城市地质灾害多发区域的沉降监测方案

王 健，汪金花

(河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009)

0 引言

城市的建(构)筑物密集且高大，地质灾害的频繁发生往往导致地表、道路、建(构)筑物等出现裂缝、错位、沉降、倾斜等变形。变形严重时会给人民的生命财产安全和生态环境保持带来巨大隐患。解决此问题的有效方法是设置合理的变形监测体系，对各种建(构)筑物和设施进行监测，根据变形值进行安全预报，适时采取有效的防患措施。另外，监测获取的长期的、准确的数据还将成为开展科学研究的宝贵资料。因此，对城市地质灾害多发区域来说合理的变形监测方案有着突出的意义和价值。本文以唐山市大南湖景区为例阐述其沉降监测体系的构建方案。

1 唐山市大南湖景区的基本状况和沉降监测体系构建

唐山市大南湖景区位于市中心南部2 km处，面积达28 km2，其中11 km2湖面，17 km2绿地，近年来其内部及周边兴建了大量建(构)筑物及各种设施。大南湖景区及周边地带地质条件复杂，断裂构造，特别是小构造非常发育，褶皱构造也比较发育。该区域地层以古生界的沉积层为主，基岩大部分被第四系所覆盖，在市区局部裸露地表。地层岩性以粘性土、粉土和砂类土交互沉积为主，砂层较厚。大南湖景区的前身是开滦唐山矿的采煤塌陷区，煤田采空形成的塌陷区、池塘、水沟分布较广。地质条件不稳定，地质灾害频繁发生，主要是采空塌陷、地震等。

地表沉降是大南湖景区的主要变形，并且由于地面的不均匀沉降以及地震等原因造成建(构)筑物产生倾斜、裂缝等变形。因此应设置完善的沉降监测体系。体系中包括:地面沉陷监测、交通和景观等设施沉降监测、建(构)筑物沉降监测、监测数据的处理分析、安全预报等，其形式见图1。

图1 沉降监测体系

2 大南湖景区地表及建(构)筑物沉降监测方案

2.1 沉降监测初步方案设计

沉降观测的实质是利用稳定基准点周期性的对变形体上的观测点进行精密高程测量，各点的高程变化量即为沉陷值。基准点的布设，最重要的是稳定性，其次是便于进行监测。大南湖景区本身为沉陷区，为保证基准点的稳定性，必须将其布置在景区外部稳定地区，而且要成组布设(布设三个以上)，以便相互检查确保稳定。大南湖景区面积较大，直接利用基准点对监测目标实施监测不但路线远，观测任务繁重，而且观测误差累积过大，降低了结果的可靠性。于是，应在景区内部较为稳定且靠近监测体适合监测的位置布设第二级沉降观测基准点(工作基点)。工作基点的稳定性需要定期利用基准点进行检查。

基准网的测量通常利用精密水准的方式进行，由于大南湖景区面积较大，将形成几十或上百公里的一、二等水准路线。这种水准测量的方法耗费时间长、资金投入大、作业人员劳动强度非常大。GPS技术具有速度快、全天候、自动化程度高等优点，但若要应用GPS技术进行基准网测量必须解决两个问题:(1)GPS测定的点位的大地高变化能否代替其正常高变化;(2)GPS技术测定的点位大地高的精度能否满足要求。

点位的正常高是以大地水准面为基准面，铅垂线为基准线，而其大地高是以地球椭球面为基准面，法线为基准线。设某点P因地面的沉降其正常高变化为Δh，相应的大地高变化为ΔU，二者之间的关系为:ΔU= Δh×cosα。其中a为垂线偏差，其值一般在20″以内，最大不超过1'。地面年沉降量一般不会超过1m，考虑最不利情况，即当Δh=1 m，a=1'时，有Δh－ΔU=4.2×10－8m。可见，在最不利情况下也完全可以用大地高代替正常高计算沉降量。

2.2 GPS大地高测量的误差分析

利用GPS测量大地高的精度主要受电离层和对流层对GPS信号折射的影响，下面主要讨论电离层和对流层的影响。

GPS卫星信号受电离层折射而产生的误差一般在5 m左右，但在白天正午时最大可达150 m。为了消除其影响，在GPS高程测量中可以采取以下措施:

(1)采用双频观测

电离层的影响是信号频率的函数，利用不同频率的电磁波信号进行观测，便可确定其影响的大小，进而对观测量加以修正。

其中，ΔIg(L1)为用L1载波的码观测时电离层对距离的影响，ρf1和ρf2分别为根据载波L1和L2的码观测所得的伪距，δφlp(L1)为对载波相位观测量的影响，φf1和φf2为相应于频率f1和f2的载波相位观测量。

利用该模型进行修正，其消除电离层影响的有效性可达95%。

(2)利用电离层模型加以改正

对于单频GPS接收机而言，一般采用由导航电文所提供的电离层模型，或其他适宜的电离层模型对观测量加以改正。此种模型有效性约为75%。

(3)利用同步观测值求差

利用两台或多台接收机，对同一组卫星的同步观测值求差，可显著减弱电离层折射影响。尤其当各观测站的距离较近时，由于卫星信号到达不同观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，通过求差后的残差将显著减小。

GPS卫星信号的对流层传播误差主要受干大气分量的影响，湿大气分量的影响仅占10%左右，但传播路线上大气湿度难以精确测定。干大气分量对测距的影响与卫星高度角有关，卫星高度角越低误差越大。为了减弱该因素的影响，常采用以下几种方法:

(1)不在炎热和潮湿的气候中进行高精度的GPS测量。在不同的气象条件下对流层延迟误差对气象元素误差的敏感程度是不同的，对于高精度GPS测量来讲其最佳的观测气候是低温干燥而有微风的天气。

(2)选择测站时应注意使测站附近的小环境尽可能和周围的大环境保持一致，以减少测站上的气象元素的代表性误差。

(3)同步观测的区域不很大时，可考虑采用广义测区平均气象元素法或时段标准气象元素法对对流层的影响进行修正。

2.3 GPS大地高测量精度的实验研究

GPS测高的精度与可靠性，还受网形结构、基准点的位置、观测时长等因素的影响。为了进一步研究该问题，我们在唐山市大南湖景区的北部约10 km2的范围内进行了实验研究。在实验区域内共布设了15个测点J1—J15，点间距1 km左右，另在实验区北部约2 km处布设了一点I。实验选用4台中海达8200单频GPS接收机，接收机测高的标称精度为10mm+1×10－6D，采用边点混联式布网，网形如图2所示。每时段的接收时间设计为60～90 min。GPS网的观测路线如表1所示。按该设计线路，对该网独立施测两次，两次测量间隔7天。

数据处理与分析:采用接收机自带的数据处理软件对两组观测数据进行处理，两组基线处理和网平差参数设置完全相同，以保证两组数据的可比性。观测数据处理采用自由网平差结果(获得点的大地高)，两组观测的结果见表2。按两组结果分别以I点和J7点为基准点计算其他各点相对于基准点的高差，结果见表3、表4。

图2 GPS监测网示意图

表1 GPS监测网观测路线

表2 GPS监测网的两组观测结果

表3 以I为基准求各点的相对高差

表4 以J7为基准求各点的相对高差

第一次观测每时段为1.5 h，第二次为1.2 h。通过对比两次测量结果的中误差、同步环相对闭合差、异步环相对闭合差，第一组数据的质量高于第二组。

试验区域在测量期间是稳定的，两次测量结果的不符值主要是由GPS测量误差造成的。从表3和表4可以看出，基准点点位的选择直接影响监测灵敏度与质量，以J7点作为基准点的结果明显优于以I点作为基准点。采用真误差计算中误差的方法计算，以I为基准点计算的高差精度:50 mm，其测高的精度:。以J7为基准点计算的高差精度:m=5.42 mm，其测Δh高的精度:mh=±3.84 mm。如果以J10为基准点进行计算，其结果与J7为基准点的结果相似。可见基准点位于监测区外围时，测高比例误差较大，监测结果可靠性差。

以上结果表明，利用GPS技术测高，在测区中央设置基准点，接收时间在1.5 h以上较为合理。取2倍中误差作为高差限差(即9.28 mm)，说明利用GPS测高技术在范围较小的情况下能够发现10 mm以上的沉降量。另外该实验采用的是单频接收机，如果采用双频接收机，并在观测时采取减小电离层及对流层对GPS测高影响的措施，其监测灵敏度与监测精度都将有所提高。

2.4 GPS测高与精密水准技术相结合的大南湖景区基准网观测方案设计

沉降变形可以分为均匀沉降和不均匀沉降两类。当地面及建(构)筑物上只发生均匀沉降而且沉降值不是很大时，对安全和使用影响很小;而不均匀沉降将会导致建(构)筑物倾斜、基础挠曲变形、裂缝等灾害，对安全使用和环境保持的危害巨大。因此，大南湖景区地表沉降监测系统应满足两个要求:一是能够比较准确的监测出各部位的绝对沉降值，二是能够非常精确的监测出各监测目标的不均匀沉降程度。

考虑大南湖景区的实际情况和各种测高技术的精度，其地表、建(构)筑物及设施的沉降监测技术方案可以这样设计(如图3所示):远离景区的稳定位置设置基本基准点一组，景区中央较稳定位置设置参考基准点(其为不稳定点)，景区内部每隔1～2 km基本稳定位置布设工作基点，监测目标上布设观测点。基本基准点与参考基准点按精密水准技术联测(保证参考基准点高程的精确性);参考基准点与工作基点按GPS测高技术联测(改善了GPS网形结构，保证工作基点高程的准确性);各监测目标上的沉降观测点与其较近的工作基点组成固定闭合水准路线用精密水准测量技术观测。如此不但能监测出目标的绝对沉降值，而且能保证精确的监测出不均匀沉降值(这是最为关键的)。该方案利用GPS测高方式联测参考基准点与工作基点，避免了传统的一、二等水准测量方式的缺点。

图3 沉降监测的技术方法和流程

根据大南湖景区的实际情况，基本基准点与参考基准点的联测应按照一等水准测量技术要求进行。选择的参考基准点和工作基点点位应便于GPS观测和水准联测，还应有利于安全作业、长期保存。各种基准点的选埋应符合等级水准点埋设的有关要求。

2.5 沉降监测点的布设与观测

(1)沉降监测点的布设

沉降监测点要布设于最能反映监测对象沉降特征的部位，根据监测对象的规模、形状、结构、观测方便、标志不易受破坏等条件决定。沉降监测点的布设还要考虑变形的大小、状态以及监测目标的重要性，应该既突出重点又兼顾一般。大南湖景区的沉降监测对象包括:内部及周边的建(构)筑物、景观设施、道路交通设施、地面等，监测点应根据各目标的具体情况进行布设，点位应有代表性，能够反映出整个监测体的沉降特征。例如:普通建(构)筑物沉降观测点应布设在外墙的转角处、沿外墙每隔8～12 m的基础上、纵横墙的交接处等关键部位;道路等设施应每隔1～2 km布置一个观测断面，每个观测断面布设1～3个观测点;地面沉降观测点的布设可采用网格法，平均每1～2 km布设一个观测点，地质条件不良区段或重要监测目标应适当增加监测点位。

不同的区域、不同的监测目标，观测点的布设是不同的。在监测初期，由于没有掌握变形情况，可以先按上述方法进行初步点位布设，等通过长期监测获得变形规律后再酌情调整。

(2)沉降观测的方法

为了能够非常精确的监测出各监测目标的不均匀沉降程度，沉降观测应采用精密水准测量方式，而且要组成固定的水准路线(某一个工作基点专门对某一个或几个监测目标上的点位组成固定闭合路线)。闭合差的大小应满足相应等级水准测量的限差要求。景区内部及周边重要的建(构)筑物和设施(例如高层楼房、大型酒店等)，应采用二等水准测量的方法进行沉降监测;地面、道路等设施可按三等水准测量的技术方法进行监测。

(3)沉降观测周期的确定

普通工程建(构)筑物基础沉降监测周期，相应规范上有明确规定。但大南湖景区地质条件特殊、地质灾害频发，其地面沉降特征有特殊性，所以不能简单搬照规范。大南湖景区沉降监测的周期，应按照其实际情况确定，并采用突出重点兼顾一般的原则，对重要的建(构)筑物、下沉量大的区域的监测目标为重点，监测周期应短，反之周期应长一些。

大南湖景区建(构)筑物、各种设施复杂多样，建设时期不统一，不同的结构形式、不同的时期、不同的地质条件应采用不同的监测周期。很多结构物在建设时期为保障施工质量和安全都进行了沉陷监测，通过对这些监测资料的分析结合实地调查可以获得各区位、各监测目标的基本沉降规律，据此先对各监测目标确定一个基本合理的周期初值，经过一定时期观测掌握了准确规律后，再对其进行适当调整，这是确定大南湖景区沉降监测周期的合理方法。此外，在出现特殊情况时还要进行紧急监测，例如:在建(构)筑物附近新建主要建(构)筑物时、修建削弱地基承载力的地下工程时、建(构)筑物进行加层及大修时、出现地震等情况。

大南湖景区特殊的地质环境，决定其地表沉降值、沉降速度的区域分布复杂，而且沉降现象长期存在，所以应作长期持续沉降监测。很多已建成的结构物在施工期间由施工单位进行了监测，应将其变形资料进行统计整理，并纳入到今后长期统一的监测体系中，以保证监测数据的连续性和统一性。

2.6 大南湖景区沉降观测成果的整理

(1)内业计算初始工作

内业初始工作包括测站高差、往返测闭合差、水准路线闭合差的计算与检核，外业初始成果完成后即可进行平差计算和精度评定。然后计算如下几项:1)各沉降点的本期沉降值和累计沉降值;2)建(构)筑物和设施的基础或部分地基在指定时期内的平均沉降值;3)全部或部分沉降点的沉降速度与加速度;4)地基平面由于不均匀沉降所产生的基础倾斜值和挠曲值。

(2)沉降观测成果的图表资料

沉降监测后需对各结构体的沉降情况编写一份技术总结，总结中除了沉降数据资料外，还应包括基础结构的特点、荷载情况、地质问题等，并附以下图表资料:1)各观测点的沉降过程线;2)沉降的展开曲线图和变形值剖面分布图;3)标有沉降标志和等沉降线的平面图。

3 结束语

在地质不良地区建立变形监测体系，是减小地质灾害造成损失的有效方法。变形监测体系应在分析实际情况的基础上建立，包括监测的内容、对象、基准点与监测点的布设和观测、监测周期的设置、数据的处理等。本文以唐山市大南湖景区为例，阐述了其地表沉降监测的方案，为其变形监测体系的建立提供指导，同时对其他类似地区具有重要的借鉴和参考价值。

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