胡長(zhǎng)令 張少波 章昊

【摘要】巖溶地面塌陷是一個(gè)復(fù)雜而危險(xiǎn)的地質(zhì)災(zāi)害，需要采用有效的監(jiān)控測(cè)量技術(shù)進(jìn)行預(yù)警和預(yù)防。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)測(cè)量技術(shù)包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、實(shí)測(cè)分析和形變監(jiān)測(cè)等，而現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖溶地面塌陷的監(jiān)測(cè)，包括遙感技術(shù)、地震監(jiān)測(cè)技術(shù)、聲波測(cè)量技術(shù)、微型測(cè)震儀等。為了解決監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理和分析的問(wèn)題，一些新技術(shù)也被引入到巖溶地面塌陷的監(jiān)測(cè)中，如無(wú)人機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等。這些監(jiān)測(cè)技術(shù)為巖溶地面塌陷的防范和減輕損失提供了有力支持，但仍需進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析，以提高預(yù)警和預(yù)防的精度和有效性。

【關(guān)鍵詞】巖溶地區(qū)；地面塌陷；地面致沉；監(jiān)控量測(cè)

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.03.060

Study on Settlement of Surrounding Structures and Ground in Karst Area and Its Monitoring and Measurement

HU Changling，ZHANG Shaobo，ZHANG Hao

（China Water Conservancy and Hydropower Seventh Engineering Bureau Chengdu Hydropower Construction Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 611130，China）

Abstract：Karst ground collapse is a complex and dangerous geological disaster，which requires effective monitoring and measurement technology for early warning and prevention. Traditional monitoring techniques include field measurement，actual measurement analysis and deformation monitoring，while modern monitoring techniques have been widely used in monitoring karst ground collapse，including remote sensing technology，earthquake monitoring technology，acoustic wave measurement technology，micro seismometer and so on. In order to solve the problems of monitoring data collection，processing and analysis， some new technologies have also been introduced into the monitoring of karst ground collapse，such as UAV technology，Internet of Things technology，artificial intelligence technology and so on. These monitoring technologies provide strong support for preventing and reducing the loss of karst ground collapse，but it is still necessary to further strengthen the processing and analysis of monitoring data to improve the accuracy and effectiveness of early warning and prevention.

Key words：karst area；ground collapse；ground subsidence；monitoring measurement

0引言

地面塌陷是一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，其中巖溶地面塌陷是一種特別危險(xiǎn)的類(lèi)型。它的發(fā)生往往伴隨著嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境損失，對(duì)社會(huì)和人類(lèi)的影響也日益突出。為了預(yù)防和減輕巖溶地面塌陷的損失，需要采用有效的監(jiān)測(cè)和防治措施。本文詳細(xì)描述了巖溶地面塌陷的成因，包括溶洞發(fā)育、地下水位下降、周邊構(gòu)筑物等因素，并闡述了監(jiān)控測(cè)量技術(shù)在巖溶地面塌陷防治中的應(yīng)用。從傳統(tǒng)到現(xiàn)代的監(jiān)測(cè)技術(shù)都被涵蓋，包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、遙感技術(shù)、地震監(jiān)測(cè)、聲波測(cè)量、微型測(cè)震儀、無(wú)人機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)等。

1巖溶地面塌陷機(jī)理研究概述

中國(guó)喀斯特地貌的類(lèi)型豐富多樣，這種地貌的物質(zhì)基礎(chǔ)是碳酸鹽巖石，如石灰石、白云巖、石膏和巖鹽等，這些巖石在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛分布。

巖溶地面塌陷是一種由于地下溶洞、巖溶裂隙等物質(zhì)的溶蝕和遷移，導(dǎo)致地面下沉或坍塌的地質(zhì)災(zāi)害。巖溶地面塌陷的形成與多種因素密切相關(guān)，包括地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造應(yīng)力等。

在地質(zhì)條件方面，巖溶地面塌陷主要發(fā)生在石灰?guī)r、石膏巖、白云巖等具有強(qiáng)溶蝕性的地層中。這些地層具有良好的透水性和孔隙度，容易被地下水穿刺和侵蝕形成洞穴，使地面不穩(wěn)定并最終導(dǎo)致塌陷。

在水文地質(zhì)條件方面，地下水位、地下水動(dòng)態(tài)變化和地下水化學(xué)特性等因素也對(duì)巖溶地面塌陷起到了影響作用。地下水位是巖溶塌陷的重要誘因之一，地下水流動(dòng)加速了巖石的溶蝕和物質(zhì)遷移，導(dǎo)致地面下沉或坍塌。地下水動(dòng)態(tài)變化也會(huì)對(duì)巖溶地面塌陷產(chǎn)生影響，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，孔隙中的水分向下移動(dòng)，同時(shí)溶質(zhì)隨著水分的遷移而沉積在巖層中，形成的支撐力減少，從而導(dǎo)致地面沉降或坍塌。此外，地下水化學(xué)特性，如含有二氧化碳的酸性地下水，會(huì)加速巖石的溶蝕速度，加劇巖溶塌陷的程度。

在構(gòu)造應(yīng)力方面，地表上覆蓋的土層和建筑物等構(gòu)筑物的重量，會(huì)使地下巖溶裂隙發(fā)生變形和破壞，從而導(dǎo)致地面塌陷，此外，構(gòu)造應(yīng)力的變化也會(huì)影響地面的穩(wěn)定性。

為了深入研究巖溶地面塌陷機(jī)理，現(xiàn)代科技手段得到了廣泛應(yīng)用。例如，地球物理探測(cè)技術(shù)可以通過(guò)地震波、電磁波等方式獲取地下結(jié)構(gòu)信息，揭示巖溶地下結(jié)構(gòu)和空間特征。地球化學(xué)技術(shù)可以通過(guò)水化學(xué)分析、同位素分析等方法研究地下水的來(lái)源、流向和化學(xué)特性等信息，揭示水文地質(zhì)特征和水文地球化學(xué)過(guò)程。遙感技術(shù)可以通過(guò)衛(wèi)星圖像和遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)地表變化，包括地表沉降、地面變形等，為巖溶塌陷的誘發(fā)因素提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，數(shù)值模擬技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于巖溶地面塌陷機(jī)理的研究中，包括有限元分析、離散元方法、計(jì)算流體力學(xué)等，通過(guò)數(shù)值模擬可以對(duì)地下水流、溶洞發(fā)育、巖溶塌陷等過(guò)程進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，為巖溶地面塌陷的防治提供決策依據(jù)。

巖溶地面塌陷機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜而多元的問(wèn)題，需要從地質(zhì)、水文地質(zhì)、構(gòu)造等多個(gè)方面進(jìn)行綜合研究，結(jié)合現(xiàn)代科技手段開(kāi)展定量分析和數(shù)值模擬，為巖溶地面塌陷的預(yù)防和治理提供科學(xué)依據(jù)。

2巖溶地面塌陷誘因分析

巖溶地面塌陷是指在覆蓋巖溶地區(qū)，由于外部因素的作用，導(dǎo)致土壤顆粒流失，地面發(fā)生塌陷現(xiàn)象。在中國(guó)，喀斯特巖石的面積很大，約占全國(guó)土壤的三分之一以上，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，有30多個(gè)大中城市、420個(gè)縣市處于崩塌風(fēng)險(xiǎn)最大的地區(qū)，40余座礦山、25條鐵路、數(shù)百座水庫(kù)連續(xù)一段時(shí)期發(fā)生巖溶塌陷。很多喀斯特地質(zhì)災(zāi)害是由人類(lèi)活動(dòng)造成的，其中地下水和礦山排水的過(guò)度開(kāi)采是巖溶土塌陷的主要原因。

巖溶地面塌陷的誘因有很多，可以分為直接誘因和間接誘因兩類(lèi)。直接誘因包括水入滲、大規(guī)模巖溶突水、道路鐵路等工程施工、地下水位下降、污染等，這些因素直接作用于土壤顆粒，引起地面的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)。間接誘因包括挖掘場(chǎng)大規(guī)模充注巖溶水、地下礦山開(kāi)采、當(dāng)?shù)厮虼笠?guī)模開(kāi)采、施工降水等，這些因素并不直接作用于土壤顆粒，而是通過(guò)其他因素間接地作用于土壤顆粒，引起地面的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)，過(guò)程如圖1所示。

巖溶地區(qū)的建設(shè)活動(dòng)也是巖溶地面塌陷的重要誘因之一。大規(guī)模的建筑、道路、鐵路等工程施工過(guò)程中，常常需要進(jìn)行爆破和挖掘作業(yè)，這些作業(yè)會(huì)直接或間接地影響巖溶地質(zhì)條件，引發(fā)地面塌陷。另外，過(guò)度開(kāi)采地下水和礦產(chǎn)資源也會(huì)對(duì)巖溶地面塌陷造成影響，地下水和礦產(chǎn)資源的開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致地下水位下降、土壤失去支撐力，從而引發(fā)地面塌陷。

人類(lèi)活動(dòng)的污染也可能導(dǎo)致巖溶地面塌陷的發(fā)生，在喀斯特地區(qū)，由于土壤層厚度較薄，水、空氣、化學(xué)物質(zhì)等污染物質(zhì)容易滲透到巖石層中，使得巖石發(fā)生化學(xué)腐蝕和物理變化，失去支撐力而造成塌陷。

巖溶地面塌陷的誘因非常多，為了避免和減少巖溶地面塌陷的發(fā)生，需要加強(qiáng)對(duì)喀斯特地區(qū)的保護(hù)和管理，并控制人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)度和影響。

3周邊構(gòu)筑物、地面致沉及監(jiān)控量測(cè)

巖溶地面塌陷是一個(gè)復(fù)雜而危險(xiǎn)的地質(zhì)災(zāi)害，需要采用有效的監(jiān)控測(cè)量技術(shù)進(jìn)行預(yù)警和預(yù)防。近年來(lái)，監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷得到改進(jìn)和創(chuàng)新，涵蓋了從傳統(tǒng)到先進(jìn)的多種測(cè)量方法。

首先，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)測(cè)量技術(shù)包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、實(shí)測(cè)分析和形變監(jiān)測(cè)等。其中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量主要是通過(guò)實(shí)地勘探、鉆孔、探洞等方式獲得地質(zhì)信息，包括地下水位、巖層性質(zhì)、巖溶洞穴結(jié)構(gòu)等。實(shí)測(cè)分析是通過(guò)采樣、化驗(yàn)等方法對(duì)土壤、巖石等地質(zhì)材料進(jìn)行分析，獲得它們的物理力學(xué)特性。形變監(jiān)測(cè)主要通過(guò)精密測(cè)量?jī)x器記錄地面和結(jié)構(gòu)物的形變變化，如激光位移計(jì)、壓力計(jì)等。

隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖溶地面塌陷的監(jiān)測(cè)。例如，遙感技術(shù)可以利用衛(wèi)星圖像和遙感數(shù)據(jù)對(duì)地表變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括地表沉降、地面變形、洞穴發(fā)展等。地震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以通過(guò)地震儀器記錄地震震級(jí)、震源、地震波傳播路徑等信息，幫助預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)地震活動(dòng)對(duì)巖溶地面塌陷的影響。聲波測(cè)量技術(shù)可以用于測(cè)量巖溶洞穴的形態(tài)和大小，通過(guò)聲波傳播速度計(jì)算巖溶洞穴的體積和空間結(jié)構(gòu)。微型測(cè)震儀可以監(jiān)測(cè)巖溶洞穴內(nèi)的微震活動(dòng)，幫助預(yù)測(cè)洞穴的穩(wěn)定性和發(fā)展趨勢(shì)。

此外，為了解決監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理和分析的問(wèn)題，一些新技術(shù)也被引入到巖溶地面塌陷的監(jiān)測(cè)中。例如，無(wú)人機(jī)技術(shù)可以通過(guò)航拍和數(shù)據(jù)處理獲取高分辨率的地形圖像和三維模型，用于監(jiān)測(cè)地表變化和洞穴結(jié)構(gòu)的演變。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面沉降、結(jié)構(gòu)物變形等參數(shù)，將數(shù)據(jù)上傳到云端進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警。人工智能技術(shù)可以通過(guò)深度學(xué)習(xí)和模型優(yōu)化，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理和分析，提高監(jiān)測(cè)的精度和效率。

監(jiān)控測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用不僅可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)巖溶地面塌陷的預(yù)警信號(hào)，減輕損失，還可以為巖溶地質(zhì)研究提供更多的數(shù)據(jù)支持。但是，監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用也面臨著一些挑戰(zhàn)和限制。首先，不同的監(jiān)測(cè)技術(shù)在不同的地質(zhì)條件下的適用性存在差異，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的監(jiān)測(cè)技術(shù)。其次，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員和設(shè)備支持，成本較高。此外，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度和可靠性也受到監(jiān)測(cè)儀器的精度和誤差等因素的影響。

監(jiān)控測(cè)量技術(shù)在巖溶地面塌陷的預(yù)警和預(yù)防中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)代的新技術(shù)相結(jié)合，可以為巖溶地面塌陷的監(jiān)測(cè)提供更多的數(shù)據(jù)和信息支持。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，監(jiān)測(cè)測(cè)量技術(shù)將進(jìn)一步提高精度和效率，為預(yù)防和減輕巖溶地面塌陷的損失提供更好的保障。

4結(jié)語(yǔ)

結(jié)語(yǔ)部分是整個(gè)文章的總結(jié)和反思，對(duì)于巖溶地面塌陷的研究現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了概括和分析。本文詳細(xì)介紹了巖溶地面塌陷的形成機(jī)理和影響因素，以及目前應(yīng)用于巖溶地面塌陷監(jiān)測(cè)的各種技術(shù)和方法。巖溶地面塌陷作為一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了極大的威脅。因此，必須采取有效措施加強(qiáng)巖溶地面塌陷的預(yù)防和治理。

在未來(lái)的研究中，需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面。首先，加強(qiáng)對(duì)巖溶地質(zhì)條件的深入了解，深入研究地下水動(dòng)態(tài)變化對(duì)巖溶地面塌陷的影響機(jī)理和規(guī)律。其次，進(jìn)一步發(fā)展和完善巖溶地面塌陷的監(jiān)測(cè)技術(shù)，特別是在數(shù)據(jù)采集、處理和分析方面應(yīng)用更多新技術(shù)，同時(shí)，加強(qiáng)各種監(jiān)測(cè)手段之間的配合和整合，提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。最后，積極探索和應(yīng)用新型治理方法和技術(shù)，例如地下水位調(diào)節(jié)、填充加固和生態(tài)修復(fù)等，實(shí)現(xiàn)巖溶地面塌陷的有效治理和防控。

巖溶地面塌陷的研究和治理需要多學(xué)科、多角度的參與和協(xié)同，需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展。我們相信，在全社會(huì)的共同努力下，一定能夠有效預(yù)防和減輕巖溶地面塌陷的危害，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

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【作者簡(jiǎn)介】

胡長(zhǎng)令，男，1988年出生，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榻ㄔO(shè)工程管理。

（編輯：謝飛燕）