城市新型開發區地面沉降監測分析研究

李靖，劉峻寧，朱麗強

(1.蘇州高新區測繪事務所有限公司，江蘇蘇州 215129;2.武漢大學測繪學院，湖北武漢 430079;3.蘇州工業園區格網信息科技有限公司，江蘇蘇州 215027)

1 引言

地面沉降是在自然和人為的因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導致區域性地面高程降低的一種環境地質現象，是一種不可補償的永久性環境和資源損失，已經成為全球性的地質環境災害。特別是自然資源的開發活動，都會破壞地殼上部的平衡而造成地面變形。當前在經濟活躍的地區，開發區已經成為地方城市開發建設的活動主場，各類大型建筑拔地而起，河流、道路統一規劃，大型土石方工程規模日趨增長，改變了經歷多年變遷的區域地質結構。若不對這些區域進行持續的監測，就無法獲知城市基礎設施、建筑工程等整個地表的沉降情況，難以保證人們生活和生產的安全，對社會經濟的可持續發展影響巨大。因此，本文著重探討了在城市開發區范圍內布設的沉降監測網網點的穩定性，提出適用于該特征區域的穩定性分析策略。

2 沉降影響因素分析

影響地面沉降的因素有自然地質因素和人為因素兩種。自然因素主要是由地表松散地層或半松散地層等在重力作用下，在松散層變成致密的、堅硬或半堅硬巖層時地面會因地層厚度的變小而發生沉降;因地質構造作用導致地面凹陷而發生沉降;地震導致地面沉降等原因造成的。人為因素主要是由開發地下流體資源、巖溶塌陷和開采固體礦產引起的。其中流體資源包括地下水、石油天然氣和地熱等。工程建設是近年來新的沉降制約因素，在地區城市化進程中不斷顯露，在部分地區的大規模城市改造建設中地面沉降效應明顯。

隨著開發區內城市建設的推進，混凝土、大理石、花崗巖的地面、廣場、路面和人行道;超大面積的廠房，無限擴張的工業園區等使城市透水區域下滲水量過快減少，土壤水分補給減少，補給地下含水層的水量減少，致使徑流減少，地下水補給來源也隨之減少，促使地下水位急劇下降。有學者指出城市建設的高密度、摩天大樓的鱗次櫛比一方面增加了土地的承重，另一方面，加劇地面硬殼化，對地面沉降也有較大影響，應引起重視［1～7］。上海市地質調查研究院的研究表明，上海地面沉降的原因有七成要歸因于城市地下水的過分開采，而其余三成則來自高層建筑和重大工程項目的影響。

3 穩定性分析方法

在沉降監測的工作中，基準網穩定性分析的常用方法是對基準網進行多周期的檢測，通過基準網點的高程變化趨勢來分析其穩定性［8～10］。因此，在城市開發區沉降控制網分析時可以采用平均間隙法進行分析。

平均間隙法是穩定性的整體檢驗中的一種，它是通過假設檢驗來判別網中的平均位移是否穩定。假設兩周期觀測為等精度觀測，根據兩周期的單位權方差計算一個共同的單位權方差;再將兩周期觀測結果所求的兩組網點的點位看做是一組雙觀測值，由雙觀測值之差計算方差的方法計算觀測值的單位權方差。如果假設的“兩次觀測期間網點的點位無變化”是正確的，則兩種單位權方差應來自同一母體，采用F檢驗法可以檢驗兩個方差的同一性。具體步驟如下:

(1)觀測周期的同一性檢驗:由每期網平差的改正數可以得到單位權方差:……)，當兩周期為等精度觀測時，將絕對值較大者作為分子，計算統計量F0是否滿足:f2)，其中α為顯著水平(一般取0.05)，f1、f2為第一和第二自由度，F分位值可以查表或通過函數計算得到。如果F0滿足，則認為兩周期觀測無顯著差異為等精度觀測，否則認為兩周期觀測不是等精度觀測，而不能直接比較其坐標差異。

(2)兩周期觀測的綜合單位權方差計算:

(3)單位權方差計算:利用秩虧網平差可以求得每期觀測的各水準點高程，間隙，間隙d的協因數陣為Qd=Q2－Q1，由間隙d可按下式計算單位權方差，h為獨立坐標個數Qd的秩。

(5)利用逐點替代法找出網中的動點。將網中水準點劃分為兩組，即假設F為穩定點組和M為動點組，對間隙d及其權陣Pd作相應的分塊，即:

為把分成穩定點影響和動點影響兩個統計獨立的部分，采用如下變換:

4 應用分析

某開發區為了有效推進區內的土石方工程、建筑等施工項目的開展，每年定期聯測埋設在區內的水準點，為開發建設提供高程基準，同時也開展了區域內的沉降監測分析。為對數據進行快速有效的處理，筆者按上述流程，利用C#語言編寫了相應的計算程序。最后抽取了小樣本數據為分析對象，自動計算分析情況如圖1所示。

圖1 抽取樣本的水準點分布圖

上圖1為抽取的部分樣本水準點點位分布圖，實際監測過程中對上述點位進行了兩次觀測，觀測數據如表1所示。

兩期觀測數據 表1

輸入數據后，程序自動進行秩虧網平差與分析，輸出結果如下:

以上為選取開發區局部區域進行的自動化數據分析結果，結論中的建議對區域內的沉降監測分析、施工區的基坑、建筑等監測有一點的指導參考意義。

5 結語

地面沉降觀測是一項周期長、勞動量大的工作，特別在城市新型開發區內，由于統一規劃實施工程建設投入較大，應該重視由此產生的地面沉降。對由測量獲得的變形的解釋需要多學科專業知識，在變形監測的整個過程中，多方具有專業背景的人員合作非常重要。對于產生變形的原因，需要跟有關專業人員進一步探討才能獲得更詳盡的答案。如果能夠分析清楚產生地面沉降的機理，建立適合區域的地面沉降模型，對于搞好災害預警工作，不失為好的對策。

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