李靖，劉峻寧，朱麗強(qiáng)

(1.蘇州高新區(qū)測(cè)繪事務(wù)所有限公司，江蘇蘇州 215129;2.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢 430079;3.蘇州工業(yè)園區(qū)格網(wǎng)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(dǎo)致區(qū)域性地面高程降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，是一種不可補(bǔ)償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失，已經(jīng)成為全球性的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害。特別是自然資源的開(kāi)發(fā)活動(dòng)，都會(huì)破壞地殼上部的平衡而造成地面變形。當(dāng)前在經(jīng)濟(jì)活躍的地區(qū)，開(kāi)發(fā)區(qū)已經(jīng)成為地方城市開(kāi)發(fā)建設(shè)的活動(dòng)主場(chǎng)，各類大型建筑拔地而起，河流、道路統(tǒng)一規(guī)劃，大型土石方工程規(guī)模日趨增長(zhǎng)，改變了經(jīng)歷多年變遷的區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)。若不對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)，就無(wú)法獲知城市基礎(chǔ)設(shè)施、建筑工程等整個(gè)地表的沉降情況，難以保證人們生活和生產(chǎn)的安全，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展影響巨大。因此，本文著重探討了在城市開(kāi)發(fā)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)的沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)的穩(wěn)定性，提出適用于該特征區(qū)域的穩(wěn)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(zhì)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(jiān)硬或半堅(jiān)硬巖層時(shí)地面會(huì)因地層厚度的變小而發(fā)生沉降;因地質(zhì)構(gòu)造作用導(dǎo)致地面凹陷而發(fā)生沉降;地震導(dǎo)致地面沉降等原因造成的。人為因素主要是由開(kāi)發(fā)地下流體資源、巖溶塌陷和開(kāi)采固體礦產(chǎn)引起的。其中流體資源包括地下水、石油天然氣和地?zé)岬?。工程建設(shè)是近年來(lái)新的沉降制約因素，在地區(qū)城市化進(jìn)程中不斷顯露，在部分地區(qū)的大規(guī)模城市改造建設(shè)中地面沉降效應(yīng)明顯。

隨著開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)城市建設(shè)的推進(jìn)，混凝土、大理石、花崗巖的地面、廣場(chǎng)、路面和人行道;超大面積的廠房，無(wú)限擴(kuò)張的工業(yè)園區(qū)等使城市透水區(qū)域下滲水量過(guò)快減少，土壤水分補(bǔ)給減少，補(bǔ)給地下含水層的水量減少，致使徑流減少，地下水補(bǔ)給來(lái)源也隨之減少，促使地下水位急劇下降。有學(xué)者指出城市建設(shè)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(duì)地面沉降也有較大影響，應(yīng)引起重視［1～7］。上海市地質(zhì)調(diào)查研究院的研究表明，上海地面沉降的原因有七成要?dú)w因于城市地下水的過(guò)分開(kāi)采，而其余三成則來(lái)自高層建筑和重大工程項(xiàng)目的影響。

3 穩(wěn)定性分析方法

在沉降監(jiān)測(cè)的工作中，基準(zhǔn)網(wǎng)穩(wěn)定性分析的常用方法是對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行多周期的檢測(cè)，通過(guò)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的高程變化趨勢(shì)來(lái)分析其穩(wěn)定性［8～10］。因此，在城市開(kāi)發(fā)區(qū)沉降控制網(wǎng)分析時(shí)可以采用平均間隙法進(jìn)行分析。

平均間隙法是穩(wěn)定性的整體檢驗(yàn)中的一種，它是通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)來(lái)判別網(wǎng)中的平均位移是否穩(wěn)定。假設(shè)兩周期觀測(cè)為等精度觀測(cè)，根據(jù)兩周期的單位權(quán)方差計(jì)算一個(gè)共同的單位權(quán)方差;再將兩周期觀測(cè)結(jié)果所求的兩組網(wǎng)點(diǎn)的點(diǎn)位看做是一組雙觀測(cè)值，由雙觀測(cè)值之差計(jì)算方差的方法計(jì)算觀測(cè)值的單位權(quán)方差。如果假設(shè)的“兩次觀測(cè)期間網(wǎng)點(diǎn)的點(diǎn)位無(wú)變化”是正確的，則兩種單位權(quán)方差應(yīng)來(lái)自同一母體，采用F檢驗(yàn)法可以檢驗(yàn)兩個(gè)方差的同一性。具體步驟如下:

(1)觀測(cè)周期的同一性檢驗(yàn):由每期網(wǎng)平差的改正數(shù)可以得到單位權(quán)方差:……)，當(dāng)兩周期為等精度觀測(cè)時(shí)，將絕對(duì)值較大者作為分子，計(jì)算統(tǒng)計(jì)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(xiàn)分位值可以查表或通過(guò)函數(shù)計(jì)算得到。如果F0滿足，則認(rèn)為兩周期觀測(cè)無(wú)顯著差異為等精度觀測(cè)，否則認(rèn)為兩周期觀測(cè)不是等精度觀測(cè)，而不能直接比較其坐標(biāo)差異。

(2)兩周期觀測(cè)的綜合單位權(quán)方差計(jì)算:

(3)單位權(quán)方差計(jì)算:利用秩虧網(wǎng)平差可以求得每期觀測(cè)的各水準(zhǔn)點(diǎn)高程，間隙，間隙d的協(xié)因數(shù)陣為Qd=Q2－Q1，由間隙d可按下式計(jì)算單位權(quán)方差，h為獨(dú)立坐標(biāo)個(gè)數(shù)Qd的秩。

(5)利用逐點(diǎn)替代法找出網(wǎng)中的動(dòng)點(diǎn)。將網(wǎng)中水準(zhǔn)點(diǎn)劃分為兩組，即假設(shè)F為穩(wěn)定點(diǎn)組和M為動(dòng)點(diǎn)組，對(duì)間隙d及其權(quán)陣Pd作相應(yīng)的分塊，即:

為把分成穩(wěn)定點(diǎn)影響和動(dòng)點(diǎn)影響兩個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的部分，采用如下變換:

4 應(yīng)用分析

某開(kāi)發(fā)區(qū)為了有效推進(jìn)區(qū)內(nèi)的土石方工程、建筑等施工項(xiàng)目的開(kāi)展，每年定期聯(lián)測(cè)埋設(shè)在區(qū)內(nèi)的水準(zhǔn)點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)建設(shè)提供高程基準(zhǔn)，同時(shí)也開(kāi)展了區(qū)域內(nèi)的沉降監(jiān)測(cè)分析。為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速有效的處理，筆者按上述流程，利用C#語(yǔ)言編寫(xiě)了相應(yīng)的計(jì)算程序。最后抽取了小樣本數(shù)據(jù)為分析對(duì)象，自動(dòng)計(jì)算分析情況如圖1所示。

圖1 抽取樣本的水準(zhǔn)點(diǎn)分布圖

上圖1為抽取的部分樣本水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位分布圖，實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)上述點(diǎn)位進(jìn)行了兩次觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

兩期觀測(cè)數(shù)據(jù) 表1

輸入數(shù)據(jù)后，程序自動(dòng)進(jìn)行秩虧網(wǎng)平差與分析，輸出結(jié)果如下:

以上為選取開(kāi)發(fā)區(qū)局部區(qū)域進(jìn)行的自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)論中的建議對(duì)區(qū)域內(nèi)的沉降監(jiān)測(cè)分析、施工區(qū)的基坑、建筑等監(jiān)測(cè)有一點(diǎn)的指導(dǎo)參考意義。

5 結(jié)語(yǔ)

地面沉降觀測(cè)是一項(xiàng)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)量大的工作，特別在城市新型開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，由于統(tǒng)一規(guī)劃實(shí)施工程建設(shè)投入較大，應(yīng)該重視由此產(chǎn)生的地面沉降。對(duì)由測(cè)量獲得的變形的解釋需要多學(xué)科專業(yè)知識(shí)，在變形監(jiān)測(cè)的整個(gè)過(guò)程中，多方具有專業(yè)背景的人員合作非常重要。對(duì)于產(chǎn)生變形的原因，需要跟有關(guān)專業(yè)人員進(jìn)一步探討才能獲得更詳盡的答案。如果能夠分析清楚產(chǎn)生地面沉降的機(jī)理，建立適合區(qū)域的地面沉降模型，對(duì)于搞好災(zāi)害預(yù)警工作，不失為好的對(duì)策。

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