岳家橋鎮(zhèn)巖溶塌陷區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測與分析

鄧沛宇，黎永索，李留璽，范子堅，黃文武，廖旭航，熊咸瑞

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岳家橋鎮(zhèn)巖溶塌陷區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測與分析

鄧沛宇，黎永索*，李留璽，范子堅，黃文武，廖旭航，熊咸瑞

（湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000）

為了探究地下水動態(tài)變化對巖溶塌陷的影響，以益陽市岳家橋地區(qū)為例，研究分析了地下水變化對淺層巖溶地表穩(wěn)定性的影響．通過使用水位計、流速儀和電子水準(zhǔn)儀對岳家橋鎮(zhèn)巖溶塌陷區(qū)的水位、流速和地表沉降變化進(jìn)行監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和對比，結(jié)果表明：地下水位的增高會加劇巖溶塌陷，地下水位降低有利于巖溶地區(qū)穩(wěn)定．并根據(jù)洞室埋深和監(jiān)測所得的水文數(shù)據(jù)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對巖溶塌陷進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表明預(yù)測值能很好的擬合實際沉降數(shù)據(jù)，對于治理岳家橋地區(qū)的巖溶塌陷具有一定參考價值．

巖溶塌陷；水位變化；地下水；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

巖溶塌陷是我國最主要的自然災(zāi)害之一，我國是世界上巖溶塌陷發(fā)育最廣泛的國家之一，巖溶面積近內(nèi)陸國土面積的30%[1-2]．隨著人類工程活動的日益加劇，巖溶塌陷對人類生活的影響及造成的經(jīng)濟(jì)損失也越來越大．巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害是一種復(fù)雜的工程地質(zhì)現(xiàn)象，它的發(fā)育是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果，內(nèi)因包括上覆土層結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，下伏基巖的巖溶化等因素；外因包括人類工程活動及其他因素導(dǎo)致的地下水動力條件的改變等．由于巖溶發(fā)展過程的隱伏性、區(qū)域水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性等原因，人們對于巖溶塌陷形成機(jī)理和演化過程的認(rèn)識較模糊，提出了諸如“潛蝕成因”、“崩解成因”、“真空吸蝕成因”等理論[3]，在近幾年關(guān)于水文條件對巖溶塌陷的研究中普遍認(rèn)為巖性與上覆土層的性質(zhì)[4]，水位的升降情況[5]和強(qiáng)徑流帶的位置[6]是影響巖溶發(fā)育的主要因素．

作者在岳家橋地下水動態(tài)觀測與巖溶塌陷的調(diào)查研究基礎(chǔ)上，分析岳家橋地下水動態(tài)的變化規(guī)律，確定地下水強(qiáng)徑流帶和巖溶塌陷的基本特征，從巖溶地下水的角度勘察，將地下水作為單一變量，評價其對巖溶塌陷的影響，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對巖溶塌陷區(qū)地表沉降進(jìn)行了預(yù)測．

1 地質(zhì)背景

益陽市赫山區(qū)岳家橋鎮(zhèn)位于湖南省的中北部，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫16.1℃~16.9℃，降雨量1 230 mm~1 700 mm，雨量豐沛；屬湘江水系，區(qū)內(nèi)地表水系較為發(fā)育，溪流眾多，水庫、池塘星羅棋布，所以該地區(qū)地表水充足．地區(qū)地處湘中丘陵與洞庭湖沖積平原的過渡地帶，以剝蝕丘陵地貌為主，間夾少量巖溶丘陵地貌及侵蝕堆積地貌[7]．

據(jù)物探與鉆探揭露，岳家橋地區(qū)覆蓋層厚度僅6.5~24.8 m，上覆土層以第四季沖擊層洪積層為主，土質(zhì)松軟，屬于淺埋溶洞，易受水流侵蝕，且受季風(fēng)氣候和周邊煤炭壩抽排水影響水位波動明顯，地下徑流條件良好．

2 布點方式

根據(jù)全面性原則、系統(tǒng)性原則、代表性原則、可行性原則，在岳家橋鎮(zhèn)塌陷影響范圍內(nèi)共布置27處水文監(jiān)測點（其中19處水文監(jiān)測孔、3處機(jī)井、5處民井，140戶開裂房屋各布置1個簡易監(jiān)測點，監(jiān)測水流徑通塌陷區(qū)地下水．

在該巖溶場地按要求在每個塌陷坑設(shè)置了2個地表沉降觀測點，共30個，編號依次為1-1至15-2．并在場地南北兩側(cè)距塌陷坑100 m遠(yuǎn)、通視條件良好的不受塌陷影響的區(qū)域各設(shè)置了1組水準(zhǔn)點，作為監(jiān)測基準(zhǔn)點，監(jiān)測點布置圖見圖1．

圖1 監(jiān)測點布置圖

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料以及物探、鉆探資料，該區(qū)地下水監(jiān)測點主要選取在靠近泉交河支流的位置，布測點處主要是由耕土、圓礫、粉質(zhì)粘土組成地層為典型的二元結(jié)構(gòu)，有利于地下水的潛蝕作用，易形成空洞和溶洞．洞內(nèi)填充物較多但極軟弱，洞內(nèi)有近期塌落物且有活動強(qiáng)烈的水流或間歇性水流，地下水的流速大且升降變化，水力坡度加大，因此，布測點適于地下水的動態(tài)監(jiān)測．

3 監(jiān)測與分析

由于該地區(qū)存在巖溶洞隙、一定厚度的松散蓋層和水動力條件，形成巖溶塌陷發(fā)育的基本條件，極具代表性．場地的研究環(huán)境適應(yīng)，又地表水隨季節(jié)變化明顯，所以該地區(qū)適于研究巖溶塌陷地下水動態(tài)監(jiān)測與分析．

通過鉆孔數(shù)據(jù)得知T5號洞室的上覆土層厚度僅為8.9 m，T6號洞室的上覆土層厚度僅為8 m，且都以耕土和粉質(zhì)粘土為主，地層巖性皆為灰?guī)r，其中帶有泥沙填充，溶洞地質(zhì)情況基本相同．本文選取T5號和T6號洞室為例對其地表沉降和水位變化分析其變形情況．

3.1 地表沉降分析

在巖溶塌陷地區(qū)，位移的變化是巖土體受力變形情況的最直觀表現(xiàn)．為研究水體變化對巖溶塌陷的影響，在每個塌陷區(qū)設(shè)置2個沉降監(jiān)測點，分別記為5-1、5-2、6-1、6-2，并在周邊穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置3個相互通視基準(zhǔn)點，進(jìn)行監(jiān)測．T5、T6塌陷區(qū)地表累計變形曲線分別如圖2、圖3所示．

圖2 T5塌陷區(qū)地表沉降累計變化曲線

圖3 T6塌陷區(qū)地表沉降累計變化曲線

通過比對沉降圖可以發(fā)現(xiàn)T5號洞室在經(jīng)過7個月的穩(wěn)定期后基本趨于穩(wěn)定，T6仍發(fā)生地表沉降，在上層覆土物理性質(zhì)相似，巖性相同的條件下，巖溶穩(wěn)定仍存在差異．而T5、T6號洞室塌陷后，基本上沒有人類活動的影響．因此，可以確定地下水動態(tài)變化成為巖溶地區(qū)地表沉降的一個重要影響因素．

3.2 水體參數(shù)分析

地下水變化是影響巖溶穩(wěn)定的另一關(guān)鍵因素．通過對水流方向的追蹤分析，選取DJ8的水文監(jiān)測點的水文數(shù)據(jù)來反映T5的地下水流情況，選取DJ12的水文監(jiān)測點的水文數(shù)據(jù)來反映T6的地下水流情況．分析監(jiān)測所得水文數(shù)據(jù)得知在岳家橋地區(qū)的地下水流速和流量基本相同，流速都在45 cm/s上下波動，但地下水位存在差異，T5、T6塌陷區(qū)水位變化曲線如圖4、圖5所示．

圖4 T5塌陷區(qū)水位變化曲線

圖5 T6塌陷區(qū)水位變化曲線

可以看出T5，T6塌陷區(qū)的水位變化都很明顯，都在夏季的時候達(dá)到峰值，冬季的時候達(dá)到谷值，但T5塌陷區(qū)的地下水位波動范圍為4.1～7.679 m，T6塌陷區(qū)的地下水位波動范圍為15.6～23.3 m，而T5、T6地面標(biāo)高都在40 m左右，覆土厚度皆不超過9 m，相對較薄；又地下水流會不斷沖刷溶洞洞室，對于地下水位較高的T6塌陷而言，通過溶洞的水流流量較大，對溶洞的沖刷侵蝕也會隨之加強(qiáng)，所以會出現(xiàn)相較于地下水位較低的T5塌陷區(qū)而言，地表繼續(xù)沉降的現(xiàn)象，相對應(yīng)的，T5相較T6而言，地表沉降較小，也更快趨于穩(wěn)定．

根據(jù)地面調(diào)查資料，巖溶塌陷主要集中分布于河谷或低洼溝谷地帶，而且低洼溝谷地帶，有利于地表水的匯集，地表水與地下水水力聯(lián)系密切，造成地下水交替循環(huán)強(qiáng)烈，為巖溶的發(fā)育提供了充分的水動力條件．根據(jù)T5、T6塌陷區(qū)水位變化曲線可以看出，地下水位變化頻率較大，結(jié)合該區(qū)域降水情況，地下水位變化頻率和區(qū)域降水頻率基本一致，因此，可以得出該區(qū)域降水情況直接影響地下水位的變化，成為地下水交替循環(huán)的又一條件．

每年4~8月為降雨集中季節(jié)，最有利于地下水接受補(bǔ)給，該地區(qū)地下水位急劇上升，對上覆土體產(chǎn)生頂托，形成正壓，所以使處于臨界狀態(tài)的上覆土體變形沉降甚至塌陷形成塌陷坑，相反每年的10月到次年2月，為枯水期，地下水位較低且較為穩(wěn)定，地面沉降變化較小．

4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由多層構(gòu)成，除了輸入和輸出外，還具有若干隱含層，層與層之間全連接，同一層之間的神經(jīng)元無連接．多層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠從輸入中挖掘更多信息，完成更復(fù)雜的任務(wù)．

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用誤差反向傳播算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)從輸入層經(jīng)隱含層逐層向后傳播，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)權(quán)值時，則沿著減少誤差的方向，從輸出層經(jīng)過中間各層逐層向前修正網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值．隨著學(xué)習(xí)不斷進(jìn)行，最終誤差越來越小．

4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計主要包括網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、輸入層節(jié)點數(shù)、隱含層節(jié)點數(shù)、輸出層節(jié)點數(shù)以及傳輸函數(shù)、訓(xùn)練參數(shù)的設(shè)置幾個方面．筆者以岳家橋地區(qū)巖溶塌陷為工程實例依托BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計．

BP網(wǎng)絡(luò)可以包含1到多個隱含層．但是，現(xiàn)已有理論證明，單個隱含層的網(wǎng)絡(luò)可以通過適當(dāng)增加神經(jīng)元節(jié)點的個數(shù)實現(xiàn)任意非線性映射．目前并沒有一個理想的解析式來確定隱含層的神經(jīng)元節(jié)點個數(shù)，通常的做法是采用經(jīng)驗公式給出估計值，再進(jìn)行測試調(diào)整得到合理參數(shù)．經(jīng)驗公式有3個[8]：

輸入層和輸出層的神經(jīng)元個數(shù)需要根據(jù)從實際問題中得到的抽象模型來確定．

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用迭代更新的方式確定權(quán)值，因此需要一個初始值，初始值過大或過小都會對性能產(chǎn)生影響，通常講初始權(quán)值定義為較小的非零隨機(jī)值，具體參數(shù)設(shè)定如圖6所示．

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始參數(shù)圖

確定以上參數(shù)后，將數(shù)據(jù)歸一化處理，并輸入網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行學(xué)習(xí)．本文以岳家橋鎮(zhèn)巖溶塌陷地區(qū)溶洞的埋深，水位和流量的變化數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，處理了9處塌陷區(qū)數(shù)據(jù)，以7組為訓(xùn)練組，另外2組為測試組，參考BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得出結(jié)果如表1和表2所示．

表1 歸一化數(shù)據(jù)表

表2 沉降數(shù)據(jù)對比表

從數(shù)據(jù)分析的結(jié)果來看，通過現(xiàn)場監(jiān)測的水文變化等數(shù)據(jù)建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對塌陷區(qū)的沉降進(jìn)行預(yù)測是有參考價值的．

5 結(jié)論

通過本項研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)對于溶洞埋深較淺，上層覆土較松軟，地下徑流條件較強(qiáng)，巖性易受侵蝕的地區(qū)，地下水位的變化是影響巖溶發(fā)育的主要因素．可以通過對巖溶地下水位的實時監(jiān)測，獲取相應(yīng)的水動態(tài)參數(shù)，為引發(fā)巖溶塌陷的可能性提供評估依據(jù)．

(2)對于沉降不易監(jiān)測的地區(qū)可以通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用周圍主要的水文數(shù)據(jù)對目標(biāo)區(qū)域的沉降進(jìn)行預(yù)測分析．

[1]李海濤, 陳邦松, 楊雪, 等. 巖溶塌陷監(jiān)測內(nèi)容及方法概述[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 2015, 23(1): 126-134.

[2]張媚, 孫玉川, 謝正蘭, 等. 巖溶地下河系統(tǒng)中有機(jī)氯的分布特征與來源分析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2016, 37(09): 3356-3364.

[3]金曉文, 陳值華, 曾斌, 等. 巖溶塌陷機(jī)理定量研究的初步思考[J]. 中國巖溶, 2013, 32(4): 437-446.

[4]蔣小珍, 雷明堂, 管振德, 等. 巖溶塌陷災(zāi)害的水動力條件危險性評價指標(biāo)[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2012, 8(6): 1316-1321.

[5]王延嶺. 山東省泰萊盆地巖溶地面塌陷影響因素分析[J]. 中國巖溶, 2016, 35(1): 60-66.

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[7]何禹, 鄧專, 周磊. 綜合物探法在益陽市岳家橋鎮(zhèn)地面塌陷勘察中的應(yīng)用[J]. 工程地球物理學(xué)報, 2013, 10(6): 814-821.

[8]周志廣, 冀彥卓. 鐵施工引發(fā)地面沉降的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測分析[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)學(xué)報, 2014, 25(3): 97-102.

(責(zé)任編校：陳健瓊)

The Survey and Analysis the Influence of Groundwater Changes on Karst Collapse in Yuejiaqiao Area

DENG Peiyu, LI Yongsuo*, LI Liuxi, FAN Zijian, HUANG Wenwu, LIAO Xuhang, XIONG Xianrui

（School of Civil and Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China）

In order to study the influence of the groundwater dynamic change on Karst roke collapse, based on an example as the area of Yuejiaqiao in the city of Yiyang, this study analyzed the changes of groundwater effect on the stability of the shallow Karst terrain. The water level, flow rate and surface subsidence in the Karst subsidence area of Yuejiaqiao were monitored by using water level meter, the current meter and electronic level. Then, the statistics and comparison of the monitoring data it is concluded that ground water level raising will exacerbate Karst collapse and water level decline that is contributed to the stabilization of karst area. In addition, the study based on the depth of the Karst and hydrological data builds a BP neural network to predict the surface subsidence, and the prediction result is similar to the actual data. It is of a certain reference value to govern Karst collapse in Yuejiaqiao Area.

collapse; groundwater; water level; BP neural network

TU457

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.06.0006

1672–7304(2017)06–0026–04

2017-04-20

國家自然科學(xué)基金項目(51678226)；湖南省科技計劃項目(2014SK3180)；湖南省教育廳科研重點項目(14A024)；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新試驗計劃項目(201511527004)；全國大學(xué)生創(chuàng)新試驗計劃項目(201611527002)

鄧沛宇(1995-)，男，湖南益陽人，湖南城市學(xué)院在校本科學(xué)生，主要從事隧道及地下工程研究．E-mail: 758959204@qq.com. *

通訊作者簡介：黎永索(1974-)，男，湖南汨羅人，教授，博士，主要從事隧道及地下工程研究．E-mail: 314235824@qq.com