李成香， 劉 磊， 周世昌， 王斌戰(zhàn)

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊(duì)，湖北 武漢 430056)

巖溶塌陷問題是近年來數(shù)量呈上升趨勢的一種地質(zhì)災(zāi)害類型[1]。受巖溶發(fā)育的不均勻性和巖溶水作用特點(diǎn)的影響，巖溶塌陷的發(fā)育空間具有隱蔽性，發(fā)育過程具有累進(jìn)性，塌陷的發(fā)生又具有突發(fā)性，單一的監(jiān)測方法難以達(dá)到巖溶塌陷監(jiān)測預(yù)警的目標(biāo)。武漢市內(nèi)數(shù)條巖溶條帶總體呈近東西向分布，巖溶地質(zhì)條件十分復(fù)雜[2]。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)系越發(fā)密切，巖溶塌陷不僅造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，而且還使城市建設(shè)、工程建設(shè)、公共設(shè)施、地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)平衡遭到破壞。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)帶來隱患與威脅，嚴(yán)重影響和制約著武漢市的城市規(guī)劃和建設(shè)[2-3]。

物探技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域起步比較晚，目前主要采用地質(zhì)雷達(dá)、微地震以及時移電法技術(shù)對特定地質(zhì)災(zāi)害開展監(jiān)測預(yù)警[4-5]。

本文通過對巖溶塌陷物性模型的試驗(yàn)，分析巖溶塌陷發(fā)生前、中、后的地球物理場特征，對比研究巖溶塌陷發(fā)生全過程的各種特征因子，形成一套適用于野外塌陷監(jiān)測的物探技術(shù)方法組合。

1 巖溶塌陷物性模型設(shè)計(jì)

野外模型試驗(yàn)參照武漢市的巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型和巖溶地面塌陷類型設(shè)計(jì)。根據(jù)收集的武漢市地質(zhì)資料，按照碳酸鹽巖上覆蓋層的特點(diǎn)，將武漢市巖溶劃分為兩種類型，即覆蓋型巖溶區(qū)和埋藏型巖溶區(qū)[3]。武漢市2000年之后發(fā)生的主要巖溶塌陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型如表1所示。

分析誘發(fā)巖溶地面塌陷的因素，主要分成以下3種：①降水；②地下水活動；③工程建設(shè)活動產(chǎn)生的強(qiáng)震。

室內(nèi)模擬巖溶地面塌陷主要考慮地下水活動及工程建設(shè)活動產(chǎn)生的震動造成的影響。整個模型由供排水系統(tǒng)、主體模型和振動系統(tǒng)組成，同時，預(yù)留后期添加監(jiān)測傳感器等接口。為方便觀察，模型整體外圍使用加厚鋼化玻璃。其中，巖溶模型設(shè)計(jì)為上端開口小、下端腹腔隆起的形狀，其由整塊灰?guī)r巖石切割而成，巖溶模型高度為1 m、徑深為1 m，腹腔最寬處約為0.6 m。巖溶模型放置于長3 m、寬1.2 m、高1.1 m的底座內(nèi)，底座由混凝土澆筑而成(增強(qiáng)與巖溶的電性差異)。底座上方開口處設(shè)置為可調(diào)節(jié)開口角度的葉片(類似于百葉窗形式)，使用長3 m、寬1.2 m、高0.5 m的土槽，土槽下方不設(shè)底板，底座重合后直接用膠水封閉，土槽左端設(shè)置出水口，連接水箱。此次模擬試驗(yàn)缺少排水口模擬抽取砂層水的影響過程及中間存在隔水層的情況。

表1 武漢地區(qū)巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型Table 1 Types of karst geological structure in Wuhan area

對整個巖溶塌陷物性模型，其主要觀測對象為土層結(jié)構(gòu)，因此通過布設(shè)物探設(shè)備或傳感器，獲取土層物性參數(shù)變化特征(圖1)。

圖1 模型外觀及試驗(yàn)過程Fig.1 Model appearance and test process

2 監(jiān)測方法簡介

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技術(shù)，是一種陣列式電阻率勘探方法。它以巖石、礦石的導(dǎo)電性、電化學(xué)活動性、介電性和導(dǎo)磁性的差異為物理基礎(chǔ)，使用專用的儀器設(shè)備，觀測研究地殼周圍物理場的變化和分布規(guī)律，進(jìn)而解決地質(zhì)問題的地球物理勘察方法[4-6]。

2.2 微地震監(jiān)測

巖溶活動的地震信號和其它地震信號的屬性特征往往不同，如果從實(shí)時地震信號中分析到與巖溶活動相似的地震屬性時，可以對預(yù)報巖溶塌陷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[7-9]。

2.2.1平均絕對振幅統(tǒng)計(jì)

對信號進(jìn)行平均絕對振幅統(tǒng)計(jì)后可以從中識別出警報信號，再對摘選的眾多警報信號進(jìn)行頻譜分析，以對警報信號按照頻譜特征進(jìn)行分類。通過STA/LTA方法，可以有效識別出場地的強(qiáng)振幅信號，并為巖溶活動信號頻譜分析打下基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的STA/LTA算法在微震監(jiān)測和強(qiáng)震檢測中用于識別突變信號，也就是瞬態(tài)強(qiáng)振幅信號。STA/LTA方法的理論原理如下：

(1)

式中：NS的值決定了節(jié)選的信號樣點(diǎn)數(shù)量；Z(j)為j時刻垂直分量的振幅值；N(j)為j時刻北向分量的振幅值；E(j)為j時刻東向分量的振幅值。

2.2.2頻譜計(jì)算

在試驗(yàn)過程中設(shè)置好警報信號的門閥值，即STA/LTA的門閥值，可以捕獲傳感器周圍超幅的異常信號，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析人類活動產(chǎn)生的強(qiáng)振幅信號頻次，再對異常信號進(jìn)行頻譜分析，同時反向指導(dǎo)舍棄掉與巖溶活動不相關(guān)的震動活動，即實(shí)時強(qiáng)振幅信號的頻譜特征與人類活動的頻譜特征表現(xiàn)一致，就能夠排除巖溶活動的可能性。

2.2.3H/V譜比計(jì)算

基于微動的H/V方法相比于傳統(tǒng)微動技術(shù)是一種更加便捷的方法，又稱為三分諧振或HVSR方法，它是一種估算地表層振動共振頻率和放大的技術(shù)，能夠計(jì)算出微動信號的水平分量和垂直分量之比。典型的H/V譜比曲線具有一個或多個明顯的峰值頻率。H/V曲線的特征往往和地下淺部物性變化特征一一對應(yīng)，通過分析監(jiān)測點(diǎn)H/V曲線隨時間的起伏變化規(guī)律，如：峰值數(shù)量、峰值帶寬、峰值斜率等，可以指示測量點(diǎn)土體物理性質(zhì)的改變，有利于發(fā)現(xiàn)巖溶活動的征兆。

3 巖溶塌陷模型試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集主要從誘發(fā)因素和武漢地區(qū)巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型方面進(jìn)行考慮及模擬。從武漢市主要塌陷誘因分析，地下水活動是引起塌陷的關(guān)鍵因素，因此在模型上主要考慮模擬地下水活動引起的物性變化。

室內(nèi)試驗(yàn)在制作的巖溶模型上完成。模型土槽為寬1 m、高1 m、長4.8 m的敞口玻璃容器，玻璃槽下方有厚1 m的灰?guī)r基底，在基底中部開鑿有體積約0.7 m3的空洞，模擬地下的巖溶洞穴。本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)為二元結(jié)構(gòu)，玻璃容器下部為40 cm厚的砂層，砂層上部為40 cm 厚的黏土層。模型效果和試驗(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)過程情況統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)過程情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of experimental process

3.1 電性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

電性監(jiān)測采用高密度電法裝置，設(shè)置電極30根，電極距0.16 m，監(jiān)測排列總長度4.8 m左右，主要監(jiān)測模型上部約0.8 m厚的土層在不同狀態(tài)下的電性特征。

試驗(yàn)現(xiàn)象：降雨發(fā)生約12—24 min，下部砂土開始流失，在16 min時砂土流失加劇，上部土層開始局部塌陷，塌陷持續(xù)到降雨約22 min左右開始逐漸減小，降雨在24 min時停止，但是下部砂土還在少量流失，32 min后，模型基本穩(wěn)定。

將降雨前后不同時間段采集的視電阻率數(shù)據(jù)繪制成剖面圖(圖2)進(jìn)行對比。由圖2可以看出，在雨后模型視電阻率測量值集中在10～600 Ω·m，視電阻率在不同時間段發(fā)生明顯變化，降雨引起的融通塌陷在垮塌初期，視電阻率呈現(xiàn)降低趨勢，在垮塌后視電阻率局部逐漸升高。分析認(rèn)為由于前期地層中的空隙充水導(dǎo)致視電阻率降低，垮塌發(fā)生后，下部形成較大的空洞使視電阻率局部升高。試驗(yàn)表明砂土結(jié)構(gòu)的模型，在發(fā)生塌陷時視電阻率值會發(fā)生明顯的變化。

圖2 模擬降雨實(shí)測視電阻率等值線圖Fig.2 Measured resistivity contour map of simulated rainfall

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)進(jìn)行對比。從圖3可以看出，該模型自然電位集中在-130～80 mV，且分區(qū)非常明顯，降雨引起垮塌時，在垮塌部位自然電位會發(fā)生較大的變化。

試驗(yàn)表明，當(dāng)巖溶塌陷發(fā)生時淺表土層視電阻率和自然電位變化較大。在野外觀測中，若發(fā)現(xiàn)因非天氣原因造成的淺表土層視電阻率和電位變化較大時應(yīng)引起高度重視。

圖3 模擬降雨實(shí)測自然電位等值線圖Fig.3 Measured natural potential contour map of simulated rainfall

3.2 震動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本次地震監(jiān)測試驗(yàn)選用了意大利SolGeo公司生產(chǎn)的Dymas24地震振動系統(tǒng)、檢波器寬頻加速度計(jì)，頻率響應(yīng)范圍為1～315 Hz，加速度動態(tài)范圍0～1 mm/s，試驗(yàn)采樣率為200 Hz。分別在降雨前、降雨中、降雨后抽取其中的信號片段進(jìn)行振幅計(jì)算、頻譜分析和H/V值計(jì)算。

3.2.1振幅頻率分析

圖4為降雨試驗(yàn)時通過STA/LTA計(jì)算(采用STA為2 s，LTA為10 s計(jì)算)從中識別出多個片段的強(qiáng)震信號，其中14—18 min內(nèi)存在連續(xù)的強(qiáng)震信號與實(shí)驗(yàn)室視頻記錄到的砂體流失、土層下陷及崩塌時間相一致；降雨試驗(yàn)停止后的三分量振幅識別出少量強(qiáng)震信號，主要集中在24—32 min內(nèi)，32 min后巖溶活動逐漸停止，視頻記錄到停止人工降雨后砂體流失和土層下陷速度減慢，與降雨過程中的整個巖溶模型狀態(tài)相比，未見有大規(guī)模的垮塌現(xiàn)象發(fā)生；32 min后記錄到的強(qiáng)震信號為垮塌停止后人為走動造成的干擾信號。

圖4 12—24 min降雨試驗(yàn)時STA/LTA計(jì)算的強(qiáng)震信號Fig.4 STA/LTA calculation of strong motion signals during 12—24 minute rainfall experiments

圖5為降雨試驗(yàn)時巖溶活動信號的頻譜，從中可以看到3個顯著的波峰，第1個波峰約在5 Hz，第2個波峰約在24 Hz，第3個波峰約在31 Hz左右。因?yàn)橛杏晁温涞母蓴_，從該頻譜中尚不能確認(rèn)巖溶活動產(chǎn)生的信號主頻。

圖5 12—24 min降雨試驗(yàn)時巖溶活動信號的頻譜Fig.5 Frequency spectrum of karst activity signal during 12—24 minute rainfall experiment

圖6為24—40 min降雨試驗(yàn)停止后巖溶活動信號的頻譜，可以看出此時巖溶活動釋放的震動能量顯著高于安靜平穩(wěn)環(huán)境信號的能量，此時的頻譜主要表現(xiàn)了巖溶活動的信號特征。圖6中存在一個30 Hz左右的頻率峰值，即為巖溶活動信號的主頻，結(jié)合圖5可以確定巖溶活動釋放信號主頻大約為30 Hz。

圖6 24—40 min降雨試驗(yàn)停止后巖溶活動信號的頻譜Fig.6 Spectrum of karst activity signal after 24—40 minute rainfall experiment stopped

圖7為截選的一個顯著塌陷信號。從波形特征上看，塌陷信號Z分量表現(xiàn)為突然跳起的脈沖信號，最大振幅呈現(xiàn)指數(shù)樣迅速衰減，信號持續(xù)時間約0.45 s；塌陷信號N分量表現(xiàn)為2段式脈沖信號(B、C)，信號持續(xù)時間約0.5 s；塌陷信號E分量表現(xiàn)為3段式脈沖信號(D、E、F)，信號持續(xù)時間約0.7 s。

筆者對試驗(yàn)過程中儀器記錄的震動加速度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分為三個階段：①平穩(wěn)段(0—12 min);②巖溶塌陷活躍段(12—26 min);③塌陷終止段(26—40 min)。統(tǒng)計(jì)不同幅值大小的加速度值百分比，并分析研究不同階段加速度幅值規(guī)律。圖8即為試驗(yàn)過程中不同階段振幅占比直方圖，其中虛線代表全時段(0—40 min)幅值占比。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)塌陷逐漸停止后(黃色)，<0.001 5 mm/s的振幅占比明顯高于前兩個階段,表明隨著上方砂層逐漸填充至土洞區(qū)域，上方土層逐漸壓實(shí)，無明顯的砂土掉落至溶洞內(nèi)部，強(qiáng)震信號減少。在巖溶活躍段，強(qiáng)振幅占比略高于全時段平均值，亦是由于巖溶活動引發(fā)了多個微震信號所導(dǎo)致。

圖7 塌陷信號波形特征Fig.7 Waveform characteristics of collapse signal

圖8 塌陷試驗(yàn)振幅統(tǒng)計(jì)占比直方圖Fig.8 Statistical histogram of amplitude of collapse test

3.2.2H/V值計(jì)算及分析

圖9為試驗(yàn)記錄按照2 min時間間隔抽取其中的平穩(wěn)信號(避開了干擾和垮塌信號)計(jì)算的H/V值。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，峰值和帶寬均發(fā)生了緩慢變化，峰值逐漸升高，帶寬逐漸變寬，即峰值和帶寬均具初始階段<孕育階段<塌陷階段的規(guī)律。

巖溶塌陷在大規(guī)模發(fā)生前會產(chǎn)生大量且連續(xù)的瞬態(tài)信號，在巖溶地面塌陷發(fā)生初期，微地震事件驟然增多，微地震事件的波形特征、頻次等出現(xiàn)異常；H/V曲線的峰值突然升高，且伴隨有波峰帶寬增大等特征。這些特征的出現(xiàn)可以推測土層物性正在發(fā)生改變，場地可能存在小規(guī)模的巖溶活動，預(yù)示大規(guī)模的巖溶垮塌正在孕育。

圖9 降雨試驗(yàn)過程中不同時間段H/V值Fig.9 H/V value in different periods of rainfall test process

4 野外監(jiān)測點(diǎn)長周期觀測試驗(yàn)

野外監(jiān)測示范點(diǎn)選擇在武漢市漢陽鸚鵡大道樂福園酒樓邊上，該位置于1977年9月發(fā)生巖溶塌陷，先后形成大小塌陷坑5處，最大塌陷坑直徑達(dá)到22 m，并造成人員傷亡和較大的經(jīng)濟(jì)損失。在該塌陷位置設(shè)置有兩個水文監(jiān)測孔，主要用于監(jiān)測地下水位和水溫的變化。根據(jù)收集的監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)，在8月20日—10月20日，監(jiān)測井位置地下水位總體呈現(xiàn)近似的線性下降趨勢，無明顯水位波動(圖10)。

野外監(jiān)測主要投入時移高密度電法和微地震監(jiān)測手段，并通過4G網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時采集。遠(yuǎn)程高密度每天測量3次，獲取監(jiān)測區(qū)地下電阻率分布特征(圖11)。

圖10 監(jiān)測點(diǎn)8月20日—10月20日地下水位統(tǒng)計(jì)Fig.10 Groundwater level statistics of monitoring points from August 20 to October 20

圖11 監(jiān)測點(diǎn)地下電性結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.11 Sectional drawing of underground electrical structure of monitoring points

觀察視電阻率變化率斷面圖發(fā)現(xiàn)，整體該區(qū)域的視電阻率在8月20日—10月19日呈現(xiàn)增大的區(qū)域，其變化規(guī)律與地下水位的高程變化正好相反，即：地下水位上升，視電阻率變小；地下水位下降，視電阻率變大。自然電位在觀測時間段內(nèi)，變化較小。因此視電阻率變化與土層含水性有關(guān)，不會發(fā)生塌陷，與實(shí)際情況一致。

運(yùn)用微地震監(jiān)測野外監(jiān)測點(diǎn)，按照STA/LTA算法捕捉到多個強(qiáng)振幅信號，以10月12日捕捉到的強(qiáng)震信號為例(圖12)，該信號從波形上看Z分量表現(xiàn)為突然跳起的脈沖狀，但和實(shí)驗(yàn)室的塌陷信號不同，其外形特征左右對稱，尾支未成指數(shù)樣衰減，而且N，E分量檢波器未記錄到同時刻的強(qiáng)振幅信號。這和實(shí)驗(yàn)室采集到的巖溶垮塌信號頻譜顯著不同，為人類活動干擾造成的強(qiáng)震信號，而非巖溶活動信號。

圖12 按照STA/LTA算法捕捉到的某強(qiáng)振幅信號Fig.12 A strong amplitude signal captured by STA/LTA algorithm

兩個月里監(jiān)測點(diǎn)H/V值疊加曲線(圖13)變幅不大，總體形態(tài)穩(wěn)定，這表明監(jiān)測點(diǎn)下方的土石成分的物性特征沒有發(fā)生顯著改變。有少許日期H/V值曲線高頻成分出現(xiàn)了相對“跳起”的情況，排查原因發(fā)現(xiàn)當(dāng)時場地屬于刮風(fēng)時間段，防盜防雨箱抖動形成的高頻成分對監(jiān)測數(shù)據(jù)造成了一定干擾，但該高頻成分只影響極淺部位的數(shù)據(jù)品質(zhì)(約2 m以內(nèi))，不影響H/V值曲線對中深部地下物性成分的響應(yīng)。

圖13 H/V值疊加曲線Fig.13 Superposition curve of H/V value

5 結(jié)論

(1) 通過模擬巖溶地面塌陷，獲取巖溶地面塌陷發(fā)生過程中土層電性變化，結(jié)果表明視電阻率與含水性有較大關(guān)系；在模型發(fā)生塌陷時，視電阻率和自然電位都發(fā)生較大的變化，并且在靠近塌陷部位兩者變化都會更加明顯。

(2) 室內(nèi)模型震動監(jiān)測結(jié)果顯示，巖溶活動的微地震監(jiān)測有較好的顯示，當(dāng)巖溶塌陷發(fā)生時會產(chǎn)生突然跳起的脈沖信號，并且會出現(xiàn)連續(xù)固定頻率的瞬態(tài)信號；通過計(jì)算實(shí)時H/V值曲線分析，巖溶塌陷的H/V值曲線的峰值突然升高，且伴隨有波峰帶寬增大等特征出現(xiàn)，可以推測為土層物性正在發(fā)生改變，場地可能存在巖溶活動。

(3) 由于野外監(jiān)測點(diǎn)無明顯的地下水變化、無大的沉降，野外塌陷在長的監(jiān)測時間段內(nèi)，可能一直不會發(fā)生塌陷，因此很多模擬成果未得到驗(yàn)證。建議后期在其它監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行長周期觀測，并與其它手段的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步完善試驗(yàn)結(jié)論。