tǒng)原理示意圖(覃秀玲，2010)

(2)技術(shù)要求：同軸電纜的類型、膠結(jié)體強(qiáng)度、埋設(shè)技術(shù)是影響TDR技術(shù)監(jiān)測巖溶土洞(塌陷)的關(guān)鍵[19]。

在地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，制定監(jiān)測線布置方案(一般沿公路軸向布置，每條測線長度可達(dá)1000m)，確定測線間距和測線的埋設(shè)深度，以保證絕大部分土洞都位于測線范圍，而且土洞發(fā)育到測線位置時(shí)，還有足夠的預(yù)警時(shí)間；然后通過水泥砂漿膠結(jié)同軸電纜，既保證電纜的變形破壞與土層同步，也對電纜起到保護(hù)作用，避免后期施工破壞；通過TDR監(jiān)測系統(tǒng)，定期對各測線電纜進(jìn)行監(jiān)測，就可判斷電纜發(fā)生斷點(diǎn)的距離，通過電纜平面布置的坐標(biāo)與電纜長度的對應(yīng)關(guān)系，得出土洞的發(fā)生位置[18-19]。

(3)應(yīng)用實(shí)例：20世紀(jì)80年代，美國礦業(yè)局開始利用TDR技術(shù)進(jìn)行巖體變形測量及尋找煤礦中的塌陷層[16-20]；2001年美國的C.H. Dowding等首次將這一技術(shù)運(yùn)用到巖溶區(qū)高速公路路基塌陷監(jiān)測中。2006年，中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所在桂林某高速公路建立了線性工程巖溶土洞(塌陷)監(jiān)測站。

(4)優(yōu)缺點(diǎn)：TDR設(shè)備價(jià)格相對較低，技術(shù)成熟，可遙測，也可與其他監(jiān)測項(xiàng)目如地下水位傳感器、大氣降雨量傳感器、沉降計(jì)等組成監(jiān)測網(wǎng)，電纜型號多，抗破壞能力強(qiáng)，安全性較高。但也存在不足之處，只有在受到剪切力、張力或者兩者綜合作用而變形的情況下，TDR電纜才會(huì)產(chǎn)生特征信號，但無法獲得突變點(diǎn)位移量大小，只適用于線性工程或是已發(fā)現(xiàn)溶洞和土洞的地區(qū)。

3.1.3 地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是一種快速無損的地球物理探測技術(shù)。目前地質(zhì)雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于公路、鐵路沿線及地質(zhì)災(zāi)害已發(fā)地區(qū)的監(jiān)測工作[21-26]。

(1)工作原理：地質(zhì)雷達(dá)利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布，基本原理是：通過發(fā)射端向地面發(fā)射脈沖電磁波訊號，由接收端接收反射訊號，并通過示波器形成雷達(dá)圖。由于不同地面介質(zhì)的反射波形狀不同，因此可以通過接收波的傳播時(shí)間、頻率等信息，分析地下情況(圖3)。因此，可以通過地質(zhì)雷達(dá)定期、定線路的探測掃描對比，推斷地下土體的變化，從而監(jiān)測土層擾動(dòng)或溶洞的發(fā)育變化過程，進(jìn)而預(yù)測巖溶塌陷。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

(2)技術(shù)要求：地質(zhì)雷達(dá)的分辨率和探測深度與天線中心頻率有關(guān)，頻率越高，分辨率越大，探測深度越?。环粗?，頻率越小，分辨率越小，探測深度則越大[18,26-28]。因此天線中心頻率的選擇主要依據(jù)探測深度、空間精度和研究的需要，在滿足分辨率且場地條件又許可時(shí)，應(yīng)該盡量降低天線中心頻率(表1)。

表1 不同頻率天線的探測深度值

(3)應(yīng)用實(shí)例：1987年，美國學(xué)者Benson[21]首次將地質(zhì)雷達(dá)運(yùn)用到鐵路塌陷監(jiān)測中，方法是用地質(zhì)雷達(dá)沿固定測線定期掃描，進(jìn)行結(jié)果對比并圈定異常區(qū)。20世紀(jì)80年代后期地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)開始引入我國，2000年，中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所首次用該方法在桂林市柘木鎮(zhèn)進(jìn)行了試驗(yàn)，成功圈定了土層擾動(dòng)區(qū)[1]。

中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所于2013年在湖南寧鄉(xiāng)縣大成橋鄉(xiāng)塌陷區(qū)布設(shè)了17條地質(zhì)雷達(dá)測線，選用瑞典MALA地球科學(xué)儀器公司生產(chǎn)的探地雷達(dá)，通過分析雷達(dá)反射成果圖，圈定異常區(qū)及土洞分布情況；為驗(yàn)證雷達(dá)土洞異常有效性，在異常點(diǎn)安裝動(dòng)力觸探設(shè)備，結(jié)果證明在異常點(diǎn)均探查到了空洞，由此證明地質(zhì)雷達(dá)對探測地下土洞的準(zhǔn)確性。

(4)優(yōu)缺點(diǎn)：目前地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)以其發(fā)展成熟、操作簡單、可以定期監(jiān)測土洞變化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在巖溶塌陷監(jiān)測中，尤其對線性工程監(jiān)測，如公路，鐵路等效果較好。但也有不足之處，如探測效果受場地周邊電磁波干擾大，探測深度有限；無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和遙測；雷達(dá)圖解譯結(jié)果受技術(shù)人員主觀性和經(jīng)驗(yàn)水平影響較大；如果在道路運(yùn)營階段實(shí)施，需要封閉監(jiān)測路段，影響正常交通，因此作為長期監(jiān)測手段局限性較大[18,27]。

3.2 水動(dòng)力條件監(jiān)測

水動(dòng)力條件是觸發(fā)巖溶塌陷最主要的致塌條件，因此對水動(dòng)力條件的監(jiān)測至關(guān)重要。

3.2.1 地下水監(jiān)測

(1)水位監(jiān)測：監(jiān)測地下水位的方法可分為人工觀測和自動(dòng)觀測兩種。其中，人工觀測地下水位目前最常用的是電接觸懸錘式水尺，這種儀器簡單易攜，對使用者的技術(shù)水平要求不高，可用于各種地下水位的觀測；自動(dòng)觀測使用最多的是通過壓力傳感器監(jiān)測，國內(nèi)外監(jiān)測儀器主要有荷蘭的DIVER，加拿大的LEVEL，北京的中科光大等[18,28]。

(2)水氣壓力監(jiān)測：研究發(fā)現(xiàn)，巖溶水氣壓力變化對塌陷具有觸發(fā)作用，溶(土)洞土體的破壞與空腔壓力的變化密切相關(guān)，而巖溶空腔壓力與巖溶含水層水氣壓力的變化具有很好的對應(yīng)關(guān)系[29]。因此可通過對巖溶管道系統(tǒng)的水氣壓力動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行觀測，達(dá)到對塌陷進(jìn)行預(yù)報(bào)的目的。

地下水氣壓力的監(jiān)測主要采用壓力傳感器進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)全自動(dòng)監(jiān)測。目前使用效果較好、利用率較高的是振弦滲壓計(jì)[30]。

山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院利用振弦滲壓計(jì)在泰安市城區(qū)-舊縣水源地布設(shè)了地下水水氣壓力自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(監(jiān)測頻率為10min/次)，實(shí)時(shí)監(jiān)測水源地地下水動(dòng)態(tài)變化，根據(jù)傳感器參數(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地下水埋深、變化速率等參數(shù)。監(jiān)測期間，利用水位實(shí)時(shí)變化速率與土層破壞時(shí)的臨界速率對比情況，分析巖溶塌陷發(fā)生的可能性，以期為巖溶塌陷監(jiān)測預(yù)警提供依據(jù)。其中，2013年7月13日—16日，泰安市泰山區(qū)訾家灌莊小樹林內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測到明顯異常增大的水位變化速率，大于覆蓋層破壞的臨界值；2013年8月2日至5日，該監(jiān)測點(diǎn)東南約15m處連續(xù)發(fā)生2處塌陷，自水位異常變化至塌陷發(fā)生，經(jīng)歷20d，表明通過監(jiān)測地下水氣壓力對巖溶塌陷監(jiān)測具有一定的可行性。

(3)水質(zhì)監(jiān)測：地下水水質(zhì)監(jiān)測主要是通過采集鉆孔或監(jiān)測井中的水樣，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析。

3.2.2 地表水及大氣降水監(jiān)測

地表水水位和水質(zhì)監(jiān)測主要是通過布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測，大氣降水監(jiān)測主要是通過建立氣象站來進(jìn)行。

3.3 地面沉降及構(gòu)筑物變形監(jiān)測

地下土洞向上發(fā)展到一定程度后會(huì)引起地面標(biāo)高降低或地面傾斜、建(構(gòu))筑物變形、變位等，通過監(jiān)測可提前預(yù)警巖溶塌陷的發(fā)生，減小損失和破壞。目前采用的監(jiān)測方法主要為精密水準(zhǔn)測量技術(shù)、GPS技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)。2005年，美國學(xué)者利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)計(jì)算出了美國內(nèi)華達(dá)洲一處溶洞發(fā)育區(qū)地面沉降速率，并預(yù)測了塌陷坑的擴(kuò)大速率[31]。

這些技術(shù)成熟、可靠，數(shù)據(jù)較為精確，但這些方法對土體變形后已經(jīng)引起地面變形和建(構(gòu))筑物變位反映后才有實(shí)際效果，因此更適用于塌陷發(fā)生和應(yīng)急搶險(xiǎn)階段等臨時(shí)性的短期監(jiān)測。

4 結(jié)語

綜上所述，巖溶地面塌陷監(jiān)測的目的是要實(shí)時(shí)了解塌陷發(fā)展的過程和狀況，對塌陷發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)作出預(yù)報(bào),達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。但由于可溶巖中溶洞和巖溶通道發(fā)育的隨機(jī)性、上覆蓋層的多變性、觸發(fā)因素的復(fù)雜性，單一的監(jiān)測手段難以實(shí)現(xiàn)對塌陷的監(jiān)測。

因此，在實(shí)際工作中，需根據(jù)本地巖溶地面塌陷的特點(diǎn)，在塌陷形成機(jī)理的理論指導(dǎo)下，建立塌陷監(jiān)測的理論體系，綜合利用多種監(jiān)測手段聯(lián)合進(jìn)行，并形成完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

除此之外，現(xiàn)有的監(jiān)測方法取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)基本不能進(jìn)行準(zhǔn)確的塌陷時(shí)間預(yù)報(bào)，因此還應(yīng)加大科研經(jīng)費(fèi)投入，研發(fā)塌陷土體變形直接監(jiān)測預(yù)報(bào)的新技術(shù)和新手段，并加強(qiáng)新技術(shù)、方法在巖溶塌陷監(jiān)測工作的應(yīng)用研究，爭取在塌陷的長效性監(jiān)測方面取得突破，在塌陷時(shí)間、地點(diǎn)方面得出較為準(zhǔn)確的、能作為塌陷防治依據(jù)的預(yù)報(bào)成果,為塌陷防治和應(yīng)急措施提供指導(dǎo)。