广州金沙洲岩溶地面塌陷灾害预警预报研究

摘要/Abstract

摘要：

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。

关键词: 岩溶塌陷, 地质灾害, 临界日, 地下水位, 地面沉降, 定量预警预报

Abstract:

Influenced by the pumping of groundwater in Jinshazhou tunnel of Wuhan to Guangzhou High-speed Railway, some large-scale karst collapses and ground subsidences had happened in Jinshazhou of Guangzhou during July 2007 to May 2012, causing serious damages on the economy. For preventing geological disasters, this study used methods such as general geological survey,groundwater monitoring, ground subsidence monitoring, drilling survey, physical detection to build a perfect groundwater and subsidence monitoring system. Based on that, according to the geological environment condition, the situation of karst development and distribution characteristics of geological disasters, the susceptibility of karst collapse of Jinshazhou was zoned.The variable quantity of underground water level and monitoring data of land subsidence which were the most directly sensitive and important parameters were utilized to study on how to select forecast parameters and time scales, to calculate discriminating parameters, to build forecasting method and forecasting model system. Combined with the 3D geological structure model, the comprehensive variable quantity of underground water level and the comprehensive land subsidence on critical day were selected as the discriminating parameter for predicting karst collapse to establish a warning and forecasting model system.This system was success fully employed to forecast two of karst collapses and achieved good results.It is revealed that the system for warning and forecasting karst collapses is useful and efficient and can provide anti-disaster science suggestions for Jinshazhou and technical supports for the local social stability and economic development.

Key words: karst collapse, geological disaster, critical day, underground water level, land subsidence, quantitative warning and forecasting

中图分类号:

P66
X141

黄健民, 郑小战, 胡让全, 陈建新, 吕镁娜, 陈小月, 郭宇, 刁群. 广州金沙洲岩溶地面塌陷灾害预警预报研究[J]. 现代地质, 2017, 31(02): 421-432.

HUANG Jianmin, ZHENG Xiaozhan, HU Rangquan, CHEN Jianxin, LÜ Meina, CHEN Xiaoyue, GUO Yu, DIAO Qun. A Study of Warning and Forecasting of Karst Collapse Geological Disaster in Jinshazhou of Guangzhou[J]. Geoscience, 2017, 31(02): 421-432.

图/表 13

参考文献 19

[1]	BENSON Richard C. Assessment and long term monitoring of localized subsidence using ground penetrating radar[M]//BECK B F,WILSON W L.Proceedings of the 2nd Multidisciplinary Conference on Sinkholes and the Environmental Impacts of Karst. Orlando: A A Balkema Publishers, 1987:161-170.
[2]	ZHANG X F, HAO W J, ZHANG Q, et al. Development of optical fiber strain monitoring system based on BOTDR[M]//CUI J P, ZHANG Y,WU J.Proceedings of 10th International Conference on Electronic Measurement & Instruments. Washington: IEEE PRESS, 2011:38-41.
[3]	VARNUM Nick C. Geographical information systems to assess natural hazards in the east central Sierrs Nevada[J]. Journal of Imaging Technology, 1991, 17:57-61.
[4]	金爱善. 采用神经网络模型对天津滨海新区地面沉降预测的研究[J]. 现代地质, 2000, 14(4):475-478.
[5]	胡志瑞. 基于WebGIS的地质灾害预警预报系统研究[J]. 测绘与空间地理信息, 2012, 35(11):56-59.
[6]	冯克印, 郑庭明, 董强, 等. 基于水动力场控制的岩溶塌陷预警预报研究[J]. 工程勘察, 2006(10):29-31.
[7]	冯克印, 任翠爱, 姚春梅, 等. 地下水数值模拟在岩溶塌陷预警系统中的应用——以山东临沂市城区岩溶塌陷为例[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2007, 18(2):112-116.
[8]	蒙彦, 黄健民, 雷明堂, 等. 基于灰色Verhulst 模型的岩溶塌陷定量预报预测方法[J]. 中国岩溶, 2009, 28(1):17-22.
[9]	王滨, 李治广, 董昕, 等. 岩溶塌陷的致塌力学模型研究——以泰安市东羊娄岩溶塌陷为例[J]. 自然灾害学报, 2011, 20(4):119-125.
[10]	雷明堂, 蒋小珍, 李瑜. 岩溶塌陷模型试验——以武昌为例[J]. 地质灾害与环境保护, 1993, 4(2): 39-44.
[11]	王建秀, 杨立中, 刘丹. 覆盖型岩溶区土体塌陷典型数学模型的研究[J]. 中国地质灾害与防治学报, 1998, 9(3):54-59.
[12]	黄健民, 吕镁娜, 郭宇, 等. 广州市金沙洲岩溶塌陷地质灾害成因分析[J]. 中国岩溶, 2013, 32(2):167-174.
[13]	黄健民, 邓雄文, 胡让全. 广州金沙洲岩溶区地下水位变化与地面塌陷及地面沉降关系探讨[J]. 中国地质, 2015, 42(1):300-307.
[14]	唐攀, 吴仕强, 于炳松, 等. 古岩溶塌陷的成因特点与研究手段[J]. 现代地质, 2015, 29(3):675-683.
[15]	郑小战, 黄健民, 李德洲. 广花盆地南部金沙洲岩溶演变及环境特征[J]. 水文地质工程地质, 2014, 41(1):138-143.
[16]	张婉婷, 漆继红, 许模. 西南地区隧道工程条件下岩溶地下水系统变化特征分析[J]. 现代地质, 2015, 29(2):421-427.
[17]	陈小月, 黄健民, 卢薇. 基于FEFLOW的广州金沙洲地区地下水流场数值模拟研究[J]. 地下水, 2014, 36(4):4-9.
[18]	郭宇, 黄健民, 陈建新, 等. 广州市白云区金沙洲地区地质灾害风险区划[J]. 热带地理, 2013(6):659-665.
[19]	张书余. 地质灾害气象预报基础[M]. 北京: 气象出版社, 2005:140-143.

预报时间尺度	时间界限	预报对象	预警预报内容
长期预报(背景预测)	大于1年	区域性或岩溶塌陷重点地段	长期趋势预报、稳定性评价及危险性预报
中期预报(防灾预报)	1月至1年	岩溶塌陷重点地段	险情预报、危害程度预测及灾情预评估
短期预报(险情预报)	3天至1月	地面有明显沉降或裂缝扩大现象的地段	短期灾情预报,对短期变形活动趋势作出预测
临灾预警	1~3天	地面有显著突变前兆特征的地段	岩溶塌陷特定地段预警预报

预报时间尺度	时间界限	预报对象	预警预报内容
长期预报(背景预测)	大于1年	区域性或岩溶塌陷重点地段	长期趋势预报、稳定性评价及危险性预报
中期预报(防灾预报)	1月至1年	岩溶塌陷重点地段	险情预报、危害程度预测及灾情预评估
短期预报(险情预报)	3天至1月	地面有明显沉降或裂缝扩大现象的地段	短期灾情预报,对短期变形活动趋势作出预测
临灾预警	1~3天	地面有显著突变前兆特征的地段	岩溶塌陷特定地段预警预报

预报时间尺度		预报参数
中长期预测	降雨量及降雨强度、地质环境背景、地球物理及间接等参数
短期预报	降雨量及降雨强度、人类工程活动强度、地下水位变幅值、地面沉降量、裂缝位移及裂缝扩张速率等参数
临灾预警	地下水位变幅值、地表沉降速率、裂缝位移、孔隙水压力和地面建筑物变形等参数

预报时间尺度		预报参数
中长期预测	降雨量及降雨强度、地质环境背景、地球物理及间接等参数
短期预报	降雨量及降雨强度、人类工程活动强度、地下水位变幅值、地面沉降量、裂缝位移及裂缝扩张速率等参数
临灾预警	地下水位变幅值、地表沉降速率、裂缝位移、孔隙水压力和地面建筑物变形等参数

阶段	时间	人类工程活动抽排地下水	地下水动态变化情况 (以K40监测点为例)	发生岩溶塌陷、地面沉降情况	备注
第一阶段	200608012— 20070714	2007年3月1日1^#竖井施工,抽排地下水量约1 200 m³/d	由初始水位埋深4.0 m急速下降至40 m	2007年7月14日发生1个塌陷(T1),发生2处地面沉降(BX1-7、BX1-10)	1^#竖井(盾构井)深为40 m
第二阶段	20070715— 20071019	20070823—20071018 1^#竖井停止施工、停止抽排地下水,进行截水帷幕注浆	水位逐步回升,恢复至初始状态,并保持相对稳定	未发生岩溶塌陷、地面沉降
第三阶段	20071020— 20080815	1^#竖井复工,边注浆止水边施工。抽排地下水量约为2 300m³/d	由恢复回来的水位埋深4.0 m再次急剧下降至27.43 m	发生7个岩溶塌陷(T2—T8),发生6处地面沉降(BX1-1—BX1-4、BX1-8—BX1-9)	监测结果显示:地下水位形成以K40为中心降落漏斗,影响范围扩大
第四阶段	20080816— 20090507	隧道全面施工,抽排地下水量2 000~3 500 m³/d	水位埋深由27.43 m继续下降至30.58 m	发生6个岩溶塌陷(T9—T14),发生9处地面沉降(BX1-5、BX2-1—BX2-3、BX3-1、BX4-1—BX4-3、BX5-1)	地下水位持续下降,降落漏斗影响范围继续扩大,降落漏斗影响范围约1 000 m
第五阶段	20090508— 20100503	隧道完工,仍在抽排地下水,抽排水量约1 000 m³/d左右	水位埋深由30.58 m逐渐回升至10.97 m	发生9个岩溶塌陷(T15—T23)、5处地面沉降(BX2-1—BX2-3、BX3-1、BX4-1地面沉降继续);	由于隧道完工后仍在抽排地下水,地下水位无法恢复到初始状态。监测到ZK9008地下水位波动异常,并发出了预警预报
第五阶段	20100504— 20141230	隧道完工,仍在抽排地下水,抽排水量约1 000 m³/d左右	水位埋深由30.58 m逐渐回升至10.97 m	2012年5月14日发生1个塌陷(T24),到目前为止,这是最后一个塌陷。地面沉降逐渐减缓	由于隧道完工后仍在抽排地下水,地下水位无法恢复到初始状态。监测到ZK9008地下水位波动异常,并发出了预警预报