武漢市巖溶地面塌陷監(jiān)測技術(shù)探討

沈 銘，楊 濤，趙新建

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

武漢市巖溶地面塌陷監(jiān)測技術(shù)探討

沈 銘，楊 濤，趙新建

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

武漢市內(nèi)碳酸鹽巖分布廣泛，隨著城區(qū)范圍不斷擴(kuò)展，人類工程活動的加劇，武漢市巖溶塌陷時有發(fā)生，且發(fā)生頻率有逐年增高之勢，巖溶地質(zhì)環(huán)境問題對武漢市的城市建設(shè)造成的不利影響日漸突出。采用一定的監(jiān)測技術(shù)，可以有效地提前預(yù)報巖溶塌陷前兆，結(jié)合巖溶地質(zhì)環(huán)境分析，可以預(yù)防和減少巖溶地質(zhì)災(zāi)害的危害。

巖溶;地面塌陷;監(jiān)測

0 引言

近年來，隨著武漢市經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，人類工程活動加劇，在武漢市巖溶分布帶上及周邊的城市建筑愈來愈多，抽排地下水、荷載等人為改變地質(zhì)環(huán)境的影響也更加劇烈，由此引發(fā)的巖溶地面塌陷災(zāi)害時有發(fā)生，嚴(yán)重妨礙了城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性、隱蔽性，選擇有效的監(jiān)測方法，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，結(jié)合巖溶地質(zhì)環(huán)境綜合分析，提前預(yù)報巖溶塌陷前兆，對預(yù)防和減少巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的危害具有重要意義。

1 巖溶地面塌陷與危害

武漢市由隔江鼎立的武昌、漢口、漢陽三鎮(zhèn)組成，全市現(xiàn)轄13個區(qū)(7個中心城區(qū)、6個新城區(qū))、3個國家級開發(fā)區(qū)(武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)、吳家山臺商投資區(qū))，常住人口900多萬人。是湖北省省會和政治、經(jīng)濟(jì)及文化中心，是內(nèi)陸地區(qū)的金融、商業(yè)、貿(mào)易、物流、文化中心。武漢市內(nèi)的巖溶地質(zhì)條件十分復(fù)雜，總體呈近東西向分布，數(shù)條碳酸鹽巖條帶橫跨長江，巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害常有發(fā)生，1931年8月即有明確記載，當(dāng)時塌陷導(dǎo)致江堤潰口，白沙洲淹沒，在該段形成倒口湖。經(jīng)過調(diào)查，近三十年來武漢市區(qū)先后發(fā)生過20余次(處)巖溶塌陷(圖1)。

從1977年9月到2011年12月，武漢地區(qū)先后發(fā)生漢陽區(qū)中南軋鋼廠、青菱鄉(xiāng)烽火村、武昌白沙洲長江紫都花園、武漢市民政學(xué)校、武漢供電局南湖變電站等地面塌陷，造成民房倒塌，供電系統(tǒng)、道路破壞等經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦娜松碡敭a(chǎn)安全［1］。

圖1 武漢市巖溶地面塌陷分布圖Fig.1 Distribution map of karst surface collapse

照片1 武漢市青菱鄉(xiāng)烽火村1號塌陷坑Photo 1 No.1 collapse pit in Fenghuo Village

照片2 漢南區(qū)陡埠村巖溶塌陷1號坑Photo 2 No.1 collapse pit in Doubu Village

2 巖溶地面塌陷監(jiān)測技術(shù)與方法

武漢市巖溶地面塌陷區(qū)位于長江一級階地中、前緣，上覆土層為第四系全新統(tǒng)松散堆積層(Q4)，覆蓋層厚度5～25 m，土層中有土洞存在，覆蓋層下可溶性碳酸鹽巖淺部巖溶發(fā)育，頂界面上有開口巖溶洞室(半充填、無充填)，有搬運、儲存大量潛蝕物所需的通道和空間，由于水動力條件發(fā)生改變、附加荷載等原因，第四系松散沉積物形成土層塌陷或溶洞頂板陷落而形成巖溶地面塌陷。根據(jù)上述特點，監(jiān)測預(yù)警技術(shù)主要從巖土體、建筑變形和地下水三方面考慮，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件分析進(jìn)行巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報。

2.1 變形監(jiān)測

2.1.1 上部覆蓋層土體擾動性和土洞探測

武漢市巖溶塌陷地區(qū)在塌陷之前，上覆土層會出現(xiàn)擾動和形成土洞現(xiàn)象，土洞的發(fā)展可通過砂層擾動、土體的應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)，同時土層中孔隙水會發(fā)生一定變化。監(jiān)測方法可采用地質(zhì)雷達(dá)固定剖面掃描、埋設(shè)土體壓力盒、孔隙水壓力計來進(jìn)行。

(1)地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測 地質(zhì)雷達(dá)屬于電磁波物理探測技術(shù)，通過天線將高頻電磁波呈寬帶脈沖形式向發(fā)射至地層中，通過另一天線進(jìn)行回收放大、記錄、處理，通過地質(zhì)雷達(dá)定期、定線路探測掃描對比，結(jié)合所掌握的地質(zhì)資料綜合分析，可以推斷地下土體的變化，從而達(dá)到監(jiān)測土洞的形成發(fā)展過程，可以預(yù)測巖溶塌陷(圖2)［2］。地質(zhì)雷達(dá)相對于其他遙感探測方法而言優(yōu)點是在一定深度范圍內(nèi)對水異常敏感，武漢市巖溶地區(qū)上覆土層主要為粉質(zhì)黏土和沙，土體中孔隙水含量高，地質(zhì)雷達(dá)對土洞判斷較準(zhǔn)確，不足是探測線路一定范圍內(nèi)不能有干擾體，特別是高磁物體對地質(zhì)雷達(dá)效果影響很大，由于雷達(dá)頻譜的關(guān)系，對于15 m以下土洞探測有一定的缺陷。

(2)土體壓力及孔隙水變化監(jiān)測 通過對武漢市巖溶地面塌陷區(qū)域內(nèi)土層和孔隙水監(jiān)測分析，頻繁的地下水壓力變化會造成第四系土層變形破壞，當(dāng)水(氣)壓力作用于第四系土層底部達(dá)到其極限破壞值時，第四系土層就會發(fā)生破壞從而產(chǎn)生地面塌陷，地下水(氣)作用于第四系土層的壓力可以通過監(jiān)測土體壓力盒、孔隙水的變化實現(xiàn)，從而監(jiān)測預(yù)報巖溶地面塌陷的發(fā)生。缺點是監(jiān)測區(qū)域內(nèi)土體上荷載不均勻的變化，會帶來土層中壓力和孔隙水壓力的不均勻、不規(guī)律變化，從而影響監(jiān)測效果。

2.1.2 巖土層變形監(jiān)測

多年實踐表明，對于巖溶塌陷預(yù)測預(yù)報，要抓住兩個方面，一是塌陷成災(zāi)機(jī)理和巖溶塌陷的前兆現(xiàn)象，二是取得這些前兆現(xiàn)象變化過程的資料，分析判斷其發(fā)展趨勢，為及時采取應(yīng)急處置措施提供依據(jù)，巖土層變形監(jiān)測顯得尤為重要。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測土洞發(fā)育對比圖Fig.2 Contrast diagram of soil cave development

(1)合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(INSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡稱干涉雷達(dá)測量) 它是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對地觀測新技術(shù)。Massonnet(1993)等人利用ERS1/2 SAR數(shù)據(jù)采集了Landers地震(M=7.2，1992)的形變場，并將 DINSAR的測量結(jié)果與其它類型的測量數(shù)據(jù)以及彈性形變模型進(jìn)行比較，結(jié)果相當(dāng)?shù)匚呛?，DINSAR從此發(fā)展成為一種專門監(jiān)測地表形變的新技術(shù)，可高精度地監(jiān)測大面積的微小地面形變(圖3)。其特點是遙感方式為全天候、全天時作業(yè)，測量結(jié)果具有連續(xù)的空間覆蓋優(yōu)勢，可對地殼變形進(jìn)行準(zhǔn)確的測量與檢測，是地殼構(gòu)造變形(板塊動力學(xué)理論、地震、造山等)研究的一個新的強(qiáng)有力工具。其缺點是無法對細(xì)小目標(biāo)(如某個建筑物)的變形進(jìn)行監(jiān)測，大氣效應(yīng)對成像、研判影響較大。

(2)GPS監(jiān)測技術(shù) GPS監(jiān)測手段以其精度高、快捷、可靠等優(yōu)點，在變形監(jiān)測方面有著極大的優(yōu)勢。巖溶地面塌陷災(zāi)害是一種持續(xù)變形而引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，在其形成過程中，由于巖石內(nèi)部及上覆土層水環(huán)境的變化，必然引起巖石及覆蓋層的蠕動變形，引起地表位移和沉降，通過對變形的監(jiān)測，能有效反應(yīng)變形過程和特性。為了適應(yīng)巖溶地面塌陷的研究需要，GPS監(jiān)測點主要布置于前期研究有塌陷趨勢的地帶，在邊緣地帶布置少量的對比監(jiān)測點。塌陷中心地帶GPS監(jiān)測點根據(jù)經(jīng)濟(jì)狀況可以選定部分點布置分層監(jiān)測點、即部分點監(jiān)測地下基巖頂面的變形情況，部分監(jiān)測點用于監(jiān)測地面變形情況，兩種監(jiān)測點可以采用分層標(biāo)墩，以更好地反應(yīng)巖石及上覆蓋層的變化和相互作用。在經(jīng)濟(jì)條件容許的情況下，可以進(jìn)行全天候監(jiān)測，數(shù)據(jù)采用光纖自動傳輸。采用雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)測量，平面精度和高程精度測量精度可以達(dá)到mm，但是進(jìn)行高差比較時，由于橢球、信噪比、電離層對流層延遲、鐘差等因素在不同時段的影響不同，很難通過人為方式干預(yù)，故一般高程只能達(dá)到cm精度。所以采用GPS監(jiān)測技術(shù)平面位置位移可以滿足監(jiān)測要求，垂直位置位移僅能作為先兆預(yù)判參考。

圖3 INSAR技術(shù)監(jiān)測地下采礦引起地面變形Fig.3 Ground deformation monitored by INSAR

(3)精密水準(zhǔn)測量監(jiān)測技術(shù) 精密水準(zhǔn)測量是指一、二等水準(zhǔn)測量，具有精度高、方法簡便、反應(yīng)直觀簡潔等特點，是垂直位移監(jiān)測常用的方法。根據(jù)武漢市巖溶地面塌陷區(qū)的特點和監(jiān)測方法，本文所指精密水準(zhǔn)測量是指二等水準(zhǔn)測量。由于武漢市的巖溶塌陷區(qū)域分布較廣，呈點狀，組成統(tǒng)一的二等水準(zhǔn)網(wǎng)單次觀測周期較長，不利于體現(xiàn)各地域沉降特征，故采用同一規(guī)劃、分級布設(shè)的原則。將各監(jiān)測區(qū)域的基準(zhǔn)點選在監(jiān)測塌陷區(qū)域外圍、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，采用二等水準(zhǔn)觀測，每半年或一年觀測一次，采用統(tǒng)一平差后的結(jié)果作為各監(jiān)測區(qū)域的起算點和校核點;各監(jiān)測區(qū)域內(nèi)按規(guī)范布設(shè)一定監(jiān)測點，采用二等水準(zhǔn)方法每月觀測一次，遇到雨季、旱季和變形大時加密監(jiān)測，這樣就形成了監(jiān)測區(qū)域統(tǒng)一的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，能夠及時準(zhǔn)確地反映不同地質(zhì)環(huán)境下巖溶塌陷區(qū)域地面沉降的特性，從而預(yù)報塌陷發(fā)生的可能性。

2.1.3 巖溶帶線狀重點工程土體垂直變形監(jiān)測

隨著發(fā)展，城市建設(shè)項目不可避免要通過巖溶區(qū)域，特別是公路、管線等線狀地物，垂直位移監(jiān)測采用GPS監(jiān)測技術(shù)或精密水準(zhǔn)測量涉及選點、網(wǎng)形、經(jīng)濟(jì)、維護(hù)等方面問題，這時可以采用光導(dǎo)纖維監(jiān)測技術(shù)。光導(dǎo)纖維監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)最大測量距離為80 km，應(yīng)變量測范圍為 －1.5% ～1.5%，應(yīng)變測量精度達(dá)±0.003%。目前該監(jiān)測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國防軍事、航空航天、地質(zhì)工程、水利工程、醫(yī)療、電力能源、環(huán)保等諸多領(lǐng)域，特別是在變形監(jiān)測方面。它既能對早期的土層小變形作出反應(yīng)，又能對中后期土層的大變形(如垮塌)作出反應(yīng)。在公路、重要管線(如天然氣管道)等重要線狀工程施工時，在巖溶區(qū)將光纖按照一定深度間隔與線狀工程同時設(shè)計、鋪設(shè)，為了取得對比效果，根據(jù)需要在非塌陷區(qū)域也布設(shè)一定對比光纖，當(dāng)線狀工程投入使用后，即可不斷獲得路基不同位置的土層垂直變形情況，從而判斷可能發(fā)生塌陷的時間和位置。光導(dǎo)纖維監(jiān)測技術(shù)具有多路復(fù)用分布式、抗電磁干擾、工作頻帶寬、長距離、實時性、精度高和長期耐久等特點，通過合理的布設(shè)，可以方便地對目標(biāo)體的各個部位進(jìn)行監(jiān)測，也可以包裹式對監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。

2.1.4 建筑物變形監(jiān)測

巖溶地面塌陷發(fā)育過程中，由于塌陷區(qū)內(nèi)及邊緣建筑物基礎(chǔ)會隨著塌陷的發(fā)育應(yīng)力發(fā)生改變，建筑物會產(chǎn)生變形，表現(xiàn)出沉降、開裂、位移等變形現(xiàn)象，通過對這些現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合其他監(jiān)測方法，能對塌陷災(zāi)害進(jìn)行有效分析、預(yù)防，同時能對塌陷區(qū)內(nèi)變形建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

(1)建筑物沉降監(jiān)測 采用精密水準(zhǔn)方法，也可用液體靜力水準(zhǔn)儀、氣泡傾斜儀、電子水準(zhǔn)器等進(jìn)行測量。定期對埋設(shè)在建筑物上的標(biāo)志進(jìn)行觀測，計算出沉降量，繪制沉降曲線，判斷沉降產(chǎn)生的原因及危害性。

(2)裂縫監(jiān)測 對于建筑物受外力產(chǎn)生的裂縫，在裂縫兩側(cè)及中間設(shè)置觀測標(biāo)志，定期觀測其位置變化，以取得裂縫的大小和走向等資料。通過對裂縫的張裂程度進(jìn)行分析，判斷應(yīng)力產(chǎn)生的原因及危害情況。

(3)位移監(jiān)測 使用邊角法、測角前方交會法、經(jīng)緯儀投影法、觀測水平角法、激光準(zhǔn)直法和垂線觀測法等，按一定周期來測定建筑物上觀測點的位置變化。

對于測定建筑物沉降、裂縫、位移，還可以采用近景攝影測量方法，使用攝影經(jīng)緯儀、普通攝影機(jī)或高速攝影機(jī)，按正直、等偏、交向等攝影方式，在一定時間段或瞬間連續(xù)記錄建筑物和試驗?zāi)Ｐ偷拇罅奎c位變形信息，按最小二乘法與統(tǒng)計檢驗的原理求得回歸方程，從而找出變形的規(guī)律性，以推算、預(yù)報今后的變形情況，研究應(yīng)采取的措施。

2.2 地下水動態(tài)變化監(jiān)測

地下水動態(tài)監(jiān)測可采用自動化監(jiān)測儀監(jiān)測，同時監(jiān)測水位的變化和水流方向(照片3)。巖溶區(qū)內(nèi)地下水類型可分為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水，地下水對區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的影響主要表現(xiàn)在水位下降和水位波動，由于水位變化而引起區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件發(fā)生改變。頻繁的地下水位變化會造成第四系土層的變化破壞，當(dāng)水(氣)壓力變化或作用于第四系底部土層的水壓力達(dá)到該地層土體的承受臨界值，第四系土層就會發(fā)生破壞，進(jìn)而產(chǎn)生地面塌陷。地下水動態(tài)監(jiān)測主要查明區(qū)內(nèi)各地下水的動態(tài)變化情況，分析與相鄰含水層之間的水力聯(lián)系等，通過地下水動態(tài)變化監(jiān)測，可以對巖溶塌陷進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報。

照片3 地下水動態(tài)監(jiān)測點Photo 3 Dynamic monitoring points of groundwater

3 結(jié)語

單一采用某種監(jiān)測方法不利于系統(tǒng)研究巖溶塌陷形成機(jī)理，在實際工作中，可以預(yù)防與治理相結(jié)合，通過勘查進(jìn)行巖溶塌陷危險性分區(qū)評價。對于巖溶塌陷災(zāi)害嚴(yán)重危險區(qū)域，采用控制地下水開采、灌漿封固等技術(shù)手段進(jìn)行塌陷治理;對于潛在危險區(qū)域，采用GPS、合成孔徑雷達(dá)干涉測量、精密水準(zhǔn)測量、建筑物變形監(jiān)測和地下水動態(tài)監(jiān)測來監(jiān)測塌陷變形前兆，同時輔以地質(zhì)雷達(dá)和孔隙水壓力監(jiān)測判斷發(fā)展趨勢，采取合理的預(yù)防措施;對于條帶狀重點工程，埋設(shè)光導(dǎo)纖維對土層進(jìn)行變形監(jiān)測，發(fā)揮各種監(jiān)測方法優(yōu)勢，形成系統(tǒng)的巖溶地面塌陷監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，預(yù)報、預(yù)防巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，可以減少災(zāi)害對人民群眾和社會的危害。

［1］ 趙德君，等.武漢市地面塌陷災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測預(yù)警［R］.武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2009.

［2］ 李瑜，朱平，等.巖溶地面塌陷監(jiān)測技術(shù)與方法［J］.中國巖溶，2005(2):104.

(責(zé)任編輯:陳文寶)

Discussion on Monitoring Technology of Karst Surface Collapse

SHEN Ming，YANG Tao，ZHAO Xinjian
(Hubei Geological Environment Station，Wuhan，Hubei435000)

Carbonate rocks are widely distributed in Wuhan city.With the expansion of urban field and intensity human engineering activities，karst collapse in Wuhan has occurred，and the frequency has increased year by year.The use of certain monitoring technologies that can effectively advance prediction of karst collapse precursor.Combined with analysis of karst geological environment can prevent and reduce harm of karst geological disasters.

karst;surface collapse;monitoring

P642.26

A

1671－1211(2014)02－0177－04

2013－08－16;改回日期:2014－02－21

沈銘 (1970－)，男，高級工程師，測繪工程專業(yè)，從事測量工作。E－mail:shengming1988@163.com