------内容概要------
0 前言
1 岩溶塌陷物理性质模型设计
2. 监测方法介绍
2.1 高密度电阻率法
2.2 微震监测
3 岩溶塌陷模型试验
3.1 电气监测数据分析
3.2 振动监测数据分析
4 现场监测点长期观测试验
5 结论
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0 前言
岩溶塌陷问题是近年来日益突出的一种地质灾害类型。受岩溶发育不均匀及岩溶水作用特点的影响，岩溶塌陷发育空间隐蔽，发育过程渐进，塌陷发生具有突发性，单一的监测手段难以实现岩溶塌陷监测预警的目的。武汉市境内多条岩溶带总体呈东西向展布，岩溶地质条件十分复杂。近年来，随着人类工程活动的加剧，岩溶塌陷与人类工程活动的联系日益紧密。岩溶塌陷不仅造成人员伤亡和财产损失，而且破坏城市建设、工程建设、公共设施、地质环境和生态平衡。复杂的岩溶地质条件给工程建设特别是地下工程建设带来隐患和威胁，严重影响和制约了武汉市的城市规划建设。
地球物理勘探技术在地质灾害监测领域的应用起步较晚，目前主要利用地质雷达、微地震和时移电法等开展特定地质灾害的监测预警。
本文通过岩溶塌陷物性模型试验，分析岩溶塌陷发生前、发生中、发生后的地球物理场特征，对比研究岩溶塌陷全过程各类特征因素，形成适合现场塌陷监测的地球物理勘探技术与方法组合。
1 岩溶塌陷物理性质模型设计
现场模型试验参考武汉市岩溶地质构造类型及岩溶地面塌陷类型进行设计。根据武汉市已收集的地质资料，根据上覆碳酸盐岩层的特征，将武汉市岩溶分为覆盖型岩溶区和埋藏型岩溶区两大类型。2000年以来武汉市主要岩溶塌陷地质构造类型见表1。
表1 武汉地区岩溶地质结构类型
诱发岩溶地面塌陷的因素主要可分为以下三类：①降雨作用；②地下水活动；③工程建设活动引起的强震。
岩溶地面塌陷室内模拟主要考虑地下水活动和工程施工活动引起的振动影响。整个模型由给排水系统、主体模型和振动系统组成，同时预留监测传感器等接口，以便后期添加。为方便观察，模型整个外围采用加厚钢化玻璃。其中，岩溶模型设计为上端有一小开口，下端有一鼓起的肚子，由整块石灰岩切割而成。岩溶模型高1m，深1m，肚子最宽处约0.6m。岩溶模型放置在一个长3m、宽1.2m、高1.1m的基座中，基座采用混凝土浇筑（以加强与岩溶的电气差异）。基座上方的开口设置有可调节开启角度的叶片（类似百叶窗形式）。 采用长3m、宽1.2m、高0.5m的土槽，土槽下方无底板，搭接后直接用胶水密封底座。土槽左端设出水口，与水箱相连。本次模拟试验缺少排水口，以模拟从沙层抽水的影响以及中间存在不透水层的情况。
整个岩溶塌陷物性模型主要观测对象是土层结构，因此通过部署地球物理设备或传感器，得到土层物性参数的变化特征（图1）。
图1 模型外观及试验流程
2. 监测方法介绍
2.1 高密度电阻率法
高密度电阻率法又称电阻率层析成像法，是一种阵列电阻率勘探方法。它是利用岩石、矿石的电导率、电化学活动性、介电性和磁导率的差异作为物理基础，利用专门的仪器设备观察和研究地壳周围物理场的变化和分布规律，从而解决地质问题的地球物理勘探方法。
2.2 微震监测
岩溶活动地震信号的属性特征往往与其他地震信号不同，若从实时地震信号中分析出与岩溶活动相似的地震属性，可以对岩溶塌陷预测起到一定的辅助作用。这些属性通常包括：振幅属性、频率属性、H/V值等。
2.2.1 平均绝对振幅统计
在统计出信号的平均绝对振幅后，即可识别出报警信号，然后对选取的报警信号进行频谱分析，根据频谱特征对报警信号进行分类。STA/LTA方法可以有效识别场地强振幅信号，为岩溶活动信号的频谱分析奠定基础。传统的STA/LTA算法在微震监测和强震探测中用于识别突变信号，即瞬态强振幅信号。STA/LTA方法的理论原理如下：
（1）
其中：NS 的值决定所选信号样本的数量；Z(j)为j时刻垂直分量的幅度；N(j)为j时刻北分量的幅度；E(j)为j时刻东分量的幅度。
2.2.2 光谱计算
实验过程中设置报警信号的阈值即STA/LTA的阈值，捕捉传感器周围振幅过大的异常信号，对人为活动产生的强振幅信号进行频率统计，进而对异常信号进行频谱分析，同时采用反向引导的方式剔除与岩溶活动无关的振动活动，即实时强振幅信号的频谱特征与人为活动的频谱特征相一致，即可排除岩溶活动的可能。
2.2.3 水平/垂直光谱比的计算
与传统微振动技术相比，基于微振动的H/V法是一种更为便捷的方法，又称三向共振或HVSR法。它是一种估算表层振动共振频率与放大倍数的技术，可以计算出微振动信号水平分量与垂直分量的比值。典型的H/V谱比值曲线具有一个或多个明显的峰值频率。H/V曲线的特征往往与浅层地下物性变化的特征相对应。通过分析监测点H/V曲线随时间变化的波动情况，如峰值个数、峰值带宽、峰值斜率等，可以指示测点处土体物性的变化情况，有利于发现岩溶活动的迹象。
3 岩溶塌陷模型试验
室内试验与数据采集主要从诱发因素、武汉地区岩溶地质结构类型等方面进行考虑和模拟。从武汉市塌陷的主要原因分析，地下水活动是引发塌陷的关键因素，因此模型主要考虑模拟地下水活动引起的物性变化。
室内试验在岩溶模型上完成。模型土槽为开口玻璃容器，宽1m，高1m，长4.8m。玻璃槽下有1m厚的石灰岩基座，基座中部开挖一个容积约0.7m3的空腔，模拟地下岩溶洞穴。实验模型设计为二元结构，玻璃容器底部有40cm厚的砂层，砂层上方有40cm厚的粘土层。模型效果及实验过程如图1所示。
试验过程持续40 min，分为降雨前、降雨中、降雨后，试验过程统计结果如表2所示。
表2 试验过程统计
3.1 电气监测数据分析
电法监测采用高密度电法装置，布设30个电极，电极间距0.16 m，监测总布置长度约4.8 m如图所示 水平地面上，主要监测不同条件下模型上部约0.8 m厚土层的电性特性。
实验现象：降雨发生后约12~24 min，下层砂土开始流失，16 min时砂土流失加剧，上层土层开始局部塌陷，塌陷持续至降雨后约22 min如图所示 水平地面上，随后逐渐减小，24 min降雨停止，但下层砂土仍有少量流失，32 min后模型基本稳定。
将降雨前后不同时间段采集到的视电阻率数据绘制成剖面图（图2），以便进行比较。从图2可以看出，降雨后模型的视电阻率测量值集中在10～600 Ω·m范围内，不同时间段视电阻率变化明显。降雨引起的荣通塌陷早期，视电阻率呈现减小趋势，塌陷后，视电阻率局部逐渐增大。分析可知，由于早期地层中空隙被水填充，导致视电阻率减小。塌陷发生后，下部形成较大的空洞，导致视电阻率局部增大。试验表明贝语网校，塌陷发生时，砂结构模型的视电阻率值会发生明显变化。
图2 模拟降雨过程中视电阻率云图
将降雨前后不同时间段采集的自然电位数据绘制成剖面图（图3），以便进行对比。从图3可以看出，模型的自然电位集中在-130~80mV范围内，分割非常明显。当降雨引起塌陷时，塌陷处的自然电位会发生明显变化。
试验表明，岩溶塌陷发生时，浅层土层视电阻率、自然电位变化较大，在现场观测中，若因非气象原因导致浅层土层视电阻率、电位发生较大变化，应引起高度重视。
图3 模拟降雨条件下实测自然势等值线图
3.2 振动监测数据分析
本次地震监测试验选用意大利公司生产的地震振动系统及探测器宽频带加速度计，其频响范围为1～315 Hz，加速度动态范围为0～1 mm/s，试验采样率为200 Hz。分别在降雨前、降雨中、降雨后提取信号片段，进行振幅计算、频谱分析、H/V值计算。
3.2.1 幅频分析
图4为降雨试验过程中STA/LTA计算（STA为2 s，LTA为10 s）识别出的多个段位的强震信号。其中，14~18 min内有连续的强震信号，与实验室视频中记录的砂粒流失、土体下沉及塌陷时间相一致；降雨试验停止后，通过三分量振幅识别出少量强震信号，主要集中在24~32 min。32 min后，岩溶活动逐渐停止，视频记录到人工降雨停止后砂粒流失和土体下沉速度减缓，对比降雨过程中整个岩溶模型的状态，未发生大规模塌陷；32 min后记录到的强震信号为塌陷停止后，人为活动产生的干扰信号。
图 4 12~24 min降雨试验中STA/LTA计算得到的强震信号
图5为降雨试验过程中岩溶活动信号的频谱，从中可以看到3个明显的峰，第一个峰在5 Hz左右，第二个峰在24 Hz左右，第三个峰在31 Hz左右。由于雨滴的干扰，从该频谱上无法确认岩溶活动产生的信号主频。
图5 12~24 min降雨试验岩溶活动信号频谱
图6为24~40 min降雨试验停止后的岩溶活动信号频谱，可以看出此时岩溶活动释放的振动能量明显高于安静稳定的环境信号能量，此时的频谱主要表现出岩溶活动的信号特征。图6中有一个30 Hz左右的频率峰值，此频率为岩溶活动信号的主频率。结合图5可确定岩溶活动释放信号主频率在30 Hz左右。
图6 24~40 min降雨试验结束后岩溶活动信号频谱
图7所示为显著的塌陷信号，从波形特征看，塌陷信号Z分量为突发性脉冲信号，最大幅值呈现指数快速衰减，信号持续时间约为0.45 s；塌陷信号N分量为两段脉冲信号（B，C），信号持续时间约为0.5 s；塌陷信号E分量为三段脉冲信号（D，E，F），信号持续时间约为0.7 s。
笔者对试验过程中仪器记录的振动加速度值进行了统计，分为3个阶段进行统计：①稳定阶段（0～12 min）；②岩溶塌陷活跃阶段（12～26 min）；③塌陷终止阶段（26～40 min）。统计不同幅值的加速度值所占百分比，分析不同阶段加速度幅值的变化规律。图8为试验过程中不同阶段的幅值占比柱状图，其中虚线代表整个时段（0～40 min）的幅值占比。从图8可以看出，当塌陷逐渐停止（黄色）时，说明随着上部砂层逐渐填入土洞区域，上部土层逐渐压实，无明显砂土落入洞内，强震信号减弱。在岩溶活跃地段，强震幅值占比略高于整个时段的平均值，这也是岩溶活动触发的多次微震信号所致。
图7. 崩塌信号波形特征
图8 倒塌试验振幅统计比例直方图
3.2.2 H/V值计算与分析
图9为以2分钟的时间间隔从试验记录中提取稳定信号（避开干扰和崩塌信号）计算出的H/V值。从图9可以看出，峰值和带宽都发生了缓慢的变化，峰值逐渐增大，带宽逐渐变宽，即峰值和带宽都有一个初始阶段。