------內(nèi)容概要------
0 前言
1 巖溶塌陷物理性質(zhì)模型設(shè)計(jì)
2. 監(jiān)測方法介紹
2.1 高密度電阻率法
2.2 微震監(jiān)測
3 巖溶塌陷模型試驗(yàn)
3.1 電氣監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
3.2 振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
4 現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)長期觀測試驗(yàn)
5 結(jié)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(zhì)災(zāi)害類型。受巖溶發(fā)育不均勻及巖溶水作用特點(diǎn)的影響，巖溶塌陷發(fā)育空間隱蔽，發(fā)育過程漸進(jìn)，塌陷發(fā)生具有突發(fā)性，單一的監(jiān)測手段難以實(shí)現(xiàn)巖溶塌陷監(jiān)測預(yù)警的目的。武漢市境內(nèi)多條巖溶帶總體呈東西向展布，巖溶地質(zhì)條件十分復(fù)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(lián)系日益緊密。巖溶塌陷不僅造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，而且破壞城市建設(shè)、工程建設(shè)、公共設(shè)施、地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)平衡。復(fù)雜的巖溶地質(zhì)條件給工程建設(shè)特別是地下工程建設(shè)帶來隱患和威脅，嚴(yán)重影響和制約了武漢市的城市規(guī)劃建設(shè)。
地球物理勘探技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚，目前主要利用地質(zhì)雷達(dá)、微地震和時移電法等開展特定地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警。
本文通過巖溶塌陷物性模型試驗(yàn)，分析巖溶塌陷發(fā)生前、發(fā)生中、發(fā)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(xiàn)場塌陷監(jiān)測的地球物理勘探技術(shù)與方法組合。
1 巖溶塌陷物理性質(zhì)模型設(shè)計(jì)
現(xiàn)場模型試驗(yàn)參考武漢市巖溶地質(zhì)構(gòu)造類型及巖溶地面塌陷類型進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)武漢市已收集的地質(zhì)資料，根據(jù)上覆碳酸鹽巖層的特征，將武漢市巖溶分為覆蓋型巖溶區(qū)和埋藏型巖溶區(qū)兩大類型。2000年以來武漢市主要巖溶塌陷地質(zhì)構(gòu)造類型見表1。
表1 武漢地區(qū)巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型
誘發(fā)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(shè)活動引起的強(qiáng)震。
巖溶地面塌陷室內(nèi)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(tǒng)、主體模型和振動系統(tǒng)組成，同時預(yù)留監(jiān)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(shè)計(jì)為上端有一小開口，下端有一鼓起的肚子，由整塊石灰?guī)r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(qiáng)與巖溶的電氣差異）。基座上方的開口設(shè)置有可調(diào)節(jié)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(shè)出水口，與水箱相連。本次模擬試驗(yàn)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(jié)構(gòu)，因此通過部署地球物理設(shè)備或傳感器，得到土層物性參數(shù)的變化特征（圖1）。
圖1 模型外觀及試驗(yàn)流程
2. 監(jiān)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(dǎo)率、電化學(xué)活動性、介電性和磁導(dǎo)率的差異作為物理基礎(chǔ)，利用專門的儀器設(shè)備觀察和研究地殼周圍物理場的變化和分布規(guī)律，從而解決地質(zhì)問題的地球物理勘探方法。
2.2 微震監(jiān)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(shí)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(yù)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(tǒng)計(jì)
在統(tǒng)計(jì)出信號的平均絕對振幅后，即可識別出報(bào)警信號，然后對選取的報(bào)警信號進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)頻譜特征對報(bào)警信號進(jìn)行分類。STA/LTA方法可以有效識別場地強(qiáng)振幅信號，為巖溶活動信號的頻譜分析奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的STA/LTA算法在微震監(jiān)測和強(qiáng)震探測中用于識別突變信號，即瞬態(tài)強(qiáng)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(shù)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(jì)算
實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置報(bào)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(chǎn)生的強(qiáng)振幅信號進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而對異常信號進(jìn)行頻譜分析，同時采用反向引導(dǎo)的方式剔除與巖溶活動無關(guān)的振動活動，即實(shí)時強(qiáng)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(jì)算
與傳統(tǒng)微振動技術(shù)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(shù)的技術(shù)，可以計(jì)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(yīng)。通過分析監(jiān)測點(diǎn)H/V曲線隨時間變化的波動情況，如峰值個數(shù)、峰值帶寬、峰值斜率等，可以指示測點(diǎn)處土體物性的變化情況，有利于發(fā)現(xiàn)巖溶活動的跡象。
3 巖溶塌陷模型試驗(yàn)
室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集主要從誘發(fā)因素、武漢地區(qū)巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型等方面進(jìn)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(fā)塌陷的關(guān)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(nèi)試驗(yàn)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?guī)r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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)為二元結(jié)構(gòu)，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(shí)驗(yàn)過程如圖1所示。
試驗(yàn)過程持續(xù)40 min，分為降雨前、降雨中、降雨后，試驗(yàn)過程統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。
表2 試驗(yàn)過程統(tǒng)計(jì)
3.1 電氣監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
電法監(jiān)測采用高密度電法裝置，布設(shè)30個電極，電極間距0.16 m，監(jiān)測總布置長度約4.8 m如圖所示 水平地面上，主要監(jiān)測不同條件下模型上部約0.8 m厚土層的電性特性。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：降雨發(fā)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(xù)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(wěn)定。
將降雨前后不同時間段采集到的視電阻率數(shù)據(jù)繪制成剖面圖（圖2），以便進(jìn)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(nèi)，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(xiàn)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(dǎo)致視電阻率減小。塌陷發(fā)生后，下部形成較大的空洞，導(dǎo)致視電阻率局部增大。試驗(yàn)表明貝語網(wǎng)校，塌陷發(fā)生時，砂結(jié)構(gòu)模型的視電阻率值會發(fā)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(shù)據(jù)繪制成剖面圖（圖3），以便進(jìn)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(nèi)，分割非常明顯。當(dāng)降雨引起塌陷時，塌陷處的自然電位會發(fā)生明顯變化。
試驗(yàn)表明，巖溶塌陷發(fā)生時，淺層土層視電阻率、自然電位變化較大，在現(xiàn)場觀測中，若因非氣象原因?qū)е聹\層土層視電阻率、電位發(fā)生較大變化，應(yīng)引起高度重視。
圖3 模擬降雨條件下實(shí)測自然勢等值線圖
3.2 振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
本次地震監(jiān)測試驗(yàn)選用意大利公司生產(chǎn)的地震振動系統(tǒng)及探測器寬頻帶加速度計(jì)，其頻響范圍為1～315 Hz，加速度動態(tài)范圍為0～1 mm/s，試驗(yàn)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(jìn)行振幅計(jì)算、頻譜分析、H/V值計(jì)算。
3.2.1 幅頻分析
圖4為降雨試驗(yàn)過程中STA/LTA計(jì)算（STA為2 s，LTA為10 s）識別出的多個段位的強(qiáng)震信號。其中，14~18 min內(nèi)有連續(xù)的強(qiáng)震信號，與實(shí)驗(yàn)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(yàn)停止后，通過三分量振幅識別出少量強(qiáng)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(tài)，未發(fā)生大規(guī)模塌陷；32 min后記錄到的強(qiáng)震信號為塌陷停止后，人為活動產(chǎn)生的干擾信號。
圖 4 12~24 min降雨試驗(yàn)中STA/LTA計(jì)算得到的強(qiáng)震信號
圖5為降雨試驗(yàn)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(rèn)巖溶活動產(chǎn)生的信號主頻。
圖5 12~24 min降雨試驗(yàn)巖溶活動信號頻譜
圖6為24~40 min降雨試驗(yàn)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(wěn)定的環(huán)境信號能量，此時的頻譜主要表現(xiàn)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(jié)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(yàn)結(jié)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(fā)性脈沖信號，最大幅值呈現(xiàn)指數(shù)快速衰減，信號持續(xù)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(xù)時間約為0.5 s；塌陷信號E分量為三段脈沖信號（D，E，F(xiàn)），信號持續(xù)時間約為0.7 s。
筆者對試驗(yàn)過程中儀器記錄的振動加速度值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分為3個階段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：①穩(wěn)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(tǒng)計(jì)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(guī)律。圖8為試驗(yàn)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(dāng)塌陷逐漸停止（黃色）時，說明隨著上部砂層逐漸填入土洞區(qū)域，上部土層逐漸壓實(shí)，無明顯砂土落入洞內(nèi)，強(qiáng)震信號減弱。在巖溶活躍地段，強(qiáng)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(fā)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(yàn)振幅統(tǒng)計(jì)比例直方圖
3.2.2 H/V值計(jì)算與分析
圖9為以2分鐘的時間間隔從試驗(yàn)記錄中提取穩(wěn)定信號（避開干擾和崩塌信號）計(jì)算出的H/V值。從圖9可以看出，峰值和帶寬都發(fā)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。