韓飛，韓紅梅，王漢西，鄒連慶

(1.濟寧市土地綜合整治中心，山東 濟寧 272000；2.山東省地質環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟南 250000)

0 引言

濟寧城區(qū)地面沉降歷史由來已久，1988—1998年間多次的水準測量顯示，期間最大累計沉降量202.3mm，最大沉降速率25.3mm/a[1]。城區(qū)內(nèi)的李營街道辦事處地面沉降區(qū)被山東省劃定為一級控制區(qū)，面積約110km2，2016—2017年INSAR監(jiān)測結果顯示，平均沉降速率約21mm/a。濟寧城區(qū)地面沉降速率較快，正處于持續(xù)發(fā)展時期。地面沉降對濟寧城市排水系統(tǒng)的影響顯著。濟寧城區(qū)位于魯西南，地面標高較低，一般在34.3～40.0m，緊鄰我國北方最大的淡水湖----南四湖的北段；而南四湖作為城市排澇泄洪區(qū)，最高月平均水位多年平均值為34.82m，最高月平均水位36.77m(1957年8月)[2]，地面沉降勢必進一步減弱城市雨水自流排放能力，增加城市內(nèi)澇風險，提高排水防澇系統(tǒng)建設成本。地面沉降監(jiān)測是一項需要長期堅持的公益性地質工作[3]，而濟寧地面沉降監(jiān)測尚處起步階段，需要較為先進完善的監(jiān)測系統(tǒng)提供基礎支撐。該文就濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)的設計和施工進行論述，以期對相似地區(qū)的地面沉降監(jiān)測工作提供借鑒。

1 區(qū)域構造及地層

濟寧城區(qū)位于華北板塊(Ⅰ級)魯西隆起區(qū)(Ⅱ級)內(nèi)的濟寧潛凹陷(Ⅲ級)，東臨兗州潛凸起，西接嘉祥潛凸起，分別以SN向的孫氏店斷裂和嘉祥斷裂為界(圖1)[4]。濟寧城區(qū)第四紀地層以下形成斷塊凹陷的基底。周邊地區(qū)地層由老到新主要有寒武-奧陶系、石炭-二疊系、侏羅系、新近系、第四系。城區(qū)新近系以下基巖地層以侏羅系上統(tǒng)淄博群三臺組紫紅色砂巖為主[5]；城區(qū)南部和西部局地小范圍有燕山期巖漿巖侵入；城區(qū)北部分布石炭二疊系砂頁巖，夾有煤層和薄層石灰?guī)r。

1—隆起區(qū);2—凹陷區(qū);3—斷裂;4—古近系;5—上侏羅系;6—石炭-二疊系;7—寒武-奧陶系;8—泰山巖群;9—巖漿巖;10—汶上-寧陽潛凹陷;11—嘉祥潛凸起;12—濟寧潛凹陷;13—兗州潛凸起;14—尼山凸起;15—城市居住區(qū)圖1 濟寧區(qū)域地質構造略圖

2 監(jiān)測系統(tǒng)設計思路

2.1 沉降成因討論

廣義的地面沉降是指自然因素或(和)人為因素作用下形成的地面標高損失[6]，自然因素包括構造下沉、地震、火山活動、氣候變化、地應力變化以及巖土體的自然固結等；人為因素是指開采地下流體資源和固體礦產(chǎn)等[7-11]。

濟寧城區(qū)位于地震烈度Ⅵ度區(qū)和Ⅶ度區(qū)交界位置；據(jù)統(tǒng)計，濟寧市境內(nèi)近10年發(fā)生地震14次，其中，2.0～3.0級地震13次，3～4級1次。地震震級較小，對于地面沉降的影響程度有待研究。

濟寧城區(qū)前新近紀基巖地層為斷塊凹陷，存在相對沉降的構造環(huán)境。根據(jù)山東省區(qū)域地殼形變地面測量資料，1959—1972年，濟寧城區(qū)(沉降中心)下降量在10～20mm[12-13]；1951—1972年，下降速率為0～0.59mm/a；1959—1979年，下降速率為1～3mm/a[14]。1971—1986年，濟寧城區(qū)下降約10～20mm，下降速率1mm/a，地殼升降與斷裂相吻合，嘉祥斷裂以西最高上升6.5mm，上升速率為0～0.43mm/a；嶧山斷裂以東的泰沂蒙山區(qū)為隆起區(qū)，斷裂兩側變幅較大，其中曲阜東部地區(qū)上升20～30mm，上升速率>2.0mm/a[15]。可見，濟寧城區(qū)受新構造運動中地殼變形的一定的影響，但同時也應關注地殼形變測量時，數(shù)據(jù)的提取易受到地下水過量開采導致的地面沉降等人為干擾[16]。城區(qū)內(nèi)地面沉降與地下水過量開采密切相關，并且是近幾十年內(nèi)地面沉降的主要誘因，在相關研究中已經(jīng)得以證實[1]。

分析認為，濟寧城區(qū)短期地面沉降的主要影響因素是地下水過量開采導致的松散地層壓縮，而構造沉降和地震是在大區(qū)域構造運動背景下產(chǎn)生的，需要進行專門監(jiān)測研究。

2.2 監(jiān)測目的及對象

由于地面沉降成因復雜，監(jiān)測工作必須依據(jù)成因，綜合研究，分類監(jiān)測，專門監(jiān)測。本監(jiān)測系統(tǒng)主要針對地下水過量開采引發(fā)松散地層壓縮所導致的地面高程降低的地質現(xiàn)象[17]；監(jiān)測對象是前新近紀基巖地層以上覆蓋的松散地層。

2.3 研究區(qū)面臨的主要問題

(1)缺乏穩(wěn)定基巖基準點。濟寧城區(qū)開展地面沉降水準測量，一直缺乏穩(wěn)定的基準點，在往期的測量工作中，是以嘉祥縣疃里鎮(zhèn)曠山村(圖1)出露的基巖為測量原點，距離濟寧市區(qū)11km，每次測量必須以Ⅰ等水準測量至市區(qū)，難以快速形成測量成果，也會影響測量精度。

(2)應排除構造因素影響。由于地面標高降低的現(xiàn)象，是多重因素疊加的結果。地面沉降監(jiān)測中，應該排除構造因素的影響。

(3)原有監(jiān)測形式單一，監(jiān)測設施嚴重缺乏。通過普查發(fā)現(xiàn)，原有用于地面沉降監(jiān)測的水準標石大部分已經(jīng)被毀壞或無法找到，需要重新布設地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡。

(4)對第四系土體的分層監(jiān)測和壓縮特性研究不足。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)設計總體思路

為了排除構造變動影響，在濟寧城區(qū)單一構造單元內(nèi)，建設針對地下水過量開采引發(fā)的地面沉降專門監(jiān)測系統(tǒng)[18]，可以進行實時監(jiān)測、精細監(jiān)測和應急統(tǒng)測。

濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋面積180km2，主要由數(shù)據(jù)中心、監(jiān)測站和監(jiān)測網(wǎng)組成(圖2)。建設多功能一體化監(jiān)測站2座，城南、城北分別建設主站和輔站，集合數(shù)據(jù)中心、標組監(jiān)測、地下水監(jiān)測、GNSS連續(xù)運行(基巖)基準站、安防系統(tǒng)、科普宣傳等功能于一體；水準監(jiān)測網(wǎng)[19]包括2個基巖水準點、44個土層水準點和4個一等水準點；GNSS監(jiān)測網(wǎng)包括2個A級GNSS(基巖)基準點、8個B級GNSS基本點(圖3)。

圖2 濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)組成

1—地面沉降監(jiān)測站;2—GNSS監(jiān)測點;3—水準監(jiān)測點;4—一等水準點圖3 濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡分布

3 主監(jiān)測站設計與施工

3.1 施工流程

主監(jiān)測站是將數(shù)據(jù)中心、標組監(jiān)測、地下水監(jiān)測、GNSS連續(xù)運行(基巖)基準站、科普宣傳、安防等功能集于一體，具體施工流程見圖4。

圖4 主監(jiān)測站施工流程圖

3.2 平面布局

主監(jiān)測站建筑面積183m2，分為監(jiān)測室和數(shù)據(jù)處理中心(圖5)。監(jiān)測室主要用于埋設沉降監(jiān)測標組和地下水監(jiān)測孔；其中，C0為地面標，C5為基巖標、C1，C2，C3，C4為不同深度的分層標，G1，G2，G3為不同深度的地下水位觀測孔，K1，K2，K3，K4為不同深度的地下孔隙水壓力觀測孔。

1—地面標；2—基巖標；3—分層標；4—水位觀測孔；5—孔隙水壓力觀測孔；6—孔口保護管圖5 主監(jiān)測站平面布局圖

標頭和自動化數(shù)據(jù)采集設備位于地面保護管內(nèi)，保護管為預制混凝土管(內(nèi)徑0.75m、高度1.2m)，埋入地下并與地面保持齊平，上面加蓋雙層夾膠鋼化玻璃；保護管之間預埋PVC地下線管，用于數(shù)據(jù)采集設備的安裝走線。數(shù)據(jù)處理中心內(nèi)有操作臺和顯示屏，主要用于標組和GNSS相關數(shù)據(jù)的接收、存儲、處理、發(fā)布和演示。監(jiān)測室、數(shù)據(jù)處理中心和外部之間的電力、網(wǎng)絡和通訊線路全部通過地下線管聯(lián)通。

3.3 立面結構及監(jiān)測標埋深

為查明工程地質條件，首先進行地質鑒定孔施工，深度236.36m，采集128件樣品，巖礦試驗754件，物探測井427.75m。根據(jù)地質鑒定孔和巖土試驗分析，工程地質層的劃分為：表土層(0～4m)、第一壓縮層組(4～23.5m)、第Ⅰ含水砂層組(23.5～71m)、第二壓縮層組(71～105m)、第Ⅱ含水砂層組(105～142m)、第三壓縮層組(142～204.5m)和基巖層(204.5m以下)(圖6)。

第Ⅰ含水砂層組為潛水和微承壓水，分別設置G1、G2兩個水位觀測孔和K1，K2，K3三個孔隙水壓力孔，用于監(jiān)測主開采層地下水動態(tài)情況；第Ⅱ含水砂層組砂層與粘土層互層，隔水性較好，為深層承壓水，平均涌水量(3.23m3/h)較小，分別設置G3水位觀測孔和K4孔隙水壓力觀測孔，進行監(jiān)測；設置5組監(jiān)測標對地層進行分段控制?；鶐r標(C5)地面設有水準測量點，基巖標桿向上穿過標房頂部屋頂，用于GNSS觀測墩建設，并安裝接收天線設備。

1—地面標；2—基巖標；3—分層標；4—水位觀測孔；5—孔隙水壓力觀測孔圖6 立面結構和監(jiān)測標組埋深圖

3.4 基巖標設計與施工

基巖標是監(jiān)測標的一種，是座落在穩(wěn)定基巖上的相對固定參照點?；鶐r標孔徑為Ф270mm，終孔深度218.21m，地面標頭至標底219.11m(圖7)。

基巖標施工工藝：首先用Ф270mm鉆頭鉆至207.03m后，進行綜合物探測井，終孔孔斜0.57°；物探測井結束后清孔換漿，清孔至孔底無沉淀后吊下Ф177.8mm×8.05mm保護管(長度207.53m)，保護管埋深207.03m，保護管之間采用管箍絲扣連接，連接前在絲扣部分涂刷密封膠，保證密封不滲漏，隔20m加一組弓形扶正器，管外用水泥漿固井；保護管外水泥凝固后，用Ф150鉆頭鉆至218.21m，終孔前取心驗證目的地層，清孔至孔底無沉淀后依次下入Ф73.02mm×7.32mm標桿(含標底，長度121.34m)和Ф60.3mm×4.83mm標桿(含變徑接頭，長度97.77m)，標底埋深218.21m，標桿之間采用管箍絲扣連接，每一根標桿加一組滾珠式扶正器，采用水泥漿固定標底。

圖7 基巖標結構圖

3.5 GNSS連續(xù)運行(基巖)基準站

由于平原地區(qū)缺乏穩(wěn)定基巖，無論水準測量還是GNSS測量都缺乏穩(wěn)定的參考點，在城區(qū)范圍內(nèi)設計建設2個GNSS連續(xù)運行(基巖)基準站[20-21]。基巖標的施工提供了有效的穩(wěn)定參考點，在既滿足基巖標水準測量功能的前提下，將GNSS天線架設于基巖標桿頂端，基巖標桿通向屋頂，上部建設觀測墩用于支撐觀測天線，將GNSS觀測墩與基巖標一體化建設。

由于觀測墩是在基巖標與標房的基礎上建設的，標房存在垂直方向位移的可能性，需要對觀測墩進行特殊設計(圖8)，既能保證基巖標在水平方向的穩(wěn)定性，又可以使基巖標在垂直方向上不能因穿透房屋而受到垂直位移的限制。GNSS觀測墩采用鋼筋混凝土結構，柱體內(nèi)預埋PVC管道，用于敷設天線電纜。墩外部進行隔溫處理，頂部安裝強制對中器，扼流圈天線用透波材料的天線罩覆蓋，以避免自然環(huán)境如強風、雨雪、日照、鹽蝕等對天線的損壞。

建設步驟如下：首先清理屋頂標桿，準備鋼制內(nèi)套管，法蘭盤限位器，限位器內(nèi)徑比標桿大約1mm，除銹，上防銹漆；內(nèi)套管固定至屋頂；內(nèi)套管下部封堵密封材料，密封材料上放置一法蘭盤限位器；內(nèi)套管與標桿之間灌注細沙，放置并焊接法蘭盤限位器，限位器內(nèi)圈用橡膠圈密封防水；標頭焊接GNSS強制對中器，底座鋼盤直徑大過內(nèi)套管直徑，起到固定，防塵、防雨的作用；安置底座模具，灌注底座水泥，待底座稍稍凝固之后，放置外保護套管，放置線纜管于外保護套管中，然后灌注水泥；水泥凝固之后，修飾墩身，安置扼流圈天線，連接線纜至室內(nèi)操作臺；安置屋頂避雷針。

圖8 GNSS觀測墩結構圖

3.6 分層標設計與施工

分層標是運用鉆探技術將不同埋深地層的高程引致地面進行觀測的一種特殊的鉆孔裝置(圖9)[3]。主監(jiān)測站共設置6層分層標(圖6)，用于測量地下土層的壓縮量。

分層標施工工藝：以C4為例，首先用Ф300mm鉆頭鉆進，鉆至142.68m后換Ф110mm取心鉆具取心至144.93m，取心驗證孔底巖性為目的層粘性土后，用Ф300mm鉆頭擴孔至144.93m。終孔后測孔斜、丈量鉆具校正孔深、清孔換漿。清孔換漿至孔底無沉淀后依次吊下標底(長度2.91m，不含插釬)和Ф139.7mm×7.72mm保護管(含標底總長度145.53m)，保護管之間采用管箍絲扣連接，連接前在絲扣部分涂刷密封膠，保證密封不滲漏，隔20m左右加一組弓形扶正器，標底下至孔底后，將標底插釬壓入地層，標底埋深144.93m；保護管內(nèi)下入Ф60.3mm×4.83mm標桿(含標底總長度145.95m)，標桿之間采用管箍絲扣連接，隔9m左右加一組滾珠式扶正器，標桿與標底對接并連接牢固，然后壓住標桿，上提保護管0.6m。保護管外用粘土球固井。

圖9 分層標結構圖

3.7 綜合性自動化監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測站的自動化監(jiān)測系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集端和接收處理端。采集端主要有標組模塊、GNSS模塊和安防模塊，模塊之間相互獨立，模塊可擴展；接收處理端為數(shù)據(jù)處理中心，主要有接收設備、處理設備和顯示設備，核心為服務器。采集端與接收處理端通過GPRS和TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，接收處理端支持多個采集端的接入，為綜合站或者單一監(jiān)測站的擴展接入提供條件。具體的設備連接和數(shù)據(jù)傳輸見圖10。

圖10 綜合性自動化監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

3.8 綜合性地面沉降監(jiān)測管理系統(tǒng)

以“數(shù)據(jù)中心+監(jiān)測站”的模式，一個數(shù)據(jù)中心支持多監(jiān)測站擴展，為后期監(jiān)測預留空間。數(shù)據(jù)中心由服務器、數(shù)據(jù)庫、管理系統(tǒng)、接收設備、網(wǎng)絡設備等組成，負責數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲、管理與服務發(fā)布。為了便于數(shù)據(jù)的采集、接收、存儲、處理和展示，在服務器上建立綜合性地面沉降監(jiān)測管理系統(tǒng)。管理系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡架構，有利于多層次、不同權限用戶的服務，兼具考慮系統(tǒng)的整體性與可擴充性。開發(fā)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理和預警、數(shù)據(jù)報表、安防監(jiān)控、成果展示、測量數(shù)據(jù)成果等模塊。服務器可以遠程訪問GNSS連續(xù)運行基準站接收機和UPS設備，對數(shù)據(jù)進行接收、存儲和管理。

3.9 科普宣傳展示

監(jiān)測站內(nèi)標頭、數(shù)據(jù)采集設備和管線都埋入地下保護管內(nèi)，地面上加蓋透明玻璃。埋入式的安裝有效地利用了室內(nèi)空間，通過展覽室、監(jiān)測設施、宣傳片、展板等，將監(jiān)測站打造成監(jiān)測、數(shù)據(jù)服務與科普宣傳一體化的平臺。

4 輔監(jiān)測站設計與施工

輔監(jiān)測站位于濟寧城區(qū)南部太白湖區(qū)，設計和施工與主監(jiān)測站相似，包含基巖標、分層標、水位監(jiān)測孔、自動化監(jiān)測系統(tǒng)以及科普宣傳設施。相較于主監(jiān)測站，僅有監(jiān)測室，減少了孔隙水壓力監(jiān)測。

5 水準監(jiān)測點設計與施工

水準點標識設計為混凝土柱(圖11—圖12)，并設有保護井，上部有混凝土保護蓋；挖基坑2m，底座1.2m寬，有2個測量標志點。普通水準點與基本水準點相似，底座為0.6m寬，有1個測量標志點。

圖11 基本水準點標石結構圖

圖12 普通水準點標石結構圖

6 GNSS監(jiān)測網(wǎng)點設計與施工

A級GNSS基巖基準點位于基巖標桿頂端；B級GNSS基本點根據(jù)規(guī)范要求，點位選址地質環(huán)境穩(wěn)定，無電磁干擾和振動源。GNSS監(jiān)測墩底座首先進行土層夯實，然后澆筑0.8m深的鋼筋混凝土，監(jiān)測墩高1.8m。為便于管理，GNSS監(jiān)測墩采用統(tǒng)一編號，統(tǒng)一制式，都配備一塊說明牌標注“濟寧城市沉降監(jiān)測點”字樣，說明牌注明監(jiān)測墩的點號、建設單位、聯(lián)系電話、建設日期等相關信息(圖13)。

圖13 GNSS監(jiān)測墩結構圖

7 結論

(1)地面沉降成因復雜，監(jiān)測工作必須依據(jù)成因，綜合研究，分類監(jiān)測，專門監(jiān)測。

(2)濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測站、水準監(jiān)測網(wǎng)和GNSS監(jiān)測網(wǎng)組成，可以滿足實時監(jiān)測、精細監(jiān)測和快速統(tǒng)測的需要。

(3)沉降標組監(jiān)測、GNSS連續(xù)站和數(shù)據(jù)中心配套建設，可以在場地、設備、電力網(wǎng)絡和基礎設施等方面實現(xiàn)共享利用，大大提高了地面沉降監(jiān)測設施的利用效率。

(4)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性還有待進行長期連續(xù)性監(jiān)測和評價。