------內容概要------
0 前言
1 巖溶塌陷物理性質模型設計
2. 監測方法介紹
2.1 高密度電阻率法
2.2 微震監測
3 巖溶塌陷模型試驗
3.1 電氣監測數據分析
3.2 振動監測數據分析
4 現場監測點長期觀測試驗
5 結論
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0 前言
巖溶塌陷問題是近年來日益突出的一種地質災害類型。受巖溶發育不均勻及巖溶水作用特點的影響，巖溶塌陷發育空間隱蔽，發育過程漸進，塌陷發生具有突發性，單一的監測手段難以實現巖溶塌陷監測預警的目的。武漢市境內多條巖溶帶總體呈東西向展布，巖溶地質條件十分復雜。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系日益緊密。巖溶塌陷不僅造成人員傷亡和財產損失，而且破壞城市建設、工程建設、公共設施、地質環境和生態平衡。復雜的巖溶地質條件給工程建設特別是地下工程建設帶來隱患和威脅，嚴重影響和制約了武漢市的城市規劃建設。
地球物理勘探技術在地質災害監測領域的應用起步較晚，目前主要利用地質雷達、微地震和時移電法等開展特定地質災害的監測預警。
本文通過巖溶塌陷物性模型試驗，分析巖溶塌陷發生前、發生中、發生后的地球物理場特征，對比研究巖溶塌陷全過程各類特征因素，形成適合現場塌陷監測的地球物理勘探技術與方法組合。
1 巖溶塌陷物理性質模型設計
現場模型試驗參考武漢市巖溶地質構造類型及巖溶地面塌陷類型進行設計。根據武漢市已收集的地質資料，根據上覆碳酸鹽巖層的特征，將武漢市巖溶分為覆蓋型巖溶區和埋藏型巖溶區兩大類型。2000年以來武漢市主要巖溶塌陷地質構造類型見表1。
表1 武漢地區巖溶地質結構類型
誘發巖溶地面塌陷的因素主要可分為以下三類：①降雨作用；②地下水活動；③工程建設活動引起的強震。
巖溶地面塌陷室內模擬主要考慮地下水活動和工程施工活動引起的振動影響。整個模型由給排水系統、主體模型和振動系統組成，同時預留監測傳感器等接口，以便后期添加。為方便觀察，模型整個外圍采用加厚鋼化玻璃。其中，巖溶模型設計為上端有一小開口，下端有一鼓起的肚子，由整塊石灰巖切割而成。巖溶模型高1m，深1m，肚子最寬處約0.6m。巖溶模型放置在一個長3m、寬1.2m、高1.1m的基座中，基座采用混凝土澆筑（以加強與巖溶的電氣差異）。基座上方的開口設置有可調節開啟角度的葉片（類似百葉窗形式）。 采用長3m、寬1.2m、高0.5m的土槽，土槽下方無底板，搭接后直接用膠水密封底座。土槽左端設出水口，與水箱相連。本次模擬試驗缺少排水口，以模擬從沙層抽水的影響以及中間存在不透水層的情況。
整個巖溶塌陷物性模型主要觀測對象是土層結構，因此通過部署地球物理設備或傳感器，得到土層物性參數的變化特征（圖1）。
圖1 模型外觀及試驗流程
2. 監測方法介紹
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法，是一種陣列電阻率勘探方法。它是利用巖石、礦石的電導率、電化學活動性、介電性和磁導率的差異作為物理基礎，利用專門的儀器設備觀察和研究地殼周圍物理場的變化和分布規律，從而解決地質問題的地球物理勘探方法。
2.2 微震監測
巖溶活動地震信號的屬性特征往往與其他地震信號不同，若從實時地震信號中分析出與巖溶活動相似的地震屬性，可以對巖溶塌陷預測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。
2.2.1 平均絕對振幅統計
在統計出信號的平均絕對振幅后，即可識別出報警信號，然后對選取的報警信號進行頻譜分析，根據頻譜特征對報警信號進行分類。STA/LTA方法可以有效識別場地強振幅信號，為巖溶活動信號的頻譜分析奠定基礎。傳統的STA/LTA算法在微震監測和強震探測中用于識別突變信號，即瞬態強振幅信號。STA/LTA方法的理論原理如下：
（1）
其中：NS 的值決定所選信號樣本的數量；Z(j)為j時刻垂直分量的幅度；N(j)為j時刻北分量的幅度；E(j)為j時刻東分量的幅度。
2.2.2 光譜計算
實驗過程中設置報警信號的閾值即STA/LTA的閾值，捕捉傳感器周圍振幅過大的異常信號，對人為活動產生的強振幅信號進行頻率統計，進而對異常信號進行頻譜分析，同時采用反向引導的方式剔除與巖溶活動無關的振動活動，即實時強振幅信號的頻譜特征與人為活動的頻譜特征相一致，即可排除巖溶活動的可能。
2.2.3 水平/垂直光譜比的計算
與傳統微振動技術相比，基于微振動的H/V法是一種更為便捷的方法，又稱三向共振或HVSR法。它是一種估算表層振動共振頻率與放大倍數的技術，可以計算出微振動信號水平分量與垂直分量的比值。典型的H/V譜比值曲線具有一個或多個明顯的峰值頻率。H/V曲線的特征往往與淺層地下物性變化的特征相對應。通過分析監測點H/V曲線隨時間變化的波動情況，如峰值個數、峰值帶寬、峰值斜率等，可以指示測點處土體物性的變化情況，有利于發現巖溶活動的跡象。
3 巖溶塌陷模型試驗
室內試驗與數據采集主要從誘發因素、武漢地區巖溶地質結構類型等方面進行考慮和模擬。從武漢市塌陷的主要原因分析，地下水活動是引發塌陷的關鍵因素，因此模型主要考慮模擬地下水活動引起的物性變化。
室內試驗在巖溶模型上完成。模型土槽為開口玻璃容器，寬1m，高1m，長4.8m。玻璃槽下有1m厚的石灰巖基座，基座中部開挖一個容積約0.7m3的空腔，模擬地下巖溶洞穴。實驗模型設計為二元結構，玻璃容器底部有40cm厚的砂層，砂層上方有40cm厚的粘土層。模型效果及實驗過程如圖1所示。
試驗過程持續40 min，分為降雨前、降雨中、降雨后，試驗過程統計結果如表2所示。
表2 試驗過程統計
3.1 電氣監測數據分析
電法監測采用高密度電法裝置，布設30個電極，電極間距0.16 m，監測總布置長度約4.8 m如圖所示 水平地面上，主要監測不同條件下模型上部約0.8 m厚土層的電性特性。
實驗現象：降雨發生后約12~24 min，下層砂土開始流失，16 min時砂土流失加劇，上層土層開始局部塌陷，塌陷持續至降雨后約22 min如圖所示 水平地面上，隨后逐漸減小，24 min降雨停止，但下層砂土仍有少量流失，32 min后模型基本穩定。
將降雨前后不同時間段采集到的視電阻率數據繪制成剖面圖（圖2），以便進行比較。從圖2可以看出，降雨后模型的視電阻率測量值集中在10～600 Ω·m范圍內，不同時間段視電阻率變化明顯。降雨引起的榮通塌陷早期，視電阻率呈現減小趨勢，塌陷后，視電阻率局部逐漸增大。分析可知，由于早期地層中空隙被水填充，導致視電阻率減小。塌陷發生后，下部形成較大的空洞，導致視電阻率局部增大。試驗表明貝語網校，塌陷發生時，砂結構模型的視電阻率值會發生明顯變化。
圖2 模擬降雨過程中視電阻率云圖
將降雨前后不同時間段采集的自然電位數據繪制成剖面圖（圖3），以便進行對比。從圖3可以看出，模型的自然電位集中在-130~80mV范圍內，分割非常明顯。當降雨引起塌陷時，塌陷處的自然電位會發生明顯變化。
試驗表明，巖溶塌陷發生時，淺層土層視電阻率、自然電位變化較大，在現場觀測中，若因非氣象原因導致淺層土層視電阻率、電位發生較大變化，應引起高度重視。
圖3 模擬降雨條件下實測自然勢等值線圖
3.2 振動監測數據分析
本次地震監測試驗選用意大利公司生產的地震振動系統及探測器寬頻帶加速度計，其頻響范圍為1～315 Hz，加速度動態范圍為0～1 mm/s，試驗采樣率為200 Hz。分別在降雨前、降雨中、降雨后提取信號片段，進行振幅計算、頻譜分析、H/V值計算。
3.2.1 幅頻分析
圖4為降雨試驗過程中STA/LTA計算（STA為2 s，LTA為10 s）識別出的多個段位的強震信號。其中，14~18 min內有連續的強震信號，與實驗室視頻中記錄的砂粒流失、土體下沉及塌陷時間相一致；降雨試驗停止后，通過三分量振幅識別出少量強震信號，主要集中在24~32 min。32 min后，巖溶活動逐漸停止，視頻記錄到人工降雨停止后砂粒流失和土體下沉速度減緩，對比降雨過程中整個巖溶模型的狀態，未發生大規模塌陷；32 min后記錄到的強震信號為塌陷停止后，人為活動產生的干擾信號。
圖 4 12~24 min降雨試驗中STA/LTA計算得到的強震信號
圖5為降雨試驗過程中巖溶活動信號的頻譜，從中可以看到3個明顯的峰，第一個峰在5 Hz左右，第二個峰在24 Hz左右，第三個峰在31 Hz左右。由于雨滴的干擾，從該頻譜上無法確認巖溶活動產生的信號主頻。
圖5 12~24 min降雨試驗巖溶活動信號頻譜
圖6為24~40 min降雨試驗停止后的巖溶活動信號頻譜，可以看出此時巖溶活動釋放的振動能量明顯高于安靜穩定的環境信號能量，此時的頻譜主要表現出巖溶活動的信號特征。圖6中有一個30 Hz左右的頻率峰值，此頻率為巖溶活動信號的主頻率。結合圖5可確定巖溶活動釋放信號主頻率在30 Hz左右。
圖6 24~40 min降雨試驗結束后巖溶活動信號頻譜
圖7所示為顯著的塌陷信號，從波形特征看，塌陷信號Z分量為突發性脈沖信號，最大幅值呈現指數快速衰減，信號持續時間約為0.45 s；塌陷信號N分量為兩段脈沖信號（B，C），信號持續時間約為0.5 s；塌陷信號E分量為三段脈沖信號（D，E，F），信號持續時間約為0.7 s。
筆者對試驗過程中儀器記錄的振動加速度值進行了統計，分為3個階段進行統計：①穩定階段（0～12 min）；②巖溶塌陷活躍階段（12～26 min）；③塌陷終止階段（26～40 min）。統計不同幅值的加速度值所占百分比，分析不同階段加速度幅值的變化規律。圖8為試驗過程中不同階段的幅值占比柱狀圖，其中虛線代表整個時段（0～40 min）的幅值占比。從圖8可以看出，當塌陷逐漸停止（黃色）時，說明隨著上部砂層逐漸填入土洞區域，上部土層逐漸壓實，無明顯砂土落入洞內，強震信號減弱。在巖溶活躍地段，強震幅值占比略高于整個時段的平均值，這也是巖溶活動觸發的多次微震信號所致。
圖7. 崩塌信號波形特征
圖8 倒塌試驗振幅統計比例直方圖
3.2.2 H/V值計算與分析
圖9為以2分鐘的時間間隔從試驗記錄中提取穩定信號（避開干擾和崩塌信號）計算出的H/V值。從圖9可以看出，峰值和帶寬都發生了緩慢的變化，峰值逐漸增大，帶寬逐漸變寬，即峰值和帶寬都有一個初始階段。