巖溶塌陷監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法概述

巖溶塌陷監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法概述李海濤;陳邦松;楊雪;胡伏生;房浩【摘要】巖溶塌陷是影響和制約巖溶地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要環(huán)境地質(zhì)問題之一，在我國也不例外。巖溶塌陷監(jiān)測(cè)是巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治中重要內(nèi)容之一。通過巖溶塌陷監(jiān)測(cè)，可以掌握溶洞隨時(shí)間的發(fā)展變化過程，包括大小、位置、應(yīng)力強(qiáng)度等，進(jìn)而為巖溶塌陷預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，避免造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。本文系統(tǒng)地介紹了目前國內(nèi)外針對(duì)巖溶塌陷問題開展的主要監(jiān)測(cè)工作。從巖溶塌陷的分布規(guī)律和形成的3大條件出發(fā)，總結(jié)出巖溶塌陷監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和相對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)、方法和手段，為系統(tǒng)性地開展巖溶塌陷監(jiān)測(cè)工作提供技術(shù)和方法參考，為更深入地研究巖溶塌陷機(jī)理等提供基礎(chǔ)支撐。最后，文章指出未來巖溶塌陷監(jiān)測(cè)工作的重點(diǎn)是新興技術(shù)手段和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相結(jié)合，互補(bǔ)優(yōu)劣。%Thekarstcollapseisoneofthemainenvironmentalgeologicalproblems,whichaffectsandrestrictsthesocialandeconomicdevelopmentinkarstarea.Throughmonitoring,thechangingprocessofkarstcavescanbeobserved.Itincludesextent,locationandstress.Further,themonitoringdatacanprovidedatasupportforpredictionofkarstcollapseandavoidingdisaster.Thispapersystematicallyintroducesthemainmonitoringworkaccordingtotheproblemofkarstcollapse.Inordertosystematicallyprovidethereferencesofkarstcollapsemonitoringtechniquesandmethods,andtoprovidebasicsupportformechanismresearchofkarstcollapse,weproposethemonitoringcontentsandcorrespondingmonitoringtechniques,methodsandmeans.Intheend,itispointedoutthatthefocusofmonitoringforkarstcollapseinthefutureistocombinetheadvancedandtraditionalmonitoringtechniquestogether.【期刊名稱】《工程地質(zhì)學(xué)報(bào)》【年（卷），期】2015（000）001【總頁數(shù)】9頁（P126-134）【關(guān)鍵詞】巖溶塌陷;分布規(guī)律;監(jiān)測(cè)內(nèi)容;監(jiān)測(cè)技術(shù)方法【作者】李海濤;陳邦松;楊雪湖伏生;房浩【作者單位】中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院北京100081;中國地質(zhì)大學(xué)北京水資源與環(huán)境學(xué)院北京100083;中國地質(zhì)大學(xué)北京水資源與環(huán)境學(xué)院北京100083;中國地質(zhì)大學(xué)北京水資源與環(huán)境學(xué)院北京100083;中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院北京100081;北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院北京100875【正文語種】中文【中圖分類】TU463全球有16個(gè)國家存在嚴(yán)重的巖溶塌陷問題，我國是其中之一。我國巖溶面積為346.3x104km2，占國土面積的1/3以上，巖溶塌陷分布十分廣泛（圖1）（李瑞敏等，2007）。從東北貫穿到西南，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，除上海、寧夏、新疆等地外，有24個(gè)省（市、區(qū)）內(nèi)共發(fā)生巖溶塌陷2841處，塌陷坑有40119個(gè)其中以南方的桂、黔、湘、贛、川、滇、鄂，以及北方的冀、魯、遼、豫、晉等省區(qū)最為發(fā)育，在京、蘇、皖等地也發(fā)生過不同程度的巖溶塌陷，這些地方都是碳酸鹽巖大面積集中分布的地區(qū)，為巖溶的發(fā)育提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。在自然條件下，巖溶發(fā)育是一個(gè)比較緩慢的過程。通常是在極端氣候條件下，如長期干旱，導(dǎo)致地下水位明顯下降，或者歷時(shí)較長的暴雨，導(dǎo)致地下水位迅速抬升，才有可能發(fā)生天然巖溶塌陷。近年來，隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人類活動(dòng)不斷加劇，對(duì)環(huán)境的干擾和破壞不斷惡化，如過量開采地下水、采礦排水、基坑排水等工程活動(dòng)，導(dǎo)致地下水位出現(xiàn)急劇變化，從而觸發(fā)巖溶塌陷。而由人為活動(dòng)引發(fā)巖溶塌陷，多發(fā)生在人口居住比較集中，密度較大的城市或者廠礦等地區(qū)，造成了嚴(yán)重的后果。巖溶塌陷災(zāi)害的頻繁發(fā)生，使巖溶區(qū)的工程設(shè)施，如工業(yè)與民用建筑、交通干線、礦山及水利水電設(shè)施等遭到破壞，還造成巖溶區(qū)嚴(yán)重的水土流失及環(huán)境惡化，甚至?xí){到人的生命安全，嚴(yán)重影響并制約著巖溶區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，成為主要的地質(zhì)災(zāi)害。因此，巖溶塌陷的監(jiān)測(cè)成為其防治工作的重點(diǎn)。巖溶塌陷是巖溶地區(qū)因巖溶作用而發(fā)生的一種地面變形和破壞的災(zāi)害，是指可溶巖洞(隙)上方的巖、土體在自然或人為因素作用下發(fā)生變形破壞，并在地面形成塌陷坑的一種巖溶動(dòng)力作用與現(xiàn)象(雷明堂等，1998)。巖溶塌陷的形成，一般要具備3個(gè)條件(張麗芬等，2007):(1)空間條件:下部有可溶巖地層，發(fā)育有溶蝕裂隙或洞穴，為地下水和塌陷物質(zhì)提供存儲(chǔ)場所或運(yùn)移通道，也是氣流活動(dòng)的途徑，是形成塌陷的基礎(chǔ);(2)物質(zhì)條件:上部有一定厚度的覆蓋層，可以是巖石，或是各類松散土層;(3)致塌作用力:能夠讓溶洞或是土洞與蓋層之間的平衡被破壞，本文主要討論由于地下水性質(zhì)變化引起的內(nèi)部致塌作用力。巖溶塌陷在空間上的發(fā)展具隱蔽性、時(shí)間上具突發(fā)性并且形成機(jī)制很復(fù)雜(雷明堂等，2004)。它是從基巖洞穴或裂隙向上逐步發(fā)展的，均在地下，無法直接識(shí)別，通過專門的儀器或手段才能發(fā)現(xiàn)，但這也很難查清其具體發(fā)展情況。洞穴之上的覆蓋層在各種動(dòng)力的長期作用下失去穩(wěn)定性，一旦滿足塌陷條件，它隨時(shí)可能塌陷。簡單來說，巖溶塌陷的發(fā)生是因?yàn)榘l(fā)生塌陷的致塌力超過抗塌力，但由于受力狀態(tài)的復(fù)雜性，使得其成因機(jī)制很復(fù)雜?？祻┤?1989)將巖溶塌陷的成因機(jī)制分為8種，分別為重力致塌模式、潛蝕致塌模式、真空吸蝕致塌模式、沖爆致塌模式、振動(dòng)致塌模式、荷載致塌模式、溶蝕致塌模式和根蝕致塌模式。巖溶塌陷的發(fā)生可能同時(shí)存在兩種或是更多的成因機(jī)制。巖溶塌陷還有一些伴生和共生的現(xiàn)象。比如地面下沉、地面開裂和塌陷地震等，它們可隨洞穴發(fā)育而產(chǎn)生，有時(shí)甚至是塌陷發(fā)生的前兆現(xiàn)象。在過去的幾十年中，國內(nèi)夕卜巖溶塌陷研究者們對(duì)巖溶塌陷的分布規(guī)律做了大量的實(shí)際調(diào)查和研究工作(劉傳正，1997；楊立中等，1997；尹若鈞等，2005),總結(jié)起來，巖溶塌陷主要的分布規(guī)律如下：隱伏巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的地段。巖溶的強(qiáng)烈發(fā)育，造成溶蝕裂隙、溶洞等的大量發(fā)育；覆蓋層受到潛蝕和正負(fù)壓的影響，加速塌陷的形成;地下水在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地區(qū)的水力坡度和流速極大地增加，這是導(dǎo)致巖溶塌陷增多的原因之一。巖溶區(qū)的斷裂構(gòu)造帶、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造附近。斷裂構(gòu)造特別是導(dǎo)水?dāng)嗔眩沟谒南悼紫端c巖溶水的相通，加速了物質(zhì)在裂隙和斷裂中的運(yùn)移，加速了溶洞和土洞的形成。當(dāng)水位降到基巖面以下時(shí)，第四系土層中容易形成真空吸蝕，破壞受力平衡，易形成塌陷。⑶巖溶區(qū)的溶蝕洼地，河床兩側(cè)，丘陵地帶或中低山前。在這些地段，一般地下水位升降變幅較大，增加了由于地下水位變化而形成的致塌力，易形成塌陷。(4)巖溶區(qū)第四系土地層薄弱段，軟弱巖層或石膏鹽巖。覆蓋層薄弱處下方如形成溶洞，抗塌力會(huì)極大地減弱，一旦平衡被破壞，就會(huì)導(dǎo)致塌陷。⑸人為活動(dòng)影響導(dǎo)致地下水位及水壓變動(dòng)大的地帶。地下水抽取過度形成的降落漏斗區(qū)，坑道排水、水庫蓄水等，水力坡度和水流速都有可能增大，會(huì)使?jié)撐g和吸蝕加劇，易形成塌陷。根據(jù)巖溶塌陷的形成條件、特征及分布規(guī)律，巖溶塌陷的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括以下幾方面。從空間條件出發(fā)，要注意監(jiān)測(cè)溶洞或土洞，溶蝕裂隙，溶溝，溶槽等的發(fā)育、分布情況。溶蝕裂隙、溶溝、溶槽直接與上覆土層接觸，使基巖面起伏變大，且常與溶洞等地下巖溶管道相連，是地下水滲透的良好儲(chǔ)運(yùn)空間(朱壽增等，2000)。溶洞或土洞是物質(zhì)的直接容納體，它們的存在也會(huì)改變地下水的水動(dòng)力條件，當(dāng)?shù)叵滤魉俸退ζ露冗_(dá)到臨界值時(shí)，將破壞原有的力學(xué)平衡。洞隙越大、發(fā)育越廣泛，塌陷發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)就越高。巖溶上部的覆蓋層是巖溶塌陷的物質(zhì)條件，需監(jiān)測(cè)覆蓋層結(jié)構(gòu)、巖土體性狀、厚度因素。蓋層的發(fā)育情況對(duì)塌陷的產(chǎn)生有明顯的影響。覆蓋層結(jié)構(gòu)指不同巖性土層間的相互排列和組合特征，按組成排列分為一元結(jié)構(gòu)、多元結(jié)構(gòu)和混雜結(jié)構(gòu)。一元結(jié)構(gòu)和多元結(jié)構(gòu)的巖土體，在土體顆粒成分、孔隙度等方面具有統(tǒng)一性狀，而區(qū)別在于是否具有明顯的分層結(jié)構(gòu)。一元結(jié)構(gòu)，為單一性質(zhì)的巖土體組成，覆蓋層厚度一般較小，抗?jié)B透性能較差，在地下水的潛蝕等作用下，產(chǎn)生塌陷的概率較大。多元結(jié)構(gòu)厚度一般較大，抗?jié)B透性能較好，能延緩地下水的潛蝕作用，產(chǎn)生塌陷的概率較小?；祀s結(jié)構(gòu)沒有統(tǒng)一的巖土層性狀，不同巖土體間不存在分層現(xiàn)象，如回填土等。這類覆蓋層較松散，且粗細(xì)顆粒滲透性能差異大，在其接觸面上容易產(chǎn)生接觸沖刷而形成土洞，易形成塌陷。覆蓋層巖土體性狀泛指巖土體的各種物理力學(xué)性質(zhì)及狀態(tài)，包括土體的粒度成分、密實(shí)度、孔隙率、土體壓力等。一般來講，密實(shí)的，級(jí)配良好，孔隙度低的巖土體的抗塌陷能力較強(qiáng)，如黏性土等。但是，研究表明:級(jí)配良好的松散砂礫土容易產(chǎn)生潛蝕，其臨界水力坡度相對(duì)較低，抗?jié)B透能力也相對(duì)較弱。在相同水力條件下，容易產(chǎn)生滲透變形，形成土洞，最終導(dǎo)致塌陷。因此，不同的巖土體性狀，具有不同的抗?jié)B透性能。覆蓋層厚度是指巖土體的厚度。巖土體厚度越大，巖土層抗地下水潛蝕的性能越強(qiáng)，抗塌陷能力越強(qiáng)。根據(jù)實(shí)際巖溶塌陷實(shí)例數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)覆蓋層厚度超過30m時(shí)，巖溶塌陷的數(shù)目顯著減少（項(xiàng)式均等，2005）。⑶致塌作用力及其力學(xué)效應(yīng)決定致塌模式，是誘發(fā)巖溶塌陷的主導(dǎo)因素。水動(dòng)力條件決定巖溶洞穴擴(kuò)展速率和上部巖土體物質(zhì)轉(zhuǎn)移的速率（雷明堂等，2004）。因此，對(duì)地下水、地表水和大氣降水等的監(jiān)測(cè)是非常必要的。地下水是巖溶塌陷形成過程中最活躍的因素之一。地下水不斷侵蝕和溶蝕巖土體，使原有裂隙等空間不斷擴(kuò)大，進(jìn)一步形成溶洞、溶隙、溶蝕溝槽等，為土洞及塌陷的形成提供了必需的物質(zhì)運(yùn)輸和儲(chǔ)藏空間。對(duì)地下水的監(jiān)測(cè)主要針對(duì)地下水的各種物理化學(xué)性質(zhì)，包括水位（水、氣壓力）、水溫、水質(zhì)，地下水流速、流向、水力坡度等。地下水水位（水、氣壓力）的升降使覆蓋層土體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，對(duì)塌陷的形成影響最大。水位（水、氣壓力）上升時(shí)，土體含水量增大，抗剪強(qiáng)度降低，土體抗?jié)B透能力降低;下降時(shí)，覆蓋層土體內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，地下水的浮托力減少。這都可能打破原有的力學(xué)平衡，從而形成塌陷。特別是封閉的黏性土土洞，當(dāng)水位（水、氣壓力）下降到一定程度，會(huì)出現(xiàn)真空吸蝕作用。另外，水位（水、氣壓力）在升降過程中，會(huì)導(dǎo)致局部或整體的土體散解、脫落或脹縮等。在巖溶地區(qū)存在碳酸鹽等可溶性巖石，一般條件下，可溶鹽巖的溶解平衡是動(dòng)態(tài)固定的。但當(dāng)外部環(huán)境改變時(shí)，如污染等，使地下水原有的水質(zhì)平衡狀態(tài)被打破，可能會(huì)導(dǎo)致可溶鹽巖溶解加速，逐漸形成溶蝕裂隙、溶洞，使塌陷的概率增大。另外，塌陷發(fā)生后會(huì)使不同含水層間的地下水混合，水質(zhì)明顯變化，可以作為逆向推斷塌陷發(fā)生位置范圍的參考依據(jù)。地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要包括地下水中碳的各種形態(tài)濃度，鈣的濃度，地下水pH值，以及一些可以加速可溶鹽溶解的物質(zhì)等。地表水對(duì)巖溶塌陷的影響主要表現(xiàn)為影響地下水位的波動(dòng)和改變覆蓋層的滲透性能等。在地表水與地下水水力聯(lián)系密切的地段，當(dāng)洪峰或其他原因造成地表水位迅速上漲，會(huì)導(dǎo)致地下水位發(fā)生突然波動(dòng)，易導(dǎo)致塌陷發(fā)生。地表水水質(zhì)對(duì)于巖溶塌陷的影響主要表現(xiàn)在地表水中某些物質(zhì)與地下水混合，如酸、酸性鹽等，會(huì)加速溶蝕裂隙和溶洞的發(fā)育。地表水主要監(jiān)測(cè)水質(zhì)、水位等。大氣降水對(duì)巖溶塌陷的影響與地表水相似，特別是在我國的南方巖溶分布區(qū)，暴雨對(duì)于地下水位的影響較大，引起地下水致塌力增大，使塌陷風(fēng)險(xiǎn)增大。大氣降水的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要針對(duì)降水時(shí)長、降水強(qiáng)度等。對(duì)巖溶塌陷空間條件的監(jiān)測(cè)，國內(nèi)夕卜學(xué)者提出了許多方法，如地質(zhì)雷達(dá)，光纖技術(shù)，時(shí)域反射技術(shù)（TDR）,物探方法等（李瑜等，2005），下面分別加以具體介紹。4.1.1地質(zhì)雷達(dá)地質(zhì)雷達(dá)又叫探地雷達(dá)，我國在20世紀(jì)90年代引進(jìn)了這一技術(shù)，廣泛應(yīng)用于公路鐵路沿線及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地區(qū)的監(jiān)測(cè)工作（Richard,1987;韓子夜等，2005;蔣家龍等，2008；蔣小珍等，2008）。其原理是通過發(fā)射端向地面發(fā)射高頻電磁波，電磁波通過不同地面介質(zhì)的反射波的形狀是不同的;在接收端接收這些不同形狀的反射波，反映到雷達(dá)圖上，就可以分析地下的情況（圖2）。當(dāng)有土層擾動(dòng)或溶洞（土洞）時(shí)，解析的雷達(dá)圖上可以發(fā)現(xiàn)與周圍介質(zhì)的圖像有明顯的差異。地質(zhì)雷達(dá)可以監(jiān)測(cè)土層擾動(dòng)或溶洞的發(fā)育變化過程。在地質(zhì)雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用過程中，首先要確定天線中心頻率。天線中心頻率決定地質(zhì)雷達(dá)的分辨率和所能探測(cè)的最大深度:頻率越高，分辨率越大，而探測(cè)最大深度越??；反之，頻率越小，分辨率越小，而探測(cè)最大深度越大。李嘉等（2007）列出了不同頻率下的探測(cè)深度的范圍（表1）。另外，要注意如環(huán)境電導(dǎo)率，介電常數(shù)等這些影響精度的因素。高頻的電磁波在介質(zhì)中傳播會(huì)發(fā)生衰減，當(dāng)環(huán)境電導(dǎo)率越低的時(shí)候，電磁波衰減越慢，傳播的就越遠(yuǎn)，探測(cè)深度越大。介電常數(shù)是地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用的先決條件，一般介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)（介質(zhì)的介電常數(shù)與空氣介電常數(shù)的比值）越大，越適合地質(zhì)雷達(dá)的使用。表2中列出了一些常見介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，可以看到石灰?guī)r和土壤沉積物的相對(duì)介電常數(shù)都較大，可以得到較好的分辨率(戴前偉等，2000)。經(jīng)過多年的實(shí)際應(yīng)用推廣，地質(zhì)雷達(dá)在巖溶塌陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用已十分廣泛。其優(yōu)點(diǎn)主要有:(1)技術(shù)成熟，應(yīng)用范圍廣;(2)能定期監(jiān)測(cè)溶洞的變化;(3)對(duì)線性工程監(jiān)測(cè)效果最好，如公路，鐵路等;(4)操作布設(shè)相對(duì)簡單。而不足之處主要有:(1)受場地周邊電磁波干擾大，影響探測(cè)效果;(2)不能直接讀取數(shù)據(jù)，需要專業(yè)人士分析數(shù)據(jù)，而且會(huì)出現(xiàn)多解性的情況;(3)探測(cè)深度有限。4.1.2光纖技術(shù)光纖技術(shù)主要指基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)，主要有3種:時(shí)域反射計(jì)(BrillouinOpticalTime-DomainReflectometer，簡稱BOTDR)的光纖傳感技術(shù)(Kurashshimaetal.，1993)、時(shí)域分析(BrilouinOpticalTime-DomainAnalysis，簡稱BOTDA)的光纖傳感技術(shù)(Baoetal.，1995)、光頻域分析(BrillouinOpticalFrequencyDomainAnalysis，簡稱BOFDA)的光纖傳感技術(shù)(Garcusetal.，1997)。其中，BOTDR在巖溶塌陷監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的效果比較好(王其富等，2007)。BOTDR原理:光纖會(huì)有不同程度的扭曲，激光在光纖里傳播時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同的散射。BOTDR利用布里淵散射的頻移變化量與光纖所受軸向應(yīng)變量之間的線性關(guān)系，即當(dāng)光纖被剪切或是拉伸時(shí)，通過分析接收到的布里淵散射光，可以計(jì)算出形變發(fā)生的具體位置、形變量以及發(fā)生時(shí)間(王其富等，2007)?；贐OTDR的原理，在巖溶塌陷監(jiān)測(cè)中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶洞或土洞、溶蝕裂隙等的擾動(dòng)、發(fā)育情況。同時(shí)，也能監(jiān)測(cè)覆蓋層的變形等。蔣小珍等(2006)利用BOTDR監(jiān)測(cè)技術(shù)，在室內(nèi)進(jìn)行了巖溶塌陷的土槽模擬實(shí)驗(yàn)(圖3)。結(jié)果顯示，BOTDR光纖的應(yīng)變量與土層擾動(dòng)和空洞有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不同層位和相同層位的光纖應(yīng)變趨勢(shì)可以分別揭示土層垂直和水平的發(fā)展變化。BOTDR的優(yōu)點(diǎn)主要是靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)，傳遞信息量大，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶洞或土洞的發(fā)育。其缺點(diǎn)是主要用于線性工程，在巖溶地區(qū)一般只監(jiān)測(cè)已發(fā)現(xiàn)溶洞地區(qū)，對(duì)于未發(fā)現(xiàn)溶洞地區(qū)，監(jiān)測(cè)效果一般;另外，BOTDR設(shè)備費(fèi)用較高。4.1.3時(shí)域反射技術(shù)（TimeDomainReflectometry，簡稱TDR）TDR是一種遠(yuǎn)程電子測(cè)量技術(shù)，最早應(yīng)用于檢測(cè)電力和通訊上的故障，后用于測(cè)定土壤的含水量（Toppetal.，1985），用于地質(zhì)災(zāi)害，特別是巖溶塌陷中，也是最近十幾年開始的。其原理是利用電磁波在同軸電纜傳播過程中，受到剪切力或是拉張力的作用，導(dǎo)致局部阻抗變化，使得接受到的反射波和散射波發(fā)生變化，從而推斷發(fā)生形變的具體位置。當(dāng)同軸電纜被剪斷時(shí)，接收器的圖譜會(huì)瞬間改變，可以實(shí)時(shí)推斷出溶洞和土洞的發(fā)育情況（覃秀玲，2010）。圖4為TDR原理示意圖。TDR與BOTDR都是時(shí)域反射的一種，兩者有很多相似的地方。主要區(qū)別在于TDR是由于阻抗的不同而造成接受到的電磁波不同，材料為同軸電纜，而BOTDR主要是由于光纖的形變，造成散射光的不同，材料為光纖。TDR設(shè)備價(jià)格相對(duì)低廉，監(jiān)測(cè)時(shí)間短、可遙測(cè)、安全性高，具有分布式特點(diǎn)，一次測(cè)量測(cè)線長度可達(dá)2km，且技術(shù)成熟、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通用性高、軟件配套，可以和其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如地下水位傳感器、大氣降雨傳感器、沉降計(jì)、裂縫計(jì)等組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，電纜型號(hào)多，抗破壞能力強(qiáng)等。主要缺點(diǎn)為傾斜監(jiān)測(cè)，只有在受到剪切力、張力或是兩者的綜合作用而變形的情況下，TDR電纜才會(huì)產(chǎn)生特征信號(hào)，位移量不確定，TDR監(jiān)測(cè)無法獲得突變點(diǎn)位移量大小，只適用于線性工程或是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)溶洞和土洞地區(qū)。4.1.4綜合物探方法綜合物探方法主要為傳統(tǒng)的物探方法，其中包括高密度電法（中國地質(zhì)調(diào)查局，2012）、淺層地震法（中國地質(zhì)調(diào)查局，2012）、瑞利波勘探技術(shù)（李錦飛等，1997）、聲波透視法（胡運(yùn)兵等，2005）、無線電波透視技術(shù)（中煤國際工程集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院，2009）、激光掃描技術(shù)（羅先和等，1996）、核磁共振技術(shù)（肖立志，1998）、合成孔徑干涉雷達(dá)技術(shù)（InSAR）（保崢等，2005）等。最為常用的為高密度電法和淺層地震法。綜合物探方法的選擇一般依賴于勘查的目的和實(shí)際的經(jīng)費(fèi)情況。對(duì)巖溶地區(qū)形成塌陷的物質(zhì)條件的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，目前主要有鉆探（取巖心樣品等）、綜合物探方法、光纖技術(shù)、時(shí)域反射法、地面沉降及房屋開裂監(jiān)測(cè)、土壓力監(jiān)測(cè)等。其中綜合物探、光纖和時(shí)域反射法等在4.1節(jié)中已經(jīng)做過介紹，不再螯述。通過鉆探和采集巖心樣品等工作，可探測(cè)覆蓋層的實(shí)際厚度、巖性等，是一種直接方法，其結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，且技術(shù)發(fā)展得較成熟。在巖溶塌陷分析研究中，見洞率是一個(gè)重要的指示指標(biāo)。地面沉降儀根據(jù)電磁波的來回走程，計(jì)算地面沉降變化過程。由于地面沉降較緩慢，地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一般只是用來推測(cè)溶洞、覆蓋層變形的發(fā)育程度，推斷其是否加快或是維持穩(wěn)定。而通過定期測(cè)量房屋開裂的大小，來判斷地面沉降速度的方法觀測(cè)結(jié)果比較滯后，基本達(dá)不到監(jiān)測(cè)效果，已經(jīng)慢慢被淘汰。對(duì)土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)是研究巖溶塌陷的有效途徑之一。由于土體的空腔壓力與巖溶塌陷存在著較好關(guān)聯(lián)性，通過確定覆蓋層的土壓力變化情況與巖溶塌陷的關(guān)系，對(duì)覆蓋層土壓力臨界值進(jìn)行研究，進(jìn)而深化研究巖溶塌陷的形成機(jī)理。致塌作用力的監(jiān)測(cè)主要是對(duì)巖溶區(qū)水動(dòng)力條件的監(jiān)測(cè)。4.3.1地下水監(jiān)測(cè)地下水監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地下水位、水氣壓力、地下水水質(zhì)、地下水流速、流向等監(jiān)測(cè)。水位監(jiān)測(cè)人工監(jiān)測(cè)主要的技術(shù)方法有:①測(cè)鐘:最簡單的水位監(jiān)測(cè)儀，適用于水位埋深淺的觀測(cè)孔;②地下水位計(jì):其中包括電地下水位計(jì)，紅外地下水位計(jì)，聲學(xué)地下水位計(jì)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)主要是通過壓力傳感器監(jiān)測(cè)，國內(nèi)外監(jiān)測(cè)儀器主要有荷蘭的DIVER，瑞士的KELLER，加拿大的LEVEL，北京的中科光大等（周仰效等，2011）。水氣壓力監(jiān)測(cè)溶（土）洞土體的破壞與空腔壓力的變化密切相關(guān)，而巖溶空腔壓力與巖溶含水層水氣壓力的變化具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系（蔣小珍，1998）。地下水氣壓力的監(jiān)測(cè)主要采用壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前壓力傳感器的種類很多，已經(jīng)能達(dá)到定時(shí)定點(diǎn)全自動(dòng)監(jiān)測(cè)。高明等（2012）提出用振弦滲壓計(jì)進(jìn)行巖溶塌陷水壓力的監(jiān)測(cè)，取得了良好的效果。水質(zhì)監(jiān)測(cè)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要是通過采集鉆孔或監(jiān)測(cè)井中的水樣，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析。目前，現(xiàn)場自動(dòng)水質(zhì)測(cè)試儀器已經(jīng)研發(fā)出來。但所測(cè)項(xiàng)目有限，只能現(xiàn)場測(cè)試pH、電導(dǎo)率等。流速、流向監(jiān)測(cè)流速可以通過斷面截流法來計(jì)算，通過計(jì)算兩個(gè)斷面間的水流總量，除以時(shí)間，就能計(jì)算出平均流速;而流向可通過地下水等水位線來確定。對(duì)于監(jiān)測(cè)井的地下水流速和流向可以通過地下水流速儀來監(jiān)測(cè)。4.3.2地表水及大氣降水監(jiān)測(cè)地表水位和水質(zhì)基本都是通過建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)站（點(diǎn)）來監(jiān)測(cè)，水位和水質(zhì)監(jiān)測(cè)與地下水監(jiān)測(cè)類似。對(duì)于大氣降水的監(jiān)測(cè)則主要是通過建立氣象站（點(diǎn)）來進(jìn)行。巖溶塌陷的發(fā)育發(fā)生具有漸近性、突發(fā)性、隱蔽性、形成機(jī)制復(fù)雜性相結(jié)合的特點(diǎn)，一旦發(fā)生，塌陷速度快、危害大、治理難度大、反復(fù)性強(qiáng)。因此，巖溶塌陷監(jiān)測(cè)是巖溶塌陷研究工作的重要內(nèi)容之一。通過巖溶塌陷過程的監(jiān)測(cè)，才能綜合分析巖溶塌陷的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水特征，深化認(rèn)識(shí)巖溶塌陷的形成機(jī)理。本文總結(jié)了巖溶塌陷工作的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容以及目前國內(nèi)夕卜應(yīng)用較多的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，并將監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)技術(shù)方法進(jìn)行了分類俵3）。在未來巖溶塌陷的監(jiān)測(cè)工作中，除掌握和利用現(xiàn)有的巖溶塌陷監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法外，還應(yīng)加大科研經(jīng)費(fèi)投入，探索新方法、新儀器，并加強(qiáng)新技術(shù)、方法在巖溶塌陷監(jiān)測(cè)工作的應(yīng)用研究，如地質(zhì)雷達(dá)，光纖技術(shù)和時(shí)域反射法等?？傊?，未來的監(jiān)測(cè)工作將以新方法和傳統(tǒng)方法相結(jié)合的方式，兩者互補(bǔ)優(yōu)劣，利用多種監(jiān)測(cè)手段，開展巖溶塌陷監(jiān)測(cè)，形成一個(gè)完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)體系?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】BaoX,DhliwaoyoJ,HeronN,etal.1995.ExperimentalandtheoreticalstudiesonadistributedtemperaturesensorbasedonBrillouinscattering[J].LightwaveTechnology,13(7):1340-1348.BaoZ,XingMD,WangT.2005.Radarimagingtechnology[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry.ChinaGeologicalSurvey.2012.Hydrogeologicalhandbook(SecondEdition)[M].Beijing:GeologicalPublishingHouse,338-365.DaiQW,LiuSl,XiaoB.2000.AdiscussionontheappliedconditionofGPR[J].Geophysical&GeochemicalExploration,24(2):157-160.GaoM,MengY.2012.Methoddiscussiononapplicationofvibratingstringtypeosmometerinwaterpressuremonitoringofkarstcollapse[J].ChinaWaterTransport,12(1):259-262.GarcusD,GogollaT,KrebberK,etal.1997.Brillouinopticalfiberfrequency-domainanalysisfordistributedtemperatureandstrainmeasurements[J].LightwaveTechnology,15(4):654-662.HanZY,XueXQ.2005.Statusanddevelopmenttrendofmonitoringtechnologyforgeologicalhazards[J].TheChineseJournalofGeologicalHazardandControl,16(3):138-141.HuYB,SongJ,XuHW.2005.Applicationoftheacoustictransmissionmethodformeasuringthesecurityqualityofpiles[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering,1(5):800-803.JiangJL,FangBL.2008.ApplyingGPRonthegeotechnicalinvestigationinthekarstarea[J].GeologyofAnhui,18(4):292-296.JiangXZ,LeiMT,ChenY,etal.2006.AnexperimentstudyofmonitoringsinkholecollapsebyusingBOTDRopticalfibersensingtechnique[J].Hydrogeology&EngineeringGeology,(6):75-79.JiangXZ,LeiMT,GuWF,etal.2008.Soilcavemonitoringandsinkholepredictioninlinearengineering:Summarization[J].CarsologicaSinica,27(2):172-176.JiangXZ.1998.Inducementofkarstcollapsefromgroundwate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