ISSN 1003-8035 CN 11-2852/P
  • 中国科技核心期刊
  • CSCD收录期刊
  • Caj-cd规范获奖期刊
  • Scopus 收录期刊
  • DOAJ 收录期刊
  • GeoRef收录期刊
欢迎扫码关注“i环境微平台”

“空天地”一体化技术在采空区形变监测中的应用

贾会会, 薛建志, 郭利召, 宋江涛, 张雨丛

贾会会,薛建志,郭利召,等. “空天地”一体化技术在采空区形变监测中的应用[J]. 中国地质灾害与防治学报,2023,34(3): 69-82. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202202015
引用本文: 贾会会,薛建志,郭利召,等. “空天地”一体化技术在采空区形变监测中的应用[J]. 中国地质灾害与防治学报,2023,34(3): 69-82. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202202015
JIA Huihui,XUE Jianzhi,GUO Lizhao,et al. Application of combined space, arial and ground based multiple technologies in deformation monitoring of mining areas[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2023,34(3): 69-82. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202202015
Citation: JIA Huihui,XUE Jianzhi,GUO Lizhao,et al. Application of combined space, arial and ground based multiple technologies in deformation monitoring of mining areas[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2023,34(3): 69-82. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202202015

“空天地”一体化技术在采空区形变监测中的应用

详细信息
    作者简介:

    贾会会(1983-),男,河北承德人,硕士研究生,高级工程师,主要从事水文地质、工程地质、环境地质相关工作。E-mail:280738145@qq.com

    通讯作者:

    薛建志(1990-),男,河北保定人,本科,工程师,主要从事水文地质、工程地质、环境地质相关工作。E-mail: 824789223@qq.com

  • 中图分类号: P642.26

Application of combined space, arial and ground based multiple technologies in deformation monitoring of mining areas

  • 摘要: 河北滦平县张百湾镇周台子村由于多年矿山开采遗留下大量的采空区,部分采空区未做任何处理存在塌陷隐患,严重制约当地的经济发展和社会稳定。对该地区采空区形变调查和实地监测十分有必要。文中综合应用合成孔径雷达干涉测量技术、无人机摄影测量技术、三维激光扫描技术对采空区的空间分布进行划分确定和形变监测。首先应用小基线集技术对采空区进行地表形变解算。然后应用无人机数据构建研究区的三维模型,并通过多期无人机航飞数据,计算2次航飞间地表变化,佐证InSAR技术的结果。最后应用三维激光扫描技术,对部分重点区域进行三维激光扫描,建立采空区精细化模型。研究结果表明,三种技术的联合监测结果表现出高度的一致性,其中InSAR技术探测出研究区最大形变速率−25 mm/a,结合2期无人机正射模型DEM与三维激光扫描数据差分结果确定出采空区17处的高风险区域,部分区域对居民区和道路有影响。基于“空天地”一体化技术具有较高的可靠性,可应用于矿区采空区形变调查和地面沉降监测。
    Abstract: There are a large number of iron mine gobs due to many years of mining in Zhoutaizi Village, Zhangbaiwan Town, Luanping County. And some gobs have potential safety hazards of collapse, which seriously restrict the local economic development and social stability. So it is necessary to strengthen deformation investigation and field monitoring of existing gobs in this area. In this paper, the spatial distribution of gobs in the study area is determined and deformation of gobs is monitored by using Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), UAV photogrammetry and 3D laser scanning technology. Firstly, Small Baseline Subset InSAR (SBAS-InSAR) technology is used to retrieve the surface deformation of gobs. Then, a three-dimensional model of the study area is constructed by using UAV data, and the ground surface changes between two flights are calculated by using multi-period UAV flight data to support the results of InSAR technology. Finally, 3D laser scanning technology is applied to some areas, and the fine model of gobs is established. The results show that the joint monitoring results of the three technologies show a high consistency, the maximum deformation rate (−25 mm/a) of the study area are detected by InSAR method. Combined with the difference results of the DEM and 3D laser scanning data of the two periods of UAV, 17 high-risk areas of gobs are identified. The high-risk areas are distributed in various mining areas, and some areas have an impact on residential areas and roads. The based on Space, Sky and Ground multi-technology indicating that this method has high reliability and can be well applied to deformation investigation of goaf in mining area and the surface deformation monitoring during inadequate mining.
  • 岩溶塌陷是指岩溶洞隙上的岩、土体在自然或人为因素作用下发生变形,并在地面形成塌陷坑(洞)的一种岩溶动力地质作用与现象[1]。岩溶塌陷形成需要具备岩溶空间、一定厚度的盖层和触发因素三个基本条件[2]。已有研究发现岩溶塌陷具有集中分布趋势[3-4],如南宁市坛洛镇[5]、广州市夏茅、金沙洲和大坦沙[6]等均出现岩溶塌陷群迹象,因此,岩溶塌陷地质灾害除了具有突发性、隐蔽性等特点[7]外还具有群发性,也就是说岩溶塌陷地质灾害一般不会因为发生了就结束了,它将在未来某个时间还会再次发生,常常表现出周期性和重复产生的规律[1],其发生的时间主要与诱发因素作用强度有关,针对岩溶塌陷这一特点需高度重视。

    近年来人为诱发的岩溶塌陷群受到大家关注较多[5-10],而自然诱发的岩溶塌陷群相关研究报道较少,比较著名的是广西玉林分界塌陷群和四川兴文小岩湾塌陷[1]。人为诱发的岩溶塌陷群预防相对较为简单且效果显著,只要控制好或切断人为诱发因素就能达到防止岩溶塌陷再次发生,实现主动防灾的目的。而自然诱发的岩溶塌陷群预防较为复杂,需查明其诱发因素并加以针对监测和精准预警方可避免受害,属于被动防灾,防灾难度大且效果难以保证,因此,自然诱发的岩溶塌陷群一旦发灾其破坏和影响程度要比人为诱发的岩溶塌陷群大得多,对此类成因的岩溶塌陷群更要加以关注。

    本文依托“广东省城镇典型岩溶地面塌陷防治研究”项目,以佛山市高明区富湾镇李家村自然诱发的岩溶塌陷群作为研究对象,通过系统收集区域地质、构造、工程、水文、环境、气象、历史灾害等资料,结合钻探揭露结果,查明区域内地质环境条件和岩溶发育特征,分析形成过程,最后探讨其成因机理。为该地区岩溶塌陷的科学防灾减灾提供地质理论依据,从而保障当地人民群众生命财产安全和社会经济建设安全持续高质量发展。

    研究区位于广东省中部佛山市高明区荷城街道办富湾镇南侧约600 m处,包括关家村、陈家村、李家村开田和余家村所在区域,面积约0.25 km2;地貌类型为珠江三角洲冲积平原区,属南亚热带季风型气候,日照充足,雨量充沛,多年平均气温为21.9 ℃,多年平均降雨量为1674.9 mm,其中4—9月为雨季,降雨量约占全年的80%。地表水系较发育,有鱼塘、小河流等,东侧距离西江最近约800 m。地表植被发育,长有高大树木。区内主要有四个村庄,未见有抽排地下水现象和其他人类工程活动。

    研究区为第四系所覆盖,第四系地层有第四系残坡积层(Qedl)、海陆交互相沉积层(Qmc)和人工填土(Qml),下伏基岩地层为早侏罗世金鸡组(J1j)基岩,各地层的岩性简要描述见表1图1。其中,第四系残坡积层(Qedl)为区内土洞发育的主要层位,早侏罗世金鸡组(J1j)岩层为区内溶洞发育层位。

    表  1  研究区主要地层岩性表
    Table  1.  Lithology table of main strata in the study area
    地质年代地层单位及代号岩性概述
    第四系人工填土(Qml以素填土为主,主要由粉质黏土和黏性土组成,含碎石和块石、砖块等。
    海陆交互相沉积层(Qmc岩性主要为粉质黏土、淤泥、淤泥质土、粉细砂、粗砂、砂砾、砾石。
    残坡积层(Qedl岩性主要由粉质黏土、粉土、粉砂、中砂和风化岩砾石、碎块组成。
    侏罗系金鸡组(J1j岩性以砾状灰岩为主,局部为砂页岩,砾状灰岩碎块角砾结构及致密胶结状重结晶结构;碎块角砾成分以灰岩角砾为主,其次为少部分的内碎屑及变质砂岩角砾。岩石的胶结物及填隙物成分主要由细碎屑及方解石组成,且以方解石数量居多;细碎屑主要为灰岩、砂岩细碎物以及少量的生物碎屑及鲕粒内碎屑;重结晶方解石呈填充状分布于碎块角砾间,方解石成分较纯。
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格
    图  1  李家村岩溶塌陷群所在区域地质与岩溶发育分布图
    Figure  1.  Regional geology and karst development distribution map of Lijia Village karst collapse group

    研究区位于北西向西江断裂组(f2)和北东向大尧山断裂组(f1)交汇处附近。区内至少存在三组次级隐伏断裂(编号:f1~f3)交汇(图1),其主要特征见表2。由表2可知,断裂作用导致岩石破碎、节理裂隙发育,对区内岩溶发育起到控制作用;此外,北东向断裂(f1)与西江断裂(f2)交汇为区内地下水形成强径流和频繁交换提供导水通道,对区内岩溶发育起到加速作用,在f1断裂沿线曾发生过3处岩溶塌陷。

    研究区覆盖层厚度16.70~68.50 m[11],土体类型属多层土体,岩石类型属碎屑岩类综合岩性组。根据沉积年代、成因、岩性和物理力学性质差异,将其自上而下共划分出17个工程地质层,其中,(1)、(2)-1~(2)-11和(3)为土层,(4)-1~(4)-4为基岩,各工程地质层特征见表3

    表  3  研究区岩土体特征表
    Table  3.  Characteristics of rock and soil mass in the study area
    层号地层代号揭露厚度/m土体特征概述备注
    (1)Qml0.50~7.20填土:广泛分布,由黏性土为主,含砂粒,局部见少量碎石、瓦片、砖块,已压实。
    (2)-1Qmc1.50~7.80粉质黏土:广泛分布,含少量砂粒,黏性一般-较强,可塑。隔水层
    (2)-20.50~9.80淤泥质土:透镜状分布,含有机腐殖质、腐叶,局部夹淤泥质粉土、粉砂薄层,流塑。相对隔水层
    (2)-31.40~5.30粉质黏土:较广泛分布,含粉细砂,局部含腐殖质,局部夹淤泥质土,稍密-中密,很湿,可塑。隔水层
    (2)-41.70~10.80粉细砂:广泛分布,局部含较多黏粒,局部夹粉土、淤泥质土透镜体,松散-稍密,局部中密,饱和。透水层
    (2)-51.90~14.80粉质黏土:较广泛分布,土质较杂,局部过渡有粉土、粉砂,局部夹淤泥质土薄层,黏性一般,软塑-
    可塑。
    隔水层
    (2)-60.40~14.40淤泥质土:较广泛分布,含少量腐殖质及粉砂,局部过渡为淤泥,局部夹粉土、粉质黏土,流塑。相对隔水层
    (2)-71.20~13.30粉细砂:广泛分布,含少量泥质,局部夹中砂,稍密-中密,局部松散或密实,饱和。透水层
    (2)-80.90~26.60粉质黏土:广泛分布,含少量粉砂,黏性一般较强,可塑,局部硬塑,该层揭露到2个土洞,占总揭露土洞的11%。隔水层、
    土洞发育层
    (2)-91.50~6.50淤泥质土:局部分布,含有机腐殖质,局部夹薄层粉砂,流塑。相对隔水层
    (2)-101.60~18.90粉细砂:局部分布,含少量黏粒,局部夹粉土,稍密-中密,饱和。透水层
    (2)-110.90~3.70粗砂、砾砂:透镜状分布,含较多泥质,以砾砂为主,局部过渡为粗砂、圆砾,密实,饱和。透水层
    (3)Qedl0.80~18.50残坡积土:广泛分布,以粉质黏土为主,含较多岩石风化的砂粒、角砾及碎石,可塑-硬塑状,中密-密实,饱和,该层揭露到16个土洞,占总揭露土洞的89%,是土洞发育的主要层。隔水层、
    土洞主要层
    (4)-1J1j1.50~9.17全风化砂岩、炭质页岩:局部分布,砂岩密实砂土状,水冲易散;炭质页岩呈坚硬土状,局部夹煤层。
    (4)-24.50强风化砂岩:零星分布,半岩半土状,岩质极软,岩芯易折断。
    (4)-31.40~2.80中风化砂岩:局部分布,岩芯短柱状,岩质较坚硬,局部见褐铁矿化现象。
    (4)-40.20~11.56微风化砾状灰岩:广泛部分,砾状结构,砾石主要为灰岩砾,岩芯短或长柱状,岩质较硬-坚硬,个别较软,该层钻孔见洞率31.08%。岩溶发育层
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    表3可知,研究区覆盖层表现的特征总体为纵向上呈隔水层与透水层交替分层(即“隔−透”交替分层)、平面上存在漏水“天窗”,其中,(2)-1、(2)-3、(2)-5、(2)-8、(2)-11和(3)等隔水层中粉质黏土、残坡积土等土体所含黏粒间黏聚力作用可为土洞洞壁形成提供框架支撑结构,而(2)-4、(2)-7、(2)-10等透水层渗透系数大(1.3×10−2~2.77×10−2cm/s)[11]可为土层内细小颗粒流失形成土洞空洞提供通道。由于隔水层中存在“天窗”上下透水层之间形成沙漏效应,土体中细小颗粒(如细砂、粉砂等)在地下水潜蚀作用下通过“天窗”、透水层和导水通道自下往上逐步流失而留下黏性物质最终形成土洞,并会逐步扩大由小土洞发展为大土洞。钻探揭露发现土洞全部发育在土层最底层隔水层(3)和次底层隔水层(2)-8中,分别为2个和16个,分别约占总揭露土洞数的11%和89%,也验证了上述结果。(2)-2、(2)-6和(2)-9等淤泥质土层起到一定隔水作用,由于其具有流塑特性无法为土洞洞壁形成提供支撑力,一旦土洞发展切穿该层底面容易引起较大范围垮塌甚至引发地面塌陷,因此该层内一般不会发育土洞。程星等[12]将珠三角洲盖层地质模型概化为阻−透−阻型和透−阻−透型,并指出地下水流易向“天窗”处汇集形成超水力坡降引发“流土”现象,总之,这种带“天窗”的“隔−透”交替型地质结构对土洞的形成和发展十分有利。

    此外,基岩砾状灰岩中胶结物方解石含量高且质纯,受构造作用岩石裂隙发育,加上断裂导水通道叠加作用,十分有利于地下水径流和交换,进而溶蚀和带走细小颗粒形成溶洞,并不断扩大和发展。

    表  2  研究区主要断裂特征表
    Table  2.  Characteristics of main faults in the study area
    断裂编号走向产状/(°)长度/km宽度/m断裂特征概述
    f1北东145∠453.52~10为大尧山断裂组之次级断裂,主要发育早侏罗世地层之中,构造岩以碎裂岩为主,局部为硅化岩和硅化砂岩,带内裂隙发育。
    f2北西10~25∠70~802.510~15同属西江断裂组之南蓬山断裂的次级断裂,主要发育于泥盆系、石炭系地层中,构造岩由构造角砾岩、硅化岩和碎裂岩组成;断裂早期活动以压扭性为主,晚期活动表现为张扭性,具有活动多期性。
    f3北西40∠502.510~25
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    研究区地下水类型主要有松散岩类孔隙水和覆盖型碳酸盐岩类裂隙溶洞水两种,其地下水特征见表4。由于研究区紧靠西江,处于地下水强迳流和强交换带上,地下水和地表水联系密切且含水层厚度大,雨季地下水排入西江,旱季西江补给地下水,迳流方向有水平向也有垂直向,为区内岩溶发育提供有利的动力条件,同时也会直接诱发岩溶塌陷。此外,区内溶洞水水位普遍比松散土层水位高[8],说明区内溶洞水具有承压性,反映出该区域断裂导水性较好,是区内岩溶发育另一有利水文条件。

    表  4  研究区地下水特征表
    Table  4.  Groundwater characteristics in the study area
    地下水类型地下水特征描述
    松散岩类孔隙水主要赋存于第四系海陆交互相沉积层和残破积层中,含水介质为(2)-4、(2)-7、(2)-10层砂砾石层和(3)层碎石土层,含水层厚度2.00~26.30 m;存在多个隔水层,上部为潜水、下部为微承压水;水位埋深1.00~3.80 m;富水性中等。
    覆盖型碳酸盐岩类裂隙溶洞水主要赋存于早侏罗世金鸡组(J1j)基岩裂隙和溶洞中,含水介质为(4)-4层微风化砾状灰岩,水位埋深1.30~1.60 m;富水性以中等为主,局部为丰富。
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    研究区内收集到74个钻孔资料,其中有18个钻孔揭露到土洞,钻孔见洞率约24%,所揭露的各土洞特征见表5图1。由图1可知,土洞发育与断裂走向基本一致且在断裂交汇带处集中。由表5可知,土洞洞顶土层厚度26.80~45.80 m,洞高0.70~9.53 m;约有48%的土洞呈半充填状态,约有39%的土洞呈充填状态,约有13%的土洞呈无充填状态;充填物质主要有流塑—软塑黏性土,含砂、砾石、碎石;部分土洞与土洞之间连通性较好,连结成大土洞。

    表  5  研究区土洞特征表
    Table  5.  Characteristics of soil caves in the study area
    孔号土洞分布埋深/m洞高/m洞顶板土层厚度/m充填情况洞顶板最下部土层所在层位
    土类厚度/m
    ZK933.00~37.504.5033.00半充填,洞底少量黏性土残坡积土1.20(3)
    ZK2226.80~36.339.5326.80洞底(0.33 m)充填少量黏性土残坡积土1.70(2)-8
    ZK22-132.20~10.309.1032.20残坡积土1.00(3)
    ZK2327.10~30.123.0227.10残坡积土3.60(3)
    ZK23-129.50~30.701.2029.50残坡积土1.10(3)
    ZK2635.10~39.204.1035.10充填砾夹泥残坡积土3.60(3)
    ZK4437.50~40.002.5037.50充填黏性土残坡积土11.40(3)
    ZK44-137.00~39.002.0037.00充填流塑状黏性土残坡积土10.00(3)
    ZK4845.80~16.500.7045.80残坡积土8.30(3)
    ZK4944.00~47.003.0044.00上部无充填、下部(1 m)充填黏性土残坡积土11.00(3)
    ZK55-145.00~47.502.5045.00半充填软塑状黏性土残坡积土5.50(3)
    ZK6032.00~35.303.3032.00上部无充填、底部(0.3 m)充填黏性土残坡积土3.00(3)
    ZK60-129.50~30.501.0029.50充填流塑状黏性土残坡积土1.50(3)
    ZK61-128.70~31.302.6028.70充填流塑状黏性土残坡积土4.10(3)
    ZK6228.00~31.703.7028.00充填流塑状黏性土,含碎石残坡积土1.50(3)
    ZK6626.20~28.302.1027.10充填流塑状黏性土,含中砂、碎石粉质黏土1.20(2)-8
    ZK6727.10~30.203.1027.10半充填流塑—可塑状黏性土粉质黏土3.50(3)
    CZK327.30~35.308.0027.30半充填软泥,含碎石残坡积土7.20(3)
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    所收集到的74个钻孔中有23个钻孔揭露到溶洞,钻孔见溶洞率约31%,所揭露的各溶洞特征见表6图1。由图1可知,溶洞与土洞发育分布基本一致,受断裂和古河道控制[10]。由表6可知,溶洞顶板埋深27.40~51.00 m,溶洞顶板砾状灰岩厚度0.20~6.20 m,溶洞以1~2层为主,个别达5层,单洞洞高0.30~11.00 m,单孔线岩溶率4.0%~89.0%;溶洞多呈充填或半充填状态,仅5个溶洞无充填物,充填溶洞占溶洞总数的63%,半充填溶洞占20%;充填物为流塑−软塑黏性土的溶洞占47%,充填物为砂、砾石的占37%。其中,充填及半充填溶洞分布于砾状灰岩的上部,埋藏浅,与古河道连通性好;而无充填的溶洞分布部位稍深,规模小。

    表  6  研究区溶洞特征表
    Table  6.  Characteristics of karst caves in the study area
    孔号溶洞分布深度/m洞高/m洞顶板岩石厚度/m洞顶板土层厚度/m线岩溶率/%充填情况
    ZK1133.00~33.500.501.5029.006.3无充填
    ZK1938.40~48.019.612.4036.0076.9无充填
    ZK2033.10~33.500.401.2031.904.4无充填
    ZK2133.20~33.601.500.4033.2033.7充填褐黄色黏性土
    36.56~38.562.001.46充填褐黄色砂土,含碎岩屑
    ZK24-139.70~40.300.605.4034.306.0无充填
    ZK2536.10~36.900.802.9033.208.1充填褐黏性土,含较多砂
    ZK2641.30~42.000.702.1035.1025.0充填卵石夹泥,未到底
    ZK4135.00~35.200.200.2534.7589.0充填粗砂
    35.60~43.507.900.40充填碎块岩石及中粗砂
    ZK4232.40~38.005.605.0027.4051.9充填碎石、中粗砂
    ZK4327.80~28.100.300.5027.3045.4充填中砂
    28.60~29.000.400.50充填细砂
    29.20~29.600.400.20充填中砂
    29.90~32.903.000.30充填中砂
    33.10~33.400.300.20充填中砂
    ZK4443.90~46.652.753.9037.5039.6上部无充填,下部(1.1 m)充填软塑状黏性土
    ZK44-139.60~41.602.000.6037.0028.2充填流塑状黏性土
    ZK4535.10~38.002.901.5033.6027.9充填软塑状黏性土,含角砾、碎石
    ZK5834.80~37.302.501.7033.1042.6充填黄色粉质黏土
    38.80~40.601.801.50充填黄色粉质黏土
    ZK6036.80~37.400.601.5032.006.2充填黄色黏性土
    ZK6132.30~36.504.205.5026.8040.4上部无充填,下部(1.1 m)充填黏性土,含碎石、粗砂
    ZK61-132.30~36.304.001.0028.7070.2上部无充填,下部(1.3 m)充填流塑状黏性土
    ZK6241.90~43.601.701.7028.0013.8上部无充填,底部(0.5 m)充填流塑状黏性土
    ZK6330.10~40.9010.800.3029.8088.5充填流塑状黏性土,含碎石、角砾
    ZK6532.7~33.10.403.8028.904.0无充填
    ZK6632.60~34.001.404.3026.2022.6上部充填粗砂,含砾石
    下部充填可塑状黏性土
    ZK6734.80~44.609.804.6027.1066.2半充填黏性土,含粗砂、砾石
    ZK67-133.30~42.609.306.2027.1058.5上部无充填,下部(2.6 m)充填流塑状黏性土
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    研究区内曾发生过10处岩溶塌陷地质灾害[11],其特征见表7图1。由表7可知,2005年4月25日—5月14日期间在树林内、鱼塘边和河涌边陆续发生过4处(编号:TX1~TX4),10月8日在干鱼塘内发现1处(编号:TX5),10月25日在西安河(干鱼塘底)内发现3处(编号:TX6~TX8),之后2006年3月10日又在西安河(干鱼塘底)内发现2处(编号:TX9~TX10)。塌陷坑直径0.6~5 m,个别达22.5 m,深度0.8~7 m,形态以圆形−近圆形为主,个别为长条形,按照塌陷坑数量个数分类标准[13],可知李家村岩溶塌陷群规模属中型。

    表  7  研究区岩溶塌陷地质灾害特征表
    Table  7.  Geological hazard characteristics of karst collapse in the study area
    塌陷编号面积/m2形状规模/m深度/m位置发生发展情况灾害情况
    TX1528近圆形长22.5,宽227李家村开田始发时间为2005年4月25日,
    盛发时间为2005年4月26日至
    2005年5月8日;2006年3月10日
    干鱼塘时发现
    毁树约10棵,直接威胁人员7户
    26人,间接威胁86户386人。
    经济损失超500万
    TX 219.6圆形直径54西安河
    TX 39.6圆形直径4.67李家村开田
    TX 4200近圆形长18,宽157李家村开田
    TX 510.7圆形直径3.70.8鱼塘底
    TX 660.0近圆形长10,宽6.03.5西安河
    TX 719.6圆形直径5.03.2
    TX 812.6圆形直径4.03.0
    TX 9长条形宽0.7~0.81.0
    TX 10长条形宽0.6~0.81.0
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    根据李家村岩溶塌陷群所记录的发灾经过[11](编号为TX1~TX4),结合塌陷发生先后位置的地形地貌、岩土体结构、岩溶发育和降雨情况等特点,将其发生过程划分为三个阶段:前期水渗气压阶段→中期软化塌陷阶段→后期振动群塌阶段,致塌模式属渗压−重力−软化型(图2)。各阶段特点简述如下:

    图  2  李家村岩溶塌陷群的发生过程示意图
    Figure  2.  Schematic diagram of occurrence process of Lijia Village karst collapse group

    (1)前期水渗气压阶段

    因该区域长期受干旱少雨所影响,地下水位处于低位,在大暴雨作用时,雨水除一部分地表迳流流失外另一部分通过土体孔隙渗入土中,尤其是通过植物根系(如茂密树林)入渗至更深部,此时形成土层上部入渗水峰面,与地下水位面构成一个封闭区域,将土体孔隙中填充的气体包围其中,并随着入渗水峰面下降与地下水位面上升,包围在其中的气体体积被压缩产生反作用力,作用于土洞顶部土体中,并随着两个面的靠近被压缩气体的反作用力亦逐渐变大。

    (2)中期软化塌陷阶段

    雨水入渗水峰面的下降和地下水位面的上升所经过的区域土体发生软化,同时土洞上覆土体由非饱和状态变为饱和状态从而导致其上覆土体重力增加,入渗水峰面与地下水位面之间形成的气压冲击作用[14-18]、上覆土体饱和后增加荷载作用和土体软化作用共同导致土洞顶部土体发生垮塌,形成塌陷(TX1)。

    (3)后期振动群塌阶段

    TX1岩溶塌陷发生后,瞬间导致大量上部土体和地表水充填原有土洞空间并涌入溶洞内,有部分通过岩溶管道运移到其他地方,水土瞬间的垮塌产生强烈的岩土体振动作用和水体波动作用,通过“岩−土−水”媒介向四周传递,破坏四周区域岩土体的原有结构性能,改变原有“岩−土−水−气”系统的力学平衡极限,直接引发岩溶塌陷(TX2),或导致岩土体中抗垮塌力学平衡极限降低,并在其他外界因素(如降雨)的再次作用下,间接诱发岩溶塌陷(TX3),如此继续影响作用,不断四周外围扩展直接或间接引发塌陷(TX4~TX10),最终形成了塌陷群。

    通过对研究区地质环境条件及岩溶塌陷形成的演化过程综合分析,认为李家村岩溶塌陷群的致塌因素包括特殊的“岩−土−水−气”组合、断裂构造、植物根系和极端天气等。

    (1)基岩:可溶岩基岩为早侏罗世金鸡组(J1j)砾状灰岩,砾石成分以灰岩为主,约占砾石的50%,钙质胶结,滴酸强烈起泡,CaCO3含量大于95%[11],属纯度较高的碳酸盐岩,极易溶蚀,为溶土洞发育和岩溶塌陷群的发生奠定了物质基底。

    (2)土体:第四系海陆交互相沉积层(Qmc)广泛发育着这种带“天窗”的“隔−透”交替型地质结构,十分有利于地下水的跃层交换潜蚀和细小颗粒的运移流失,为土洞发育和地下水强迳流潜蚀作用创造了条件。第四系底部由砾状灰岩风化而成的残坡积层(Qedl)物质组成主要有残积黏性土并含灰岩碎石,具有一定的黏结力和透水性,十分有利于地下水潜蚀作用发育土洞,为区内孕育土洞的主要地质体[10]

    (3)水体:地表水(鱼塘、小河流、西江等)资源丰富,加之地下水位埋深浅,导致地下水与地表水水力联系密切;其次,第四系海陆交互相沉积层(Qmc)中透水砂层较厚,地下水可通过砂层迳流至西江,同时当西江水位上升时亦可接受西江水的渗流,常年反复作用形成地下水的强交换带;再者,地下水富水性中等−丰富且具有承压性,有利于可溶岩的溶蚀作用。总之,地下水丰富及其强迳流和强交换作用为溶土洞的形成和发展提供了有利的动力条件。

    (4)气体:由表3可知上部土层以松散−稍密为主,土颗粒间存在较大空隙,充填着较多气体,一旦雨水入渗密封顶板后,土间气体将起到压力传递介质间接诱发岩溶塌陷作用。

    区内多期次断裂构造作用一方面导致岩石破碎增加可溶岩石被溶蚀表面积和加速其风化速度,另一方面大尧山断裂组次级断裂(f1)与西江断裂(f2)的交汇沟通了地表水(西江)和地下水的联系,为区内形成地下水强迳流和强交换带提供了前提,从而控制着岩溶的发育。

    高大树木根系可延伸进土中深处,从塌坑内观察可见较多树根延伸超过1.5 m,加上区内地下水位埋深浅(1.05~3.08 m),因此,植物根系作用可构成地下水与地表水的有利迳流通道。

    李家村岩溶塌陷群是在一场大暴雨后开始暴发的,当日降雨量高达151.20 mm。由图3可知,在岩溶塌陷群发生前两年(即2003年和2004年)年降雨量均小于1000 mm,日降雨量0~40 mm,平均日降雨量约10 mm,最大日降雨量约60 mm,两年间多达200 d为无雨日,导致该区域地下水水位持续下降,直至2005年4月25日发生塌陷前地下水位接近近年来历史最低位(埋深约7.50 m),出现大暴雨后,在“岩−土−水−气”等综合作用下产生较大的气压差从而诱发了岩溶塌陷。

    图  3  研究区2002—2019年年降雨量分布图
    Figure  3.  Annual rainfall distribution chart of the study area from 2002 to 2019

    综上所述,李家村岩溶塌陷群是在特殊的“岩−土−水−气”组合地质环境条件下,由强降雨作用诱发导致土洞垮塌引发一连串自然塌陷所形成的。

    (1)李家村岩溶塌陷群的发生过程包括前期水渗气压、中期软化塌陷、后期振动群塌等三个阶段,其致塌模式为渗压−重力−软化型。

    (2)李家村岩溶塌陷群是由强降雨诱发导致土洞垮塌引发一连串自然塌陷所形成的,其致塌因素主要包括特殊的“岩−土−水−气”组合、断裂构造、植物根系和极端天气等。基岩方解石含量高易溶蚀、带“天窗”的“隔−透”交替型地质结构、地下水的强迳流与频繁交换潜蚀作用和土体饱气的特殊“岩−土−水−气”组合为土洞和溶洞形成和发展起到决定性作用,北东向和北西向断裂交叉叠加作用对岩溶发育起到控制作用,植物根系增加地表水和地下水连通性,强降雨极端天气作用是主要诱因。

    致谢:本文初稿完成后由本单位刘建雄教授级高级工程师进行审查,并给出了宝贵的修改意见,在此表示感谢!另外,感谢广东省城镇典型岩溶地面塌陷防治研究项目组全体成员,为本文的完成提供了重要帮助。

  • 图  1   实验区基本概况

    Figure  1.   Basic overview of the experimental area

    图  2   研究区全区正射影像图及细节展示

    Figure  2.   Orthophoto map and detail display of the whole study area

    图  3   技术路线图

    Figure  3.   Technical roadmap

    图  4   SBAS技术流程

    Figure  4.   SBAS technical process

    图  5   无人机三维建模流程图

    Figure  5.   Flow chart of UAV 3D modeling

    图  6   三维激光扫描建模流程图

    Figure  6.   Flow chart of 3D laser scanning modeling

    图  7   研究区风险区确定流程图

    Figure  7.   The risk area of study area determination flowchart.

    图  8   InSAR地表形变图

    Figure  8.   InSAR surface deformation map

    图  9   无人机DTM差分地表形变图及实景模型(区块三)

    Figure  9.   UAV DTM differential surface deformation diagram and real scene model in block 3

    图  10   LiDAR三维模型及DTM

    Figure  10.   LiDAR 3D model and DTM

    图  11   LiDAR与二期无人机差分图

    Figure  11.   Difference diagram between LiDAR and phase II UAV

    图  12   InSAR、无人机多角度对比综合分析图

    Figure  12.   Multi angle comparison and comprehensive analysis of InSAR and UAV

    图  13   区块1多结果叠合高风险采空区区域图

    Figure  13.   Regional map of high-risk goaf with multi result superposition in block 1

    图  14   区块2多结果叠合高风险采空区区域图

    Figure  14.   Regional map of high-risk goaf with multi result superposition in block 2

    图  15   区块3多结果叠合高风险采空区区域图

    Figure  15.   Regional map of high-risk goaf with multi result superposition in block 3

    图  16   区块8多结果叠合高风险采空区区域图

    Figure  16.   Regional map of high-risk goaf with multi result superposition in block 8

    表  1   研究区Sentinel-1数据

    Table  1   Sentinel-1 data in the research area

    Sentinel-1A升轨影像数据集
    编号 成像日期 垂直基线/m 时间基线/d 多普勒频差/Hz 高程模糊度/m
    0 2018-11-06 0.00 0 0.00 0.00
    1 2018-12-12 57.96 36 −4.61 262.75
    2 2019-01-05 −8.46 60 7.27 1 799.97
    3 2019-02-10 95.92 96 3.33 158.75
    4 2019-03-06 113.21 120 5.57 134.52
    5 2019-04-11 125.46 156 −3.34 121.38
    6 2019-11-01 128.02 360 −5.10 118.96
    7 2019-12-07 74.24 396 −3.10 205.13
    8 2020-01-12 61.75 432 0.86 246.60
    9 2020-02-05 62.86 456 0.54 242.27
    10 2020-03-12 141.33 492 2.36 107.75
    11 2020-04-05 97.92 516 3.22 155.52
    Sentinel-1A降轨影像数据集
    编号 成像日期 垂直基线/m 时间基线/d 多普勒频差/Hz 高程模糊度/m
    0 2018-11-05 0.00 0 0.00 0.00
    1 2018-12-11 32.79 36 1.49 518.88
    2 2019-01-04 −30.31 60 3.69 561.38
    3 2019-02-09 17.13 96 1.14 993.06
    4 2019-03-05 −39.30 120 −7.84 432.96
    5 2019-04-10 61.11 156 −14.1 278.41
    6 2019-11-12 −31.83 372 −2.95 534.49
    7 2019-12-06 47.26 396 4.70 360.03
    8 2020-01-11 −58.43 432 −3.82 291.19
    9 2020-02-04 −9.43 456 1.16 1 805.11
    10 2020-03-11 −5.50 492 −7.30 3 095.02
    下载: 导出CSV
  • [1] 孙健. 基于二等水准测量的矿区沉降监测研究分析[J]. 北京测绘,2019,33(8):979 − 981. [SUN Jian. Research and analysis of mining area settlement monitoring based on second-class measurement[J]. Beijing Surveying and Mapping,2019,33(8):979 − 981. (in Chinese with English abstract)

    SUN Jian. Research and analysis of mining area settlement monitoring based on second-class measurement[J]. Beijing Surveying and Mapping, 2019, 33(8): 979-981. (in Chinese with English abstract)

    [2] 范发龙. 变形监测技术在矿井采空区沉降观测中的应用研究[J]. 山东煤炭科技,2019(6):175 − 176. [FAN Falong. Application of deformation monitoring technology in mine goaf settlement observation[J]. Shandong Coal Science and Technology,2019(6):175 − 176. (in Chinese with English abstract)

    FAN Falong. Application of deformation monitoring technology in mine goaf settlement observation[J]. Shandong Coal Science and Technology, 2019(6): 175-176. (in Chinese with English abstract)

    [3] 唐凯. 基于单机站CORS的矿区开采沉陷监测研究[J]. 测绘与空间地理信息,2017,40(11):162 − 164. [TANG Kai. Research on mining subsidence monitoring based on CORS single station[J]. Geomatics & Spatial Information Technology,2017,40(11):162 − 164. (in Chinese)

    TANG Kai. Research on mining subsidence monitoring based on CORS single station[J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2017, 40(11): 162-164. (in Chinese)

    [4] 李丽,杨金中,陈栋,等. 长江经济带江苏段废弃露天矿山分布与生态修复遥感调查研究[J]. 水文地质工程地质,2022,49(1):183 − 190. [LI Li,YANG Jinzhong,CHEN Dong,et al. Remote sensing investigation on the distribution and ecological restoration of abandoned open-pit mines in Jiangsu section of Yangtze River Economic Belt[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2022,49(1):183 − 190. (in Chinese)

    LI Li, YANG Jinzhong, CHEN Dong, et al. Remote sensing investigation on the distribution and ecological restoration of abandoned open-pit mines in Jiangsu section of Yangtze River Economic Belt[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2022, 49(1): 183-190. (in Chinese)

    [5] 刘童谣,胡海峰,廉旭刚,等. 时间相邻-四轨法的D-InSAR矿区沉陷监测研究[J]. 测绘科学,2020,45(2):121 − 127. [LIU Tongyao,HU Haifeng,LIAN Xugang,et al. Research on mining area subsidence monitoring by time-adjacent four-pass D-InSAR technology[J]. Science of Surveying and Mapping,2020,45(2):121 − 127. (in Chinese with English abstract)

    LIU Tongyao, HU Haifeng, LIAN Xugang, et al. Research on mining area subsidence monitoring by time-adjacent four-pass D-InSAR technology[J]. Science of Surveying and Mapping, 2020, 45(2): 121-127. (in Chinese with English abstract)

    [6] 朱建军,杨泽发,李志伟. InSAR矿区地表三维形变监测与预计研究进展[J]. 测绘学报,2019,48(2):135 − 144. [ZHU Jianjun,YANG Zefa,LI Zhiwei. Recent progress in retrieving and predicting mining-induced 3D displace-ments using InSAR[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2019,48(2):135 − 144. (in Chinese with English abstract)

    ZHU Jianjun, YANG Zefa, LI Zhiwei. Recent progress in retrieving and predicting mining-induced 3D displace-ments using InSAR[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2019, 48(2): 135-144. (in Chinese with English abstract)

    [7] 胡晓,李新举. 基于无人机的高潜水位煤矿区沉陷耕地提取方法比较[J]. 煤炭学报,2019,44(11):3547 − 3555. [HU Xiao,LI Xinju. Comparison the extraction methods of subsided cultivated land in high- groundwater-level coal mines based on unmanned aerial vehicle[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(11):3547 − 3555. (in Chinese with English abstract)

    HU Xiao, LI Xinju. Comparison the extraction methods of subsided cultivated land in high- groundwater-level coal mines based on unmanned aerial vehicle[J]. Journal of China Coal Society, 2019, 44(11): 3547-3555. (in Chinese with English abstract)

    [8] 朱海斌,王妍,李亚梅. 基于无人机的露天矿区测绘研究[J]. 煤炭工程,2018,50(10):162 − 166. [ZHU Haibin,WANG Yan,LI Yamei. Surveying and mapping of open-pit mining area using unmanned aerial vehicle[J]. Coal Engineering,2018,50(10):162 − 166. (in Chinese with English abstract)

    ZHU Haibin, WANG Yan, LI Yamei. Surveying and mapping of open-pit mining area using unmanned aerial vehicle[J]. Coal Engineering, 2018, 50(10): 162-166. (in Chinese with English abstract)

    [9] 陈朋. 应用三维激光扫描同步监测矿区地表与建筑物形变的研究[D]. 徐州: 中国矿业大学

    CHEN Peng. Study on synchronous monitoring of ground surface and building deformation in mining area by three-dimensional laser scanning[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology. (in Chinese with English abstract)

    [10] 何荣,陆广. 基于三维激光扫描的矿区地表倾斜值提取方法研究[J]. 煤炭科学技术,2020,48(11):199 − 205. [HE Rong,LU Guang. Study on extraction method of surface deformation tilt based on 3D laser scanning[J]. Coal Science and Technology,2020,48(11):199 − 205. (in Chinese with English abstract)

    HE Rong, LU Guang. Study on extraction method of surface deformation tilt based on 3D laser scanning[J]. Coal Science and Technology, 2020, 48(11): 199-205. (in Chinese with English abstract)

    [11] 多晓松. 基于INSAR与TRT的某小区地下采空区分析[J]. 有色金属(矿山部分),2021,73(5):58 − 62. [DUO Xiaosong. Analysis of underground goaf in a small area based on InSAR and TRT[J]. Nonferrous Metals (Mining Section),2021,73(5):58 − 62. (in Chinese with English abstract)

    DUO Xiaosong. Analysis of underground goaf in a small area based on InSAR and TRT[J]. Nonferrous Metals (Mining Section), 2021, 73(5): 58-62. (in Chinese with English abstract)

    [12] 韩旭东,付杰,李严严,等. 舟曲江顶崖滑坡的早期判识及风险评估研究[J]. 水文地质工程地质,2021,48(6):180 − 186. [HAN Xudong,FU Jie,LI Yanyan,et al. A study of the early identification and risk assessment of the Jiangdingya landslide in Zhouqu County[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2021,48(6):180 − 186. (in Chinese with English abstract)

    HAN Xudong, FU Jie, LI Yanyan, et al. A study of the early identification and risk assessment of the Jiangdingya landslide in Zhouqu County[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2021, 48(6): 180-186. (in Chinese with English abstract)

    [13]

    YAGÜE-MARTÍNEZ N,PRATS-IRAOLA P,RODRÍGUEZ GONZÁLEZ F,et al. Interferometric processing of sentinel-1 TOPS data[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2016,54(4):2220 − 2234. DOI: 10.1109/TGRS.2015.2497902

    [14] 张晓波, 刘凯, 蒋鹏, 等. 基于约束条件的深圳市南山区地下空间开发地质适宜性评价[J/OL]. 水文地质工程地质: 1 − 12[2023-05-23]

    ZHANG Xiaobo, LIU Kai, JIANG Peng, et al. Geological suitability evaluation of underground space development in Nanshan District of Shenzhen City based on constraint conditions[J/OL]. Hydrogeology and engineering geology: 1 − 12[2023-05-23] (in Chinese with English abstract)

    [15] 叶俊能,尹铁锋,杜培贞. 基于压差传感技术的坑底隆起监测方法及应用[J]. 水文地质工程地质,2017,44(6):96 − 101. [YE Junneng,YIN Tiefeng,DU Peizhen. Monitoring method of bottom heave based on pressure difference sensing technique and its application[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2017,44(6):96 − 101. (in Chinese with English abstract)

    YE Junneng, YIN Tiefeng, DU Peizhen. Monitoring method of bottom heave based on pressure difference sensing technique and its application[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2017, 44(6): 96-101. (in Chinese with English abstract)

    [16] 张凯翔. 基于“3S”技术的地质灾害监测预警系统在我国应用现状[J]. 中国地质灾害与防治学报,2020,31(6):1 − 11. [ZHANG Kaixiang. Review on geological disaster monitoring and early warning system based on “3S” technology in China[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2020,31(6):1 − 11. (in Chinese with English abstract)

    ZHANG Kaixiang. Review on geological disaster monitoring and early warning system based on “3S” technology in China[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2020, 31(6): 1-11. (in Chinese with English abstract)

    [17] 宋京雷,郝社锋,岳翎,等. 采矿引起的将军崖岩画区倾倒变形机理及治理措施分析[J]. 中国地质灾害与防治学报,2017,28(4):40 − 46. [SONG Jinglei,HAO Shefeng,YUE Ling,et al. Deformation mechanism and treatment measures of the mining-induced toppling deformation in rock painting area in Jiangjun cliff[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2017,28(4):40 − 46. (in Chinese with English abstract)

    SONG Jinglei, HAO Shefeng, YUE Ling, et al. Deformation mechanism and treatment measures of the mining-induced toppling deformation in rock painting area in Jiangjun cliff[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2017, 28(4): 40-46. (in Chinese with English abstract)

    [18] 芦彦霖,张森,汲姣. 低空无人机倾斜摄影测量测图精度实证[J]. 吉林大学学报(地球科学版),2021,51(6):1921 − 1931. [LU Yanlin,ZHANG Sen,JI Jiao. Real evidence of mapping accuracy of low-altitude UAV tilt photogrammetry[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2021,51(6):1921 − 1931. (in Chinese with English abstract)

    LU Yanlin, ZHANG Sen, JI Jiao. Real evidence of mapping accuracy of low-altitude UAV tilt photogrammetry[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2021, 51(6): 1921-1931. (in Chinese with English abstract)

    [19] 吴志春,郭福生,林子瑜,等. 三维地质建模中的多源数据融合技术与方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版),2016,46(6):1895 − 1913. [WU Zhichun,GUO Fusheng,LIN Ziyu,et al. Technology and method of multi-data merging in 3D geological modeling[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2016,46(6):1895 − 1913. (in Chinese with English abstract)

    WU Zhichun, GUO Fusheng, LIN Ziyu, et al. Technology and method of multi-data merging in 3D geological modeling[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2016, 46(6): 1895-1913. (in Chinese with English abstract)

  • 期刊类型引用(7)

    1. 刘恒. 不同降雨强度下多台阶黄土边坡稳定性可靠度分析. 北京建筑大学学报. 2024(04): 73-81 . 百度学术
    2. 邹浩,何霏,白俊龙. 黄冈地区降雨型滑坡影响因素及与降雨量的关系. 长江科学院院报. 2023(02): 124-130 . 百度学术
    3. 陈忠源,戴自航,简文彬. 基于因子权重反分析的新近失稳土质边坡稳定性评价云模型. 中国地质灾害与防治学报. 2023(04): 125-133 . 本站查看
    4. 贲琰棋,易武,李华兵,黄晓虎,刘伟,肖宇煌. 基于“阶跃”变形特征的降雨型滑坡预警判据探讨. 中国地质灾害与防治学报. 2023(04): 30-38 . 本站查看
    5. 马明康,缪海宾,王丹. 基于安全监测与预警系统的边坡稳定性研究. 煤矿机械. 2022(05): 29-32 . 百度学术
    6. 刘坤,韩长玉,郝艺丹,李冯,王玉涛,李玉真. 基于降雨入渗的非饱和土边坡稳定性影响因素分析. 水电能源科学. 2022(10): 183-186 . 百度学术
    7. 栗倩倩,王伟,黄亮,柴波,高乐. 台风暴雨型滑坡滞后效应分析——以浙江青田县“利奇马”台风为例. 中国地质灾害与防治学报. 2022(06): 10-19 . 本站查看

    其他类型引用(4)

图(16)  /  表(1)
计量
  • 文章访问数:  3514
  • HTML全文浏览量:  2352
  • PDF下载量:  488
  • 被引次数: 11
出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-14
  • 修回日期:  2022-04-25
  • 录用日期:  2022-05-29
  • 网络出版日期:  2022-12-27
  • 刊出日期:  2023-06-24

目录

/

返回文章
返回