李靖，劉峻寧，朱麗強

(1.蘇州高新區(qū)測繪事務(wù)所有限公司，江蘇蘇州 215129;2.武漢大學(xué)測繪學(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發(fā)活動，都會破壞地殼上部的平衡而造成地面變形。當(dāng)前在經(jīng)濟活躍的地區(qū)，開發(fā)區(qū)已經(jīng)成為地方城市開發(fā)建設(shè)的活動主場，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，改變了經(jīng)歷多年變遷的區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)。若不對這些區(qū)域進行持續(xù)的監(jiān)測，就無法獲知城市基礎(chǔ)設(shè)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(chǎn)的安全，對社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展影響巨大。因此，本文著重探討了在城市開發(fā)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)的沉降監(jiān)測網(wǎng)網(wǎng)點的穩(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、堅硬或半堅硬巖層時地面會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發(fā)地下流體資源、巖溶塌陷和開采固體礦產(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)是近年來新的沉降制約因素，在地區(qū)城市化進程中不斷顯露，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。

隨著開發(fā)區(qū)內(nèi)城市建設(shè)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(yè)園區(qū)等使城市透水區(qū)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(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(wěn)定性分析方法

在沉降監(jiān)測的工作中，基準(zhǔn)網(wǎng)穩(wěn)定性分析的常用方法是對基準(zhǔn)網(wǎng)進行多周期的檢測，通過基準(zhǔn)網(wǎng)點的高程變化趨勢來分析其穩(wěn)定性［8～10］。因此，在城市開發(fā)區(qū)沉降控制網(wǎng)分析時可以采用平均間隙法進行分析。

平均間隙法是穩(wěn)定性的整體檢驗中的一種，它是通過假設(shè)檢驗來判別網(wǎng)中的平均位移是否穩(wěn)定。假設(shè)兩周期觀測為等精度觀測，根據(jù)兩周期的單位權(quán)方差計算一個共同的單位權(quán)方差;再將兩周期觀測結(jié)果所求的兩組網(wǎng)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(quán)方差。如果假設(shè)的“兩次觀測期間網(wǎng)點的點位無變化”是正確的，則兩種單位權(quán)方差應(yīng)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(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時，將絕對值較大者作為分子，計算統(tǒng)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(xiàn)分位值可以查表或通過函數(shù)計算得到。如果F0滿足，則認(rèn)為兩周期觀測無顯著差異為等精度觀測，否則認(rèn)為兩周期觀測不是等精度觀測，而不能直接比較其坐標(biāo)差異。

(2)兩周期觀測的綜合單位權(quán)方差計算:

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

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

為把分成穩(wěn)定點影響和動點影響兩個統(tǒng)計獨立的部分，采用如下變換:

4 應(yīng)用分析

某開發(fā)區(qū)為了有效推進區(qū)內(nèi)的土石方工程、建筑等施工項目的開展，每年定期聯(lián)測埋設(shè)在區(qū)內(nèi)的水準(zhǔn)點，為開發(fā)建設(shè)提供高程基準(zhǔn)，同時也開展了區(qū)域內(nèi)的沉降監(jiān)測分析。為對數(shù)據(jù)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(yīng)的計算程序。最后抽取了小樣本數(shù)據(jù)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(zhǔn)點分布圖

上圖1為抽取的部分樣本水準(zhǔn)點點位分布圖，實際監(jiān)測過程中對上述點位進行了兩次觀測，觀測數(shù)據(jù)如表1所示。

兩期觀測數(shù)據(jù) 表1

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

以上為選取開發(fā)區(qū)局部區(qū)域進行的自動化數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)論中的建議對區(qū)域內(nèi)的沉降監(jiān)測分析、施工區(qū)的基坑、建筑等監(jiān)測有一點的指導(dǎo)參考意義。

5 結(jié)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(fā)區(qū)內(nèi)，由于統(tǒng)一規(guī)劃實施工程建設(shè)投入較大，應(yīng)該重視由此產(chǎn)生的地面沉降。對由測量獲得的變形的解釋需要多學(xué)科專業(yè)知識，在變形監(jiān)測的整個過程中，多方具有專業(yè)背景的人員合作非常重要。對于產(chǎn)生變形的原因，需要跟有關(guān)專業(yè)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(chǎn)生地面沉降的機理，建立適合區(qū)域的地面沉降模型，對于搞好災(zāi)害預(yù)警工作，不失為好的對策。

［1］ 袁銘，嚴(yán)勇．蘇州市地面沉降現(xiàn)狀分析［J］．自然災(zāi)害學(xué)報，2010(19):129 ～133．

［2］姜洪濤．蘇錫常地區(qū)地面沉降及其若干問題探討［J］．第四紀(jì)研究，2005，25(1):32 ～36．

［3］于軍，王曉梅，武健強等．蘇錫常地區(qū)地面沉降特征及其防治建議［J］．高校地質(zhì)學(xué)報，2006 12(2):29～34．

［4］袁銘，嚴(yán)勇，陳繼山．蘇州相城區(qū)地面沉降現(xiàn)狀分析［J］．蘇州科技學(xué)院院報，2010，23(4):48 ～50．

［5］解曉南，許朋柱，秦伯強．太湖流域蘇錫常地區(qū)地面沉降若干問題探析［J］．長江流域資源與環(huán)境，2005，14(1):129～133．

［6］謝海瀾，鄭錦娜．區(qū)域性地面沉降研究現(xiàn)狀［J］．地質(zhì)調(diào)查與研究，2009，33(3):78 ～82．

［7］鄒俊平．2011年上海市精密水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測數(shù)據(jù)處理與分析［J］．城市勘測，2012(5):98～101．

［8］陳國棟，向東，黃甜等．沉降監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)穩(wěn)定性分析的應(yīng)用［J］．地理空間信息，2010(4):149～151．

［9］張勇，朱郭勤．水準(zhǔn)點穩(wěn)定性F檢驗法與t檢驗法異同的研究［J］．鐵道勘察，2010(4):21～24．

［10］虞定麒．用平均間隙法對多期觀測水準(zhǔn)網(wǎng)做點位穩(wěn)定性檢驗［J］．工程勘察，1994(3):53～57．123