肖敏慧

河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院

基于現(xiàn)有技術(shù)國(guó)內(nèi)地面沉降監(jiān)測(cè)手段綜述

肖敏慧

河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院

由于人類(lèi)活動(dòng)，地面沉降問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，嚴(yán)重影響人類(lèi)的正常生活。我國(guó)加大了對(duì)地面沉降的研究力度，采用不同的監(jiān)測(cè)手段，主要有：水準(zhǔn)測(cè)量方法、三角高程測(cè)量方法、GPS技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法、InSAR方法、光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)。監(jiān)測(cè)手段從單一化向多元化發(fā)展，成本低，精度、自動(dòng)化程度、監(jiān)測(cè)連續(xù)性、效益越高，受外界條件影響越小等。

地面沉降 監(jiān)測(cè)手段 國(guó)內(nèi)技術(shù)

1 引言

目前，資源型缺水、水質(zhì)型缺水、工程型缺水問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)急需解決的問(wèn)題。為保證經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類(lèi)生產(chǎn)生活的需求，地下水的開(kāi)采量急劇增加，地下水的入滲小于其開(kāi)采量。超采地下水已引起全國(guó)多地出現(xiàn)地下水降落漏斗，造成不同程度的地面沉降。

地面沉降作為一種緩變形地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)水利工程、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、城市建設(shè)、生態(tài)環(huán)境、等產(chǎn)生極大不良影響，地面沉降監(jiān)測(cè)手段的發(fā)展顯得極其重要?；诂F(xiàn)有的技術(shù)，國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)地面沉降的手段主要有：水準(zhǔn)測(cè)量方法、三角高程測(cè)量方法、GPS技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法、InSAR方法、光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)等。

2 地面沉降機(jī)理

地面沉降的原因主要有：過(guò)度汲取地下水、礦產(chǎn)資源等開(kāi)采、地下洞室開(kāi)挖、溶洞開(kāi)發(fā)、上層建筑荷載等。其中，我國(guó)由于超采地下水引起地面沉降最為嚴(yán)重。

根據(jù)Terzaghi在1925年提出的有效應(yīng)力原理，即：

σ=σ’+p （1）

其中：σ為上覆荷載總應(yīng)力；σ’為有效應(yīng)力；p為孔隙水壓力。

結(jié)合牛頓第三定律，即作用力與反作用力。承壓含水層被抽水后，水頭下降△H，上覆荷載不變，則有：

σ=(σ'+γ△H)+(p-γ△H)（2）

根據(jù)上述分析，在上覆荷載應(yīng)力σ不變的條件下，過(guò)度開(kāi)采地下水，引起孔隙水壓力p減小，必然會(huì)使有效應(yīng)力增大，從而引起土顆粒的壓縮固結(jié)，造成地面沉降。

3 地面沉降監(jiān)測(cè)手段及其應(yīng)用

3.1 水準(zhǔn)測(cè)量

由于地殼的垂直運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)量高程精度較高，仍適用于地面沉降的監(jiān)測(cè)。水準(zhǔn)測(cè)量原理為：利用水平視線來(lái)求得兩點(diǎn)之間的高差，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性及可靠性，需設(shè)立基準(zhǔn)原點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

如圖1所示，在A-B兩端各豎立一根水準(zhǔn)標(biāo)尺，在A、B中間位置安置水準(zhǔn)儀，當(dāng)視線水平時(shí)，分別讀取A、B兩點(diǎn)的水準(zhǔn)標(biāo)尺讀數(shù)為a、b，A、B兩處高差即：

假設(shè)已知A點(diǎn)海拔高程為，則可得B的海拔高程：

圖1 水準(zhǔn)測(cè)量原理

當(dāng)B點(diǎn)所在區(qū)域出現(xiàn)地面沉降，其海拔高程HB將會(huì)發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)反復(fù)監(jiān)測(cè)與周期監(jiān)測(cè)，可得B點(diǎn)的沉降量。根據(jù)一系列點(diǎn)位的海拔高程變化量，便可大致估算出該地區(qū)的沉降中心。

但傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量具有工作周期長(zhǎng)、工作量大、經(jīng)費(fèi)高、受地形限制等缺點(diǎn)。

3.2 三角高程測(cè)量方法

三角高程測(cè)量原理為：根據(jù)兩點(diǎn)之間的水平距離或者斜距和豎直角，計(jì)算兩點(diǎn)之間的角度差，從而求得待測(cè)點(diǎn)的高程。

如圖2所示，在A處豎直放置經(jīng)緯儀，B處直立水準(zhǔn)標(biāo)尺，讀取A、B兩點(diǎn)的角度差及水準(zhǔn)標(biāo)尺讀數(shù)。已知A點(diǎn)高程為HA，求B點(diǎn)的高程HB,則：

圖2 三角高程測(cè)量

假設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)為A點(diǎn)，在基準(zhǔn)點(diǎn)海拔高程不變的條件下，待測(cè)點(diǎn)B所在的區(qū)域出現(xiàn)地面沉降，周期測(cè)量與來(lái)回測(cè)量的海拔高程不同，可得到B點(diǎn)所在區(qū)域的沉降量。

當(dāng)A、B兩點(diǎn)距離較遠(yuǎn)（>300m）時(shí)，需考慮大氣折光和地球曲率等影響。

3.3 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.3.1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的原理是，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影響匹配、模式識(shí)別等多種方法，對(duì)所攝取對(duì)象進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析和處理。具有自動(dòng)化程度高、成果多樣化、成本低、效率高等特點(diǎn)。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量應(yīng)用廣泛，由于其的高精度，可攝影近似在數(shù)值平面的目標(biāo)，即傾角ω比較小，滿(mǎn)足自動(dòng)匹配影響的要求，監(jiān)測(cè)出較小變形量的地面沉降。

3.3.2 GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)

GPS（Global Positioning System），即全球定位系統(tǒng)，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，GPS技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛。GPS類(lèi)似于傳統(tǒng)的后方交會(huì)法進(jìn)行定位，至少需要三顆GPS衛(wèi)星，利用其發(fā)射的數(shù)據(jù)，通過(guò)GPS電文解譯出衛(wèi)星的三維坐標(biāo)（Xi,Yi,Zi），i=1,2,3。根據(jù)距離交會(huì)的方法求出目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)（X,Y,Z），可得：

其中：ρi（i=1,2,3）分別為P點(diǎn)到三顆衛(wèi)星的距離。

通過(guò)GPS的連續(xù)監(jiān)測(cè)，則可得到目標(biāo)P的坐標(biāo)位置變化，計(jì)算出P點(diǎn)所在地面的沉降。

GPS作為20世紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①全球全天候定位；②定位精度高；③觀測(cè)時(shí)間短；④測(cè)站間無(wú)需通視；⑤可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)等。

3.4 InSAR方法

GPS（Global Positioning System），即全球定位系統(tǒng)，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，GPS技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)InSAR，以同一地區(qū)的兩張SAR圖像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用雷達(dá)回波的相位信息，求取這兩張圖像的相位差，得到干涉圖像，經(jīng)過(guò)相位解纏，從而獲得定高程數(shù)據(jù)。

如圖3所示,A1和A2分別是兩次觀測(cè)位置，兩點(diǎn)距離（基線距）為L(zhǎng)，基線與水平線之間的夾角為α，A1和A2到地面目標(biāo)P的距離分別為R和R+△R,A1的軌道高度為H，地面目標(biāo)P的高度是h。

圖3 干涉測(cè)量成像示意圖

地面目標(biāo)P可用以下公式計(jì)算：

根據(jù)余弦定理：

可得：

整理可得：

根據(jù)A1和A2的回波相位差與軌道重復(fù)，可得：

將公式（9）和（10）分別代入公式（7）中，可以得出：

InSAR技術(shù)可全天候，全天時(shí)監(jiān)測(cè)地面沉降，垂向精度高，可進(jìn)行大面積的控制測(cè)量。易受自然條件的影響，比如天氣、溫度、大氣等的影響。

3.5 光纖監(jiān)測(cè)

分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)是光在光纖媒介上感知和傳輸外界信號(hào)的新型傳感器，表現(xiàn)為光纖溫度和光纖應(yīng)變與頻率漂移之間的關(guān)系。其關(guān)系式為：

其中：νB(ε,T)為溫度為T(mén)，應(yīng)變?yōu)棣艜r(shí)的布里淵頻率漂移量；為光纖類(lèi)型與有關(guān)應(yīng)變之間的比例系數(shù)；為光纖類(lèi)型與有關(guān)溫度之間的比例系數(shù)。

光纖監(jiān)測(cè)可根據(jù)光纖的應(yīng)變和溫度的變化，分析其受力情況，計(jì)算出地面沉降。

目前，分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用廣其主要特點(diǎn)有信息量大、結(jié)構(gòu)單、可靠安全、使用方便、成本低、敏感性高、測(cè)距長(zhǎng)、外界干擾少等。

4 結(jié)論

①總結(jié)我國(guó)地面沉降的主要監(jiān)測(cè)手段，分析其使用原理。

②對(duì)比各監(jiān)測(cè)手段的特點(diǎn)，得出地面沉降的監(jiān)測(cè)手段趨向于信息化、自動(dòng)化，監(jiān)測(cè)效果明顯、可靠，成本低、效率高等。

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