物探技术在岩溶塌陷灾害监测预警中的应用研究

李成香， 刘 磊， 周世昌， 王斌战

(湖北省地质局 地球物理勘探大队，湖北 武汉 430056)

岩溶塌陷问题是近年来数量呈上升趋势的一种地质灾害类型[1]。受岩溶发育的不均匀性和岩溶水作用特点的影响，岩溶塌陷的发育空间具有隐蔽性，发育过程具有累进性，塌陷的发生又具有突发性，单一的监测方法难以达到岩溶塌陷监测预警的目标。武汉市内数条岩溶条带总体呈近东西向分布，岩溶地质条件十分复杂[2]。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越发密切，岩溶塌陷不仅造成人员伤亡、财产损失，而且还使城市建设、工程建设、公共设施、地质环境和生态平衡遭到破坏。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与威胁，严重影响和制约着武汉市的城市规划和建设[2-3]。

物探技术应用于地质灾害监测领域起步比较晚，目前主要采用地质雷达、微地震以及时移电法技术对特定地质灾害开展监测预警[4-5]。

本文通过对岩溶塌陷物性模型的试验，分析岩溶塌陷发生前、中、后的地球物理场特征，对比研究岩溶塌陷发生全过程的各种特征因子，形成一套适用于野外塌陷监测的物探技术方法组合。

1 岩溶塌陷物性模型设计

野外模型试验参照武汉市的岩溶地质结构类型和岩溶地面塌陷类型设计。根据收集的武汉市地质资料，按照碳酸盐岩上覆盖层的特点，将武汉市岩溶划分为两种类型，即覆盖型岩溶区和埋藏型岩溶区[3]。武汉市2000年之后发生的主要岩溶塌陷地质结构类型如表1所示。

分析诱发岩溶地面塌陷的因素，主要分成以下3种：①降水；②地下水活动；③工程建设活动产生的强震。

室内模拟岩溶地面塌陷主要考虑地下水活动及工程建设活动产生的震动造成的影响。整个模型由供排水系统、主体模型和振动系统组成，同时，预留后期添加监测传感器等接口。为方便观察，模型整体外围使用加厚钢化玻璃。其中，岩溶模型设计为上端开口小、下端腹腔隆起的形状，其由整块灰岩岩石切割而成，岩溶模型高度为1 m、径深为1 m，腹腔最宽处约为0.6 m。岩溶模型放置于长3 m、宽1.2 m、高1.1 m的底座内，底座由混凝土浇筑而成(增强与岩溶的电性差异)。底座上方开口处设置为可调节开口角度的叶片(类似于百叶窗形式)，使用长3 m、宽1.2 m、高0.5 m的土槽，土槽下方不设底板，底座重合后直接用胶水封闭，土槽左端设置出水口，连接水箱。此次模拟试验缺少排水口模拟抽取砂层水的影响过程及中间存在隔水层的情况。

表1 武汉地区岩溶地质结构类型Table 1 Types of karst geological structure in Wuhan area

对整个岩溶塌陷物性模型，其主要观测对象为土层结构，因此通过布设物探设备或传感器，获取土层物性参数变化特征(图1)。

图1 模型外观及试验过程Fig.1 Model appearance and test process

2 监测方法简介

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技术，是一种阵列式电阻率勘探方法。它以岩石、矿石的导电性、电化学活动性、介电性和导磁性的差异为物理基础，使用专用的仪器设备，观测研究地壳周围物理场的变化和分布规律，进而解决地质问题的地球物理勘察方法[4-6]。

2.2 微地震监测

岩溶活动的地震信号和其它地震信号的属性特征往往不同，如果从实时地震信号中分析到与岩溶活动相似的地震属性时，可以对预报岩溶塌陷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[7-9]。

2.2.1平均绝对振幅统计

对信号进行平均绝对振幅统计后可以从中识别出警报信号，再对摘选的众多警报信号进行频谱分析，以对警报信号按照频谱特征进行分类。通过STA/LTA方法，可以有效识别出场地的强振幅信号，并为岩溶活动信号频谱分析打下基础。传统的STA/LTA算法在微震监测和强震检测中用于识别突变信号，也就是瞬态强振幅信号。STA/LTA方法的理论原理如下：

(1)

式中：NS的值决定了节选的信号样点数量；Z(j)为j时刻垂直分量的振幅值；N(j)为j时刻北向分量的振幅值；E(j)为j时刻东向分量的振幅值。

2.2.2频谱计算

在试验过程中设置好警报信号的门阀值，即STA/LTA的门阀值，可以捕获传感器周围超幅的异常信号，采用统计学分析人类活动产生的强振幅信号频次，再对异常信号进行频谱分析，同时反向指导舍弃掉与岩溶活动不相关的震动活动，即实时强振幅信号的频谱特征与人类活动的频谱特征表现一致，就能够排除岩溶活动的可能性。

2.2.3H/V谱比计算

基于微动的H/V方法相比于传统微动技术是一种更加便捷的方法，又称为三分谐振或HVSR方法，它是一种估算地表层振动共振频率和放大的技术，能够计算出微动信号的水平分量和垂直分量之比。典型的H/V谱比曲线具有一个或多个明显的峰值频率。H/V曲线的特征往往和地下浅部物性变化特征一一对应，通过分析监测点H/V曲线随时间的起伏变化规律，如：峰值数量、峰值带宽、峰值斜率等，可以指示测量点土体物理性质的改变，有利于发现岩溶活动的征兆。

3 岩溶塌陷模型试验

室内试验和数据采集主要从诱发因素和武汉地区岩溶地质结构类型方面进行考虑及模拟。从武汉市主要塌陷诱因分析，地下水活动是引起塌陷的关键因素，因此在模型上主要考虑模拟地下水活动引起的物性变化。

室内试验在制作的岩溶模型上完成。模型土槽为宽1 m、高1 m、长4.8 m的敞口玻璃容器，玻璃槽下方有厚1 m的灰岩基底，在基底中部开凿有体积约0.7 m3的空洞，模拟地下的岩溶洞穴。本次试验模型设计为二元结构，玻璃容器下部为40 cm厚的砂层，砂层上部为40 cm 厚的黏土层。模型效果和试验过程如图1所示。

试验过程持续40 min，分为降雨前、降雨中、降雨后。试验过程情况统计如表2所示。

表2 试验过程情况统计表Table 2 Statistical table of experimental process

3.1 电性监测数据分析

电性监测采用高密度电法装置，设置电极30根，电极距0.16 m，监测排列总长度4.8 m左右，主要监测模型上部约0.8 m厚的土层在不同状态下的电性特征。

试验现象：降雨发生约12—24 min，下部砂土开始流失，在16 min时砂土流失加剧，上部土层开始局部塌陷，塌陷持续到降雨约22 min左右开始逐渐减小，降雨在24 min时停止，但是下部砂土还在少量流失，32 min后，模型基本稳定。

将降雨前后不同时间段采集的视电阻率数据绘制成剖面图(图2)进行对比。由图2可以看出，在雨后模型视电阻率测量值集中在10～600 Ω·m，视电阻率在不同时间段发生明显变化，降雨引起的融通塌陷在垮塌初期，视电阻率呈现降低趋势，在垮塌后视电阻率局部逐渐升高。分析认为由于前期地层中的空隙充水导致视电阻率降低，垮塌发生后，下部形成较大的空洞使视电阻率局部升高。试验表明砂土结构的模型，在发生塌陷时视电阻率值会发生明显的变化。

图2 模拟降雨实测视电阻率等值线图Fig.2 Measured resistivity contour map of simulated rainfall

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)进行对比。从图3可以看出，该模型自然电位集中在-130～80 mV，且分区非常明显，降雨引起垮塌时，在垮塌部位自然电位会发生较大的变化。

试验表明，当岩溶塌陷发生时浅表土层视电阻率和自然电位变化较大。在野外观测中，若发现因非天气原因造成的浅表土层视电阻率和电位变化较大时应引起高度重视。

图3 模拟降雨实测自然电位等值线图Fig.3 Measured natural potential contour map of simulated rainfall

3.2 震动监测数据分析

本次地震监测试验选用了意大利SolGeo公司生产的Dymas24地震振动系统、检波器宽频加速度计，频率响应范围为1～315 Hz，加速度动态范围0～1 mm/s，试验采样率为200 Hz。分别在降雨前、降雨中、降雨后抽取其中的信号片段进行振幅计算、频谱分析和H/V值计算。

3.2.1振幅频率分析

图4为降雨试验时通过STA/LTA计算(采用STA为2 s，LTA为10 s计算)从中识别出多个片段的强震信号，其中14—18 min内存在连续的强震信号与实验室视频记录到的砂体流失、土层下陷及崩塌时间相一致；降雨试验停止后的三分量振幅识别出少量强震信号，主要集中在24—32 min内，32 min后岩溶活动逐渐停止，视频记录到停止人工降雨后砂体流失和土层下陷速度减慢，与降雨过程中的整个岩溶模型状态相比，未见有大规模的垮塌现象发生；32 min后记录到的强震信号为垮塌停止后人为走动造成的干扰信号。

图4 12—24 min降雨试验时STA/LTA计算的强震信号Fig.4 STA/LTA calculation of strong motion signals during 12—24 minute rainfall experiments

图5为降雨试验时岩溶活动信号的频谱，从中可以看到3个显著的波峰，第1个波峰约在5 Hz，第2个波峰约在24 Hz，第3个波峰约在31 Hz左右。因为有雨水滴落的干扰，从该频谱中尚不能确认岩溶活动产生的信号主频。

图5 12—24 min降雨试验时岩溶活动信号的频谱Fig.5 Frequency spectrum of karst activity signal during 12—24 minute rainfall experiment

图6为24—40 min降雨试验停止后岩溶活动信号的频谱，可以看出此时岩溶活动释放的震动能量显著高于安静平稳环境信号的能量，此时的频谱主要表现了岩溶活动的信号特征。图6中存在一个30 Hz左右的频率峰值，即为岩溶活动信号的主频，结合图5可以确定岩溶活动释放信号主频大约为30 Hz。

图6 24—40 min降雨试验停止后岩溶活动信号的频谱Fig.6 Spectrum of karst activity signal after 24—40 minute rainfall experiment stopped

图7为截选的一个显著塌陷信号。从波形特征上看，塌陷信号Z分量表现为突然跳起的脉冲信号，最大振幅呈现指数样迅速衰减，信号持续时间约0.45 s；塌陷信号N分量表现为2段式脉冲信号(B、C)，信号持续时间约0.5 s；塌陷信号E分量表现为3段式脉冲信号(D、E、F)，信号持续时间约0.7 s。

笔者对试验过程中仪器记录的震动加速度值进行统计，统计分为三个阶段：①平稳段(0—12 min);②岩溶塌陷活跃段(12—26 min);③塌陷终止段(26—40 min)。统计不同幅值大小的加速度值百分比，并分析研究不同阶段加速度幅值规律。图8即为试验过程中不同阶段振幅占比直方图，其中虚线代表全时段(0—40 min)幅值占比。从图8中可以发现当塌陷逐渐停止后(黄色)，<0.001 5 mm/s的振幅占比明显高于前两个阶段,表明随着上方砂层逐渐填充至土洞区域，上方土层逐渐压实，无明显的砂土掉落至溶洞内部，强震信号减少。在岩溶活跃段，强振幅占比略高于全时段平均值，亦是由于岩溶活动引发了多个微震信号所导致。

图7 塌陷信号波形特征Fig.7 Waveform characteristics of collapse signal

图8 塌陷试验振幅统计占比直方图Fig.8 Statistical histogram of amplitude of collapse test

3.2.2H/V值计算及分析

图9为试验记录按照2 min时间间隔抽取其中的平稳信号(避开了干扰和垮塌信号)计算的H/V值。从图9中可以发现，峰值和带宽均发生了缓慢变化，峰值逐渐升高，带宽逐渐变宽，即峰值和带宽均具初始阶段<孕育阶段<塌陷阶段的规律。

岩溶塌陷在大规模发生前会产生大量且连续的瞬态信号，在岩溶地面塌陷发生初期，微地震事件骤然增多，微地震事件的波形特征、频次等出现异常；H/V曲线的峰值突然升高，且伴随有波峰带宽增大等特征。这些特征的出现可以推测土层物性正在发生改变，场地可能存在小规模的岩溶活动，预示大规模的岩溶垮塌正在孕育。

图9 降雨试验过程中不同时间段H/V值Fig.9 H/V value in different periods of rainfall test process

4 野外监测点长周期观测试验

野外监测示范点选择在武汉市汉阳鹦鹉大道乐福园酒楼边上，该位置于1977年9月发生岩溶塌陷，先后形成大小塌陷坑5处，最大塌陷坑直径达到22 m，并造成人员伤亡和较大的经济损失。在该塌陷位置设置有两个水文监测孔，主要用于监测地下水位和水温的变化。根据收集的监测资料发现，在8月20日—10月20日，监测井位置地下水位总体呈现近似的线性下降趋势，无明显水位波动(图10)。

野外监测主要投入时移高密度电法和微地震监测手段，并通过4G网络功能实现远程实时采集。远程高密度每天测量3次，获取监测区地下电阻率分布特征(图11)。

图10 监测点8月20日—10月20日地下水位统计Fig.10 Groundwater level statistics of monitoring points from August 20 to October 20

图11 监测点地下电性结构断面图Fig.11 Sectional drawing of underground electrical structure of monitoring points

观察视电阻率变化率断面图发现，整体该区域的视电阻率在8月20日—10月19日呈现增大的区域，其变化规律与地下水位的高程变化正好相反，即：地下水位上升，视电阻率变小；地下水位下降，视电阻率变大。自然电位在观测时间段内，变化较小。因此视电阻率变化与土层含水性有关，不会发生塌陷，与实际情况一致。

运用微地震监测野外监测点，按照STA/LTA算法捕捉到多个强振幅信号，以10月12日捕捉到的强震信号为例(图12)，该信号从波形上看Z分量表现为突然跳起的脉冲状，但和实验室的塌陷信号不同，其外形特征左右对称，尾支未成指数样衰减，而且N，E分量检波器未记录到同时刻的强振幅信号。这和实验室采集到的岩溶垮塌信号频谱显著不同，为人类活动干扰造成的强震信号，而非岩溶活动信号。

图12 按照STA/LTA算法捕捉到的某强振幅信号Fig.12 A strong amplitude signal captured by STA/LTA algorithm

两个月里监测点H/V值叠加曲线(图13)变幅不大，总体形态稳定，这表明监测点下方的土石成分的物性特征没有发生显著改变。有少许日期H/V值曲线高频成分出现了相对“跳起”的情况，排查原因发现当时场地属于刮风时间段，防盗防雨箱抖动形成的高频成分对监测数据造成了一定干扰，但该高频成分只影响极浅部位的数据品质(约2 m以内)，不影响H/V值曲线对中深部地下物性成分的响应。

图13 H/V值叠加曲线Fig.13 Superposition curve of H/V value

5 结论

(1) 通过模拟岩溶地面塌陷，获取岩溶地面塌陷发生过程中土层电性变化，结果表明视电阻率与含水性有较大关系；在模型发生塌陷时，视电阻率和自然电位都发生较大的变化，并且在靠近塌陷部位两者变化都会更加明显。

(2) 室内模型震动监测结果显示，岩溶活动的微地震监测有较好的显示，当岩溶塌陷发生时会产生突然跳起的脉冲信号，并且会出现连续固定频率的瞬态信号；通过计算实时H/V值曲线分析，岩溶塌陷的H/V值曲线的峰值突然升高，且伴随有波峰带宽增大等特征出现，可以推测为土层物性正在发生改变，场地可能存在岩溶活动。

(3) 由于野外监测点无明显的地下水变化、无大的沉降，野外塌陷在长的监测时间段内，可能一直不会发生塌陷，因此很多模拟成果未得到验证。建议后期在其它监测点进行长周期观测，并与其它手段的监测结果进行对比分析，进一步完善试验结论。