巖溶塌陷評估預測信息系統(tǒng)

“巖溶塌陷評估預測信息系統(tǒng)”研究是地礦部重點科技項目。巖溶塌陷是巖溶區(qū)的一種動力地質(zhì)作用。由于人類活動的加劇，諸水、城市抽汲地下水、水庫蓄水、廢水人滲等，使這種作用大大加速，。我國每年由于巖溶塌陷所造成的經(jīng)濟損失超過千萬元，為減災防災，可持續(xù)發(fā)展，該項研究以地理信息系統(tǒng)（GIS）為主，結(jié)合遙感（RS）、（GPS）對我國巖溶塌陷開展了四級評估預測信息系統(tǒng)的研究，其中一中國巖溶塌陷圖（1：600萬）為藍本電子化，并輔以多媒體分析功能，，為國民經(jīng)濟宏觀決策提供依據(jù)。三、四級系統(tǒng)試點研究區(qū)分別為桂林鋅礦。在研究中將影響塌陷的多個不同層次的信息進行了單因子迭合， 2100433B

（一）巖溶塌陷等級劃分巖溶塌陷應查明：塌陷的位置、范圍及面積；塌陷量；塌陷區(qū)的環(huán)境水文地質(zhì)條件；塌陷原因以及發(fā)展趨勢。依據(jù)塌陷面積進行等級劃分（表13-3）。

表13-3 巖溶塌陷災變等級劃分表

（據(jù)張梁等著《地質(zhì)災害災情評估理論與實踐》1998， P28）

（二）巖溶塌陷的災情預測預測步驟包括以下三個：

1. 查明研究區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。

2. 調(diào)查已有塌陷點的塌陷特征、分布規(guī)律及形成條件（環(huán)境及觸發(fā)因素），確定出現(xiàn)塌陷的綜合判斷指標。

3. 考慮塌陷發(fā)展趨勢和對環(huán)境的影響程度，對研究區(qū)進行塌陷預測分區(qū)，提出地表各種重要設施的保護方案和預防措施。

通常，采排地下水或礦坑突水時，在水位降落漏斗內(nèi)，容易產(chǎn)生巖溶塌陷的地段如下：

1. 淺部巖溶發(fā)育強烈，可溶巖頂板起伏較大，并有洞口和裂口，洞穴無充填物或充填物少，且充填物多為砂、碎石、粉質(zhì)粘土的地段。

2. 采排地下水點附近或地下水位降落漏斗范圍中心（特別是地下水的主要補給徑流方向上）地段。

3. 構(gòu)造斷裂帶（特別是新構(gòu)造斷裂帶）背、向斜軸部，可溶巖與非可溶巖的接觸部位。

4. 溶蝕洼地、積水低地和池塘、沖溝地段。

5. 第四系土層為砂、粉質(zhì)粘土，且厚度小于10m地段。

6.河床及其兩側(cè)附近。

地面塌陷預測可考慮的影響因子：

1. 排水量（Q）

2. 水位降低值（S）

3. 蓋層物理、力學性質(zhì)的指標（ηi）

4. 蓋層厚度（M）

5. 巖溶發(fā)育程度的指標（K）

6. 表征構(gòu)造破壞程度的參數(shù)（G）

7. 預測擴展半徑時要考慮時間

8. 預測時間、強度時，要考慮到抽水中心的距離

地面塌陷在時間上具有突發(fā)性，空間上具有隱蔽性，其預報為當前的前沿課題?？捎糜趲r溶地面塌陷的探測方法和儀器有地質(zhì)雷達（探溶洞）、淺層地震、電磁波、聲波透視（CT）等。近年來，用GIS技術(shù)中的空間數(shù)據(jù)管理、分析處理和建模技術(shù)對潛在塌陷危險性進行預測，效果良好。

目前國內(nèi)巖溶塌陷災情評估的方法，主要采用經(jīng)驗公式法、多元統(tǒng)計分析法，也可根據(jù)巖溶類型、巖溶發(fā)育程度、覆蓋層厚度和覆蓋層結(jié)構(gòu)，進行巖溶塌陷活動程度判定（表13-4）。

表13-4 巖溶塌陷活動程度判定表

（據(jù)張梁等著《地質(zhì)災害災情評估理論與實踐》1998， P67）

（一）勘查工作內(nèi)容的一般要求

(1) 查明巖溶塌陷的發(fā)育現(xiàn)狀、歷史過程及其危害性。

(2) 確定巖溶塌陷的成因、類型、形成條件和地質(zhì)模式，研究其分布規(guī)律。

(3) 確定巖溶塌陷發(fā)育的動力因素，研究其動態(tài)特征及其與塌陷的相關(guān)關(guān)系。

(4) 確定巖溶塌陷的機制及其臨界條件。

(5) 研究巖溶塌陷綜合評價預測和信息管理系統(tǒng)，評價其穩(wěn)定性。

(6) 確定巖溶榻陷的前兆現(xiàn)象與監(jiān)測預報方法，研究預警措施。

(7) 研究巖溶塌陷的防治工程方案和措施。

（二）勘查區(qū)巖溶環(huán)境調(diào)查研究目的是了解勘查區(qū)所處的巖溶工程地質(zhì)環(huán)境的特征及其組成要素的分布規(guī)律，以保證勘查工作的質(zhì)量。調(diào)查研究方法主要是綜合分析研究已有助各種資料，必要時進行補充的路線調(diào)查。調(diào)查研究范圍以達到上述目的為原則，一般應包括一個完整的水文地質(zhì)單元。調(diào)查研究的主要內(nèi)：

1. 地形地貌

調(diào)查研究山川形態(tài)與走勢，地形切割起伏特征，地表水文網(wǎng)的配置格局，夷平面和階地的發(fā)育特征和分布高程，地貌成因類型與形態(tài)特征，各地貌單元的分布，組成物質(zhì)與形成時代等。著重調(diào)查巖溶地貌形態(tài)的成因類型和形態(tài)組合類型及其分布。

2. 氣象與水文

(1) 氣象要素中著重調(diào)查降水特征，包括多年長周期豐、貧水年變化特征，多年平均降水量，年降水量分布特征，單次最大降水量及持續(xù)時間，最大降水強度(以小時計)等。

(2) 水文要素包括地表匯流面積，徑流特征，河、湖及其它地表水體(包括季節(jié)性淹沒的洼地)的流量和水位動態(tài)，包括最高洪水位和最低估水位及出現(xiàn)日期和持續(xù)時間，汛期洪水頻率及變幅等。

3．地層

調(diào)查研究組成地質(zhì)環(huán)境的地層層序及時代、成因類型、巖性巖相特征與接觸關(guān)系及其工程地質(zhì)特征。其中，側(cè)重對碳酸鹽巖及其它可溶巖和第四系松散沉積物的調(diào)查研究。

(1) 對碳酸鹽巖及其它可溶巖，調(diào)查研究其巖石成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，非可溶巖夾層的巖性、厚度與分布，劃分巖溶層組類型。

(2) 對第四系松散沉積物，調(diào)查研究其巖性結(jié)構(gòu)、沉積年代和成因類型及其厚度與分布。注意調(diào)查紅粘土、軟土及其它特殊土類的巖性成分、結(jié)構(gòu)、厚度及埋藏分布條件、根據(jù)上述特征劃分其巖性、結(jié)構(gòu)類型，—般可作如下劃分：

① 均一結(jié)構(gòu)：均一粘性土層或均一砂土層。由單一土層組成，其中夾層的單層厚度小于1m，累計厚度小于總厚度的10%。的兩種巖性土層或兩種不同時代、不同成因類型的土層組成。

②多層結(jié)構(gòu)：雙層狀粘性土-砂礫石層或雙層狀砂礫石-粘性土層，由同一成因類型的兩種巖性土層或兩種不同時代、不同成因類型的土層組成。

③多層結(jié)構(gòu)：多層狀粘性土夾砂礫石層或多層狀粘性土、砂礫石層。由同一成因類型的多種巖性土層或多種不同時代、不同成因類型的土層組成。

4．地質(zhì)構(gòu)造

調(diào)查研究區(qū)域構(gòu)造骨架與構(gòu)造線方向，主要構(gòu)造的形態(tài)特征、產(chǎn)狀、性質(zhì)、規(guī)模與分布，其形成時期與組合關(guān)系。著重調(diào)查斷裂構(gòu)造、其規(guī)模、產(chǎn)狀、力學性質(zhì)、組合與交切關(guān)系，以及破碎帶的性狀與特征。對節(jié)理裂隙，要注意調(diào)查其在不同構(gòu)造部位、不同巖性中的發(fā)育特征與發(fā)育方向，著重調(diào)查裂隙密集帶的發(fā)育與分布。

5．新構(gòu)造運動與地震

(1) 調(diào)查研究新構(gòu)造運動的性質(zhì)與特征。根據(jù)地震活動性、地形變特征、地貌差異及水熱活動等跡象判定活動性斷裂，注意調(diào)查其產(chǎn)狀規(guī)模和破碎帶特征，切割的最新地層及最新充填情況，判明其活動時期、活動特點及強度。著重調(diào)查構(gòu)造現(xiàn)今活動跡象，根據(jù)地形變資料，分析現(xiàn)今活動特征。

(2) 搜集歷史地震資料，了解震中位置與震級，分析評價地震活動水平。搜集附近地震臺站測震資料，了解地震活動規(guī)模及其與區(qū)域構(gòu)造的關(guān)系。著重調(diào)查歷史上破壞性地震所引起的各種地震效應，調(diào)查研究與塌陷有關(guān)的各種現(xiàn)象，如噴砂、冒水、地面開裂、塌陷、砂土液化、地下水位驟然升降的異常變化等、

6．巖溶發(fā)育特征

(1) 調(diào)查研究巖溶的形態(tài)、規(guī)模、組合特征及其分布，統(tǒng)計分析不同條件下巖溶發(fā)育密度。分析研究巖溶發(fā)育與巖溶層組類型、構(gòu)造、地貌及地下水動力條件的關(guān)系，了解巖溶發(fā)育與分布規(guī)律。

(2) 以巖溶層組類型及巖溶地貌特征為基礎，結(jié)合地表巖溶形態(tài)、巖溶率及蓄水性等指標，評價巖溶的發(fā)育程度，一般可劃分為強、中、弱三級。

(3) 對覆蓋巖溶區(qū)、著重調(diào)查研究淺層巖溶洞隙的發(fā)育特征，包括其形態(tài)、規(guī)模、組合特征、連通情況及充填狀況，分析研究強巖溶發(fā)育帶在平面上的分布和剖面上的發(fā)育深度。注意調(diào)查研究隱伏于松散覆蓋層之下的巖溶形態(tài)及其分布特征，如漏斗、洼地、槽谷等，分析研究其與淺層巖溶發(fā)育的關(guān)系。

7．巖溶水文地質(zhì)條件

(1) 調(diào)查研究巖溶地下水的類型及其特征

巖溶地下水總體上具有賦存狀態(tài)復雜(集中管道狀或分散網(wǎng)絡狀)，動態(tài)變化迅猛，徑流通暢，流態(tài)多變的特點。這些特征在不同的地區(qū)，由于其補、徑、排條件的不同又有明顯的差異。影響補、徑、排條件的因素除了地質(zhì)構(gòu)造外，主要是受地貌，即碳酸鹽巖的出露條件、地形切割程度及水文網(wǎng)的配置格局所控制，不同的地貌類型具有不同巖溶地下水特征。據(jù)此可將巖溶地下水劃分為三種類型：巖溶山地(裸露型巖溶)的巖溶地下水，巖溶平原、盆地、谷地(覆蓋型巖溶)的巖溶地下水和河湖近岸地帶的巖溶地下水。

(2) 調(diào)查研究巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

調(diào)查研究各巖溶含水層組的層位、巖性、含水介質(zhì)類型、富水性及水化學特征，其埋藏和分布條件，其相互間的水力聯(lián)系及與第四系孔隙水和地表水體的關(guān)系，分析研究巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的類型及特征。

(3) 調(diào)查研究巖溶水系統(tǒng)的組成與分布特征

調(diào)查研究巖溶泉和地下河的發(fā)育與分布特征，結(jié)合巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，分析研究巖溶水系統(tǒng)的組成和分布特征，其補給、徑流、排泄的水動力條件及其水位、流量的動態(tài)變化持征。

(4) 調(diào)查研究覆蓋巖溶區(qū)的地下水流場特證。

著重調(diào)查研究巖溶水的流場特征和水位(水頭)埋深與基巖面的關(guān)系及其動態(tài)變化。巖溶水主徑流帶的分布與水動力特征。近河(湖)地段注意調(diào)查研究巖溶地下水、上覆土層水與地表水之間的補排關(guān)系、洪水漲落過程所引起的它們之間的水位(頭)差及水力坡降的變化，以及洪水倒灌的影響范圍。對于第四系覆蓋層包括粘性土層，注意調(diào)查其含水性及其分布，以及與巖溶地下水的水力聯(lián)系與水頭差。巖溶地區(qū)第四系粘性土常為坡、殘積成因，多含砂礫質(zhì)、且垂直裂隙發(fā)育，因而具有不均一的含水性，往往組成弱含水層。許多塌陷區(qū)部發(fā)現(xiàn)有隱伏土洞，上洞最發(fā)育的部位有兩個，一是基巖面附近，一是地下水的季節(jié)變動帶。后一部位往往位于土層剖面的中部。土洞的形成從另一側(cè)面表明上層中有水流的滲透作用。因此第四系粘性土不能一概當作相對隔水層，而應具體了解其滲透性和含水性，它們對粘性土蓋層中土洞和塌陷的形成有著相當重要的意義。

（三）巖溶塌陷監(jiān)測巖溶塌陷研究中，要監(jiān)測地面、建筑物的變形和井泉或水庫水量、水位變化，地下洞穴發(fā)展動態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)塌陷前兆現(xiàn)象，對預防、減輕塌陷災害損失非常重要。在地面塌陷頻繁發(fā)生地區(qū)或潛在地面塌陷區(qū)內(nèi)，可采取以下監(jiān)測和預報措施：

(1) 在具備地面塌陷的三個基本條件(即塌陷動力、塌陷物質(zhì)、儲運條件)與巖溶低洼地形地區(qū)，在抽排地下水的井孔附近，應對地面變形(開裂、沉降)進行監(jiān)測。

(2) 進行宏觀水文監(jiān)測，當出現(xiàn)地表積水或突然干枯，放水灌溉及雨季前期降雨都可視為可能發(fā)生塌陷的前兆。

(3) 注意收集或及時發(fā)現(xiàn)具塌陷前兆的異?，F(xiàn)象，如出現(xiàn)建筑物開裂或作響、植物傾斜變態(tài)、井泉或水庫突然干枯或冒水、逸氣，地下水位突升突降，地下有土層塌落聲及動物驚恐等異?，F(xiàn)象，皆應警惕塌陷即將來臨。

(4) 監(jiān)視井泉內(nèi)、坑道與水庫滲漏點的地下水位降深是否超過設計允許值，地下水位升降速度有否驟然變化，滲漏水中泥沙含量是否高。另外可以在井孔內(nèi)安裝伸縮性水準儀，中子探針計數(shù)器、鉆孔深部應變儀，及其他常規(guī)測量儀器等監(jiān)測地下變形異常。

(5) 塌陷時地表會發(fā)生變形，地球物理場亦會發(fā)生一定的變化，利用這種特性，在洞穴上部埋設裝有聚氯乙烯銅線的混凝土管，當臨塌陷或大塌陷前，地表覆蓋層發(fā)生變形時，混凝土管就會被折斷從而發(fā)出警報；也可以監(jiān)測重力的變化，將重力變化的信號轉(zhuǎn)換為音響的報警裝置進行報警。