城市新型开发区地面沉降监测分析研究

李靖，刘峻宁，朱丽强

(1.苏州高新区测绘事务所有限公司，江苏苏州 215129;2.武汉大学测绘学院，湖北武汉 430079;3.苏州工业园区格网信息科技有限公司，江苏苏州 215027)

1 引言

地面沉降是在自然和人为的因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面高程降低的一种环境地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失，已经成为全球性的地质环境灾害。特别是自然资源的开发活动，都会破坏地壳上部的平衡而造成地面变形。当前在经济活跃的地区，开发区已经成为地方城市开发建设的活动主场，各类大型建筑拔地而起，河流、道路统一规划，大型土石方工程规模日趋增长，改变了经历多年变迁的区域地质结构。若不对这些区域进行持续的监测，就无法获知城市基础设施、建筑工程等整个地表的沉降情况，难以保证人们生活和生产的安全，对社会经济的可持续发展影响巨大。因此，本文着重探讨了在城市开发区范围内布设的沉降监测网网点的稳定性，提出适用于该特征区域的稳定性分析策略。

2 沉降影响因素分析

影响地面沉降的因素有自然地质因素和人为因素两种。自然因素主要是由地表松散地层或半松散地层等在重力作用下，在松散层变成致密的、坚硬或半坚硬岩层时地面会因地层厚度的变小而发生沉降;因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降;地震导致地面沉降等原因造成的。人为因素主要是由开发地下流体资源、岩溶塌陷和开采固体矿产引起的。其中流体资源包括地下水、石油天然气和地热等。工程建设是近年来新的沉降制约因素，在地区城市化进程中不断显露，在部分地区的大规模城市改造建设中地面沉降效应明显。

随着开发区内城市建设的推进，混凝土、大理石、花岗岩的地面、广场、路面和人行道;超大面积的厂房，无限扩张的工业园区等使城市透水区域下渗水量过快减少，土壤水分补给减少，补给地下含水层的水量减少，致使径流减少，地下水补给来源也随之减少，促使地下水位急剧下降。有学者指出城市建设的高密度、摩天大楼的鳞次栉比一方面增加了土地的承重，另一方面，加剧地面硬壳化，对地面沉降也有较大影响，应引起重视［1～7］。上海市地质调查研究院的研究表明，上海地面沉降的原因有七成要归因于城市地下水的过分开采，而其余三成则来自高层建筑和重大工程项目的影响。

3 稳定性分析方法

在沉降监测的工作中，基准网稳定性分析的常用方法是对基准网进行多周期的检测，通过基准网点的高程变化趋势来分析其稳定性［8～10］。因此，在城市开发区沉降控制网分析时可以采用平均间隙法进行分析。

平均间隙法是稳定性的整体检验中的一种，它是通过假设检验来判别网中的平均位移是否稳定。假设两周期观测为等精度观测，根据两周期的单位权方差计算一个共同的单位权方差;再将两周期观测结果所求的两组网点的点位看做是一组双观测值，由双观测值之差计算方差的方法计算观测值的单位权方差。如果假设的“两次观测期间网点的点位无变化”是正确的，则两种单位权方差应来自同一母体，采用F检验法可以检验两个方差的同一性。具体步骤如下:

(1)观测周期的同一性检验:由每期网平差的改正数可以得到单位权方差:……)，当两周期为等精度观测时，将绝对值较大者作为分子，计算统计量F0是否满足:f2)，其中α为显著水平(一般取0.05)，f1、f2为第一和第二自由度，F分位值可以查表或通过函数计算得到。如果F0满足，则认为两周期观测无显著差异为等精度观测，否则认为两周期观测不是等精度观测，而不能直接比较其坐标差异。

(2)两周期观测的综合单位权方差计算:

(3)单位权方差计算:利用秩亏网平差可以求得每期观测的各水准点高程，间隙，间隙d的协因数阵为Qd=Q2－Q1，由间隙d可按下式计算单位权方差，h为独立坐标个数Qd的秩。

(5)利用逐点替代法找出网中的动点。将网中水准点划分为两组，即假设F为稳定点组和M为动点组，对间隙d及其权阵Pd作相应的分块，即:

为把分成稳定点影响和动点影响两个统计独立的部分，采用如下变换:

4 应用分析

某开发区为了有效推进区内的土石方工程、建筑等施工项目的开展，每年定期联测埋设在区内的水准点，为开发建设提供高程基准，同时也开展了区域内的沉降监测分析。为对数据进行快速有效的处理，笔者按上述流程，利用C#语言编写了相应的计算程序。最后抽取了小样本数据为分析对象，自动计算分析情况如图1所示。

图1 抽取样本的水准点分布图

上图1为抽取的部分样本水准点点位分布图，实际监测过程中对上述点位进行了两次观测，观测数据如表1所示。

两期观测数据 表1

输入数据后，程序自动进行秩亏网平差与分析，输出结果如下:

以上为选取开发区局部区域进行的自动化数据分析结果，结论中的建议对区域内的沉降监测分析、施工区的基坑、建筑等监测有一点的指导参考意义。

5 结语

地面沉降观测是一项周期长、劳动量大的工作，特别在城市新型开发区内，由于统一规划实施工程建设投入较大，应该重视由此产生的地面沉降。对由测量获得的变形的解释需要多学科专业知识，在变形监测的整个过程中，多方具有专业背景的人员合作非常重要。对于产生变形的原因，需要跟有关专业人员进一步探讨才能获得更详尽的答案。如果能够分析清楚产生地面沉降的机理，建立适合区域的地面沉降模型，对于搞好灾害预警工作，不失为好的对策。

［1］ 袁铭，严勇．苏州市地面沉降现状分析［J］．自然灾害学报，2010(19):129 ～133．

［2］姜洪涛．苏锡常地区地面沉降及其若干问题探讨［J］．第四纪研究，2005，25(1):32 ～36．

［3］于军，王晓梅，武健强等．苏锡常地区地面沉降特征及其防治建议［J］．高校地质学报，2006 12(2):29～34．

［4］袁铭，严勇，陈继山．苏州相城区地面沉降现状分析［J］．苏州科技学院院报，2010，23(4):48 ～50．

［5］解晓南，许朋柱，秦伯强．太湖流域苏锡常地区地面沉降若干问题探析［J］．长江流域资源与环境，2005，14(1):129～133．

［6］谢海澜，郑锦娜．区域性地面沉降研究现状［J］．地质调查与研究，2009，33(3):78 ～82．

［7］邹俊平．2011年上海市精密水准网复测数据处理与分析［J］．城市勘测，2012(5):98～101．

［8］陈国栋，向东，黄甜等．沉降监测基准网稳定性分析的应用［J］．地理空间信息，2010(4):149～151．

［9］张勇，朱郭勤．水准点稳定性F检验法与t检验法异同的研究［J］．铁道勘察，2010(4):21～24．

［10］虞定麒．用平均间隙法对多期观测水准网做点位稳定性检验［J］．工程勘察，1994(3):53～57．123