巖溶區(qū)域周邊構(gòu)筑物、地面致沉及監(jiān)控量測研究

胡長令 張少波 章昊

【摘要】巖溶地面塌陷是一個復(fù)雜而危險的地質(zhì)災(zāi)害，需要采用有效的監(jiān)控測量技術(shù)進行預(yù)警和預(yù)防。傳統(tǒng)的監(jiān)測測量技術(shù)包括現(xiàn)場測量、實測分析和形變監(jiān)測等，而現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖溶地面塌陷的監(jiān)測，包括遙感技術(shù)、地震監(jiān)測技術(shù)、聲波測量技術(shù)、微型測震儀等。為了解決監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、處理和分析的問題，一些新技術(shù)也被引入到巖溶地面塌陷的監(jiān)測中，如無人機技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等。這些監(jiān)測技術(shù)為巖溶地面塌陷的防范和減輕損失提供了有力支持，但仍需進一步加強監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析，以提高預(yù)警和預(yù)防的精度和有效性。

【關(guān)鍵詞】巖溶地區(qū)；地面塌陷；地面致沉；監(jiān)控量測

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.03.060

Study on Settlement of Surrounding Structures and Ground in Karst Area and Its Monitoring and Measurement

HU Changling，ZHANG Shaobo，ZHANG Hao

（China Water Conservancy and Hydropower Seventh Engineering Bureau Chengdu Hydropower Construction Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 611130，China）

Abstract：Karst ground collapse is a complex and dangerous geological disaster，which requires effective monitoring and measurement technology for early warning and prevention. Traditional monitoring techniques include field measurement，actual measurement analysis and deformation monitoring，while modern monitoring techniques have been widely used in monitoring karst ground collapse，including remote sensing technology，earthquake monitoring technology，acoustic wave measurement technology，micro seismometer and so on. In order to solve the problems of monitoring data collection，processing and analysis， some new technologies have also been introduced into the monitoring of karst ground collapse，such as UAV technology，Internet of Things technology，artificial intelligence technology and so on. These monitoring technologies provide strong support for preventing and reducing the loss of karst ground collapse，but it is still necessary to further strengthen the processing and analysis of monitoring data to improve the accuracy and effectiveness of early warning and prevention.

Key words：karst area；ground collapse；ground subsidence；monitoring measurement

0引言

地面塌陷是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，其中巖溶地面塌陷是一種特別危險的類型。它的發(fā)生往往伴隨著嚴重的經(jīng)濟和環(huán)境損失，對社會和人類的影響也日益突出。為了預(yù)防和減輕巖溶地面塌陷的損失，需要采用有效的監(jiān)測和防治措施。本文詳細描述了巖溶地面塌陷的成因，包括溶洞發(fā)育、地下水位下降、周邊構(gòu)筑物等因素，并闡述了監(jiān)控測量技術(shù)在巖溶地面塌陷防治中的應(yīng)用。從傳統(tǒng)到現(xiàn)代的監(jiān)測技術(shù)都被涵蓋，包括現(xiàn)場測量、遙感技術(shù)、地震監(jiān)測、聲波測量、微型測震儀、無人機技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)等。

1巖溶地面塌陷機理研究概述

中國喀斯特地貌的類型豐富多樣，這種地貌的物質(zhì)基礎(chǔ)是碳酸鹽巖石，如石灰石、白云巖、石膏和巖鹽等，這些巖石在全國范圍內(nèi)廣泛分布。

巖溶地面塌陷是一種由于地下溶洞、巖溶裂隙等物質(zhì)的溶蝕和遷移，導(dǎo)致地面下沉或坍塌的地質(zhì)災(zāi)害。巖溶地面塌陷的形成與多種因素密切相關(guān)，包括地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造應(yīng)力等。

在地質(zhì)條件方面，巖溶地面塌陷主要發(fā)生在石灰?guī)r、石膏巖、白云巖等具有強溶蝕性的地層中。這些地層具有良好的透水性和孔隙度，容易被地下水穿刺和侵蝕形成洞穴，使地面不穩(wěn)定并最終導(dǎo)致塌陷。

在水文地質(zhì)條件方面，地下水位、地下水動態(tài)變化和地下水化學特性等因素也對巖溶地面塌陷起到了影響作用。地下水位是巖溶塌陷的重要誘因之一，地下水流動加速了巖石的溶蝕和物質(zhì)遷移，導(dǎo)致地面下沉或坍塌。地下水動態(tài)變化也會對巖溶地面塌陷產(chǎn)生影響，當?shù)叵滤幌陆禃r，孔隙中的水分向下移動，同時溶質(zhì)隨著水分的遷移而沉積在巖層中，形成的支撐力減少，從而導(dǎo)致地面沉降或坍塌。此外，地下水化學特性，如含有二氧化碳的酸性地下水，會加速巖石的溶蝕速度，加劇巖溶塌陷的程度。

在構(gòu)造應(yīng)力方面，地表上覆蓋的土層和建筑物等構(gòu)筑物的重量，會使地下巖溶裂隙發(fā)生變形和破壞，從而導(dǎo)致地面塌陷，此外，構(gòu)造應(yīng)力的變化也會影響地面的穩(wěn)定性。

為了深入研究巖溶地面塌陷機理，現(xiàn)代科技手段得到了廣泛應(yīng)用。例如，地球物理探測技術(shù)可以通過地震波、電磁波等方式獲取地下結(jié)構(gòu)信息，揭示巖溶地下結(jié)構(gòu)和空間特征。地球化學技術(shù)可以通過水化學分析、同位素分析等方法研究地下水的來源、流向和化學特性等信息，揭示水文地質(zhì)特征和水文地球化學過程。遙感技術(shù)可以通過衛(wèi)星圖像和遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測地表變化，包括地表沉降、地面變形等，為巖溶塌陷的誘發(fā)因素提供數(shù)據(jù)支撐。同時，數(shù)值模擬技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于巖溶地面塌陷機理的研究中，包括有限元分析、離散元方法、計算流體力學等，通過數(shù)值模擬可以對地下水流、溶洞發(fā)育、巖溶塌陷等過程進行模擬和預(yù)測，為巖溶地面塌陷的防治提供決策依據(jù)。

巖溶地面塌陷機理是一個復(fù)雜而多元的問題，需要從地質(zhì)、水文地質(zhì)、構(gòu)造等多個方面進行綜合研究，結(jié)合現(xiàn)代科技手段開展定量分析和數(shù)值模擬，為巖溶地面塌陷的預(yù)防和治理提供科學依據(jù)。

2巖溶地面塌陷誘因分析

巖溶地面塌陷是指在覆蓋巖溶地區(qū)，由于外部因素的作用，導(dǎo)致土壤顆粒流失，地面發(fā)生塌陷現(xiàn)象。在中國，喀斯特巖石的面積很大，約占全國土壤的三分之一以上，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，有30多個大中城市、420個縣市處于崩塌風險最大的地區(qū)，40余座礦山、25條鐵路、數(shù)百座水庫連續(xù)一段時期發(fā)生巖溶塌陷。很多喀斯特地質(zhì)災(zāi)害是由人類活動造成的，其中地下水和礦山排水的過度開采是巖溶土塌陷的主要原因。

巖溶地面塌陷的誘因有很多，可以分為直接誘因和間接誘因兩類。直接誘因包括水入滲、大規(guī)模巖溶突水、道路鐵路等工程施工、地下水位下降、污染等，這些因素直接作用于土壤顆粒，引起地面的運動學響應(yīng)。間接誘因包括挖掘場大規(guī)模充注巖溶水、地下礦山開采、當?shù)厮虼笠?guī)模開采、施工降水等，這些因素并不直接作用于土壤顆粒，而是通過其他因素間接地作用于土壤顆粒，引起地面的運動學響應(yīng)，過程如圖1所示。

巖溶地區(qū)的建設(shè)活動也是巖溶地面塌陷的重要誘因之一。大規(guī)模的建筑、道路、鐵路等工程施工過程中，常常需要進行爆破和挖掘作業(yè)，這些作業(yè)會直接或間接地影響巖溶地質(zhì)條件，引發(fā)地面塌陷。另外，過度開采地下水和礦產(chǎn)資源也會對巖溶地面塌陷造成影響，地下水和礦產(chǎn)資源的開采會導(dǎo)致地下水位下降、土壤失去支撐力，從而引發(fā)地面塌陷。

人類活動的污染也可能導(dǎo)致巖溶地面塌陷的發(fā)生，在喀斯特地區(qū)，由于土壤層厚度較薄，水、空氣、化學物質(zhì)等污染物質(zhì)容易滲透到巖石層中，使得巖石發(fā)生化學腐蝕和物理變化，失去支撐力而造成塌陷。

巖溶地面塌陷的誘因非常多，為了避免和減少巖溶地面塌陷的發(fā)生，需要加強對喀斯特地區(qū)的保護和管理，并控制人類活動的強度和影響。

3周邊構(gòu)筑物、地面致沉及監(jiān)控量測

巖溶地面塌陷是一個復(fù)雜而危險的地質(zhì)災(zāi)害，需要采用有效的監(jiān)控測量技術(shù)進行預(yù)警和預(yù)防。近年來，監(jiān)測技術(shù)不斷得到改進和創(chuàng)新，涵蓋了從傳統(tǒng)到先進的多種測量方法。

首先，傳統(tǒng)的監(jiān)測測量技術(shù)包括現(xiàn)場測量、實測分析和形變監(jiān)測等。其中，現(xiàn)場測量主要是通過實地勘探、鉆孔、探洞等方式獲得地質(zhì)信息，包括地下水位、巖層性質(zhì)、巖溶洞穴結(jié)構(gòu)等。實測分析是通過采樣、化驗等方法對土壤、巖石等地質(zhì)材料進行分析，獲得它們的物理力學特性。形變監(jiān)測主要通過精密測量儀器記錄地面和結(jié)構(gòu)物的形變變化，如激光位移計、壓力計等。

隨著科技的進步，現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖溶地面塌陷的監(jiān)測。例如，遙感技術(shù)可以利用衛(wèi)星圖像和遙感數(shù)據(jù)對地表變化進行監(jiān)測，包括地表沉降、地面變形、洞穴發(fā)展等。地震監(jiān)測技術(shù)可以通過地震儀器記錄地震震級、震源、地震波傳播路徑等信息，幫助預(yù)測和監(jiān)測地震活動對巖溶地面塌陷的影響。聲波測量技術(shù)可以用于測量巖溶洞穴的形態(tài)和大小，通過聲波傳播速度計算巖溶洞穴的體積和空間結(jié)構(gòu)。微型測震儀可以監(jiān)測巖溶洞穴內(nèi)的微震活動，幫助預(yù)測洞穴的穩(wěn)定性和發(fā)展趨勢。

此外，為了解決監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、處理和分析的問題，一些新技術(shù)也被引入到巖溶地面塌陷的監(jiān)測中。例如，無人機技術(shù)可以通過航拍和數(shù)據(jù)處理獲取高分辨率的地形圖像和三維模型，用于監(jiān)測地表變化和洞穴結(jié)構(gòu)的演變。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測地面沉降、結(jié)構(gòu)物變形等參數(shù)，將數(shù)據(jù)上傳到云端進行分析和處理，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和預(yù)警。人工智能技術(shù)可以通過深度學習和模型優(yōu)化，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動處理和分析，提高監(jiān)測的精度和效率。

監(jiān)控測量技術(shù)的應(yīng)用不僅可以及時發(fā)現(xiàn)巖溶地面塌陷的預(yù)警信號，減輕損失，還可以為巖溶地質(zhì)研究提供更多的數(shù)據(jù)支持。但是，監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用也面臨著一些挑戰(zhàn)和限制。首先，不同的監(jiān)測技術(shù)在不同的地質(zhì)條件下的適用性存在差異，需要根據(jù)實際情況選擇合適的監(jiān)測技術(shù)。其次，監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理和分析需要專業(yè)的技術(shù)人員和設(shè)備支持，成本較高。此外，監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度和可靠性也受到監(jiān)測儀器的精度和誤差等因素的影響。

監(jiān)控測量技術(shù)在巖溶地面塌陷的預(yù)警和預(yù)防中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的監(jiān)測測量技術(shù)和現(xiàn)代的新技術(shù)相結(jié)合，可以為巖溶地面塌陷的監(jiān)測提供更多的數(shù)據(jù)和信息支持。未來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，監(jiān)測測量技術(shù)將進一步提高精度和效率，為預(yù)防和減輕巖溶地面塌陷的損失提供更好的保障。

4結(jié)語

結(jié)語部分是整個文章的總結(jié)和反思，對于巖溶地面塌陷的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向進行了概括和分析。本文詳細介紹了巖溶地面塌陷的形成機理和影響因素，以及目前應(yīng)用于巖溶地面塌陷監(jiān)測的各種技術(shù)和方法。巖溶地面塌陷作為一種嚴重的地質(zhì)災(zāi)害，給人們的生命財產(chǎn)帶來了極大的威脅。因此，必須采取有效措施加強巖溶地面塌陷的預(yù)防和治理。

在未來的研究中，需要重點關(guān)注以下幾個方面。首先，加強對巖溶地質(zhì)條件的深入了解，深入研究地下水動態(tài)變化對巖溶地面塌陷的影響機理和規(guī)律。其次，進一步發(fā)展和完善巖溶地面塌陷的監(jiān)測技術(shù)，特別是在數(shù)據(jù)采集、處理和分析方面應(yīng)用更多新技術(shù)，同時，加強各種監(jiān)測手段之間的配合和整合，提高監(jiān)測的準確性和可靠性。最后，積極探索和應(yīng)用新型治理方法和技術(shù)，例如地下水位調(diào)節(jié)、填充加固和生態(tài)修復(fù)等，實現(xiàn)巖溶地面塌陷的有效治理和防控。

巖溶地面塌陷的研究和治理需要多學科、多角度的參與和協(xié)同，需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展。我們相信，在全社會的共同努力下，一定能夠有效預(yù)防和減輕巖溶地面塌陷的危害，保障人民生命財產(chǎn)安全，促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

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【作者簡介】

胡長令，男，1988年出生，工程師，學士，研究方向為建設(shè)工程管理。

（編輯：謝飛燕）