物探技術在巖溶塌陷災害監(jiān)測預警中的應用研究

李成香， 劉 磊， 周世昌， 王斌戰(zhàn)

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊，湖北 武漢 430056)

巖溶塌陷問題是近年來數(shù)量呈上升趨勢的一種地質(zhì)災害類型[1]。受巖溶發(fā)育的不均勻性和巖溶水作用特點的影響，巖溶塌陷的發(fā)育空間具有隱蔽性，發(fā)育過程具有累進性，塌陷的發(fā)生又具有突發(fā)性，單一的監(jiān)測方法難以達到巖溶塌陷監(jiān)測預警的目標。武漢市內(nèi)數(shù)條巖溶條帶總體呈近東西向分布，巖溶地質(zhì)條件十分復雜[2]。近年來，隨著人類工程活動的加劇，巖溶塌陷與人類工程活動的聯(lián)系越發(fā)密切，巖溶塌陷不僅造成人員傷亡、財產(chǎn)損失，而且還使城市建設、工程建設、公共設施、地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)平衡遭到破壞。復雜的巖溶地質(zhì)條件給工程建設，特別是地下工程建設帶來隱患與威脅，嚴重影響和制約著武漢市的城市規(guī)劃和建設[2-3]。

物探技術應用于地質(zhì)災害監(jiān)測領域起步比較晚，目前主要采用地質(zhì)雷達、微地震以及時移電法技術對特定地質(zhì)災害開展監(jiān)測預警[4-5]。

本文通過對巖溶塌陷物性模型的試驗，分析巖溶塌陷發(fā)生前、中、后的地球物理場特征，對比研究巖溶塌陷發(fā)生全過程的各種特征因子，形成一套適用于野外塌陷監(jiān)測的物探技術方法組合。

1 巖溶塌陷物性模型設計

野外模型試驗參照武漢市的巖溶地質(zhì)結構類型和巖溶地面塌陷類型設計。根據(jù)收集的武漢市地質(zhì)資料，按照碳酸鹽巖上覆蓋層的特點，將武漢市巖溶劃分為兩種類型，即覆蓋型巖溶區(qū)和埋藏型巖溶區(qū)[3]。武漢市2000年之后發(fā)生的主要巖溶塌陷地質(zhì)結構類型如表1所示。

分析誘發(fā)巖溶地面塌陷的因素，主要分成以下3種：①降水；②地下水活動；③工程建設活動產(chǎn)生的強震。

室內(nèi)模擬巖溶地面塌陷主要考慮地下水活動及工程建設活動產(chǎn)生的震動造成的影響。整個模型由供排水系統(tǒng)、主體模型和振動系統(tǒng)組成，同時，預留后期添加監(jiān)測傳感器等接口。為方便觀察，模型整體外圍使用加厚鋼化玻璃。其中，巖溶模型設計為上端開口小、下端腹腔隆起的形狀，其由整塊灰?guī)r巖石切割而成，巖溶模型高度為1 m、徑深為1 m，腹腔最寬處約為0.6 m。巖溶模型放置于長3 m、寬1.2 m、高1.1 m的底座內(nèi)，底座由混凝土澆筑而成(增強與巖溶的電性差異)。底座上方開口處設置為可調(diào)節(jié)開口角度的葉片(類似于百葉窗形式)，使用長3 m、寬1.2 m、高0.5 m的土槽，土槽下方不設底板，底座重合后直接用膠水封閉，土槽左端設置出水口，連接水箱。此次模擬試驗缺少排水口模擬抽取砂層水的影響過程及中間存在隔水層的情況。

表1 武漢地區(qū)巖溶地質(zhì)結構類型Table 1 Types of karst geological structure in Wuhan area

對整個巖溶塌陷物性模型，其主要觀測對象為土層結構，因此通過布設物探設備或傳感器，獲取土層物性參數(shù)變化特征(圖1)。

圖1 模型外觀及試驗過程Fig.1 Model appearance and test process

2 監(jiān)測方法簡介

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法又稱電阻率層析成像技術，是一種陣列式電阻率勘探方法。它以巖石、礦石的導電性、電化學活動性、介電性和導磁性的差異為物理基礎，使用專用的儀器設備，觀測研究地殼周圍物理場的變化和分布規(guī)律，進而解決地質(zhì)問題的地球物理勘察方法[4-6]。

2.2 微地震監(jiān)測

巖溶活動的地震信號和其它地震信號的屬性特征往往不同，如果從實時地震信號中分析到與巖溶活動相似的地震屬性時，可以對預報巖溶塌陷起到一定的輔助作用。這些屬性通常包括：振幅屬性、頻率屬性、H/V值等[7-9]。

2.2.1平均絕對振幅統(tǒng)計

對信號進行平均絕對振幅統(tǒng)計后可以從中識別出警報信號，再對摘選的眾多警報信號進行頻譜分析，以對警報信號按照頻譜特征進行分類。通過STA/LTA方法，可以有效識別出場地的強振幅信號，并為巖溶活動信號頻譜分析打下基礎。傳統(tǒng)的STA/LTA算法在微震監(jiān)測和強震檢測中用于識別突變信號，也就是瞬態(tài)強振幅信號。STA/LTA方法的理論原理如下：

(1)

式中：NS的值決定了節(jié)選的信號樣點數(shù)量；Z(j)為j時刻垂直分量的振幅值；N(j)為j時刻北向分量的振幅值；E(j)為j時刻東向分量的振幅值。

2.2.2頻譜計算

在試驗過程中設置好警報信號的門閥值，即STA/LTA的門閥值，可以捕獲傳感器周圍超幅的異常信號，采用統(tǒng)計學分析人類活動產(chǎn)生的強振幅信號頻次，再對異常信號進行頻譜分析，同時反向指導舍棄掉與巖溶活動不相關的震動活動，即實時強振幅信號的頻譜特征與人類活動的頻譜特征表現(xiàn)一致，就能夠排除巖溶活動的可能性。

2.2.3H/V譜比計算

基于微動的H/V方法相比于傳統(tǒng)微動技術是一種更加便捷的方法，又稱為三分諧振或HVSR方法，它是一種估算地表層振動共振頻率和放大的技術，能夠計算出微動信號的水平分量和垂直分量之比。典型的H/V譜比曲線具有一個或多個明顯的峰值頻率。H/V曲線的特征往往和地下淺部物性變化特征一一對應，通過分析監(jiān)測點H/V曲線隨時間的起伏變化規(guī)律，如：峰值數(shù)量、峰值帶寬、峰值斜率等，可以指示測量點土體物理性質(zhì)的改變，有利于發(fā)現(xiàn)巖溶活動的征兆。

3 巖溶塌陷模型試驗

室內(nèi)試驗和數(shù)據(jù)采集主要從誘發(fā)因素和武漢地區(qū)巖溶地質(zhì)結構類型方面進行考慮及模擬。從武漢市主要塌陷誘因分析，地下水活動是引起塌陷的關鍵因素，因此在模型上主要考慮模擬地下水活動引起的物性變化。

室內(nèi)試驗在制作的巖溶模型上完成。模型土槽為寬1 m、高1 m、長4.8 m的敞口玻璃容器，玻璃槽下方有厚1 m的灰?guī)r基底，在基底中部開鑿有體積約0.7 m3的空洞，模擬地下的巖溶洞穴。本次試驗模型設計為二元結構，玻璃容器下部為40 cm厚的砂層，砂層上部為40 cm 厚的黏土層。模型效果和試驗過程如圖1所示。

試驗過程持續(xù)40 min，分為降雨前、降雨中、降雨后。試驗過程情況統(tǒng)計如表2所示。

表2 試驗過程情況統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of experimental process

3.1 電性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

電性監(jiān)測采用高密度電法裝置，設置電極30根，電極距0.16 m，監(jiān)測排列總長度4.8 m左右，主要監(jiān)測模型上部約0.8 m厚的土層在不同狀態(tài)下的電性特征。

試驗現(xiàn)象：降雨發(fā)生約12—24 min，下部砂土開始流失，在16 min時砂土流失加劇，上部土層開始局部塌陷，塌陷持續(xù)到降雨約22 min左右開始逐漸減小，降雨在24 min時停止，但是下部砂土還在少量流失，32 min后，模型基本穩(wěn)定。

將降雨前后不同時間段采集的視電阻率數(shù)據(jù)繪制成剖面圖(圖2)進行對比。由圖2可以看出，在雨后模型視電阻率測量值集中在10～600 Ω·m，視電阻率在不同時間段發(fā)生明顯變化，降雨引起的融通塌陷在垮塌初期，視電阻率呈現(xiàn)降低趨勢，在垮塌后視電阻率局部逐漸升高。分析認為由于前期地層中的空隙充水導致視電阻率降低，垮塌發(fā)生后，下部形成較大的空洞使視電阻率局部升高。試驗表明砂土結構的模型，在發(fā)生塌陷時視電阻率值會發(fā)生明顯的變化。

圖2 模擬降雨實測視電阻率等值線圖Fig.2 Measured resistivity contour map of simulated rainfall

將降雨前后不同時間段采集的自然電位數(shù)據(jù)繪制成剖面圖(圖3)進行對比。從圖3可以看出，該模型自然電位集中在-130～80 mV，且分區(qū)非常明顯，降雨引起垮塌時，在垮塌部位自然電位會發(fā)生較大的變化。

試驗表明，當巖溶塌陷發(fā)生時淺表土層視電阻率和自然電位變化較大。在野外觀測中，若發(fā)現(xiàn)因非天氣原因造成的淺表土層視電阻率和電位變化較大時應引起高度重視。

圖3 模擬降雨實測自然電位等值線圖Fig.3 Measured natural potential contour map of simulated rainfall

3.2 震動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本次地震監(jiān)測試驗選用了意大利SolGeo公司生產(chǎn)的Dymas24地震振動系統(tǒng)、檢波器寬頻加速度計，頻率響應范圍為1～315 Hz，加速度動態(tài)范圍0～1 mm/s，試驗采樣率為200 Hz。分別在降雨前、降雨中、降雨后抽取其中的信號片段進行振幅計算、頻譜分析和H/V值計算。

3.2.1振幅頻率分析

圖4為降雨試驗時通過STA/LTA計算(采用STA為2 s，LTA為10 s計算)從中識別出多個片段的強震信號，其中14—18 min內(nèi)存在連續(xù)的強震信號與實驗室視頻記錄到的砂體流失、土層下陷及崩塌時間相一致；降雨試驗停止后的三分量振幅識別出少量強震信號，主要集中在24—32 min內(nèi)，32 min后巖溶活動逐漸停止，視頻記錄到停止人工降雨后砂體流失和土層下陷速度減慢，與降雨過程中的整個巖溶模型狀態(tài)相比，未見有大規(guī)模的垮塌現(xiàn)象發(fā)生；32 min后記錄到的強震信號為垮塌停止后人為走動造成的干擾信號。

圖4 12—24 min降雨試驗時STA/LTA計算的強震信號Fig.4 STA/LTA calculation of strong motion signals during 12—24 minute rainfall experiments

圖5為降雨試驗時巖溶活動信號的頻譜，從中可以看到3個顯著的波峰，第1個波峰約在5 Hz，第2個波峰約在24 Hz，第3個波峰約在31 Hz左右。因為有雨水滴落的干擾，從該頻譜中尚不能確認巖溶活動產(chǎn)生的信號主頻。

圖5 12—24 min降雨試驗時巖溶活動信號的頻譜Fig.5 Frequency spectrum of karst activity signal during 12—24 minute rainfall experiment

圖6為24—40 min降雨試驗停止后巖溶活動信號的頻譜，可以看出此時巖溶活動釋放的震動能量顯著高于安靜平穩(wěn)環(huán)境信號的能量，此時的頻譜主要表現(xiàn)了巖溶活動的信號特征。圖6中存在一個30 Hz左右的頻率峰值，即為巖溶活動信號的主頻，結合圖5可以確定巖溶活動釋放信號主頻大約為30 Hz。

圖6 24—40 min降雨試驗停止后巖溶活動信號的頻譜Fig.6 Spectrum of karst activity signal after 24—40 minute rainfall experiment stopped

圖7為截選的一個顯著塌陷信號。從波形特征上看，塌陷信號Z分量表現(xiàn)為突然跳起的脈沖信號，最大振幅呈現(xiàn)指數(shù)樣迅速衰減，信號持續(xù)時間約0.45 s；塌陷信號N分量表現(xiàn)為2段式脈沖信號(B、C)，信號持續(xù)時間約0.5 s；塌陷信號E分量表現(xiàn)為3段式脈沖信號(D、E、F)，信號持續(xù)時間約0.7 s。

筆者對試驗過程中儀器記錄的震動加速度值進行統(tǒng)計，統(tǒng)計分為三個階段：①平穩(wěn)段(0—12 min);②巖溶塌陷活躍段(12—26 min);③塌陷終止段(26—40 min)。統(tǒng)計不同幅值大小的加速度值百分比，并分析研究不同階段加速度幅值規(guī)律。圖8即為試驗過程中不同階段振幅占比直方圖，其中虛線代表全時段(0—40 min)幅值占比。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)當塌陷逐漸停止后(黃色)，<0.001 5 mm/s的振幅占比明顯高于前兩個階段,表明隨著上方砂層逐漸填充至土洞區(qū)域，上方土層逐漸壓實，無明顯的砂土掉落至溶洞內(nèi)部，強震信號減少。在巖溶活躍段，強振幅占比略高于全時段平均值，亦是由于巖溶活動引發(fā)了多個微震信號所導致。

圖7 塌陷信號波形特征Fig.7 Waveform characteristics of collapse signal

圖8 塌陷試驗振幅統(tǒng)計占比直方圖Fig.8 Statistical histogram of amplitude of collapse test

3.2.2H/V值計算及分析

圖9為試驗記錄按照2 min時間間隔抽取其中的平穩(wěn)信號(避開了干擾和垮塌信號)計算的H/V值。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，峰值和帶寬均發(fā)生了緩慢變化，峰值逐漸升高，帶寬逐漸變寬，即峰值和帶寬均具初始階段<孕育階段<塌陷階段的規(guī)律。

巖溶塌陷在大規(guī)模發(fā)生前會產(chǎn)生大量且連續(xù)的瞬態(tài)信號，在巖溶地面塌陷發(fā)生初期，微地震事件驟然增多，微地震事件的波形特征、頻次等出現(xiàn)異常；H/V曲線的峰值突然升高，且伴隨有波峰帶寬增大等特征。這些特征的出現(xiàn)可以推測土層物性正在發(fā)生改變，場地可能存在小規(guī)模的巖溶活動，預示大規(guī)模的巖溶垮塌正在孕育。

圖9 降雨試驗過程中不同時間段H/V值Fig.9 H/V value in different periods of rainfall test process

4 野外監(jiān)測點長周期觀測試驗

野外監(jiān)測示范點選擇在武漢市漢陽鸚鵡大道樂福園酒樓邊上，該位置于1977年9月發(fā)生巖溶塌陷，先后形成大小塌陷坑5處，最大塌陷坑直徑達到22 m，并造成人員傷亡和較大的經(jīng)濟損失。在該塌陷位置設置有兩個水文監(jiān)測孔，主要用于監(jiān)測地下水位和水溫的變化。根據(jù)收集的監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)，在8月20日—10月20日，監(jiān)測井位置地下水位總體呈現(xiàn)近似的線性下降趨勢，無明顯水位波動(圖10)。

野外監(jiān)測主要投入時移高密度電法和微地震監(jiān)測手段，并通過4G網(wǎng)絡功能實現(xiàn)遠程實時采集。遠程高密度每天測量3次，獲取監(jiān)測區(qū)地下電阻率分布特征(圖11)。

圖10 監(jiān)測點8月20日—10月20日地下水位統(tǒng)計Fig.10 Groundwater level statistics of monitoring points from August 20 to October 20

圖11 監(jiān)測點地下電性結構斷面圖Fig.11 Sectional drawing of underground electrical structure of monitoring points

觀察視電阻率變化率斷面圖發(fā)現(xiàn)，整體該區(qū)域的視電阻率在8月20日—10月19日呈現(xiàn)增大的區(qū)域，其變化規(guī)律與地下水位的高程變化正好相反，即：地下水位上升，視電阻率變小；地下水位下降，視電阻率變大。自然電位在觀測時間段內(nèi)，變化較小。因此視電阻率變化與土層含水性有關，不會發(fā)生塌陷，與實際情況一致。

運用微地震監(jiān)測野外監(jiān)測點，按照STA/LTA算法捕捉到多個強振幅信號，以10月12日捕捉到的強震信號為例(圖12)，該信號從波形上看Z分量表現(xiàn)為突然跳起的脈沖狀，但和實驗室的塌陷信號不同，其外形特征左右對稱，尾支未成指數(shù)樣衰減，而且N，E分量檢波器未記錄到同時刻的強振幅信號。這和實驗室采集到的巖溶垮塌信號頻譜顯著不同，為人類活動干擾造成的強震信號，而非巖溶活動信號。

圖12 按照STA/LTA算法捕捉到的某強振幅信號Fig.12 A strong amplitude signal captured by STA/LTA algorithm

兩個月里監(jiān)測點H/V值疊加曲線(圖13)變幅不大，總體形態(tài)穩(wěn)定，這表明監(jiān)測點下方的土石成分的物性特征沒有發(fā)生顯著改變。有少許日期H/V值曲線高頻成分出現(xiàn)了相對“跳起”的情況，排查原因發(fā)現(xiàn)當時場地屬于刮風時間段，防盜防雨箱抖動形成的高頻成分對監(jiān)測數(shù)據(jù)造成了一定干擾，但該高頻成分只影響極淺部位的數(shù)據(jù)品質(zhì)(約2 m以內(nèi))，不影響H/V值曲線對中深部地下物性成分的響應。

圖13 H/V值疊加曲線Fig.13 Superposition curve of H/V value

5 結論

(1) 通過模擬巖溶地面塌陷，獲取巖溶地面塌陷發(fā)生過程中土層電性變化，結果表明視電阻率與含水性有較大關系；在模型發(fā)生塌陷時，視電阻率和自然電位都發(fā)生較大的變化，并且在靠近塌陷部位兩者變化都會更加明顯。

(2) 室內(nèi)模型震動監(jiān)測結果顯示，巖溶活動的微地震監(jiān)測有較好的顯示，當巖溶塌陷發(fā)生時會產(chǎn)生突然跳起的脈沖信號，并且會出現(xiàn)連續(xù)固定頻率的瞬態(tài)信號；通過計算實時H/V值曲線分析，巖溶塌陷的H/V值曲線的峰值突然升高，且伴隨有波峰帶寬增大等特征出現(xiàn)，可以推測為土層物性正在發(fā)生改變，場地可能存在巖溶活動。

(3) 由于野外監(jiān)測點無明顯的地下水變化、無大的沉降，野外塌陷在長的監(jiān)測時間段內(nèi)，可能一直不會發(fā)生塌陷，因此很多模擬成果未得到驗證。建議后期在其它監(jiān)測點進行長周期觀測，并與其它手段的監(jiān)測結果進行對比分析，進一步完善試驗結論。