基于地下水动力特征监测的岩溶塌陷预警阈值探索——以广州金沙洲岩溶塌陷为例

监测预警是岩溶塌陷地质灾害防治领域急需解决的技术难题。文章在总结当前岩溶塌陷监测预警研究现状的基础上,以广州金沙洲地区岩溶塌陷监测为例,通过对不同岩溶塌陷阶段地下水动力条件监测数据分析,发现数据异常值反映了不同工况地下水动态和岩溶塌陷发展阶段的突变关系,以此为基础,通过曲线拟合和残差分析确定了岩溶塌陷预警的置信带。通过对比分析异常值出现最多次数时间,最大及最小异常值出现时间和实际岩溶塌陷发生时间,验证了运用异常数据分析法进行岩溶塌陷预警是可行的,监测数据间隔越密,捕获的异常值越多,预警越准确。      

线性工程路基岩溶土洞(塌陷)监测技术与方法综述

土洞(塌陷)的监测预警问题一直是国际上极具挑战性的课题。近年来,随着新技术的发展,特别是光电传感技术的应用,岩溶土洞(塌陷)预警监测已取得可喜的进展。本文通过对地质雷达监测法、剖面沉降监测法、In Sar 监测法、时域反射( TDR)同轴电缆监测法、基于岩溶管道裂隙水(气)压力监测的触发因素监测法、BO TDR及OTDR光纤传感监测法等适合于线性工程岩溶土洞(塌陷)的监测预报方法进行了系统分析比较,结果发现: 单一方法在岩溶土洞(塌陷)的监测预警中都有其局限性; 分布式TDR及BOTDR技术可有效确定岩溶塌陷的空间位置,但在埋设方面需进一步的研究;岩溶土洞(塌陷)的监测预警是一个系统工程,应考虑多种方法的综合运用。      

岩溶塌陷机理研究进展

岩溶塌陷机理是开展岩溶塌陷监测、预警、防控及治理工作的基础。长期以来,岩溶塌陷机理研究都是以事后调查的定性推测为主,缺乏必要的科学观测数据支持,导致目前的岩溶塌陷机理仍然处于假设阶段,并成为岩溶塌陷灾害监测预警与防治方面的理论瓶颈问题。文章总结了近年来国内外岩溶塌陷机理的最新研究进展,提出目前的岩溶塌陷机理都可以归结为土岩体的渗透变形,但其临界或破坏指标还需进一步探讨,此外指出随着高频采样的水压力、加速度计及声波等传感器的实用化,塌陷机理研究将面临着从静水压力到动水压力方面的挑战,并且压力脉动造成的气蚀破坏、共振破坏也将是下步探究的重点。     

广州金沙洲岩溶地面塌陷灾害预警预报研究

受武广客运专线金沙洲隧道施工抽排大量地下水的影响, 2007—2012年广州金沙洲发生了大规模岩溶地面塌陷、地面沉降地质灾害,造成了重大经济损失。为防治地质灾害,采用综合地质调查、地下水位监测、地面沉降监测、物探、钻探和试验等手段勘查和研究,建立了完善的地下水位和地面沉降监测网络。在此基础上,根据地质环境条件、岩溶发育程度和地质灾害分布特征进行岩溶塌陷易发性分区,选择地下水位变化量和地面沉降量这两个与岩溶塌陷最直接、最敏感和最重要的参数,从预警预报参数选择、时间尺度选取、判据分析计算、预警预报方法、模型系统的建立等方面进行研究,选取临界日综合地下水位变化量和临界日综合地面沉降量作为预警预报判据,结合三维地质结构模型建立岩溶塌陷预警预报模型系统。成功地预警预报了两起岩溶地面塌陷,取得较好的预报效果,说明该岩溶地面塌陷预警预报模型系统实用、有效,为金沙洲防灾减灾提供地质科学依据,为当地的社会稳定和经济可持续发展提供技术支撑。     

泰安市城区—旧县水源地岩溶地面塌陷历程及影响因素分析

文章总结泰安市城区—旧县水源地内岩溶塌陷的发生发展历程，综合前人研究成果及最新的野外调查统计结果，对影响研究区岩溶塌陷的分布及影响因素进行了剖析，探明了岩溶塌陷的发育条件及诱发因素。结果表明:(1)研究区内岩溶塌陷主要发生在岩溶发育较强、断裂带附近、土层厚度小于30 m的区域；发生塌陷区域的土层结构以二元结构为主，其次是多元结构；塌陷大多发生在汛期，尤其是在大型降雨之后；(2)强烈的地下水开采活动引发的岩溶水大幅度波动是塌陷发生的最主要诱发因素，且岩溶地下水位在基岩面附近波动时最易引发塌陷；外界对土体的扰动也对塌陷有一定的影响，泰安城区旧镇铁路交汇处的塌陷与列车行车震动有密不可分的联系。综合分析以往岩溶塌陷的研究方向和程度，建议今后的研究重点应为塌陷过程演化监测与模拟、塌陷预警预报方法探索及数据库建设。      

浅谈岩溶塌陷的影响因素与模型研究

文章分析了国内外岩溶塌陷形成机理的研究现状,指出岩溶塌陷机制的多样性以及成因的复杂性;介绍了岩溶塌陷的三个基本条件,以及分析了岩溶发育、地下水位降低、地下水补给、岩土性状、地质构造、人类活动等重要因素对岩溶塌陷的影响机理;介绍了岩溶塌陷的相关数学模型研究的理论和方法,以及相关物理模型现阶段进展。展望岩溶塌陷的进一步研究方向,应着眼于结合多领域综合分析,完善定量研究体系和模型试验的功能。如今岩溶地区地下资源开采日益增多,通过对岩溶塌陷的形成机理和预测技术的基础性研究,深度了解岩溶塌陷的特征规律,既是社会发展需求,也具有推进相关领域学术研究的意义。      

岩溶塌陷监测内容及方法概述

岩溶塌陷是影响和制约岩溶地区社会、经济发展的主要环境地质问题之一,在我国也不例外.岩溶塌陷监测是岩溶塌陷地质灾害防治中重要内容之一.通过岩溶塌陷监测,可以掌握溶洞随时间的发展变化过程,包括大小、位置、应力强度等,进而为岩溶塌陷预测提供基础数据支撑,避免造成人员和财产损失.本文系统地介绍了目前国内外针对岩溶塌陷问题开展的主要监测工作.从岩溶塌陷的分布规律和形成的3大条件出发,总结出岩溶塌陷监测的内容和相对应的监测技术、方法和手段,为系统性地开展岩溶塌陷监测工作提供技术和方法参考,为更深入地研究岩溶塌陷机理等提供基础支撑.最后,文章指出未来岩溶塌陷监测工作的重点是新兴技术手段和传统监测方法相结合,互补优劣.     

歌乐山地区隧道工程诱发的岩溶塌陷发育规律与形成条件

歌乐山地区近年来因密集修建隧道工程诱发大量岩溶塌陷,然而对岩溶塌陷的分布、规模、成因和演化等尚缺乏系统性总结。通过资料整理、钻井资料分析、监测资料解译等手段,对歌乐山地区岩溶塌陷发育规律和形成条件进行了系统性分析,对致塌成因机理和演化过程进行了深入探讨,得出以下结论：岩溶塌陷多组群式发育在隧址区内第四系粉质黏土覆盖的宽阔岩溶洼地、沟槽或构造裂隙密集区;多级岩溶洞缝系统为岩溶塌陷的形成提供了良好的空间发育条件,致塌力主要来自隧道工程建设引发的地下水动力条件变化;岩溶塌陷主要成因机理是隧道工程建设改变局部地下水环境,在重建过程中产生的多效应致塌作用诱发易塌地质结构塌陷;岩溶塌陷发育演化包括孕育、形成、稳定3个时期。孕育期,隧道工程建设初步揭露富水岩溶缝洞系统,表层缝洞带内形成土体运移、坍塌的空间,覆盖层局部发生变形、脱落。形成期,隧道工程建设与运营通常采取引水排放措施,在引发的多效应致塌作用下岩溶塌陷最终形成。稳定期,隧道工程运营至一定阶段后,地下水环境逐渐趋于新的动态平衡,既有岩溶塌陷逐渐稳定,塌陷群不再向外扩展。研究结果可作为岩溶塌陷监测预警、生态修复和隧道规划等工作的参考依据。     

古岩溶塌陷的成因特点与研究手段

古岩溶发育过程中的塌陷是一种普遍现象,其形成的古岩溶塌陷体是重要的油气储集体。借鉴现代岩溶塌陷的成因机理,归纳了古岩溶塌陷与现代岩溶塌陷的相似之处,并从形成机理、联合塌陷体的成因及其储集意义等方面梳理了古岩溶塌陷的成因特点。对于古岩溶塌陷体,可通过钻井、岩心、探地雷达、地震、常规测井和FMI成像测井等技术手段来识别、研究。由于不同地质背景下古岩溶塌陷体发育模式不尽相同,使得研究过程中存在诸多问题。针对这些问题,提出了下一步亟待开展的3点工作建议。     

泰安市覆盖型岩溶分布地区岩溶塌陷地下水位预警研究

开展地下水位预警研究有助于中国北方覆盖型岩溶分布地区地下水资源开采的调蓄和岩溶塌陷地质灾害的预防。文章提出了此类地区岩溶地下水水位预警线的划定方法,基于统计分析绘制长序列监测水位的最小值、第5、第25、第75百分位值曲线作为地下水位预警判据模板,以基岩面附近的水位波动阈值和水位低于基岩面的深度建立岩溶塌陷地下水位预警判据模板,最终建立综合预警判据模板并确定分区预警结果。将该方法用于山东省泰安市城区-旧县岩溶水系统,通过2015年和2016年的单点预警结果和分区预警结果进行对比分析,认为该方法预警结果与实际情况基本相符,具有可推广性。      

土洞型岩溶塌陷发育过程气体示踪试验研究——以广州金沙洲为例

运用气体示踪进行土洞型岩溶塌陷监测预警是一种比较新的技术方法,其原理是通过气体在不同形状、规模的土体孔隙、裂缝和土洞中的运移规律研究,分析气体特征值与土体变形破坏的关系,进而间接判断土洞的发育情况,实现岩溶塌陷监测预警。本文以广州市金沙洲岩溶塌陷区为例,通过室内物理模型试验再现了土洞发育、形成到地面塌陷的全过程。运用气体示踪技术,按照土洞形成、土洞发育、土洞堵塞、土洞扩大和土洞塌陷五个过程,研究气体浓度、气体聚集时间等参数指标与土洞不同发育阶段的关系。结果表明:①土洞型岩溶塌陷发育程度与示踪气体浓度存在对应关系,气体浓度升高反映了土体变形破坏的进一步发育;②土体变形破坏程度与示踪气体浓度总体呈正相关关系,距离地面塌陷点越近浓度越高;③土体变形破坏程度与示踪气体浓度达到峰值浓度时间存在对应关系,距离地面塌陷点越近,气体浓度达到峰值的时间越快。根据以上试验结果,运用气体示踪技术进行土洞型岩溶塌陷监测预警是可行的,后期应探索预警阈值并进行野外现场实际验证。      

New advances in karst collapse research in China

Until 2000, more than 1,446 karst collapse events and 45,037 sinkhole pits have been documented in China. In this paper, focusing on new achievements of karst collapse research in China, a large-scale model experiment, a method of risk assessment and data management of karst collapse based on geographic information system technology are introduced for the region.     

从国家自然科学基金资助项目看喀斯特学科基础研究的发展

通过对国家自然科学基金资助的喀斯特基础研究项目分析,表明其资助对喀斯特基础研究的发展和研究队伍的培养都起到了重要支撑和导向作用。喀斯特基础研究项目的主题从最初的地质地貌和水文等逐步过渡到喀斯特生态环境问题及古环境和古气候重建等方面。而鉴于喀斯特基础研究的地域特点,不断加大的地区基金支持力度和资助额度应该有利于对喀斯特地域特色的生态环境和生物资源等的研究和保护。文章还就喀斯特基础研究中的石漠化问题的薄弱面进行了探讨,认为加强这些方面的资助必将对促进其科学问题的解决和为石漠化的治理奠定坚实科学基础。      

我国岩溶塌陷研究综述

随经济的不断发展,对岩溶区资源的开发日益增强,由此引发的岩溶塌陷问题也日趋频繁、严重,已成为岩溶区可持续发展的一大障碍,有效减轻其造成的危害势在必行。文章根据近年来国内外岩溶塌陷的研究现状及发展,概述了岩溶塌陷的三大形成条件:一定发育程度的岩溶、上覆盖层、岩溶地下水系统;以及中国岩溶塌陷的时空分布规律,分别举例例证了它的几种成因机制,如重力致塌、潜蚀致塌等。由于其突发性及危害性,有必要对岩溶塌陷的预测防治进行深入研究,做到防灾减灾。基于此,总结了中国岩溶塌陷的监测预报和安全评价等方面的新方法和措施等。针对塌陷的形成条件、塌陷现象或其危情的存在状况及其危害性,归纳了有针对性的防治措施。     

枣庄市十里泉岩溶塌陷机理分析

枣庄市十里泉地区为全国岩溶塌陷地质灾害的主要发生地区.已有文献资料表明,该地区岩溶塌陷是地下水潜蚀、真空吸蚀、重力及荷载等多方面综合作用的结果.本文在此基础上,通过野外地质调查、现场采样和室内试验等手段进行研究,结果表明：枣庄十里泉地区岩溶塌陷发生的机理主要是真空吸蚀,潜蚀作用、重力和荷载因素是次要原因.     

可溶岩化学溶蚀试验方法研究综述

可溶岩中存在大量的溶洞、溶隙、溶孔、管道等溶蚀现象,易造成山体崩滑、地面塌陷、洪涝等灾害,因此研究可溶岩的化学溶蚀速率可以预测岩溶的发展趋势,为岩溶地质灾害早期识别与安全评价提供保障。文章在大量文献调研的基础上,综合分析国内外学者围绕可溶岩化学溶蚀试验方法取得的成果,得到以下认识:（1）可溶岩化学溶蚀试验方法不断成熟和完善,研究深度和应用范围逐步拓展。（2）可溶岩化学溶蚀的测定方法很多,根据试验开展的条件主要分为室内溶蚀试验和野外溶蚀试验,其中标准溶蚀试片法以其操作简单被广泛采用。（3）现有的可溶岩化学溶蚀测定方法的原理及适用性不同,需要综合运用多种试验手段得出相对可靠的试验结果。根据这一科学问题的研究现状,下一步应着重开展大尺寸可溶岩室内溶蚀试验研究,建立模型试验系统真实模拟野外可溶岩的溶蚀过程,并加强从微观角度刻画可溶岩的溶蚀过程。另外需要综合运用多种野外试验方法开展研究,避免或降低单一试验方法可能带来的较大误差,建立野外溶蚀试验和室内溶蚀试验的关联,以期通过室内短期的试验研究推测野外长时间尺度下的溶蚀状态。     

塔柱状岩体崩塌灾害研究现状

通过系统梳理国内外塔柱状岩体崩塌的相关研究资料,对长江经济带及其周边地区塔柱状岩体形成与稳定性影响因素、崩塌失稳模式以及损伤理论应用3个方面进行总结论述,并据此对塔柱状岩体崩塌灾害的发展趋势与问题热点进行了探讨,为长江经济带下一阶段的地质调查与研究提供理论准备与参考。      

基于CiteSpace的喀斯特石漠化国际研究进展

喀斯特石漠化蚕食区域土地资源,制约当地经济的可持续发展,受到国内外学者和政府的广泛关注。鉴于石漠化防治的长期性和艰巨性,梳理有关石漠化在国际上发表论文的相关研究进展,分析当前发展态势及研究前沿和热点,可为石漠化的治理与恢复提供支撑。本文以“Web of ScienceTM核心合集”为主要数据库,检索获取关于石漠化的英文发表成果。利用CiteSpace文献分析工具,进行石漠化研究进展的可视化表达和分析。结果显示:①对比全球的碳酸盐岩区域和人口分布发现,尽管石漠化在多国都有分布,但剧烈的人为扰动导致石漠化在中国西南岩溶地区最为突出;②中国在石漠化研究处于领先地位,国际上发文量最大,发文数大致经历了起步-缓增-稳增-快增的发展过程,中国学者研究与政府投入密切相关;③以贵州省为代表的中国西南地区是发文的核心区,石漠化监测与治理及其对生态环境影响是当前研究的热点和难点。文章综述喀斯特自然环境和人类活动及其交互效应对石漠化演替的影响过程,阐明了石漠化正逆演替过程造成的生态环境效应。综合已发表文献,指出未来需要从高精度石漠化自动制图技术、石漠化与人为活动互馈机制和石漠化恢复与生态环境提升协同路径等3个方面深入研究。      

Quantitative sinkhole hazard assessment. A case study from the Ebro Valley evaporite alluvial karst (NE Spain)

Quantitative sinkhole hazard assessments in karst areas allow calculation of the potential sinkhole risk and the performance of cost-benefit analyses. These estimations are of practical interest for planning, engineering, and insurance purposes. The sinkhole hazard assessments should include two components: the probability of occurrence of sinkholes (sinkholes/km² year) and the severity of the sinkholes, which mainly refers to the subsidence mechanisms (progressive passive bending or catastrophic collapse) and the size of the sinkholes at the time of formation; a critical engineering design parameter. This requires the compilation of an exhaustive database on recent sinkholes, including information on the: (1) location, (2) chronology (precise date or age range), (3) size, and (4) subsidence mechanisms and rate. This work presents a hazard assessment from an alluvial evaporite karst area (0.81 km²) located in the periphery of the city of Zaragoza (Ebro River valley, NE Spain). Five sinkholes and four locations with features attributable to karstic subsidence where identified in an initial investigation phase providing a preliminary probability of occurrence of 0.14 sinkholes/km² year (11.34% in annual probability). A trenching program conducted in a subsequent investigation phase allowed us to rule out the four probable sinkholes, reducing the probability of occurrence to 0.079 sinkholes/km² year (6.4% in annual probability). The information on the severity indicates that collapse sinkholes 10–15 m in diameter may occur in the area. A detailed study of the deposits and deformational structures exposed by trenching in one of the sinkholes allowed us to infer a modern collapse sinkhole approximately 12 m in diameter and with a vertical throw of 8 m. This collapse structure is superimposed on a subsidence sinkhole around 80 m across that records at least 1.7 m of synsedimentary subsidence. Trenching, in combination with dating techniques, is proposed as a useful methodology to elucidate the origin of depressions with uncertain diagnosis and to gather practical information with predictive utility about particular sinkholes in alluvial karst settings: precise location, subsidence mechanisms and magnitude, and timing and rate of the subsidence episodes.