光纖傳感技術在巖溶地面塌陷地質災害監(jiān)測中的應用

王甫強，張占彪，李虎，柯洋

(武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引 言

受巖溶發(fā)育的不均勻性和巖溶水作用的周期性影響，巖溶土洞(塌陷)的發(fā)育在空間上具有隱蔽性、發(fā)育過程具有長時間性、塌陷的發(fā)生又具有突發(fā)性特點，使巖溶地面塌陷地質災害監(jiān)測工作面臨諸多問題[1]。巖溶地面塌陷的發(fā)生具有隱蔽性和突發(fā)性的特征，要對其發(fā)生發(fā)展過程進行監(jiān)測必須選擇合適的監(jiān)測對象和監(jiān)測手段，通過動態(tài)變化來直接或間接地反映地面塌陷的發(fā)育過程。光纖感測技術是近二十年來最新興起的新型傳感技術，該技術具有“傳”“感”合一的特點，以光波為載體，光纖為媒介，具有抗電磁干擾、動態(tài)響應快、靈敏度和測試精度高、耐久性強及可實現(xiàn)遠距離實時監(jiān)測等優(yōu)點，分布式光纖還可對深層土體進行分布式測量[2]。本文選用先進的光纖傳感監(jiān)測技術監(jiān)測法結合使用光纖光柵傳感器監(jiān)測巖溶塌陷動力條件。

2 地下水(氣)壓力光纖監(jiān)測技術

地下水(氣)壓力的升降變化對巖溶塌陷的穩(wěn)定性和發(fā)展情況具有重要影響。頻繁的地下水(氣)壓力的變化，會加劇地下水侵蝕影響，造成巖溶塌陷穩(wěn)定性失衡破壞，進而產(chǎn)生巖溶塌陷。巖溶發(fā)育區(qū)域多維空間變形同樣對巖溶塌陷發(fā)展有著重要影響，潛在塌陷體的邊緣會發(fā)生不同程度的拉張變形?；谒?氣)壓力變化和變形的數(shù)據(jù)分析，探究水(氣)壓力與變形相關規(guī)律，確定預警閾值，建立基于水(氣)壓力的自動化監(jiān)測的地面塌陷預警系統(tǒng)。在目標工作區(qū)內采用地下水(氣)壓力監(jiān)測觀測方法對巖溶塌陷進行綜合監(jiān)測，建立地面塌陷監(jiān)測網(wǎng)，在區(qū)域上通過流場動態(tài)的把握來達到巖溶陷程度和狀況的把握，從而從時間上獲得提前量，為準確預測礦區(qū)內地面變形情況及發(fā)展趨勢，為可能發(fā)生的地面塌陷進行預報預警及科學分析。

監(jiān)測點的布設原則：巖溶地下水(氣)壓力監(jiān)測點(井)位應在塌陷發(fā)育區(qū)的邊界及中心地段布置；監(jiān)測點的位置根據(jù)地下水徑流方向布設；監(jiān)測點(井)的深度應根據(jù)影響監(jiān)測區(qū)地下水位波動的工程活動確定。兩地下水(氣)壓力監(jiān)測點(井)位距離應在 300 m～ 500 m之間。

裂隙巖溶水(氣)壓力監(jiān)測孔深度根據(jù)所需揭露巖溶含水層類型及其埋深和厚度確定。鉆孔應穿過巖溶裂隙發(fā)育帶或巖溶管道(巖心破碎或采芯率低、鉆進中涌水或漏水、掉鉆等)，達到監(jiān)測巖溶地下水(氣)動態(tài)變化的目的；而對于監(jiān)測第四系含水層與巖溶含水層是否有聯(lián)系時，第四系水(氣)壓力監(jiān)測孔深度應鉆進至最下層含水層底板之下隔水層 1 m深[3]。

滲壓計安裝采用鉆孔PE或PPR供水管埋設，鉆孔終孔后，在套管內放入PE或PPR供水管，供水管的直徑應不小于 70 mm，放至孔底[4]，對于地下巖溶水(氣)壓力的監(jiān)測，基巖面 1 m～2 m以下部分應為花管，孔徑為 2 mm～5 mm，呈梅花狀，孔間垂直間距為 30 mm～ 50 mm；注意護管應保持垂直，不得傾斜。

當護管放到要求的深度后，基巖孔：含水段PE或PPR供水管上部綁扎海帶，灌水，海帶膨脹后，沿鋼套管和護管之間慢速、均勻倒入制備好的黏土至地面或澆水泥砂漿至地面；第四系土層孔：PE或PPR供水管外圍倒入粗沙，直至最上面含水層頂面以上才開始倒入黏土或水泥砂漿進行密封。

在拔起套管的同時，應用鉆桿壓住護管，以防其被拔起；拔起鋼套管的速度應緩慢。PE或PPR供水管孔口進行密封處理，使用直徑大于供水管的厚紙片放入管口以下 15 cm處，在管口注入膨脹泡沫密封。光纖光柵水(氣)壓力測孔布設如圖1所示。

圖1 光纖光柵水(氣)壓力測孔布設示意圖

3 基于光纖傳感的巖溶發(fā)育區(qū)多維度變形監(jiān)測技術

巖溶發(fā)育區(qū)多維度變形監(jiān)測主要分為兩各方面進行監(jiān)測，第一，對巖溶發(fā)育區(qū)水平塌陷方式進行監(jiān)測；第二，對巖溶發(fā)育區(qū)豎向塌陷方式進行監(jiān)測。

巖溶發(fā)育區(qū)上覆巖土體以巖溶中心區(qū)為基準，出現(xiàn)碟狀或者鍋狀沉降。其沉降影響范圍區(qū)隨著地下水對碳酸鹽巖的不斷侵蝕不斷增大。巖溶發(fā)育的范圍不斷發(fā)展擴大，具有隱蔽性，較難捕捉圈定其實際范圍。塌陷體與周圍相對穩(wěn)定土體存在相對運動，潛在塌陷體的邊緣會發(fā)生不同程度的拉張變形。因此可以采用分布式光纖感測技術進行表面變形監(jiān)測，通過布設感測光纜，捕捉潛在塌陷體的邊緣拉張變形。以此來探測圈定其具體范圍，監(jiān)測其發(fā)展情況，分布式光纖傳感技術監(jiān)測得到的物理量是應變，利用光纖本身的特征把光纖自身作為敏感元件，光纖總線不僅起到傳光作用，還起著傳感作用，不需要另外布設傳輸線路。分布式光纖傳感技術可以直接獲得所鋪設光纖上任何一點的應變值，在監(jiān)測變形異常點定位中比較方便，具有信息量大，結構簡單、可靠性高、使用方便、測試結果直觀[5]。

水平方向研究方法：根據(jù)前期地質調查情況，大致圈定巖溶發(fā)育區(qū)域。沿著塌陷體的縱橫方向各開挖1條深約 60 cm、寬 50 cm的溝槽，將密集分布式應變感測光纜通過定點布設的方式埋入溝槽中，建立光纖測線，進行表面變形監(jiān)測(如圖2所示)。以1月～1季度為監(jiān)測周期，定期采集感測光纜應變大小，通過光纜拉壓變形量來確定巖溶塌陷區(qū)具體分布范圍和其發(fā)展變形情況。

圖2 水平方向感測光纜布設監(jiān)測示意

巖溶塌陷體上覆巖土體的塌陷沉降情況，可直接反映其內部巖溶發(fā)育情況。根據(jù)土體沉降位移變化趨勢可以對巖溶塌陷體的穩(wěn)定性狀態(tài)及其發(fā)展趨勢進行判斷，提前做好預防預警措施。在塌陷體重要部位和方向上，布設光纖光柵傳感器，實現(xiàn)土體沉降的精細化和定量化實時監(jiān)測。根據(jù)土體沉降情況來研究塌陷體的發(fā)展情況，并作預警判斷。

豎直方向研究方法：根據(jù)地質調查和前期地表變形監(jiān)測情況，大致圈定發(fā)育區(qū)域。在巖溶發(fā)育重點區(qū)域鉆孔布設地面沉降專用密集分布式應變感測光纜，鉆孔深度為 40 m、鉆孔直徑不小于 110 mm，建立光纖測線，進行巖溶塌陷區(qū)豎向變形監(jiān)測(如圖3所示)。以1月～1季度為監(jiān)測周期，定期采集感測光纜應變大小，通過光纜拉壓變形量來確定巖溶塌陷區(qū)具體分布范圍和其發(fā)展變形情況。

圖3 豎直方向感測光纜布設示意圖

4 應用實例

在武漢市漢陽區(qū)鸚鵡路-建港路巖溶發(fā)育區(qū)內選取3個特定點位。每個點位進行施工3個鉆孔，分別布設光纖光柵滲壓計及光纖應變感測光纜，分別監(jiān)測巖溶地下水氣壓力，第四系水氣壓力及巖溶發(fā)育區(qū)上部土體形變情況。通過實時監(jiān)測地下水氣壓力整體的活動，結合土體形變情況對地下水(氣)與變形信息關聯(lián)性與規(guī)律性研究。

4.1 工作區(qū)域

該段屬于長江一級階地可溶巖上部殘積層分布區(qū)，上部為黏性土，中上部為砂性土，下部為可溶巖，屬于巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū)。本段巖溶發(fā)育區(qū)內選取3個特定點位。每個點位進行施工3個鉆孔，分別布設光纖光柵滲壓計及光纖應變感測光纜，分別監(jiān)測巖溶地下水氣壓力，第四系水氣壓力及巖溶發(fā)育區(qū)上部土體形變情況。監(jiān)測點統(tǒng)計表如表1所示。

監(jiān)測點統(tǒng)計表 表1

點位分布圖如圖4所示，漢陽鸚鵡路-建港路監(jiān)測區(qū)水氣壓力監(jiān)測點位于距離長江 500 m～800 m范圍。分別選取SQ18-SQ21斷面及SQ21-SQ22斷面進行數(shù)據(jù)分析。其中SQ18-SQ21斷面監(jiān)測點平行于長江，兩點相距約 300 m；SQ21-SQ22監(jiān)測點垂直于長江，兩點相距約 300 m。

圖4 監(jiān)測點位分布圖

4.2 監(jiān)測結果

(1)巖溶水氣壓力與長江水位對比分析

圖5中，三點水位變化趨勢一致，隨長江水位變化而變化，均在7月23日左右達最高水位，此后水位下降。與長江水具有高度相關關系，在枯水期水位略高于長江水位，豐水期時，監(jiān)測孔水位低于長江水位，說明此區(qū)域巖溶水接收長江系統(tǒng)的補給。但三點水位上升峰值時間滯后于長江水位峰值(7月13日)10天左右。

圖5 漢陽鸚鵡路-建港路重點監(jiān)測區(qū)巖溶水氣壓力時間曲線

SQ21監(jiān)測孔距長江較近，和SQ22監(jiān)測孔比較，枯水期SQ21水位低于SQ22監(jiān)測孔，豐水期SQ21監(jiān)測孔水位上升較快，兩點水位接近、枯水期水位差加大。表明兩個監(jiān)測孔有水力聯(lián)系，也表明巖溶水徑流梯度基本一致。

(2)第四系孔隙水氣壓力與長江水位對比分析

圖6中，三點水位變化趨勢一致，隨長江水位變化而變化，均在7月14日左右達最高水位，此后水位下降。與長江水具有高度相關關系，在枯水期水位略高于長江水位，豐水期時，監(jiān)測孔水位低于長江水位，與長江的補排關系密切。但三點水位上升峰值時間滯后于長江水位峰值(7月13日)1天左右，表明第四系孔隙水與長江補排速度快于巖溶水的補排速度。

圖6 第四系水氣壓力時間曲線

SQ21和SQ22監(jiān)測孔比較，枯水期SQ21水位高于SQ22監(jiān)測孔，豐水期SQ22監(jiān)測孔水位上升較快，兩點水位接近、枯水期水位差加大。

(3)巖溶水與第四系孔隙水氣壓力對比分析

圖7～圖9中，三組對孔水位變化趨勢一致，隨長江水位變化而變化，表明此區(qū)域第四系孔隙水與巖溶水之間水力聯(lián)系緊密，且與長江水補排關系密切。三孔均在枯水期水位差大，豐水期水位差小。第四系孔隙水水位上升及下降均快于巖溶水，說明巖溶水補給(豐水期)、排泄(枯水期)速度均小于孔隙水。

圖7 SQ18號對孔監(jiān)測點水氣壓力變化曲線

圖8中，SQ21巖溶水氣壓力于2020年5月21日～5月23日及2020年6月5日～6月12日發(fā)生壓力突變現(xiàn)象。經(jīng)調查，距監(jiān)測孔 50 m附近有工程鉆探施工，同時間SQ21第四系水氣壓力未發(fā)生突變現(xiàn)象。結合SQ18號監(jiān)測孔，SQ18巖溶水氣壓力出現(xiàn)水氣壓力突變現(xiàn)象，而同時間SQ18第四系孔隙水氣壓力未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，表明在巖溶管道系統(tǒng)內易受到外界因素影響產(chǎn)生氣爆現(xiàn)象。

圖8 SQ21號對孔監(jiān)測點水氣壓力變化曲線

圖9 SQ22號對孔監(jiān)測點水氣壓力變化曲線

(4)光纖傳感技術變形監(jiān)測

整個監(jiān)測期間數(shù)據(jù)正常未發(fā)生較大形變現(xiàn)象，監(jiān)測區(qū)內未發(fā)生巖溶地面塌陷事故。數(shù)據(jù)曲線圖如圖10所示。

圖10 SQ22光纖傳感技術變形監(jiān)測曲線圖

5 結 論

(1)監(jiān)測區(qū)地下水主要為孔隙承壓水和裂隙巖溶水，一級階地前緣，兩者均與長江水位變化一致，高水位處于7～8月份，低水位處于12～1月份，且在豐水期長江水位高于孔隙水水位，孔隙水水位高于巖溶水水位?？菟趲r溶水水位高于孔隙水水位，孔隙水水位高于長江水位。

(2)地下水氣壓力監(jiān)測較好地監(jiān)測出地下水氣，尤其是巖溶空腔內水氣壓力受到外界影響時在短時間內發(fā)生的變化。通過高頻率的監(jiān)測，從而可計算出對應的巖溶地下水氣壓力變化速度，為進一步探討監(jiān)測預警閾值提供數(shù)據(jù)支撐。此監(jiān)測方法在巖溶地面塌陷監(jiān)測領域是可行的。

(3)垂直光纖傳感技術土體變形監(jiān)測相對于地面沉降監(jiān)測可以很好地反映出深層土體的變化情況，此監(jiān)測方法在巖溶地面塌陷監(jiān)測領域具有較好的應用前景。