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城市地面沉降分析中几个问题的处理


城市地面沉降分析中的几个技术问题
袁铭 1 严勇 1 陈继山 2 (1)苏州科技学院 (2)苏州市城市规划编制(信息)中心
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苏州市规划局 苏州十全街 741 号,215002 摘要

本文对城市地面沉降分析中几个经常遇到的问题进行了讨论,提出了处理的 方法。 重点讨论了地面沉降数据处理中参考基准

的稳定性以及如何使用变形分析 的方法选择参考基准。文章认为地面沉降量只是一个参考值,并不是唯一的判定 标准,提出了地面沉降漏斗的 3 个判定标准,并通过实例予以说明。
关键词 地面沉降 中图分类号:P258 参考基准 变形分析 沉降漏斗

Several Technical Problems In Urban Ground Subsidence Analysis
Yuan Ming Yan Yong Chen Ji-shan (University of Science and Technology of Suzhou, 1701# Bin He Road, Su Zhou, China, 215011, Suzhou, China, 215011) Several technical problems in ground subsidence analysis are discussed and some solving methods are proposed. The stability of reference benchmark as well as how to use distortion analysis method choosing reference benchmark is emphasized in this paper. It thought that ground subsidence quantity is only a reference value and is not only determination standard. The paper proposed 3 demarcating standards and showed through the examples. Key words: ground subsidence, reference benchmark, deformation analysis, subsidence funnel

1 引言
城市地面沉降大多发生在经济活跃的大、中城市,对人民生活、生产、交通 和旅游环境影响极大,已成为一种世界性环境公害[1]。 目前各地城市建设日新月 异,各类大型建筑拔地而起,在工程前期,规划和施工部门往往会对工程位置的 地质和水文进行勘察和了解, 对地面沉降的情况也会相当重视,特别注意工程区
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是否有地面沉降漏斗以及漏斗的沉降量级。 通过对区域内各水准点高程进行多期水准测量,并对数据适当进行处理,可 以获得这一区域的等值线图,根据等值线图得到区域内不同时段的地面变形图 像,对这些图像进行分析,当地面高程发生下降时,结合当地的水文地质和地下 水使用等情况, 来判定是否发生了地面沉降,这是目前进行地面沉降分析的基本 工作。在实际地面沉降数据处理和分析中[2],会遇到各种情况,例如相邻时段 的地面变形有时会截然相反,上期高程是下降的,本期又变为上升了;等值线显 示有几个地面沉降漏斗, 但是沉降漏斗判定的依据是什么;一些监测点的高程时 高时低,如何处理。通常做法,对于个别有疑问的测点,应与观测人员一起到实 地查看点位埋设的周围环境和地质条件、埋设的质量,以确定点位的稳定性。这 样细致的工作是必须的, 也是值得提倡的, 但对于大量类似的点, 或由于时间紧, 路途远,交通不便等原因,这些工作没有做或只做了部分,有的即便做了实地调 查,也得不到答案。实际上,有些问题仅靠实地调查是解决不了问题的。能否通 过对监测数据的适当处理或采用相应的分析方法来解决这些问题, 获得比较可信 的地面沉降分析结果。 本文通过实际工作中的一些实例,具体讨论了处理这些问题的一些方法,希 望有关的科研人员在进行地面沉降分析时, 不要完全依赖数据处理结果以及绘制 的地面沉降等值线图, 而是采取多种方法进行深入的综合分析和比较,减少盲目 性,增加科学性和合理性,获得尽量准确的结果。

2 相邻两期沉降等值线形态相反
举一个实际工作中的例子(等值线图略) 。某地区地面沉降监测网在 2007 年 7 月、2007 年 12 月和 2008 年 7 月进行了第 5、6、7 期复测,获得的地面沉降等 值线表明,第 5、6 期之间的时段(2007 年 7 月至 2007 年 12 月之间)表现为大 面积下沉,主要下沉区 5 个月内达到 20 多毫米,其中部和南部也略有下沉。而 在第 6、7 期时段获得的沉降等值线图,全区又表现为大面积的上升,形态与上 一时期完全相反,即在半年时间内,原来的主要下沉区又上升了,量级接近 20 毫米。 这种忽上忽下,前后两期的地面形变在短短几个月内完全相反的情况与正常
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的地面变形规律不符,两期地面沉降等值线形态十分可疑。 针对上述疑问,首先怀疑 2007 年 12 月的数据有问题。为验证这种疑问,将 2007 年 12 月的数据跳过不用, 而直接采用 2007 年 7 月与 2008 年 7 月的数据进 行比较,两期间隔一年,等值线图显示,除个别区域有较明显的沉降发生外,全 区总体没有大的变化, 由于跳过了 2007 年 12 月这一期,区域的地面沉降形态就 完全不同了,没有了大面积的上下变动,地面变形显得比较和缓。 观测数据经过这样的处理,似乎可以证实 2007 年 12 月 的那期据可疑,实 际那期的观测数据是没有问题的, 其原因可能与数据处理时采用的高程起算点有 关。 在大多数部门, 地面沉降的监测和监测数据的处理分析工作往往不是同一批 人,这项工作并不是连续进行的。由于起算点的变化,引起了整个地区地面沉降 等值线形态的变化。 只要认真检查起算点是否与上一时段相同, 且点位保证稳定, 在此基础上重新计算即可。 起算点的变化可以分为两种,一种是两个时段都采用同一起算点,而该点本 身不稳定, 以不稳定的点为起算点处理数据会引起区域中各点均包含了起算点的 变化值; 第二种是两个时段采用了不同的起算点,而这两个起算点中有不稳定的 点。一般而言,同一区域的地面沉降数据处理应尽量采用同一个起算点,不可随 意变换。而在地面沉降数据处理时,起算点的选择一定要十分慎重,反复检验, 确保起算点的稳定。下面谈谈如何通过数据处理的方法选择起算点。

3 高程起算点选取
高程起算点就是高程变化的参考基准,选取地面沉降参考基准是进行形变分 析的基础[3]。一个地区地面沉降研究中的参考基准往往在基岩标、基岩点或国 家一等水准网中选取。以某市为例,目前的高程控制网中有基岩标、基岩点和一 等水准网点如下: I 宁沪 48 I 宁沪 54 I 宁沪 49 I 宁沪 52

I 宁沪 66

I 无杭 25

Ⅰ宁沪 57 甲

南门基岩点

对于一个不太大的地区而言,只要选取一个参考基准即可,以后各期的复测 数据都以这个基准为准。 上述点是否都可以作为参考基准,哪一个点更为合适?
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主要是看其高程是否长期稳定, 而这可以通过实地调查和数据处理与分析进行论 证。 通过实地调查选取一等水准网点Ⅰ宁沪 57 甲作为参考基准点。该点位于整 座山都是基岩的山脚,地质基础牢固,观测年代长,保存完好,这是可以作为起 算点的基础。此外,还需经过数据处理与分析论证,具体方法如下。 首先需要了解城市地面沉降的一个重要特点, 即地面沉降的不可逆性[4], 具 体到水准点而言,没有特殊情况,其高程一般不会上升,至少不会持续上升。这 是因抽取地下水引起的城市地面沉降与因地质构造活动引起的地面垂直形变的 重要区别。 城市地面沉降的原因主要是在承压含水层中抽取地下水后使相邻的上下粘 性土释水,因释水而引起固结造成沉降。这是粘性土结合水运移的结果。在释水 固结过程中, 粘性土的结合水运移起始水头梯度是不断变化的, 随固结度的增加, 直至释水固结停止。 人工回灌承压含水层可以使水头压力增高,结合水渗流线将指向粘性土层 中, 但由于起始水头梯度增加, 即使含水层水头恢复到初始数值也无法再恢复到 初始的含水带厚度。 因此释水固结后粘性土层已无法恢复到起始状态,回灌使粘 性土层回弹只是很小的数值。 可见粘性土的回弹值无法补偿压缩量。在一般情况 下,地面沉降是不可逆的。 这时的水准点在表现形式上,沉降速率可能会加大,在沉降控制有效地区其 沉降速率可能会减缓,这时的速率为负值。 在有些地区(根据不同的土层结构)采用注水方法可以使孔隙水压力恢复, 砂层大体能恢复原状,使得水准点有可能发生上升,此时的沉降速率值为正,但 其幅度不会大,时间也不会长。如上海市在 1966-1976 年间回灌第二、三承压含 水层而产生的第三压缩层回弹值年平均仅为 0.52mm。 有了以上基础,下面采用两次平差方法来判断选取基准参考系。 首先采用重心参考系将全网各点均作为未知点进行秩亏自由网整体速率平 差[5],由于重心参考系是以各点的高程均值作为参考基准点,因此可以选取平 差结果在各期中上升速率均为最大的那个基岩点 (这里的上升是相比较重心基准 而言)作为可能的稳定参考点。或者,如果各期上升速率大且速率值接近的基岩

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点的点有多个,可用这些点组成拟稳点组。 其次利用该基岩点作为唯一参考点,用原数据再进行经典速率平差,或者利 用组成的拟稳点组进行拟稳平差。 第二次平差结果中除固定参考点或拟稳点组外,所有点位的平差速率值应均 为负值, 或少数点位速率虽为正值但量值不大且持续时间不长,这说明选取的参 考点或拟稳点组是正确的,平差方法也是合适的,平差结果可以采用。 在基准参考系的判断过程中,秩亏自由网平差实际上是做为一种数据预处理 方法使用的。 同时必须指出, 由于在新构造运动中有可能产生区域性的缓慢上升 或下沉, 因此上述方法所确定的参考基准点并非完全不动,而只是相对本区内其 他点为稳定。 按前述方法, 首先将全网各点均作为未知, 采用整体秩亏自由网速率平差法, 结果表明位于山脚的一等水准网点Ⅰ宁沪 57 甲点(基岩点)符合各期上升速率 最大的要求, 用该点为已知起算点再进行经典速率平差,计算结果中全部点位速 率值均为负值, 说明除该点 (参考起算点) 外, 各点相对该点均有不同程度下沉。 这里获得的各点平差值可以作为参与地面沉降分析的数据。 如此证实一等水准网点Ⅰ宁沪 57 甲点是该区域最为稳定的点。多年的地面 沉降分析表明,这一结果完全正确。 所有其他的高等级控制点如果想成为参考基准,应该用同样方法进行验证。 而且这一方法在地面沉降明显区域更为有效。

4 地面沉降漏斗判定
某区地面沉降等值线密集,中心点沉降量远高于周边,常称之为沉降漏斗。 对于是否是地面沉降漏斗,这里总结出几个判定的标准,并通过实例予以说明。 1)有相当的沉降量级; 2)有一定的点群效应,即周围多个点都有类似的沉降,而不仅仅是一或二 个点的沉降; 3)最好有一定的持续性,而不仅仅通过一期的观测。 图 1 是某地区一个放大了的等值线局部截图,形似一个明显的沉降区,该区 以望南小学为沉降中心,周围的Ⅰ宁沪 49、望亭宾馆、观山转盘等测点都有年
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速率数十 mm 的沉降,这些测点形成了一个沉降点群,具有明显的群体效应,其 中望南小学 2 年的沉降量达到 75mm,年速率达 35mm 以上,远超过 3 倍的测量中 误差。结合以往多期的观测分析结果看,这一区域延续了以往的地面沉降。对照 上面 3 条,这一地区可以判定为是一个沉降漏斗。 虽然判定是一个沉降漏斗,但其地面沉降量是否真有如此之大呢?假设由于 望南小学测点不稳定, 将望南小学观测点去掉后重新进行数据处理后绘制等值线 图,这一地区的地面沉降量将大大减小,可能只有原沉降量的一半。较为可靠的 结论是,这一地区确实有明显地面沉降,实际沉降量可以打折考虑。

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图1

望南小学及其周边区域地面沉降等值线图

图 2 为某区东南角放大后的等值线局部截图,图中的污水提升泵站测点在这 一年中的点位下沉量为 35 毫米,而周围其他几个点的下沉量都在 6 毫米以下, 说明这个形似的沉降漏斗主要是污水提升泵站测点造成的, 如果把这个点去掉再 重新绘制等值线图, 这个漏斗或许会非常的不明显, 甚至不能称其为漏斗。 此外, 这个点只有 3 期数据, 其点位的稳定性尚没有经过长期的检核,未必有很大的可 信度。结论是,此区暂时作为关注区看待。等待下一期的观测结果再予以确认。

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图2

某区东南角地面沉降等值线图

5 结论
进行城市地面沉降研究,通常要将水准监测数据绘制为沉降等值线,对等值 线的形态进行分析。当出现相邻两期地面沉降等值线形态相反时,应注意是否是 高程起算点的稳定性有问题, 或者是两期数据处理使用了不同的起算点。而在选 择高程起算点时应该慎之又慎, 不但要实地调查其点位基础环境,也要了解其在 以往分析中的表现。 如果该区地面沉降明显, 又对变形测量的数据处理比较熟悉, 最好采用本文提供的两次平差法进行起算点稳定性的判定。 对于地面沉降漏斗的判定,切忌只看形变量值的大小,而忽视了沉降漏斗的
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几个判定条件。实际上,在这类问题的分析中,形变量的大小虽然很重要,但其 数值只是一个参考值,并不是唯一的判定标准,还必须在实地考察的基础上,考 虑是否超限差,是否具有沉降点群特征,沉降是否具有继承性等。即使这些条件 均满足,其形变量值也还是参考值,例如本文中的第一个沉降漏斗的判定。如果 该例中另有点(最好几个)出现相同量级的下沉,则这个沉降漏斗的最大沉降量 可以认为是这个量级,而不再需要打折处理。 在实际地面沉降等值线分析中,上述问题会经常出现,需要指出,研究人员 首先应进行实地调研和查访, 落实监测点的稳定性,同时可以采用本文的方法进 行分析,将会得到更为准确的分析结果。

参考文献
[1] 袁铭,周维尔.苏州市地面沉降灾害及其成因分析.地质灾害与环境保护,2001(2) [2] 严勇 袁铭 城市地面沉降推估内插模型研究

工程勘察

2007(11)

[3] 袁铭 张序 城市地面沉降监测网的形变分析 苏州城建环保学院学报 2002 (4) [4]纪万斌. 塌陷与灾害. 北京∶地震出版社,1997 [5] 陶本藻 .自由网平差与变形分析. 北京. 测绘出版社. 1984.

袁铭,1955 年生,江苏常熟人,高级工程师,教授职称。现在苏州科技学院任教。 联系:苏州科技学院环境学院 邮编∶ 215011 电话∶ 13013791759 E-mail: yming@public1.sz.js.cn

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