多技术方法相结合有效破解岩溶塌陷监测难题

摘要：以中国湘中、桂中、广州不同成因类型岩溶塌陷的详细调查为基础，深入分析岩溶塌陷形成机理，建立岩溶塌陷与主要影响因素的关系，提出岩溶塌陷动力监测和判据指标，研发判据测定方法，形成基于岩溶塌陷动力条件实时监测、分布式光电传感监测和地质雷达监测的岩溶塌陷监测技术方法体系，为岩溶区大型工程与城市规划建设和减灾防灾提供有力保障。

1. 项目概况

岩溶塌陷易导致地面各类建筑基础设施变形破坏，损毁土地资源，联通地表和地下水系统、加剧地下工程和矿坑突水突泥灾害，导致地表水体疏干、井泉干涸、地下水污染等生态环境风险。岩溶塌陷是岩溶区特有的地质灾害，据不完全统计，截至2015年，中国累计发生岩溶塌陷3315处。岩溶塌陷在时间上具突发性，在空间上具隐蔽性，常规地面变形测量手段往往难以达到对其监测预报的目的。2012年以来，中国地质科学院岩溶地质研究所岩溶塌陷研究团队，依托国土资源部公益性行业专项“岩溶塌陷监测关键技术研究”、地质调查项目“重点地区岩溶塌陷调查”等，以不同类型岩溶塌陷详细调查资料为基础，从岩溶塌陷发育的机理研究入手，通过创新研究，提出岩溶综合监测技术与方法，初步形成了岩溶塌陷预测预报技术方法体系。

2. 成果简介

（1）深入剖析大型岩溶充水矿山疏干、城市基础工程施工和极端降雨事件诱发岩溶塌陷形成过程、发育机理和主要影响因素，指出在岩溶塌陷形成演化过程中，岩溶管道裂隙系统水气压力变化是最为关键的动力因素，进而确定岩溶系统中水（气）压力的变化速度（V）或幅度（F），或作用于第四系底部土层（岩溶充填物）的水力坡度（J）作为岩溶塌陷发育判据指标，当它们达到某一定值时，第四系底部土层就会发生破坏，形成土洞，进而逐步扩展产生地面塌陷。为此，专门设计制作大型原状土样渗透变形试验系统，可通过钻探取样，测试不同位置土体的判据值。

（2）研发岩溶塌陷动力监测技术。提出通过孔隙水压力传感器和数据采集系统技术的应用，实现岩溶管道裂隙系统水（气）压力实时监测的岩溶塌陷动力监测技术方法，研发岩溶塌陷动力监测系统，制定监测井成井技术与传感器埋设方法，开发远程无线遥测软件和数据管理系统，通过综合分析获取的监测区岩溶管道裂隙系统水（气）压力变化速度、幅度和第四系底部土层（岩溶充填物）的水力坡度等数据，可预测岩溶塌陷的危险性。

（3）研发岩溶土洞（塌陷）分布式光电传感监测技术，实现塌陷点的早期定位。针对岩溶塌陷的隐蔽性、突发性及事前定位极为困难的特点，创造性地提出将BOTDR（布里渊光时域反射）、OTDR（光时域反射）和同轴电缆时域反射（TDR）技术应用到岩溶塌陷监测预警中的基本思路，通过综合分析，获取测线不同位置的土体变形量，进而确定潜在塌陷的位置和规模。通过光纤选型、标定、光纤铺设、变形测量和数据分析等成套技术和方法，建立了岩溶土洞（塌陷）分布式光电传感监测技术。提出把光纤（同轴电缆）沿测线埋设在土体中，土体的变形、破坏将会引起光纤（电缆）发生相应的应变甚至断点，因此通过测量光纤（电缆）不同位置的应变量或断点位置，就可以计算出相应位置土体的变形量或破坏位置、规模，达到对岩土体变形破坏连续监测的目的（图1）。

图1 岩溶土洞（塌陷）分布式光电传感监测技术

（4）利用地质雷达方便快捷可重复的特点，提出定线定期测量的监测方法，通过不同类型岩溶区的探测实验，明确了不同条件下地质雷达电性参数设置要求，实现岩溶塌陷隐患点的早期识别（图2）。地质雷达是以超高频电磁波作为探测场源，由一个发射天线向地下发射一定中心频率的无载波电磁脉冲波，另一天线接收由地下不同介质界面产生的反射回波，电磁波在介质中传播时，其传播时间、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及测试目标体的几何形态的差异而产生变化，根据接收的回波旅行时间、幅度和波形等信息，可探测地下目的体的结构和位置信息。用地质雷达沿固定测线定期扫描，通过结果比对，直接圈定异常区。在广西桂林—阳朔高速公路监测结果显示，该方法可实现对埋深10m以内、直径1m以上土洞或土层扰动带的准确定位。

图2 岩溶塌陷隐患早期识别技术

3. 成果意义

本项成果对提升中国应对隐蔽性突发性岩溶塌陷地质灾害的能力和水平具有重要意义。该成果是《岩溶塌陷对城镇和重大工程规划建设的影响分析报告》编写工作的重要支撑，通过该报告的编写，全面分析了中国岩溶塌陷发育状况及其对城市和重大工程规划建设的影响，并提出了相应的对策。形成的岩溶塌陷监测技术已成为当前正在实施的岩溶塌陷地质环境调查的重要内容，并已推广到武汉、泰安、深圳、重庆、广西贵港等城市岩溶塌陷防治勘查中。以项目研究为基础，在广州金沙洲、湖南宁乡、广西来宾、安徽铜陵建立了岩溶塌陷监测示范站。

（中国地质科学院岩溶地质研究所 雷明堂 蒋小珍 蒙彦 戴建玲 管振德供稿）