国内外岩溶塌陷监测方法综述

吴亚楠，周绍智，王延岭，焦玉国，陈伟清，程凤，赵志伟

(山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000)

0 引言

岩溶塌陷的日益频繁，成为岩溶区主要环境地质灾害。据不完全统计，全球已有16个国家存在严重的岩溶塌陷问题，我国是较为严重的国家之一。

岩溶塌陷地质灾害的广泛性和危害性，引起了国际社会的普遍关注，特别是20世纪70年代以来，先后召开了多次与岩溶塌陷有关的国际性会议。例如，1973年，国际工程地质协会在西德汉诺威首次举行“岩溶塌陷与沉陷—与可溶岩有关的工程地质问题”国际讨论会；1984—1995年在美国佛罗里达州先后举行了五届岩溶塌陷及其环境影响的多学科多维度的国际讨论会。

频发的岩溶塌陷灾害破坏了岩溶区工程设施，威胁人类的生命安全，严重影响并制约了岩溶区的社会经济可持续发展。由于岩溶塌陷的产生在时间上具有突发性，在空间上具有隐蔽性[1]，常规手段对岩溶塌陷的监测预报效果一般，因此选择有效的监测方法,对岩溶塌陷的监测预报具有重大的意义。

1 岩溶塌陷发育特征

岩溶塌陷是由于可溶岩洞(隙)上覆土体在自然或人为因素作用下向下塌落的现象，开口岩溶形态、上覆一定厚度的松散盖层及自然和人为外部作用力等是岩溶塌陷形成的基本条件[2-3]。大量研究表明，岩溶塌陷的发育和分布规律受形成条件的影响[4-9]。

(1)隐伏岩溶发育强度影响。岩溶的发育引起裂隙、溶洞等发育，导致岩溶空洞中地下水流速显著增大，因此对覆盖层的作用力增大，从而加速了塌陷的形成。

(2)构造发育程度影响。断裂带附近，岩石破碎，裂隙发育，是地下水的良好赋存空间和运移通道，地下水与岩石密切接触，溶蚀作用增强，从而加速溶洞及土洞的形成。

(3)土层结构、厚度影响。土层结构分为一元结构、二元结构和多元结构：一元结构土层岩性主要为粘性土，厚度一般较薄；二元结构和多元结构土层主要有粘性土、砂卵石层交互组成，厚度一般较厚；以往研究表白，相同条件下，二元结构和多元结构产生塌陷比一元结构容易。土层厚度主要影响地面塌陷坑的形成时间和规模，土层越厚，塌陷孕育的时间越长，塌陷坑规模越大[4]，另有研究表明，岩溶塌陷多发生在土层厚度30m以浅的地区[6]。

(4)水动力条件影响。地下水位及水压变动大的地带易发生岩溶塌陷，如地下水抽取过度形成的降落漏斗区、溶蚀洼地、河床两侧等地区[4]。研究表明，地下水位变幅大、变化速率大及水位长时间在基岩面上下波动的地区岩溶塌陷极易发生，山东省泰安市城区岩溶塌陷区为典型地区[6]。

2 岩溶塌陷监测内容

2.1 土体形变监测

土体形变主要是指土洞的发生、发展和砂性土体及软弱土体的内部变形，是塌陷监测的重点和难点。

2.2 地面沉降及构筑物变形监测

主要监测土体变形后已经引起地面变形和构筑物变位，包括地面标高降低和地面倾斜、构筑物变形、变位等。

2.3 水动力条件监测

水动力条件是诱发岩溶塌陷的最主要的动力条件，决定了岩溶洞穴扩展速率和上覆塌陷物质转移的速率。监测内容主要包括地下水水位、水质、水气压力监测，地表水及大气降水监测。

2.4 前兆监测

地表水、地下水异常变化监测。如地表水、地下水水位突变、混浊等现象，如2003年5月31日山东省泰安市东羊娄村产生巨大的岩溶塌陷，据走访记录，5月24日塌陷坑西侧即岩溶水运动的下游地区的岩溶水陆续出现了混浊现象。

2.5 地面变形监测

如地面出现环状裂缝并不断扩展，产生局部的地鼓或下沉现象。

3 岩溶塌陷监测技术与方法

3.1 土体形变监测

3.1.1 BOTDR光纤传感监测

BOTDR光纤传感又称布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer)光纤传感，是一类基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。该方法在国外主要用于大坝、桥梁等结构的监测，并取得了较好的效果；近年来，BODTR技术在我国国内岩土工程、土木工程上的应用亦得到有效开展，并在隧道工程、滑坡地质灾害监测等方面得到了应用[10-11]。2003年，该方法用于三峡库区巫山县滑坡地质灾害预警示范站监测[12]；2005年岩溶地质研究所将该技术应用于岩溶塌陷监测预报模型研究，验证该方法的可靠性和适用性[13]。

(1)工作原理：依据岩溶塌陷形成发展过程，在可能发生塌陷的地段埋设光纤设备，当土洞发育到一定程度时，光纤即可发生形变甚至断裂，通过对传感光纤应变的时空变化分析，判断土洞形成位置规模及过程，达到对岩土体变形破坏连续监测的目的(图1)[4]。

图1 BOTDR光纤传感监测原理示意图

(2)技术要求：BOTDR监测预报岩溶塌陷的核心是光纤对土体的变形响应，这就要求光纤必须与土体同步变形。光纤的铺设方式和深度主要取决于监测精度和监测场地地质条件，因此首先需要对监测场地的岩溶塌陷影响因素及已发生的塌陷特征进行调查研究。对于土层结构复杂或土层厚度较大的场地，一般采用多层铺设。根据监测精度，在同一层可选用栅格铺设，网格间距一般小于1m，各层之间网格应相互交叉[4,10-11]。同时，应剔除温度对光纤的影响，这一项尤为关键，需进行大量的测试模拟试验。

(3)应用实例：2005年中科院岩溶地质研究所开展了光纤传感技术监测预报岩溶塌陷的室内试验研究，研究表明，BOTDR光纤传感技术可以及时监测到不同位置土层的位移，圈定土洞发育及其影响范围，证明了该方法的适用性[10]。

(4)优缺点：BOTDR光纤传感具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强，传递信息量大的优点，因此容易实现远距离信号传输，实时监测溶洞或土洞的发育；不仅可以测量光纤因剪切、拉伸导致的变形位置，也能监测到光纤发生的轴向变形量大小。但这一技术目前主要用于线性工程，在岩溶地区一般只监测已发现溶洞地区，对于未发现溶洞地区，监测效果一般；另外，BOTDR设备价格昂贵，光纤铺设、保护要求也较高[4]。

3.1.2 TDR监测

TDR即时域反射法(Time Domain Reflectrometry)，是一种远程电子测量技术[14]，最早被应用于电力和通讯行业，用来确定通信电缆和输电线路故障与断裂；后用于测定土壤含水量[15-16]。近年来，TDR技术已经开始在滑坡、采空塌陷监测中得到广泛的应用。

(1)工作原理：TDR工作原理是利用电磁波在同轴电缆传播过程中，受到剪切力或拉张力时对导致局部阻抗变化，进而影响接收到的反射波和散射波，从而可以推断形变的具体位置，实时监测溶洞或土洞的发育情况[4,17-19]。TDR与BOTDR均为时域反射的一种，区别在于TDR是由于阻抗不同造成接收电磁波不同，材料为同轴光缆；BOTDR主要是由于光纤形变造成散射光不同，材料为光纤(图2)[4]。

图2 TDR系统原理示意图(覃秀玲，2010)

(2)技术要求：同轴电缆的类型、胶结体强度、埋设技术是影响TDR技术监测岩溶土洞(塌陷)的关键[19]。

在地质调查基础上，制定监测线布置方案(一般沿公路轴向布置，每条测线长度可达1000m)，确定测线间距和测线的埋设深度，以保证绝大部分土洞都位于测线范围，而且土洞发育到测线位置时，还有足够的预警时间；然后通过水泥砂浆胶结同轴电缆，既保证电缆的变形破坏与土层同步，也对电缆起到保护作用，避免后期施工破坏；通过TDR监测系统，定期对各测线电缆进行监测，就可判断电缆发生断点的距离，通过电缆平面布置的坐标与电缆长度的对应关系，得出土洞的发生位置[18-19]。

(3)应用实例：20世纪80年代，美国矿业局开始利用TDR技术进行岩体变形测量及寻找煤矿中的塌陷层[16-20]；2001年美国的C.H. Dowding等首次将这一技术运用到岩溶区高速公路路基塌陷监测中。2006年，中国地质科学院岩溶地质研究所在桂林某高速公路建立了线性工程岩溶土洞(塌陷)监测站。

(4)优缺点：TDR设备价格相对较低，技术成熟，可遥测，也可与其他监测项目如地下水位传感器、大气降雨量传感器、沉降计等组成监测网，电缆型号多，抗破坏能力强，安全性较高。但也存在不足之处，只有在受到剪切力、张力或者两者综合作用而变形的情况下，TDR电缆才会产生特征信号，但无法获得突变点位移量大小，只适用于线性工程或是已发现溶洞和土洞的地区。

3.1.3 地质雷达监测

地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一种快速无损的地球物理探测技术。目前地质雷达已广泛应用于公路、铁路沿线及地质灾害已发地区的监测工作[21-26]。

(1)工作原理：地质雷达利用超高频电磁波探测地下介质分布，基本原理是：通过发射端向地面发射脉冲电磁波讯号，由接收端接收反射讯号，并通过示波器形成雷达图。由于不同地面介质的反射波形状不同，因此可以通过接收波的传播时间、频率等信息，分析地下情况(图3)。因此，可以通过地质雷达定期、定线路的探测扫描对比，推断地下土体的变化，从而监测土层扰动或溶洞的发育变化过程，进而预测岩溶塌陷。

图3 地质雷达工作原理示意图

(2)技术要求：地质雷达的分辨率和探测深度与天线中心频率有关，频率越高，分辨率越大，探测深度越小；反之，频率越小，分辨率越小，探测深度则越大[18,26-28]。因此天线中心频率的选择主要依据探测深度、空间精度和研究的需要，在满足分辨率且场地条件又许可时，应该尽量降低天线中心频率(表1)。

表1 不同频率天线的探测深度值

(3)应用实例：1987年，美国学者Benson[21]首次将地质雷达运用到铁路塌陷监测中，方法是用地质雷达沿固定测线定期扫描，进行结果对比并圈定异常区。20世纪80年代后期地质雷达技术开始引入我国，2000年，中国地质科学院岩溶地质研究所首次用该方法在桂林市柘木镇进行了试验，成功圈定了土层扰动区[1]。

中国地质科学院岩溶地质研究所于2013年在湖南宁乡县大成桥乡塌陷区布设了17条地质雷达测线，选用瑞典MALA地球科学仪器公司生产的探地雷达，通过分析雷达反射成果图，圈定异常区及土洞分布情况；为验证雷达土洞异常有效性，在异常点安装动力触探设备，结果证明在异常点均探查到了空洞，由此证明地质雷达对探测地下土洞的准确性。

(4)优缺点：目前地质雷达技术以其发展成熟、操作简单、可以定期监测土洞变化等优点，广泛应用在岩溶塌陷监测中，尤其对线性工程监测，如公路，铁路等效果较好。但也有不足之处，如探测效果受场地周边电磁波干扰大，探测深度有限；无法实现实时监测和遥测；雷达图解译结果受技术人员主观性和经验水平影响较大；如果在道路运营阶段实施，需要封闭监测路段，影响正常交通，因此作为长期监测手段局限性较大[18,27]。

3.2 水动力条件监测

水动力条件是触发岩溶塌陷最主要的致塌条件，因此对水动力条件的监测至关重要。

3.2.1 地下水监测

(1)水位监测：监测地下水位的方法可分为人工观测和自动观测两种。其中，人工观测地下水位目前最常用的是电接触悬锤式水尺，这种仪器简单易携，对使用者的技术水平要求不高，可用于各种地下水位的观测；自动观测使用最多的是通过压力传感器监测，国内外监测仪器主要有荷兰的DIVER，加拿大的LEVEL，北京的中科光大等[18,28]。

(2)水气压力监测：研究发现，岩溶水气压力变化对塌陷具有触发作用，溶(土)洞土体的破坏与空腔压力的变化密切相关，而岩溶空腔压力与岩溶含水层水气压力的变化具有很好的对应关系[29]。因此可通过对岩溶管道系统的水气压力动态变化进行观测，达到对塌陷进行预报的目的。

地下水气压力的监测主要采用压力传感器进行定时定点全自动监测。目前使用效果较好、利用率较高的是振弦渗压计[30]。

山东省第五地质矿产勘查院利用振弦渗压计在泰安市城区-旧县水源地布设了地下水水气压力自动监测网络(监测频率为10min/次)，实时监测水源地地下水动态变化，根据传感器参数，将数据转换为地下水埋深、变化速率等参数。监测期间，利用水位实时变化速率与土层破坏时的临界速率对比情况，分析岩溶塌陷发生的可能性，以期为岩溶塌陷监测预警提供依据。其中，2013年7月13日—16日，泰安市泰山区訾家灌庄小树林内监测点监测到明显异常增大的水位变化速率，大于覆盖层破坏的临界值；2013年8月2日至5日，该监测点东南约15m处连续发生2处塌陷，自水位异常变化至塌陷发生，经历20d，表明通过监测地下水气压力对岩溶塌陷监测具有一定的可行性。

(3)水质监测：地下水水质监测主要是通过采集钻孔或监测井中的水样，然后在实验室进行水质分析。

3.2.2 地表水及大气降水监测

地表水水位和水质监测主要是通过布设监测点监测，大气降水监测主要是通过建立气象站来进行。

3.3 地面沉降及构筑物变形监测

地下土洞向上发展到一定程度后会引起地面标高降低或地面倾斜、建(构)筑物变形、变位等，通过监测可提前预警岩溶塌陷的发生，减小损失和破坏。目前采用的监测方法主要为精密水准测量技术、GPS技术、合成孔径雷达干涉测量技术。2005年，美国学者利用合成孔径雷达干涉测量技术计算出了美国内华达洲一处溶洞发育区地面沉降速率，并预测了塌陷坑的扩大速率[31]。

这些技术成熟、可靠，数据较为精确，但这些方法对土体变形后已经引起地面变形和建(构)筑物变位反映后才有实际效果，因此更适用于塌陷发生和应急抢险阶段等临时性的短期监测。

4 结语

综上所述，岩溶地面塌陷监测的目的是要实时了解塌陷发展的过程和状况，对塌陷发生的时间和地点作出预报,达到防灾减灾的目的。但由于可溶岩中溶洞和岩溶通道发育的随机性、上覆盖层的多变性、触发因素的复杂性，单一的监测手段难以实现对塌陷的监测。

因此，在实际工作中，需根据本地岩溶地面塌陷的特点，在塌陷形成机理的理论指导下，建立塌陷监测的理论体系，综合利用多种监测手段联合进行，并形成完善的监测网络。

除此之外，现有的监测方法取得的监测数据基本不能进行准确的塌陷时间预报，因此还应加大科研经费投入，研发塌陷土体变形直接监测预报的新技术和新手段，并加强新技术、方法在岩溶塌陷监测工作的应用研究，争取在塌陷的长效性监测方面取得突破，在塌陷时间、地点方面得出较为准确的、能作为塌陷防治依据的预报成果,为塌陷防治和应急措施提供指导。