城市地面沉降分析中幾個問題時的處理

1、城市地面沉降分析中的幾個技術(shù)問題袁銘（1） 嚴(yán)勇（1） 陳繼山（2）（1）蘇州科技學(xué)院（2）蘇州市城市規(guī)劃編制（信息）中心蘇州市規(guī)劃局 蘇州十全街741號，215002摘要本文對城市地面沉降分析中幾個經(jīng)常遇到的問題進(jìn)行了討論，提出了處理的方法。重點討論了地面沉降數(shù)據(jù)處理中參考基準(zhǔn)的穩(wěn)定性以及如何使用變形分析的方法選擇參考基準(zhǔn)。文章認(rèn)為地面沉降量只是一個參考值，并不是唯一的判定標(biāo)準(zhǔn)，提出了地面沉降漏斗的3個判定標(biāo)準(zhǔn)，并通過實例予以說明。關(guān)鍵詞 地面沉降 參考基準(zhǔn) 變形分析 沉降漏斗中圖分類號：p258 several technical problems in urban ground subs

2、idence 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 b

3、enchmark 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.

4、key words: ground subsidence, reference benchmark，deformation analysis，subsidence funnel1 引言城市地面沉降大多發(fā)生在經(jīng)濟(jì)活躍的大、中城市,對人民生活、生產(chǎn)、交通和旅游環(huán)境影響極大,已成為一種世界性環(huán)境公害1。目前各地城市建設(shè)日新月異，各類大型建筑拔地而起，在工程前期，規(guī)劃和施工部門往往會對工程位置的地質(zhì)和水文進(jìn)行勘察和了解，對地面沉降的情況也會相當(dāng)重視，特別注意工程區(qū)是否有地面沉降漏斗以及漏斗的沉降量級。通過對區(qū)域內(nèi)各水準(zhǔn)點高程進(jìn)行多期水準(zhǔn)測量，并對數(shù)據(jù)適當(dāng)進(jìn)行處理，可以獲得這一區(qū)域的等值線圖，根據(jù)等值線

5、圖得到區(qū)域內(nèi)不同時段的地面變形圖像，對這些圖像進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)孛娓叱贪l(fā)生下降時，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)和地下水使用等情況，來判定是否發(fā)生了地面沉降，這是目前進(jìn)行地面沉降分析的基本工作。在實際地面沉降數(shù)據(jù)處理和分析中2，會遇到各種情況，例如相鄰時段的地面變形有時會截然相反，上期高程是下降的，本期又變?yōu)樯仙?；等值線顯示有幾個地面沉降漏斗，但是沉降漏斗判定的依據(jù)是什么；一些監(jiān)測點的高程時高時低，如何處理。通常做法，對于個別有疑問的測點，應(yīng)與觀測人員一起到實地查看點位埋設(shè)的周圍環(huán)境和地質(zhì)條件、埋設(shè)的質(zhì)量，以確定點位的穩(wěn)定性。這樣細(xì)致的工作是必須的，也是值得提倡的，但對于大量類似的點，或由于時間緊，路途遠(yuǎn)，

6、交通不便等原因，這些工作沒有做或只做了部分，有的即便做了實地調(diào)查，也得不到答案。實際上，有些問題僅靠實地調(diào)查是解決不了問題的。能否通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的適當(dāng)處理或采用相應(yīng)的分析方法來解決這些問題，獲得比較可信的地面沉降分析結(jié)果。本文通過實際工作中的一些實例，具體討論了處理這些問題的一些方法，希望有關(guān)的科研人員在進(jìn)行地面沉降分析時，不要完全依賴數(shù)據(jù)處理結(jié)果以及繪制的地面沉降等值線圖，而是采取多種方法進(jìn)行深入的綜合分析和比較，減少盲目性，增加科學(xué)性和合理性，獲得盡量準(zhǔn)確的結(jié)果。2 相鄰兩期沉降等值線形態(tài)相反舉一個實際工作中的例子（等值線圖略）。某地區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)在2007年7月、2007年12月和20

7、08年7月進(jìn)行了第5、6、7期復(fù)測，獲得的地面沉降等值線表明，第5、6期之間的時段（2007年7月至2007年12月之間）表現(xiàn)為大面積下沉，主要下沉區(qū)5個月內(nèi)達(dá)到20多毫米，其中部和南部也略有下沉。而在第6、7期時段獲得的沉降等值線圖，全區(qū)又表現(xiàn)為大面積的上升，形態(tài)與上一時期完全相反，即在半年時間內(nèi)，原來的主要下沉區(qū)又上升了，量級接近20毫米。這種忽上忽下，前后兩期的地面形變在短短幾個月內(nèi)完全相反的情況與正常的地面變形規(guī)律不符，兩期地面沉降等值線形態(tài)十分可疑。針對上述疑問，首先懷疑2007年12月的數(shù)據(jù)有問題。為驗證這種疑問，將2007年12月的數(shù)據(jù)跳過不用，而直接采用2007年7 月與200

8、8年7月的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，兩期間隔一年，等值線圖顯示，除個別區(qū)域有較明顯的沉降發(fā)生外，全區(qū)總體沒有大的變化，由于跳過了2007年12月這一期，區(qū)域的地面沉降形態(tài)就完全不同了，沒有了大面積的上下變動，地面變形顯得比較和緩。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過這樣的處理，似乎可以證實2007年12月 的那期據(jù)可疑，實際那期的觀測數(shù)據(jù)是沒有問題的，其原因可能與數(shù)據(jù)處理時采用的高程起算點有關(guān)。在大多數(shù)部門，地面沉降的監(jiān)測和監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析工作往往不是同一批人，這項工作并不是連續(xù)進(jìn)行的。由于起算點的變化，引起了整個地區(qū)地面沉降等值線形態(tài)的變化。只要認(rèn)真檢查起算點是否與上一時段相同，且點位保證穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上重新計算即可。起算點

9、的變化可以分為兩種，一種是兩個時段都采用同一起算點，而該點本身不穩(wěn)定，以不穩(wěn)定的點為起算點處理數(shù)據(jù)會引起區(qū)域中各點均包含了起算點的變化值；第二種是兩個時段采用了不同的起算點，而這兩個起算點中有不穩(wěn)定的點。一般而言，同一區(qū)域的地面沉降數(shù)據(jù)處理應(yīng)盡量采用同一個起算點，不可隨意變換。而在地面沉降數(shù)據(jù)處理時，起算點的選擇一定要十分慎重，反復(fù)檢驗，確保起算點的穩(wěn)定。下面談?wù)勅绾瓮ㄟ^數(shù)據(jù)處理的方法選擇起算點。3 高程起算點選取高程起算點就是高程變化的參考基準(zhǔn)，選取地面沉降參考基準(zhǔn)是進(jìn)行形變分析的基礎(chǔ)3。一個地區(qū)地面沉降研究中的參考基準(zhǔn)往往在基巖標(biāo)、基巖點或國家一等水準(zhǔn)網(wǎng)中選取。以某市為例，目前的高程控制網(wǎng)

10、中有基巖標(biāo)、基巖點和一等水準(zhǔn)網(wǎng)點如下：i寧滬48 i寧滬49 i寧滬52i寧滬54 i寧滬66i無杭25寧滬57甲 南門基巖點對于一個不太大的地區(qū)而言，只要選取一個參考基準(zhǔn)即可，以后各期的復(fù)測數(shù)據(jù)都以這個基準(zhǔn)為準(zhǔn)。上述點是否都可以作為參考基準(zhǔn)，哪一個點更為合適？主要是看其高程是否長期穩(wěn)定，而這可以通過實地調(diào)查和數(shù)據(jù)處理與分析進(jìn)行論證。通過實地調(diào)查選取一等水準(zhǔn)網(wǎng)點寧滬57甲作為參考基準(zhǔn)點。該點位于整座山都是基巖的山腳，地質(zhì)基礎(chǔ)牢固，觀測年代長，保存完好，這是可以作為起算點的基礎(chǔ)。此外，還需經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析論證，具體方法如下。首先需要了解城市地面沉降的一個重要特點，即地面沉降的不可逆性4，具體到

11、水準(zhǔn)點而言，沒有特殊情況，其高程一般不會上升，至少不會持續(xù)上升。這是因抽取地下水引起的城市地面沉降與因地質(zhì)構(gòu)造活動引起的地面垂直形變的重要區(qū)別。城市地面沉降的原因主要是在承壓含水層中抽取地下水后使相鄰的上下粘性土釋水，因釋水而引起固結(jié)造成沉降。這是粘性土結(jié)合水運移的結(jié)果。在釋水固結(jié)過程中，粘性土的結(jié)合水運移起始水頭梯度是不斷變化的，隨固結(jié)度的增加，直至釋水固結(jié)停止。人工回灌承壓含水層可以使水頭壓力增高，結(jié)合水滲流線將指向粘性土層中，但由于起始水頭梯度增加，即使含水層水頭恢復(fù)到初始數(shù)值也無法再恢復(fù)到初始的含水帶厚度。因此釋水固結(jié)后粘性土層已無法恢復(fù)到起始狀態(tài)，回灌使粘性土層回彈只是很小的數(shù)值?？?/p>

12、見粘性土的回彈值無法補償壓縮量。在一般情況下，地面沉降是不可逆的。這時的水準(zhǔn)點在表現(xiàn)形式上，沉降速率可能會加大，在沉降控制有效地區(qū)其沉降速率可能會減緩，這時的速率為負(fù)值。在有些地區(qū)（根據(jù)不同的土層結(jié)構(gòu)）采用注水方法可以使孔隙水壓力恢復(fù)，砂層大體能恢復(fù)原狀，使得水準(zhǔn)點有可能發(fā)生上升，此時的沉降速率值為正，但其幅度不會大，時間也不會長。如上海市在1966-1976年間回灌第二、三承壓含水層而產(chǎn)生的第三壓縮層回彈值年平均僅為0.52mm。有了以上基礎(chǔ)，下面采用兩次平差方法來判斷選取基準(zhǔn)參考系。首先采用重心參考系將全網(wǎng)各點均作為未知點進(jìn)行秩虧自由網(wǎng)整體速率平差5，由于重心參考系是以各點的高程均值作為參

13、考基準(zhǔn)點，因此可以選取平差結(jié)果在各期中上升速率均為最大的那個基巖點（這里的上升是相比較重心基準(zhǔn)而言）作為可能的穩(wěn)定參考點。或者，如果各期上升速率大且速率值接近的基巖點的點有多個，可用這些點組成擬穩(wěn)點組。其次利用該基巖點作為唯一參考點，用原數(shù)據(jù)再進(jìn)行經(jīng)典速率平差，或者利用組成的擬穩(wěn)點組進(jìn)行擬穩(wěn)平差。第二次平差結(jié)果中除固定參考點或擬穩(wěn)點組外，所有點位的平差速率值應(yīng)均為負(fù)值，或少數(shù)點位速率雖為正值但量值不大且持續(xù)時間不長，這說明選取的參考點或擬穩(wěn)點組是正確的，平差方法也是合適的，平差結(jié)果可以采用。在基準(zhǔn)參考系的判斷過程中，秩虧自由網(wǎng)平差實際上是做為一種數(shù)據(jù)預(yù)處理方法使用的。同時必須指出，由于在新構(gòu)造

14、運動中有可能產(chǎn)生區(qū)域性的緩慢上升或下沉，因此上述方法所確定的參考基準(zhǔn)點并非完全不動，而只是相對本區(qū)內(nèi)其他點為穩(wěn)定。按前述方法，首先將全網(wǎng)各點均作為未知，采用整體秩虧自由網(wǎng)速率平差法，結(jié)果表明位于山腳的一等水準(zhǔn)網(wǎng)點寧滬57甲點（基巖點）符合各期上升速率最大的要求，用該點為已知起算點再進(jìn)行經(jīng)典速率平差，計算結(jié)果中全部點位速率值均為負(fù)值，說明除該點（參考起算點）外，各點相對該點均有不同程度下沉。這里獲得的各點平差值可以作為參與地面沉降分析的數(shù)據(jù)。如此證實一等水準(zhǔn)網(wǎng)點寧滬57甲點是該區(qū)域最為穩(wěn)定的點。多年的地面沉降分析表明，這一結(jié)果完全正確。所有其他的高等級控制點如果想成為參考基準(zhǔn)，應(yīng)該用同樣方法進(jìn)行

15、驗證。而且這一方法在地面沉降明顯區(qū)域更為有效。4地面沉降漏斗判定某區(qū)地面沉降等值線密集，中心點沉降量遠(yuǎn)高于周邊，常稱之為沉降漏斗。對于是否是地面沉降漏斗，這里總結(jié)出幾個判定的標(biāo)準(zhǔn)，并通過實例予以說明。1）有相當(dāng)?shù)某两盗考墸?）有一定的點群效應(yīng)，即周圍多個點都有類似的沉降，而不僅僅是一或二個點的沉降；3）最好有一定的持續(xù)性，而不僅僅通過一期的觀測。圖1 是某地區(qū)一個放大了的等值線局部截圖，形似一個明顯的沉降區(qū)，該區(qū)以望南小學(xué)為沉降中心，周圍的寧滬49、望亭賓館、觀山轉(zhuǎn)盤等測點都有年速率數(shù)十mm的沉降，這些測點形成了一個沉降點群，具有明顯的群體效應(yīng)，其中望南小學(xué)2年的沉降量達(dá)到75mm，年速率達(dá)3

16、5mm以上，遠(yuǎn)超過3倍的測量中誤差。結(jié)合以往多期的觀測分析結(jié)果看，這一區(qū)域延續(xù)了以往的地面沉降。對照上面3條，這一地區(qū)可以判定為是一個沉降漏斗。雖然判定是一個沉降漏斗，但其地面沉降量是否真有如此之大呢？假設(shè)由于望南小學(xué)測點不穩(wěn)定，將望南小學(xué)觀測點去掉后重新進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后繪制等值線圖，這一地區(qū)的地面沉降量將大大減小，可能只有原沉降量的一半。較為可靠的結(jié)論是，這一地區(qū)確實有明顯地面沉降，實際沉降量可以打折考慮。圖1 望南小學(xué)及其周邊區(qū)域地面沉降等值線圖圖2為某區(qū)東南角放大后的等值線局部截圖，圖中的污水提升泵站測點在這一年中的點位下沉量為35毫米，而周圍其他幾個點的下沉量都在6毫米以下，說明這個形似

17、的沉降漏斗主要是污水提升泵站測點造成的，如果把這個點去掉再重新繪制等值線圖，這個漏斗或許會非常的不明顯，甚至不能稱其為漏斗。此外，這個點只有3期數(shù)據(jù)，其點位的穩(wěn)定性尚沒有經(jīng)過長期的檢核，未必有很大的可信度。結(jié)論是，此區(qū)暫時作為關(guān)注區(qū)看待。等待下一期的觀測結(jié)果再予以確認(rèn)。圖2 某區(qū)東南角地面沉降等值線圖5 結(jié)論進(jìn)行城市地面沉降研究，通常要將水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制為沉降等值線，對等值線的形態(tài)進(jìn)行分析。當(dāng)出現(xiàn)相鄰兩期地面沉降等值線形態(tài)相反時，應(yīng)注意是否是高程起算點的穩(wěn)定性有問題，或者是兩期數(shù)據(jù)處理使用了不同的起算點。而在選擇高程起算點時應(yīng)該慎之又慎，不但要實地調(diào)查其點位基礎(chǔ)環(huán)境，也要了解其在以往分析中的表

18、現(xiàn)。如果該區(qū)地面沉降明顯，又對變形測量的數(shù)據(jù)處理比較熟悉，最好采用本文提供的兩次平差法進(jìn)行起算點穩(wěn)定性的判定。對于地面沉降漏斗的判定，切忌只看形變量值的大小，而忽視了沉降漏斗的幾個判定條件。實際上，在這類問題的分析中，形變量的大小雖然很重要，但其數(shù)值只是一個參考值，并不是唯一的判定標(biāo)準(zhǔn)，還必須在實地考察的基礎(chǔ)上，考慮是否超限差，是否具有沉降點群特征，沉降是否具有繼承性等。即使這些條件均滿足，其形變量值也還是參考值，例如本文中的第一個沉降漏斗的判定。如果該例中另有點（最好幾個）出現(xiàn)相同量級的下沉，則這個沉降漏斗的最大沉降量可以認(rèn)為是這個量級，而不再需要打折處理。在實際地面沉降等值線分析中，上述問題會經(jīng)常出現(xiàn)，需要指出，研究人員首先應(yīng)進(jìn)行實地調(diào)研和查訪，落實監(jiān)測點的穩(wěn)定性，同時可以采用本文的方法進(jìn)