地裂缝调查与监测技术方法

一、内容概述

在国家自然科学基金委、国土资源部、中国地质调查局及地方政府的支持和资助下，长安大学地裂缝地面沉降课题组在地裂缝调查与监测技术方法方面，形成了一套包括地裂缝调查内容、调查方法与技术要求，地裂缝监测内容、监测方法与技术要求，地裂缝评价内容、评价方法与指标体系成果。

1.形成了一套系统的地裂缝调查方法

针对不同成因类型特点的地裂缝，提出了不同的调查内容和工作方法以及不同比例尺地裂缝调查的精度要求。

2.形成了一套完备的地裂缝场地勘察方法

1）根据地裂缝的出露情况及勘探标志层的不同，划分了地裂缝场地类型（一类、二类和三类），提出了不同地裂缝场地的具体勘探手段及技术要求。

2）研发了地裂缝的精细探测与高精度解译技术。利用多次覆盖反射法探测所采集的资料，拾取初至反射波信息，采用CT成像技术，反演浅表层地层速度场（图1）。开发的CT成像信息处理技术，能有效识别浅层地裂缝，解决了50m以浅地裂缝定位探测的技术难题。

图1 CT成像有效识别浅部裂缝信息解译剖面

3.提出了不同类型地裂缝的成因模式及机理研究方法

包括构造控缝（图2至图3）、应力导缝（图4）和抽水扩缝（图5至图7）的地裂缝耦合成因理论。

4.提出了地裂缝监测的方法、内容及技术标准，研发了地裂缝的高精度GPS监测、InSAR监测及其融合监测技术以及监测设备

研究的GPS监测数据精密处理方法（图8），实现了垂向精度高于3 mm的监测地面沉降地裂缝形变特征的能力；开展的对不同区域地裂缝监测的 InSAR 技术、小基线（SBAS）技术、人工角反射器（CR）技术、新型卫星和多卫星平台的InSAR处理以及In-SAR监测的后处理方法，实现了“毫米”量级的监测精度；建立的基于GPS监测点上移动人工角反射器的GPS与CR-InSAR融合技术和通过CR和GPS融合对InSAR误差的修正模型和方法，实现了1～2mm量级的地裂缝高精度监测。开发了地裂缝三维实时动态监测仪器，包括基于GPS移动的人工角反射器和地裂缝三向变形测量仪（图9）等。

图2 西安地区深部构造孕裂模型

图3 临潼 长安断裂派生地裂缝模式

图4 渭河盆地地裂缝与区域构造应力关系

5.建立了地裂缝评价的指标体系，提出了地裂缝的综合分类方案和综合评价方法

地裂缝评价内容包括地裂缝成因判定、活动性评价、趋势预测、致灾机理分析和危险性评价；评价指标包括松散地层沉积相及沉积厚度、含水层分布、地层结构、地形地貌、岩土体物理力学性质、地裂缝历史灾害程度、地下水位埋深、地下水开采强度和其他人类工程活动等；评价方法包括遗传算法（GA）、人工神经网络法（ANN）、灰色聚类分析法、模糊综合评判法、层次分析法、地理信息系统（GIS）等。地裂缝按规模分为巨型、特大型、大型、中型和小型；按力学性质分为剪切型、拉张型、张剪型和压剪型；按张开程度分为闭合、裂开、张开、宽、很宽和极宽型；按活动程度分为活动强烈、较强烈、中等和微弱；按主次关系分为主裂缝、分支裂缝和次级裂缝；按形成原因分为构造型（断层蠕滑、地震裂缝）、非构造型（湿陷、塌陷、沉降、胀缩和滑坡裂缝等）和复合型（沉降与构造耦合）。

图5 地裂缝与地面沉降中心关系

图6 黏土层差异沉降压缩扩缝模式

图7 含水层水平位移扩缝模式

图8 高精度HPGPSADJ软件和GPS后处理软件

图9 地裂缝三向变形测量仪

二、应用范围及应用实例

地裂缝调查与监测技术方法可应用于地质灾害调查、城市建设规划、工业民用建筑、公路、铁路和生命线等建设工程的不同阶段的勘察和设计。该技术方法已成功运用于汾渭盆地、华北平原、东北地区和华东地区的地裂缝调查与监测中（图10，图11），在西安地铁（图12）、大同-西安高速铁路（图13）和北京未来科技城（图14）等重大工程建设以及西安城市建设规划中得到应用，为重大城市和重大工程减灾防灾做出了贡献，并已在20余个省市推广，形成了地裂缝灾害调查、探测与监测技术的示范。

图10 渭河盆地西安地区地裂缝监测

图11 太原盆地清徐地裂缝监测图

图12 西安地铁四号线沿线地裂缝危险性评价

图13 大同-西安高铁沿线地裂缝的勘察成果

图14 北京未来科技城国网智能电网研究院地裂缝场地的勘察评价成果

三、推广转化方式

该项成果已获省部级科学技术一等奖3项，发表核心期刊论文247篇，其中SCI收录论文41篇、EI收录论文102篇，出版学术专著3部，获国家专利8项、软件著作权3项，在国内外产生了重大学术影响；在第三届全国岩土与工程学术大会、2009～2012年全国工程地质大会、第三届全国地面沉降防治学术研讨会以及“Prevention of Geo-Hazards in Western China and The Fifth International Symposium on Mitigation of Geo-hazards in Area around Japan Sea”等国际学术会议上进行了交流，获得国内外同行的广泛认可，尤其是国际工程地质与环境协会（IAEG）主席Carlos Delgado教授对该成果给予了高度评价。

该成果可通过宣传报道、会议交流、人员培训、技术咨询、现场服务等方式进一步推广和应用转化。

技术依托单位：长安大学

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