光纤传感技术在岩溶地面塌陷地质灾害监测中的应用

王甫强，张占彪，李虎，柯洋

(武汉市勘察设计有限公司，湖北 武汉 430000)

1 引 言

受岩溶发育的不均匀性和岩溶水作用的周期性影响，岩溶土洞(塌陷)的发育在空间上具有隐蔽性、发育过程具有长时间性、塌陷的发生又具有突发性特点，使岩溶地面塌陷地质灾害监测工作面临诸多问题[1]。岩溶地面塌陷的发生具有隐蔽性和突发性的特征，要对其发生发展过程进行监测必须选择合适的监测对象和监测手段，通过动态变化来直接或间接地反映地面塌陷的发育过程。光纤感测技术是近二十年来最新兴起的新型传感技术，该技术具有“传”“感”合一的特点，以光波为载体，光纤为媒介，具有抗电磁干扰、动态响应快、灵敏度和测试精度高、耐久性强及可实现远距离实时监测等优点，分布式光纤还可对深层土体进行分布式测量[2]。本文选用先进的光纤传感监测技术监测法结合使用光纤光栅传感器监测岩溶塌陷动力条件。

2 地下水(气)压力光纤监测技术

地下水(气)压力的升降变化对岩溶塌陷的稳定性和发展情况具有重要影响。频繁的地下水(气)压力的变化，会加剧地下水侵蚀影响，造成岩溶塌陷稳定性失衡破坏，进而产生岩溶塌陷。岩溶发育区域多维空间变形同样对岩溶塌陷发展有着重要影响，潜在塌陷体的边缘会发生不同程度的拉张变形。基于水(气)压力变化和变形的数据分析，探究水(气)压力与变形相关规律，确定预警阈值，建立基于水(气)压力的自动化监测的地面塌陷预警系统。在目标工作区内采用地下水(气)压力监测观测方法对岩溶塌陷进行综合监测，建立地面塌陷监测网，在区域上通过流场动态的把握来达到岩溶陷程度和状况的把握，从而从时间上获得提前量，为准确预测矿区内地面变形情况及发展趋势，为可能发生的地面塌陷进行预报预警及科学分析。

监测点的布设原则：岩溶地下水(气)压力监测点(井)位应在塌陷发育区的边界及中心地段布置；监测点的位置根据地下水径流方向布设；监测点(井)的深度应根据影响监测区地下水位波动的工程活动确定。两地下水(气)压力监测点(井)位距离应在 300 m～ 500 m之间。

裂隙岩溶水(气)压力监测孔深度根据所需揭露岩溶含水层类型及其埋深和厚度确定。钻孔应穿过岩溶裂隙发育带或岩溶管道(岩心破碎或采芯率低、钻进中涌水或漏水、掉钻等)，达到监测岩溶地下水(气)动态变化的目的；而对于监测第四系含水层与岩溶含水层是否有联系时，第四系水(气)压力监测孔深度应钻进至最下层含水层底板之下隔水层 1 m深[3]。

渗压计安装采用钻孔PE或PPR供水管埋设，钻孔终孔后，在套管内放入PE或PPR供水管，供水管的直径应不小于 70 mm，放至孔底[4]，对于地下岩溶水(气)压力的监测，基岩面 1 m～2 m以下部分应为花管，孔径为 2 mm～5 mm，呈梅花状，孔间垂直间距为 30 mm～ 50 mm；注意护管应保持垂直，不得倾斜。

当护管放到要求的深度后，基岩孔：含水段PE或PPR供水管上部绑扎海带，灌水，海带膨胀后，沿钢套管和护管之间慢速、均匀倒入制备好的黏土至地面或浇水泥砂浆至地面；第四系土层孔：PE或PPR供水管外围倒入粗沙，直至最上面含水层顶面以上才开始倒入黏土或水泥砂浆进行密封。

在拔起套管的同时，应用钻杆压住护管，以防其被拔起；拔起钢套管的速度应缓慢。PE或PPR供水管孔口进行密封处理，使用直径大于供水管的厚纸片放入管口以下 15 cm处，在管口注入膨胀泡沫密封。光纤光栅水(气)压力测孔布设如图1所示。

图1 光纤光栅水(气)压力测孔布设示意图

3 基于光纤传感的岩溶发育区多维度变形监测技术

岩溶发育区多维度变形监测主要分为两各方面进行监测，第一，对岩溶发育区水平塌陷方式进行监测；第二，对岩溶发育区竖向塌陷方式进行监测。

岩溶发育区上覆岩土体以岩溶中心区为基准，出现碟状或者锅状沉降。其沉降影响范围区随着地下水对碳酸盐岩的不断侵蚀不断增大。岩溶发育的范围不断发展扩大，具有隐蔽性，较难捕捉圈定其实际范围。塌陷体与周围相对稳定土体存在相对运动，潜在塌陷体的边缘会发生不同程度的拉张变形。因此可以采用分布式光纤感测技术进行表面变形监测，通过布设感测光缆，捕捉潜在塌陷体的边缘拉张变形。以此来探测圈定其具体范围，监测其发展情况，分布式光纤传感技术监测得到的物理量是应变，利用光纤本身的特征把光纤自身作为敏感元件，光纤总线不仅起到传光作用，还起着传感作用，不需要另外布设传输线路。分布式光纤传感技术可以直接获得所铺设光纤上任何一点的应变值，在监测变形异常点定位中比较方便，具有信息量大，结构简单、可靠性高、使用方便、测试结果直观[5]。

水平方向研究方法：根据前期地质调查情况，大致圈定岩溶发育区域。沿着塌陷体的纵横方向各开挖1条深约 60 cm、宽 50 cm的沟槽，将密集分布式应变感测光缆通过定点布设的方式埋入沟槽中，建立光纤测线，进行表面变形监测(如图2所示)。以1月～1季度为监测周期，定期采集感测光缆应变大小，通过光缆拉压变形量来确定岩溶塌陷区具体分布范围和其发展变形情况。

图2 水平方向感测光缆布设监测示意

岩溶塌陷体上覆岩土体的塌陷沉降情况，可直接反映其内部岩溶发育情况。根据土体沉降位移变化趋势可以对岩溶塌陷体的稳定性状态及其发展趋势进行判断，提前做好预防预警措施。在塌陷体重要部位和方向上，布设光纤光栅传感器，实现土体沉降的精细化和定量化实时监测。根据土体沉降情况来研究塌陷体的发展情况，并作预警判断。

竖直方向研究方法：根据地质调查和前期地表变形监测情况，大致圈定发育区域。在岩溶发育重点区域钻孔布设地面沉降专用密集分布式应变感测光缆，钻孔深度为 40 m、钻孔直径不小于 110 mm，建立光纤测线，进行岩溶塌陷区竖向变形监测(如图3所示)。以1月～1季度为监测周期，定期采集感测光缆应变大小，通过光缆拉压变形量来确定岩溶塌陷区具体分布范围和其发展变形情况。

图3 竖直方向感测光缆布设示意图

4 应用实例

在武汉市汉阳区鹦鹉路-建港路岩溶发育区内选取3个特定点位。每个点位进行施工3个钻孔，分别布设光纤光栅渗压计及光纤应变感测光缆，分别监测岩溶地下水气压力，第四系水气压力及岩溶发育区上部土体形变情况。通过实时监测地下水气压力整体的活动，结合土体形变情况对地下水(气)与变形信息关联性与规律性研究。

4.1 工作区域

该段属于长江一级阶地可溶岩上部残积层分布区，上部为黏性土，中上部为砂性土，下部为可溶岩，属于岩溶地面塌陷高易发区。本段岩溶发育区内选取3个特定点位。每个点位进行施工3个钻孔，分别布设光纤光栅渗压计及光纤应变感测光缆，分别监测岩溶地下水气压力，第四系水气压力及岩溶发育区上部土体形变情况。监测点统计表如表1所示。

监测点统计表 表1

点位分布图如图4所示，汉阳鹦鹉路-建港路监测区水气压力监测点位于距离长江 500 m～800 m范围。分别选取SQ18-SQ21断面及SQ21-SQ22断面进行数据分析。其中SQ18-SQ21断面监测点平行于长江，两点相距约 300 m；SQ21-SQ22监测点垂直于长江，两点相距约 300 m。

图4 监测点位分布图

4.2 监测结果

(1)岩溶水气压力与长江水位对比分析

图5中，三点水位变化趋势一致，随长江水位变化而变化，均在7月23日左右达最高水位，此后水位下降。与长江水具有高度相关关系，在枯水期水位略高于长江水位，丰水期时，监测孔水位低于长江水位，说明此区域岩溶水接收长江系统的补给。但三点水位上升峰值时间滞后于长江水位峰值(7月13日)10天左右。

图5 汉阳鹦鹉路-建港路重点监测区岩溶水气压力时间曲线

SQ21监测孔距长江较近，和SQ22监测孔比较，枯水期SQ21水位低于SQ22监测孔，丰水期SQ21监测孔水位上升较快，两点水位接近、枯水期水位差加大。表明两个监测孔有水力联系，也表明岩溶水径流梯度基本一致。

(2)第四系孔隙水气压力与长江水位对比分析

图6中，三点水位变化趋势一致，随长江水位变化而变化，均在7月14日左右达最高水位，此后水位下降。与长江水具有高度相关关系，在枯水期水位略高于长江水位，丰水期时，监测孔水位低于长江水位，与长江的补排关系密切。但三点水位上升峰值时间滞后于长江水位峰值(7月13日)1天左右，表明第四系孔隙水与长江补排速度快于岩溶水的补排速度。

图6 第四系水气压力时间曲线

SQ21和SQ22监测孔比较，枯水期SQ21水位高于SQ22监测孔，丰水期SQ22监测孔水位上升较快，两点水位接近、枯水期水位差加大。

(3)岩溶水与第四系孔隙水气压力对比分析

图7～图9中，三组对孔水位变化趋势一致，随长江水位变化而变化，表明此区域第四系孔隙水与岩溶水之间水力联系紧密，且与长江水补排关系密切。三孔均在枯水期水位差大，丰水期水位差小。第四系孔隙水水位上升及下降均快于岩溶水，说明岩溶水补给(丰水期)、排泄(枯水期)速度均小于孔隙水。

图7 SQ18号对孔监测点水气压力变化曲线

图8中，SQ21岩溶水气压力于2020年5月21日～5月23日及2020年6月5日～6月12日发生压力突变现象。经调查，距监测孔 50 m附近有工程钻探施工，同时间SQ21第四系水气压力未发生突变现象。结合SQ18号监测孔，SQ18岩溶水气压力出现水气压力突变现象，而同时间SQ18第四系孔隙水气压力未出现突变现象，表明在岩溶管道系统内易受到外界因素影响产生气爆现象。

图8 SQ21号对孔监测点水气压力变化曲线

图9 SQ22号对孔监测点水气压力变化曲线

(4)光纤传感技术变形监测

整个监测期间数据正常未发生较大形变现象，监测区内未发生岩溶地面塌陷事故。数据曲线图如图10所示。

图10 SQ22光纤传感技术变形监测曲线图

5 结 论

(1)监测区地下水主要为孔隙承压水和裂隙岩溶水，一级阶地前缘，两者均与长江水位变化一致，高水位处于7～8月份，低水位处于12～1月份，且在丰水期长江水位高于孔隙水水位，孔隙水水位高于岩溶水水位。枯水期岩溶水水位高于孔隙水水位，孔隙水水位高于长江水位。

(2)地下水气压力监测较好地监测出地下水气，尤其是岩溶空腔内水气压力受到外界影响时在短时间内发生的变化。通过高频率的监测，从而可计算出对应的岩溶地下水气压力变化速度，为进一步探讨监测预警阈值提供数据支撑。此监测方法在岩溶地面塌陷监测领域是可行的。

(3)垂直光纤传感技术土体变形监测相对于地面沉降监测可以很好地反映出深层土体的变化情况，此监测方法在岩溶地面塌陷监测领域具有较好的应用前景。