地表位移形变

地表位移监测分地表相对位移监测和地表绝对位移监测，包括垂直位移和水平位移。地表相对位移监测主要是对在地表形成的裂缝变化量的监测。地表绝对位移监测主要指地表指定点的三维位移量监测。

山坡和建筑物(挡土墙、房屋、水沟、路面等)上的裂缝是地质灾害体变形最明显的标志，对这些裂缝进行监测最简单易行又最直接。由于地表(包括地表建筑物)变形最为直观，而且仪器安装省工省时、投资少，因此地表形变监测方法是监测工作中被最优先考虑的技术方法，而且此类方法所采用的仪器，开发的历史最早，类型也最多，使用经验也最成熟。因此该类技术方法在监测中起着非常重要的作用。

地表形变监测采用的常规监测技术方法主要有：机械测缝法、测缝计法、地面倾斜仪法、水准测量法、全球卫星导航定位技术(GPS法)、高分辨遥感影像法、三维激光扫描法、测距法、干涉雷达法、激光雷达技术方法等。近年来，随着监测技术水平和科学技术的发展，一些高新技术方法如遥感(RS)法、三维激光扫描法等也逐渐被引入地质环境监测领域，并发挥了显著的作用。

一、机械测缝法

机械测缝法就是在裂缝两侧或滑带两侧插筋、埋桩或标记，用钢尺、皮尺、卡尺等测量其相对位移，或在裂缝或滑带上粘贴纸片、水泥砂浆片或玻璃片等，监测其变形情况。该方法的优点是简便、直观、可靠、见效快、成本低，便于普及，不受环境影响；缺点是精度稍差、信息量少，适用于群测群防监测。

利用简易的机械测量地表与建筑物裂缝变化，作为正式建立监测系统之前的监测手段及正规监测系统的补充手段，至今仍被人们所重视。其原因是该法简单可行、便宜、有一定精度。1985年，JDunnicli等美英法学者联合提出将玻璃板粘贴在裂缝上用直尺量测、将钢栓埋在裂缝两侧用一条跨越钢栓的钢尺进行量测及采用手提式机械测量计量测裂缝等几十种简易方法。并建议在能用机械法满足要求的情况下，尽量优先考虑选用机械法(图3-1)。

二、测缝计法

测缝计是一端固定在滑体上，另一端在仪器上用重锤或发条拉紧。当裂缝伸缩时，钢线被拉长或缩短，即可得到位移随时间的变化值。裂缝计法监测地表裂缝其仪器原理简单，结构不复杂，便于 *** 作，见效快，成果资料直观可靠。

测缝计的工作原理是：对位移信号准确采集，采用振弦式或者压阻式等原理，转换为电信号进行输出，再把采集到的电信号准确换算成位移值。这里以振弦式裂缝计(图3-2，图3-3)为例，简要介绍一下其工作原理。把测缝计安装到需要测量的部位，待测线变形通过拉杆传递给拉簧产生一与变形呈线性关系的力ΔF作用于感应体上，引起振弦的自振频率发生变化，由二次仪表通过线圈对振弦激振并接收数字信号，便可按照给出的计算公式求得作用在测缝计两端线性变形的大小。一般公式如下：

图3-1 机械测缝法的几种情况

a—测量A、B两柱之间的相对位移；b—测量裂缝的水平、垂直位移；c—伸缩标尺读数即裂缝位移；d—竖直刻度即为裂缝位移

Ji＝K(Fi-F0)＋bΔt

式中：Ji—测缝计所受到的变形值；K—测缝计标定系数；F0—测缝计零点输出频率值；Fi—对应于Ji的输出频率值；b—温度修正系数，由制造商给出；Δt—相对基准点温度改变量，温度升高为正，下降为负。

图3-2 测缝计

图3-3 测缝计野外测量图

三、地面倾斜仪法

地表倾斜监测具有很大的适用性。当不稳定斜坡的周界范围尚不清楚时，可用地面倾斜仪来测量地面点的倾斜与旋转分量。这种方法最初主要用于监测露天矿和铁路挖方边坡的移动，20世纪60年代开始用于滑坡的监测。利用地面倾斜仪监测滑体地面倾斜或倾角变化和方向，精度高，易 *** 作。主要适用于倾倒和角变位的滑体，即倾斜式崩塌、拉裂式崩塌、滑移式崩塌之“蠕滑-拉裂”型滑坡中的切层滑坡、“滑移-弯曲”型滑坡等，不适用于顺层滑坡。对于崩滑初期阶段的危岩体(开裂岩土体)，当以角变位和倾摆变形为主时，有条件的情况下，可投入精度高的地表倾斜监测。

倾斜监测仪的核心部件一般都是加速度计。根据地球引力相对不变这一特点，对不同倾斜程度导致的加速度变化进行采集，从而换算成倾斜角度。

四、水准测量法

常规地面沉降监测一般采用重复精密水准测量方法，布设一、二等水准网后通过严密的平差程序，最终提取出每一期的微小地面沉降变化值。通过定期的重复观测，为研究与控制地面沉降提供准确、可靠的资料。

在20世纪80年代，由于还没有出现全球卫星定位系统(GPS)，开展水准测量工作最常见的方法主要用经纬仪和水准仪，或者是从20世纪50年代开始使用的光电测距仪(EDM)。如果只是测量垂直位置，通常选择使用水准仪。差分水准测量技术允许测量人员通过使用精确刻度的望远镜和分度竖尺从一个已知点到另一测点计算得出海拔高程。除了 *** 作简单，这种方法也非常精确。采用水准测量监测地面沉降，早期被包括美国、日本在内的大多数国家所采用，目前日本还有很多地区采用水准测量监测地面沉降(图3-4)。

图3-4 水准测量示意图

水准测量早期在我国的大中城市，特别是我国最大工业城市上海就已开始应用，而且沿用至今，积累了很多成功的经验。水准测量观测地面沉降的主要优点是测量的精度高。就国内而言，1842年，上海通过市区重复水准测量发现了地面沉降，通过水准资料，编绘了最早的上海地面沉降发育程度图。1962年开始长期的地面沉降水准测量工作(上海市地质调查院，2008)。利用水准测量方法监测地面沉降的地区或城市还有华北平原、台北、太原、西安及江苏苏锡常地区、浙江杭嘉湖地区等。从水准测量结果看，精密水准测量在最初确定是否有地面沉降发生时具有重要作用。精密水准测量方法原理成熟，仪器 *** 作简便，地面沉降测量精度高，至今仍是区域地面沉降监测的主要方法。

五、全球卫星导航定位技术(GPS法)

与常规水准测量技术相比，GPS测量具有定位精度高、观测时间短、测站间无须通视、可提供三维坐标、 *** 作简便、可全天候作业等优点，因此GPS技术具有广阔的应用前景。

GPS绝对定位也叫单点定位，通常是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标系原点(地球质心)绝对坐标的一种定位方法。“绝对”一词，主要是为了区别相对定位方法，绝对定位与相对定位，在观测方式、数据处理、定位精度以及应用范围等方面均有原则上的区别。

利用GPS进行绝对定位的基本原理，是以GPS卫星和接收机天线之间的距离(或距离差)测量为基础，并根据已知的卫星瞬间坐标，来确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。

GPS绝对定位方法的实质，即是测量学中的空间距离后方交会。为此，在1个观测站上，原则上有3个独立的距离观测量便够了，这时观测站应位于分别以3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点。

但是，由于GPS采用单程测距原理，同时卫星钟与用户接收机钟又难于保持严格同步，所以，实际观测的测站至卫星之间的距离，均含有卫星钟和接收机钟同步差(故习惯上称之为伪距)。关于卫星钟差，我们可以应用导航电文中所给出的有关钟差参数加以修正，而接收机的钟差，一般难于预先准确地确定。所以，通常均把它作为一个未知参数，与观测站的坐标在数据处理中一并求解。因此，在1个观测站上，为了实时求解4个未知参数(3个点位坐标分量和1个钟差参数)，便至少需要4个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时观测4颗卫星(图3-5)。

图3-5 GPS绝对定位原理

图3-5中xsi、ysi、zsi为定位卫星的瞬间坐标(为已知值)，x、y、z为接收机的坐标(为未知值)，ρ·si为卫星到GPS接收机之间的伪距，C为光速，dτ为卫星钟和GPS接收机之间的时间差。GPS相对定位，也叫差分GPS定位，是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法，它广泛地应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究和精密导航。

相对定位的最基本情况是用两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。

相对定位包括静态相对定位和快速相对定位。

静态相对定位，即设置在基线端点的接收机是固定不动的，这样便可以通过连续观测，取得充分的多余观测数据，以改善定位的精度。一般均采用载波相位观测值(或测相伪距)为基本观测量。在两个或多个观测点同步观测相同的卫星，可有效地消除或减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差等的影响。

快速相对定位法的基本思想是一台接收机在参考点(或基准站)上固定不动，并对所有可见的GPS卫星进行连续观测，而另一台接收机在其周围的观测站流动，并在每一流动站上，静止地进行观测，以确定流动站与基准站之间的相对位置(图3-6)。这种方法的定位精度与静态相对定位相当，由于速度快、精度高，所以被广大GPS用户采用。我们也将采用这种定位方式进行三维定位，最后解算出在垂直方向上地面高程的变化量(地面沉降量)。

图3-6 GPS快速相对定位

由于GPS具有全球性、全天候、高精度、实时性等特点，应用GPS对地面沉降进行监测已经被广大发达国家所采用。美国加利福尼亚州是地面沉降比较严重的地区，美国地质调查局在该地区布设GPS监测站250个，在区域上每30km一个点，重点区域加密到3km一个点，对其进行重点监测，预期监测精度达到1mm/a。美国在其他一些地方如德克萨斯州的休斯敦地区、新墨西哥州的阿尔伯克基(Albuquerque，New Mexico)、亚利桑那州的艾弗拉河谷(the Avra Valley，Arizona)、内华达州的拉斯维加斯(Las Vegas，Nevada)、加州的萨克拉曼多-圣华金三角洲(the Sacramento-San Joaquim Delta，California)、亚利桑那州的图森盆地(the Tucson basin，Arizona)也已经建立了完善的地面沉降GPS大地监测网。日本在1995年阪神地震后，提出建立以30km的密度全面覆盖国土的GPS观测网，拟建约1000个站，目前已建成约650个站，以加强地表的变形监测。

据最新资料，目前GPS在平面的定位精度是5mm，在垂直方向上测高程的绝对精度是水平方向上的2～3 倍。如果采用相对定位技术，GPS 的定位技术将达到毫米级，对于缓变性的地面沉降，GPS精度足以满足监测的需要。因此世界上有越来越多的国家在地面沉降监测中应用了GPS技术：如意大利的波河流域和威尼斯地区、委内瑞拉西部油田、英国柴郡地区、澳大利亚拉特罗布谷地等分别建立GPS监测网对地面沉降进行全面监测。

国内应用GPS技术监测地面沉降起步较晚。1995年，同济大学在苏州建立了三维形变监测网，采用GPS技术开展了苏州地面沉降监测试验。1995年，中国地震局第一地形变监测中心在天津(主要在滨海新区)布设了由18个GPS监测站组成的GPS监测试验网。7年的监测试验表明，如果考虑到水准测量的高程传递误差和GPS测量得到坐标高程(大地高)分量的误差，那么GPS测得的高程变化与水准测量测得的变化是一致的；用GPS测得的沉降量(大地高变化量)与直接用精密水准得到的结果(正常高变化量)相当一致，两者偏差的均方根值为116mm/a。

1998年，上海开始进行GPS技术监测地面沉降试验研究。目前，已建成由4座GPS基准站、33座一级网点、110座二级网点组成的地面沉降GPS监测网。2001年至今，上海地面沉降GPS监测网已进行了9次观测，每期实测点数为33点(一级网)，同步投入6台GPS接收机，其中第3～6期同步投入10台GPS接收机，采用边连式、网连式布网。当GPS一级网点遭破坏或者周围环境条件不宜进行GPS观测时，就近选取二级网点补充，保证每次测量GPS网的点位密度均匀。地面沉降GPS一级网组成一个整体监测网，内业采用速率模型进行整体平差。随着地面沉降GPS监测技术的发展和数据处理方法的不断优化，2004年后上海地面沉降GPS测量值与水准测量的差值平稳，一致性较好。

2003年，中国地质调查局启动“华北平原地面沉降调查与监测”项目。该项目在华北平原建设的地面沉降监测GPS网共有5座GPS基准站、152座观测墩，并完成266 点次的GPS监测。其中，北京地区地面沉降GPS监测网络已初具规模，已实现每天观测2次。天津地区的GPS监测工作开展也比较顺利。河北地区的GPS观测也顺利展开，但观测频率与京津两地还存在一定差距。

六、高分辨率遥感影像法

遥感法适用于大范围、区域性崩滑体动态监测。根据遥感，利用遥感技术进行滑坡判释，根据不同时期图像变化了解滑坡的变化情况。

随着遥感传感器技术的不断发展，遥感影像对地面的分辨率越来越高，例如：美国LANDSAT卫星(1982)的TM遥感影像对地面的分辨率为30m，法国SPOT卫星(2002)全波段影像对地面的分辨率达25m，美国IKNOS卫星(1999)全色影像对地面的分辨率达1m，美国QUICKBIRD 卫星(2001)全色影像对地面的分辨率高达061m，美国 WorldView 卫星(2007)的分辨率可以达到05m。利用卫星遥感影像所反映的地面信息丰富，并能周期性获取同一地点影像的特点，可以对同一地质灾害点不同时相的遥感影像进行对比，进而达到对地质灾害动态监测的目的。

七、三维激光扫描法

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。它将传统测量系统的点测量扩展到面测量，可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描 *** 作，并直接将各种大型、复杂实体的三维数据完整地采集到计算机中，进而快速重构出目标的三维模型及点、线、面、体等各种几何数据，而且用所采集到的三维激光点云数据还可以进行多种后处理工作。

三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为：机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。

通常情况下按照三维激光扫描仪的有效扫描距离进行分类，可分为：

(1)短距离激光扫描仪：其最长扫描距离不超过3m，一般最佳扫描距离为06～12m，通常这类扫描仪适合用于小型模具的量测，不仅扫描速度快且精度较高，可以多达30万个点，精度至±0018mm。

(2)中距离激光扫描仪：最长扫描距离﹤30m的三维激光扫描仪属于中距离三维激光扫描仪，其多用于大型模具或室内空间的测量。

(3)长距离激光扫描仪：扫描距离﹥30m的三维激光扫描仪属于长距离三维激光扫描仪，其主要应用于建筑物、矿山、大坝、大型土木工程等的测量。

(4)航空激光扫描仪：最长扫描距离通常﹥1km，并且需要配备精确的导航定位系统，其可用于大范围地形的扫描测量。

地质环境监测领域主要用的是地面型长距离激光扫描仪。地面型三维激光扫描系统工作原理：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值a和纵向扫描角度观测值β(图3-7)。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。x轴在横向扫描面内，y轴在横向扫描面内与x轴垂直，z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标：xP＝Scosβcosa，yP＝Scosβsina，zp＝Ssinβ。

图3-7 扫描点坐标计算原理

整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要(图3-8)。

图3-8 地面激光扫描仪测量的基本原理

八、测距法

测距法就是利用电磁波学、光学、声学等原理测量距离的方法。在地表形变中可采用土体沉降仪、激光测距仪、钢尺进行平面和垂向位移量测量。

土体沉降仪由两大部分组成：一是地下埋入部分，由沉降导管和底盖、沉降磁环组成；二是地面接收仪器，由测头、测量电缆、接收系统和绕线盘等部分组成。测头部分为不锈钢制成，内部安装了磁场感应器，当遇到外磁场作用时，便会接通接收系统，当外磁场不作用时，就会自动关闭接收系统。测量电缆部分由钢尺和导线采用塑胶工艺合二为一，既防止了钢尺锈蚀，又简化了 *** 作过程，测读更加方便、准确。钢尺电缆一端接入测头，另一端接入接收系统。接收系统由音响器和峰值指示组成，音响器发出连续不断的蜂鸣声响，峰值指示为电压表指针指示，两者可通过拨动开关来选用，不管用何种接收系统，测读精度是一致的。绕线盘部分由绕线圆盘和支架组成，接收系统和电池全置于绕线盘的心腔内，腔外绕钢尺电缆。

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪质量轻、体积小、 *** 作简单速度快而准确，其误差仅为其他光学测距仪的1/5到数百分之一。

九、干涉雷达法

合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)是近20年发展起来的一种空间对地观测技术。干涉合成孔径雷达InSAR(Interferometry Synthetic Aperture Radar)，是SAR与射电天文学干涉测量技术结合的产物，是通过两副天线同时观测，或一定时间间隔的两次平行观测，获取近同一景观的复图像对，由于目标与天线的几何关系，在复图像对上产生相位差，形成干涉图纹。干涉图包含了图像点与天线位置差的精确信息。因此，利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系，可以精确地测量出图像上每一点的三维位置，其精度已经达到了毫米级(图3-9)。

图3-9 InSAR技术测量原理

SAR干涉测量具有全天候工作，只需极少数地面控制点，高分辨率进行图像处理和广泛的应用范围的特点。SAR系统的一个显著特点是它能够记录反射物回射信息的强度和相位。每个SAR图像像素的相位由下面3种因素构成：①双程传播路径(传感器—目标—传感器)，这个双程路径被所用波长分割，形成成千上万个周期；②在地面分辨率单元之内的各元素的相互作用；③获取图像的处理系统造成的相位偏移。所以，单独SAR图像的相位是无实际用处的。但是，假如有从不同视角获取SAR图像的话，则表达它们的相位差(干涉条纹)能被用来产生数字高程图(DEM)，监测地表变化，改善地面的分辨率。

干涉雷达技术在各领域中的应用方法研究也比较广泛，如利用差分干涉雷达技术监测城市微弱地面沉降(Mark Haynes et al)，应用干涉雷达技术监测地面变化(Dixon et al)，监测冰川运动(Goldstein RM)，进行土地利用分类和农田监测(Wegmueller Uet al)。各种与地质灾害有关的地面形变监测是干涉雷达技术巨大的潜在应用领域，如地震前后构造活动引起的地表形变和位移、火山运动引起的地表变形、滑坡体的监测及采矿引起的地面沉降的监测等。

十、激光雷达技术方法

激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术，在军事部门具有广泛的用途，受到了各国军事部门的极大关注。国际导d技术控制法明确指出：“激光雷达系统将激光用于回波测距、定向，并通过位置、径向速度及物体反射特性识别目标，体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术”，并把激光雷达作为限制扩散的军事技术之一。

机载激光扫描仪系统(LIDAR)集LIDAR激光测高计、GPS全球定位系统、惯性测量器(IMU)为一体。当飞机机载该装置飞越地球表面时，它们能在获取所需图像及数码数据同时，计算出传感器的精确位置和取向，给出数字高程图(DEM)。有了此新一代DEM影像正射系统，传统的冗长乏味，费用昂贵的地面GPS数据的人工测量，胶卷的冲洗、扫描及立体绘图将成为历史。数码相机的底部配备着一个超大像幅的由8比特动态排列组成的具有4096×4096像素的CCD传感器。当飞机航速为240km/h时，用它的高速快门系统可拍摄到优于16cm分辨率的(无阴影)图像(图3-10)。该激光雷达系统还配置有一个高分辨超光谱成形相机，因此多谱段像素直接与xyz坐标值相对应，得以清晰的区分道路、建筑、树林、河流和其他地貌。

图3-10 LIDAR测量地面高程示意图

和新一代数码相机结合在一起的激光雷达遥感系统已发展成为目前世界上最先进的遥感系统。可用于建立流域自然环境生态信息系统，洪水、滑坡、泥石流、崩塌、地面沉降等灾害的预测预报系统，三维堤坝动态监测系统，各种水文、灾害模拟分析系统、地理研究、测绘，等等。

数字示波器有Auto键。
模拟示波器开机，亮度、聚焦适中，水平工作方式置Auto，水平位移置中。垂直工作方式置单踪Y1，垂直位移置中，这时会有清晰扫描线；
要正确测量波形先把输入信号接入示波器，至少让幅度大于一格，选内触发并选要触发的信号通道，调节同步电平LEVEL，一般就可同步（同步指示灯会点亮），这时扫速可以配合调节至看清所测试波形。

在冒牌真假一模一样这一章节中，第十章讲述了一个精彩的故事。故事的主要内容是：一个叫做王丽的女子去往一个偏僻的小村庄，在那里她发现了一个叫做赵英的假冒伪劣的一模一样的物品。王丽发现赵英手中的物品和真正的物品没有什么区别，而且价格十分便宜，于是就买了几件赵英的物品。回到家里，王丽发现这些物品和正品比起来，有一些差别，而且用起来也不太方便。这时，王丽想到了一个办法，那就是找到赵英，让他赔偿她的损失。当王丽来到赵英的家时，却发现赵英被抓了，原来他是一个冒牌货，专门出售假冒伪劣的物品的，而且他的行为已经惹怒了当地的村民。最后，赵英被判了罪，王丽也得到了赔偿，故事画上了完美的句号。

雷明堂　蒋小珍　李瑜　蒙彦

（中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林，541000）

摘要我国可溶岩分布面积达365万km2，占国土面积的1/3以上，是世界上岩溶最发育的国家之一。近年来，随着岩溶区城市化建设的飞速发展，岩溶区土地资源、水资源和矿产资源开发的不断增强，由此而引发的岩溶塌陷问题日益突出，已成为岩溶区城市主要地质灾害问题，严重妨碍城市经济建设与发展。由于岩溶塌陷的产生在时间上具突发性，在空间上具隐蔽性，在机制上具复杂性，因此，被普遍认为难以采取地面常规监测手段，对塌陷进行监测预报。另一方面，试验研究表明，岩溶水气压力变化对塌陷具有触发作用，可以以此作为衡量塌陷发育的临界条件。这就意味着通过对岩溶管道系统的水（气）压力的动态变化进行观测，可以达到对塌陷进行预报的目的。本文以位于广西桂林柘木村的岩溶塌陷监测站为例，探讨这一技术的基本方法。

关键词岩溶塌陷　岩溶管道　水（气）压力　临界水力坡度监测

1 研究区概况

研究区位于桂林市东南约15km漓江西岸柘木村（见图1），面积约02km2，现有居民116户。该区于1997年11月11日因漓江河道爆破引发严重塌陷，造成民房倒塌4户、房屋开裂64户。由于近年来塌陷仍在发展之中，时刻威胁着人民群众的生命财产安全，所以，我们以此作为本项目的现场试验场地，建立岩溶塌陷灾害监测站，开展研究工作。11　岩溶塌陷发育特征

图1　研究区地理位置

柘木塌陷发生于1997年11月11日，首先是河漫滩发生2起塌陷，然后是柘木村10多处地面冒水喷砂（水柱高出地面3米多），接着就发生大面积的塌陷和地面开裂，形成塌坑35个，到1998年底形成塌坑共计50多个（图2）。

图2　工作区塌陷分布图

柘木村的塌陷平面形态绝大多数为圆形和椭圆形，仅有个别为不规则形；剖面形态以坛状为主，除了位于河漫滩的基岩塌陷直径（或长轴）达到30m、深14m以上外，村中的土层塌陷直径（或长轴）从05m到10m不等、深几十厘米到5m。塌陷在平面分布上具有明显的成带性和方向性，所有塌陷都是呈 NW向发育的，其中大多数塌陷又是沿f1和f2断层成带状分布。塌陷在时间上的具有延续性，根据1986年、1996年项目组对桂林市塌陷的详查，该区均无塌陷记录，自1997年第一次发生塌陷以来，每年都有塌陷的发生。

12　地质条件

研究区地貌上处于漓江一级阶地和河漫滩的结合部位，覆盖层厚度15～40m。其中，柘木村所在的一级阶地覆盖层可归结为三元结构：上部为粘性土层，一般为粘土、粉质粘土和杂填土（含卵石和砖块等硬质物）等；中部为砂卵石层，本层不含粘粒，以卵石为主，一般顶部有厚1m左右的砂层，局部有中粗砂的夹层；下部为混合土，以粘土卵石和卵石粘土层为主，两者分界不明显，经常互相交替，粘粒含量变化较大。ZK1钻孔附近还夹有粘土层透镜体，ZK4孔底部还见有厚约10m的软土层。下伏基岩为泥盆系上统融县组灰岩（D3r），是桂林市岩溶最发育、塌陷最多的地层。

13　构造条件

研究区位于二塘向斜核部及NW向龙家断层和NE向毛家断层的交汇部位，其中 NW向的龙家断层正好从柘木穿过。龙家断层（f1）是一条规模较大的断层，早期为压扭性，晚期表现为明显的扭性—张性特点，它控制了漓江部分河道的走向，该断层是一条富水断层。

浅层地震物测显示，柘木除发育龙家断层（f1）外，另外还发育一条走向也是近 NW向的断层（f2）（图2）。

14　水文地质条件

根据地下水的赋存条件，研究区地下水有两类：第四系孔隙水和岩溶水。第四系含水层为砂卵石层，是当地农民生活用水的主要来源。岩溶水为桂林最丰富的泥盆系上统融县组灰岩水，与第四系孔隙水之间有一层混合土相隔，该层土主要由粘土卵石和卵石粘土组成，其隔水性一般至中等，岩溶水与第四系孔隙水具有较强的水力联系。研究区为地下水的排泄区，第四系孔隙水主要靠大气降水、地表水入渗、漓江和地下径流补给；岩溶水主要由第四系孔隙水越流补给、降雨入渗、地下径流以及漓江的补给，岩溶水一般具有微弱的承压性。由于紧靠漓江，地表水丰富，除了使用手摇井或民井提取第四系砂卵石含水层的少量水作为饮用水外，研究区未进行过大量地抽取过地下水（包括岩溶水和第四系水）的活动，就是说，本区地下水受到人类活动的影响较小，其水位波动基本上主要受自然条件的影响和控制。

15　人类活动条件

工作区人类活动类型单一，村中各户均有手动压水井，以满足日常生活用水，井深小于10m，开采第四系砂卵石层中的孔隙水。

自1997年塌陷以后，工作区已完全停止爆破活动，因此，后来的新塌陷，均属于受扰动的土体在自然条件影响下产生。

2　监测预报思路

21　岩溶塌陷发育机理与影响因素分析

根据现场调查分析，当时漓江中正在进行航道基岩爆破，导致地下河出口附近的基岩塌陷及由此产生的塌陷地震是引发后续大范围塌陷的根本原因。

由于高压水流的作用使工作区第四系底部土层受到了严重的扰动，大大降低了使之发生渗透变形的临界水力坡度，降低土层的抗塌能力。地下水只要有较大的变动，就会引发新的塌陷。这是近年来塌陷不断的根本原因，这与岩溶塌陷物理模型试验的结果是一致的（图3）。

图3　模型试验图示

新塌陷的产生主要受几个方面的影响：

一是岩溶管道（裂隙）系统和第四系底部土层中的水气压力的变化：当岩溶管道（裂隙）系统的水气压力变化或作用于第四系底部土层的水力坡度达到某一定值时，第四系土层就会发生破坏，进而产生地面塌陷。目前，通过孔隙水压力传感器和数据自动采集系统已完全可以记录到岩溶管道（裂隙）系统的水气压力动态变化，并计算出作用于第四系底部土层的水力坡度。

二是第四系底部土层的组成与性质：组成和性质不同，发生渗透变形的临界水力坡度就会不同。目前，通过现场钻孔取样和室内渗透变形试验的方法，可以测定出不同土层发生渗透变形的临界水力坡度值。

所以，我们可以通过对地下水（包括岩溶水—传感器 A、土层孔隙水—传感器 B）的压力变化进行监测，达到对地面塌陷进行预报的目的。

22　预测预报思路

基于以上认识，采取如图4所示的研究思路开展工作，即：

图4　研究工作思路

（1）首先，以已有岩溶塌陷及其影响因素的调查结果分析为基础，通过渗透变形试验和土工试验等分析测试，初步确定塌陷发育的临界条件。

（2）通过传感器及数据采集系统，直接监测主要诱发（触发）因素（包括岩溶水—传感器 A、土层孔隙水—传感器 B）的动态变化。

（3）结合地质雷达探测显示的异常区，建立临界条件的修正模型，使室内模型试验与渗透变形试验成果实用化。

（4）当主要诱发（触发）因素的数值满足临界条件时，直接发出预报。

3　塌陷发育的临界条件试验研究

以49组土样渗透变形试验结果为基础，初步确定工作区3种类型土体发生塌陷的临界条件（临界水力坡降I0表示）如表1所示，表中临界速率是根据项目组以往对桂林岩溶塌陷模型试验研究结果取得。

预报中，主要采用第四系底部土层的临界条件作为判据。勘探结果表明，在整个工作区，第四系底部存在连续性较好的粘土卵石层，而且受过较强烈的扰动，因此，临界条件为：I0=079,V0=006kPa/s。

预报时，通过两种方法进行判断：

（1）岩溶水压力波动速率V与V0的比较：当 V≥V0时，基岩面附近的土层将可能发生渗透破坏，有产生塌陷的可能。

（2）由岩溶水压力、土层水压力以及两个传感器距离计算出来的水力坡度（I）与临界坡降（I0）的比较：当I≥I0时，基岩面附近的土层将可能发生渗透破坏，有产生塌陷的可能。

表1　柘木塌陷的临界条件

4　监测技术与方法

41　监测内容与监测方法

地下水（气）压力：包括岩溶管道裂隙系统水（气）压力监测和第四系底部土层水压力，采用孔隙水压力传感器进行监测，数据采集方式有计算机自动采集和便携仪人工读数两种。

土层变形破坏：在工作区设置固定测线，定期采用地质雷达监测。

民房裂缝变化：对监测区民房裂缝设置监测点，定期测量裂缝变化，采用钢尺监测。

民井水位：对工作区的两个露天水井定期测量水深，采用测绳人工监测。

42　监测设备

421　传感器

振弦式仪器自20世纪30年代发明以来，由于其独特的优异特性如结构简单、精度高、抗干扰能力强以及对电缆要求低等而一直受到工程界的注目。然而，由于历史的原因，振弦式仪器的长期稳定性一直是争议的话题。直到70年代，随着现代电子读数仪技术、材料及生产工艺的发展，振弦式仪器技术才得以完善并真正能满足工程应用的要求。目前，性能完善的弦式仪器已成为新一代工程仪器的潮流。为此，监测站全部采用振弦式孔隙水压力传感器，由加拿大洛克泰斯特公司和美国基康公司生产。

422　数据采集系统

为了实现数据的自动采集和远距离传输，采用了美国基康公司生产的MICRO-10X数据自动采集系统以及由美国Canary Systems公司开发的数据采集软件Multiloggorl48，此外，还采用了美国基康公司生产的VW-403C便携式振弦式读数仪。

423　地质雷达

最早是在越南战争中为了探测地道而研制的地质雷达，20世纪80年代初期在美国开始用于潜在塌陷勘察，90年代在我国得到推广。它是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz～1GHz）电磁技术，基本原理是：通过发射天线向地下发射雷达信号（频率为80～1000MHz的高频电磁波），再通过接收天线接收从地下不同电性界面上反射回来的信号。只要地下物体的介电常数有明显差异，就会形成反射界面，电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及几何形态而变化。所以，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断介质的结构。因此，地质雷达可以探测到地下土洞等土层扰动带。地质雷达具有方便、快捷、准确地生成地下连续剖面的优点。

监测站采用美国的SIR-10A型地质雷达。

43　传感器标定

为了建立水压力与传感器读数的关系，在室内，利用高3m的水箱以及深20m的地下水位观测井进行传感器标定工作，建立各传感器的标定方程。

44　传感器安装方法

每个测点安装两支传感器，其中一支安装在岩溶管道裂隙中，用于监测岩溶水压力，另一支安装在第四系含水层中（图5），用于监测土层水压力的变化。

45　监测点布置

根据工作区岩溶塌陷发育特点、基础地质条件以及柘木村中建筑物的重要性和破坏程度，将工作区分为4个监测区，共设置16个监测点。其中，岩溶系统的水（气）压力和第四系底部土层孔隙水压力监测点各8个、民井水位监测点2个、民房裂缝变化监测点4个、第四系土层变形破坏的地质雷达监测线12条，图6给出各监测点（线）的位置。

图5　传感器安装位置图示

图6　监测区划分与监测点布置图

46　数据采集

共有8支传感器采用Micro-10X数据自动采集系统进行数据采集，从2002年2月27日开始试运行，通过采集软件（dataloggorl48）对各传感器连接的通道进行设置，本项工作将读数间隔为10分钟。

采用便携式接收仪，对其余的8支传感器进行数据采集工作，其中安装在1﹟、2﹟、和3﹟监测点的6支传感器从2000年3月3日开始监测，另2支埋设在4﹟、5﹟监测点土层中的传感器从2002年2月27日开始测量，传感器监测周期雨季为每天1次，平时为3天1次。

47　土层扰动监测

通过地质雷达进行土层扰动情况的监测，在现场布置了12条测线，用地质雷达以相同的频率进行测量，每年测量一次。

5　监测结果分析

自2000年开始实施以来，地面发生异常13次，其中2000年9次、2001年2次、2002年也是2次，表2为工作区地面发生异常情况一览表。

表2　工作区2000年以来地面发生异常情况一览表

续表

从表中可以看出，近3年来的异常主要发生在位于I区，其次是II区和III区，而且，异常出现以前，水压力的监测均发生过突变，这种对应关系可以运用到塌陷预报之中。

由于2000年、2001年均采用人工监测，岩溶水（气）压力变化速度采用平均速度，无法得到瞬时速度，并以此预报塌陷。2002年5月16日唐朝息家出现的异常与ZK2、ZK5测点的压力变化关系明显，尤其是ZK5埋设了自动采集的传感器，监测到该点岩溶水压力变化速度为00057kPa/s，与室内实验得到的临界值相差较大，但渗透坡降为05左右，已接近室内实验得到的临界值。

从监测结果看，在墙壁裂缝变形监测中，基本上没有监测到变化，说明塌陷发育的突发性，通过裂缝监测难以达到预报目的。

6　地质雷达探测结果

采用100MHz的地质雷达天线和连续扫描方式进行监测。2000完成首轮地质雷达探测1次，布置测线13条，2001年，对测线进行了优化，保留了原有测线8条、新增测线4条。

表3列出3次探测显示的异常点位置。从表可见，2001年有异常43处、2002年降为36处，位于I区的1、2号线。2002年的异常点分别比2001年增加5个、8个，这与监测 I区的ZK、ZK7、ZK8具有超过临界速度的水（气）压力波动速度有很好的对应关系。

2002年探测结果显示，在1﹟线的30～40m、2﹟线的41～47m和10﹟线的0～3m位置，土体扰动已接近地面，极有可能产生新的塌陷。

表3　地质雷达探测结果对比表

续表

续表

续表

7　结论

通过本项研究，建成了国内第一个数据自动采集的岩溶塌陷灾害监测站，初步建立了岩溶塌陷预测预报的技术体系与方法，近3年的监测工作表明：

（1）在目前的技术条件下，地下水的活动而引发的岩溶地面塌陷是可以进行预测预报的。

（2）岩溶塌陷发育临界条件的确定、监测因素的选择、传感器的安装埋设，以及数据自动采集系统的应用，是开展塌陷预测预报工作的关键。

（3）本项目采用以岩溶管道裂隙系统中的水（气）压力以及第四系孔隙水压力变化的监测为主、地质雷达监测为辅的方法，是一个有效的预测预报方法。在监测期间发生12次地面异常，均与异常点附近监测点的岩溶水/气压力突变和第四系底部土层受到较高的渗透力作用有关。

（4）从传感器监测结果看：

aⅠ区是最危险的地区，岩溶水/气压力变化最为强烈，2002年岩溶水/气压力的变化速度达047kPa/s，而作用在第四系底部土层的地下水渗透坡降为017～312，超过了临界条件，因此，该区是最危险的地区。

bⅡ区2000年、2001年作用在第四系底部土层的地下水渗透坡降为055、079,2002年渗透坡降达078、岩溶水/气压力变化速度为0085kPa/s，也达到了临界破坏条件。

cⅢ区的地下水渗透坡降较小，2000、2001和2002年分别为－03、052和044。

dⅣ区的地下水渗透坡降较小，为－044，岩溶水气压力变化速度为0012kPa/s。

（5）地质雷达可以及时有效地发现土层的浅部异常点，连续三年的探测结果表明，2001年有异常43处、2002年降为36处，位于I区的1、2号线2002年的异常点分别比2001年增加5个和8个，这与监测I区的ZK、ZK7、ZK8具有超过临界速度的水（气）压力波动速度有很好的对应关系。其他各线的土层仍处在调整中。

（6）地质雷达发现了1线的30～40m、2线的41～47m和10线的0～3m共3个位置，土体扰动已接近地面，极有可能产生新的塌陷。

（7）监测结果显示，通过墙壁裂缝的人工监测，没有明显变化出现。

1仑扭秤：悬丝的扭力能够为物理学家提供一种精确地测量很小的力的方法。扭转力矩与悬丝的扭转角成正比，与悬丝直径的4次方成正比，与悬丝的长度成反比。库仑扭秤的主要部分是一根金属细丝，上端固定，下端悬有物体，在外力作用下物体转动，使金属丝发生扭转，测量出扭转角度，就可以根据扭转定律算出外力。

2磅秤：磅秤的原理是依据力来测的，但是在地球上，在认为地球是不动的参考系（惯性参考系）中，磅秤称出来的结果是“正确”的。因为这时重力加速度是取了98（单位我就不写了哈~~麻烦~^-^）的。要是到了月球上，称出来的就不是“正确”的了，因为磅秤把重力加速度还看作是98，而事实上月球上的重力加速度比这小多了。

3d簧秤：主要是胡克定理：F=kx。d簧的长度与所受外力成正比。这个比值就是d簧的倔强系数k。

4电子秤：秤重物品经由装在机构上的重量传感器，将重力转换为电压或电流的模拟讯号，经放大及滤波处理后由A/D处理器转换为数字讯号，数字讯号由中央处理器(CPU)运算处理，而周边所须要的功能及各种接口电路也和CPU连接应用，最后由显示屏幕以数字方式显示。

5钢弦式钢筋测力计：工作原理是源于一根张紧的钢弦振动的谐振频率与钢弦的应变或者张力成正比，这种基本关系可以用来测量多种物理量如应变、荷载、力、压力、温度和倾斜等。振弦传感器较一般传感器的优点就在于传感器的输出是频率而不是电压。频率可以通过长电缆（>2000米）传输，不会因为导线电阻的变化、浸水、温度波动、接触电阻或绝缘改变等而引起信号的明显衰减。除此之外，再加上基康独特工艺的设计和制造，基康的振弦式传感器均具有极好的长期稳定性，特别适于在恶劣环境中的长期监测。

6土压力盒：土体是由微小颗粒组成的，土体内部存在大量孔隙，使其具备了土体中存在微裂隙的两个基本条件。同时也符合断裂力学认为材料中本来就存在微裂隙的假设。在一定的受力条件下，土粒之间的结构联系沿薄弱环节逐渐破损，微裂隙逐步发展成为宏观的裂缝，最终导致土体的断裂破坏。根据断裂力学理论，物体的断裂破坏可分为三种基本受力方式：张开型裂缝(Ⅰ型)即正应力和裂缝面垂直；滑开型裂缝(Ⅱ型)在构件表面或试样受剪切的情况下，若剪应力与裂缝表面平行但其作用方向与裂缝方面垂直，使裂缝的上下面相对滑移而扩展；撕开型裂缝(Ⅲ型)，剪应力和裂缝表面平行，在剪应力作用下裂缝的上下两个平面撕裂而扩展。

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