巖溶區域周邊構筑物、地面致沉及監控量測研究

胡長令 張少波 章昊

【摘要】巖溶地面塌陷是一個復雜而危險的地質災害，需要采用有效的監控測量技術進行預警和預防。傳統的監測測量技術包括現場測量、實測分析和形變監測等，而現代監測技術已經廣泛應用于巖溶地面塌陷的監測，包括遙感技術、地震監測技術、聲波測量技術、微型測震儀等。為了解決監測數據采集、處理和分析的問題，一些新技術也被引入到巖溶地面塌陷的監測中，如無人機技術、物聯網技術、人工智能技術等。這些監測技術為巖溶地面塌陷的防范和減輕損失提供了有力支持，但仍需進一步加強監測數據的處理和分析，以提高預警和預防的精度和有效性。

【關鍵詞】巖溶地區；地面塌陷；地面致沉；監控量測

【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的地質災害，其中巖溶地面塌陷是一種特別危險的類型。它的發生往往伴隨著嚴重的經濟和環境損失，對社會和人類的影響也日益突出。為了預防和減輕巖溶地面塌陷的損失，需要采用有效的監測和防治措施。本文詳細描述了巖溶地面塌陷的成因，包括溶洞發育、地下水位下降、周邊構筑物等因素，并闡述了監控測量技術在巖溶地面塌陷防治中的應用。從傳統到現代的監測技術都被涵蓋，包括現場測量、遙感技術、地震監測、聲波測量、微型測震儀、無人機技術、物聯網技術和人工智能技術等。

1巖溶地面塌陷機理研究概述

中國喀斯特地貌的類型豐富多樣，這種地貌的物質基礎是碳酸鹽巖石，如石灰石、白云巖、石膏和巖鹽等，這些巖石在全國范圍內廣泛分布。

巖溶地面塌陷是一種由于地下溶洞、巖溶裂隙等物質的溶蝕和遷移，導致地面下沉或坍塌的地質災害。巖溶地面塌陷的形成與多種因素密切相關，包括地質條件、水文地質條件、構造應力等。

在地質條件方面，巖溶地面塌陷主要發生在石灰巖、石膏巖、白云巖等具有強溶蝕性的地層中。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，使地面不穩定并最終導致塌陷。

在水文地質條件方面，地下水位、地下水動態變化和地下水化學特性等因素也對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，地下水流動加速了巖石的溶蝕和物質遷移，導致地面下沉或坍塌。地下水動態變化也會對巖溶地面塌陷產生影響，當地下水位下降時，孔隙中的水分向下移動，同時溶質隨著水分的遷移而沉積在巖層中，形成的支撐力減少，從而導致地面沉降或坍塌。此外，地下水化學特性，如含有二氧化碳的酸性地下水，會加速巖石的溶蝕速度，加劇巖溶塌陷的程度。

在構造應力方面，地表上覆蓋的土層和建筑物等構筑物的重量，會使地下巖溶裂隙發生變形和破壞，從而導致地面塌陷，此外，構造應力的變化也會影響地面的穩定性。

為了深入研究巖溶地面塌陷機理，現代科技手段得到了廣泛應用。例如，地球物理探測技術可以通過地震波、電磁波等方式獲取地下結構信息，揭示巖溶地下結構和空間特征。地球化學技術可以通過水化學分析、同位素分析等方法研究地下水的來源、流向和化學特性等信息，揭示水文地質特征和水文地球化學過程。遙感技術可以通過衛星圖像和遙感數據監測地表變化，包括地表沉降、地面變形等，為巖溶塌陷的誘發因素提供數據支撐。同時，數值模擬技術也被廣泛應用于巖溶地面塌陷機理的研究中，包括有限元分析、離散元方法、計算流體力學等，通過數值模擬可以對地下水流、溶洞發育、巖溶塌陷等過程進行模擬和預測，為巖溶地面塌陷的防治提供決策依據。

巖溶地面塌陷機理是一個復雜而多元的問題，需要從地質、水文地質、構造等多個方面進行綜合研究，結合現代科技手段開展定量分析和數值模擬，為巖溶地面塌陷的預防和治理提供科學依據。

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，由于外部因素的作用，導致土壤顆粒流失，地面發生塌陷現象。在中國，喀斯特巖石的面積很大，約占全國土壤的三分之一以上，統計數據顯示，有30多個大中城市、420個縣市處于崩塌風險最大的地區，40余座礦山、25條鐵路、數百座水庫連續一段時期發生巖溶塌陷。很多喀斯特地質災害是由人類活動造成的，其中地下水和礦山排水的過度開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。直接誘因包括水入滲、大規模巖溶突水、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，引起地面的運動學響應。間接誘因包括挖掘場大規模充注巖溶水、地下礦山開采、當地水域大規模開采、施工降水等，這些因素并不直接作用于土壤顆粒，而是通過其他因素間接地作用于土壤顆粒，引起地面的運動學響應，過程如圖1所示。

巖溶地區的建設活動也是巖溶地面塌陷的重要誘因之一。大規模的建筑、道路、鐵路等工程施工過程中，常常需要進行爆破和挖掘作業，這些作業會直接或間接地影響巖溶地質條件，引發地面塌陷。另外，過度開采地下水和礦產資源也會對巖溶地面塌陷造成影響，地下水和礦產資源的開采會導致地下水位下降、土壤失去支撐力，從而引發地面塌陷。

人類活動的污染也可能導致巖溶地面塌陷的發生，在喀斯特地區，由于土壤層厚度較薄，水、空氣、化學物質等污染物質容易滲透到巖石層中，使得巖石發生化學腐蝕和物理變化，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生，需要加強對喀斯特地區的保護和管理，并控制人類活動的強度和影響。

3周邊構筑物、地面致沉及監控量測

巖溶地面塌陷是一個復雜而危險的地質災害，需要采用有效的監控測量技術進行預警和預防。近年來，監測技術不斷得到改進和創新，涵蓋了從傳統到先進的多種測量方法。

首先，傳統的監測測量技術包括現場測量、實測分析和形變監測等。其中，現場測量主要是通過實地勘探、鉆孔、探洞等方式獲得地質信息，包括地下水位、巖層性質、巖溶洞穴結構等。實測分析是通過采樣、化驗等方法對土壤、巖石等地質材料進行分析，獲得它們的物理力學特性。形變監測主要通過精密測量儀器記錄地面和結構物的形變變化，如激光位移計、壓力計等。

隨著科技的進步，現代監測技術已經廣泛應用于巖溶地面塌陷的監測。例如，遙感技術可以利用衛星圖像和遙感數據對地表變化進行監測，包括地表沉降、地面變形、洞穴發展等。地震監測技術可以通過地震儀器記錄地震震級、震源、地震波傳播路徑等信息，幫助預測和監測地震活動對巖溶地面塌陷的影響。聲波測量技術可以用于測量巖溶洞穴的形態和大小，通過聲波傳播速度計算巖溶洞穴的體積和空間結構。微型測震儀可以監測巖溶洞穴內的微震活動，幫助預測洞穴的穩定性和發展趨勢。

此外，為了解決監測數據采集、處理和分析的問題，一些新技術也被引入到巖溶地面塌陷的監測中。例如，無人機技術可以通過航拍和數據處理獲取高分辨率的地形圖像和三維模型，用于監測地表變化和洞穴結構的演變。物聯網技術可以通過傳感器網絡實時監測地面沉降、結構物變形等參數，將數據上傳到云端進行分析和處理，實現遠程監控和預警。人工智能技術可以通過深度學習和模型優化，對監測數據進行自動處理和分析，提高監測的精度和效率。

監控測量技術的應用不僅可以及時發現巖溶地面塌陷的預警信號，減輕損失，還可以為巖溶地質研究提供更多的數據支持。但是，監測技術的應用也面臨著一些挑戰和限制。首先，不同的監測技術在不同的地質條件下的適用性存在差異，需要根據實際情況選擇合適的監測技術。其次，監測數據的采集、處理和分析需要專業的技術人員和設備支持，成本較高。此外，監測數據的精度和可靠性也受到監測儀器的精度和誤差等因素的影響。

監控測量技術在巖溶地面塌陷的預警和預防中發揮著重要作用。傳統的監測測量技術和現代的新技術相結合，可以為巖溶地面塌陷的監測提供更多的數據和信息支持。未來隨著技術的不斷發展和創新，監測測量技術將進一步提高精度和效率，為預防和減輕巖溶地面塌陷的損失提供更好的保障。

4結語

結語部分是整個文章的總結和反思，對于巖溶地面塌陷的研究現狀和未來發展方向進行了概括和分析。本文詳細介紹了巖溶地面塌陷的形成機理和影響因素，以及目前應用于巖溶地面塌陷監測的各種技術和方法。巖溶地面塌陷作為一種嚴重的地質災害，給人們的生命財產帶來了極大的威脅。因此，必須采取有效措施加強巖溶地面塌陷的預防和治理。

在未來的研究中，需要重點關注以下幾個方面。首先，加強對巖溶地質條件的深入了解，深入研究地下水動態變化對巖溶地面塌陷的影響機理和規律。其次，進一步發展和完善巖溶地面塌陷的監測技術，特別是在數據采集、處理和分析方面應用更多新技術，同時，加強各種監測手段之間的配合和整合，提高監測的準確性和可靠性。最后，積極探索和應用新型治理方法和技術，例如地下水位調節、填充加固和生態修復等，實現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科、多角度的參與和協同，需要不斷創新和發展。我們相信，在全社會的共同努力下，一定能夠有效預防和減輕巖溶地面塌陷的危害，保障人民生命財產安全，促進經濟社會的可持續發展。

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【作者簡介】

胡長令，男，1988年出生，工程師，學士，研究方向為建設工程管理。

（編輯：謝飛燕）