高等级水准测量技术在安徽宿州市地面沉降监测中的应用

吴 悠

(安徽省地质测绘技术院，安徽 合肥 230022)

0 引言

地面沉降又称为地面下沉或地陷[1]，它是由于自然因素或人类工程活动引发的地下松散岩层固结压缩并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象[2]。目前，我国已有很多城市出现了地面沉降现象，其中长三角地区、华北平原和汾渭盆地等地区尤为严重[3]。2012年2月，中国首部地面沉降防治规划获得国务院批复，地面沉降监测与防治工作越来越受到城市管理者的重视[4]。

宿州市位于安徽省北部，地处淮北平原，是安徽省少数以地下水作为城市供水水源的城市，地下水年开采量达5 000万m3，大量抽取地下水难免造成地面下沉[5]。宿州市为查明和防控地面沉降，本文开展了高等级水准测量工作，以了解沉降区域与沉降量，为城市沉降治理提供基础资料。

1 区域地质环境

1.1 地层

宿州市地层除缺失奥陶系上统至石炭系上统、第三系渐新统之外，自上元古界至第四系均有发育，区划隶属华北地层大区徐淮地层分区淮北地层小区。市区广泛分布第四纪松散堆积物，以黏性土和砂性土为主，厚度达80～250 m，呈北薄南厚形态展布。

1.2 构造

宿州市主要发育新华夏系构造、徐宿弧形构造等区域构造。全区广泛分布不同时期、不同级别及不同方向的褶皱、断层。市域内最大的断裂构造为宿北张性断层。据1∶50万《安徽省区域地质志》，该断层长度达120 km，走向约270°，向南陡倾，断距超700 m，较大规模隐伏，较长时期活动。

1.3 水文地质条件

宿州市区域内广泛分布松散岩类孔隙水，是城市供水主要来源。按含水岩组的埋藏条件可分为浅层含水层组、中深层含水层组和深层含水层组。

浅层含水层组是由上更新统含水砂层组成，以粉砂为主要岩性，粉土、细砂次之。含水层顶板埋深2～27 m，底板埋深15.89～45.20 m，累计厚度为4.75～16.97 m，属潜水-微承压水。根据安徽省地质环境监测总站监测资料，地下水位埋深1.16～16.55 m，单井涌水量100～1 000 m3/d；水化学类型主要为HCO3—Ca·Mg和HCO3—Na型，溶解性总固体多小于1 g/L，总硬度一般为280.0～324.6 mg/L。

中下更新统含水砂层组成中深层含水层组，灰黄和棕黄色粉细砂、中细砂为主要岩性，呈松散结构，分选性良好。相比浅层含水层组，中深层含水岩组砂层厚度更大、颗粒更粗、富水性更强。含水层顶板埋深28.50～66.10 m，底板深50.79～92.69 m，含水砂层累计厚度3.48～49.35 m，为承压水。根据安徽省地质环境监测总站监测资料，地下水位埋深2.92～21.16 m，单井涌水量1 000～2 000 m3/d；水质好，水化学类型以HCO3—Ca·Na和HCO3—Na·Ca型为主，溶解性总固体均小于1 g/L，总硬度一般为195～317 mg/L。

深层含水层组则隐伏于中深层含水层组之下，地层多为上第三系，砂层不均匀发育，主要在新汴河以南地区发育，砂层厚度3.77～38.30 m。以细砂、中砂为主要含水层岩性，粗砂、粉砂次之，大多表现为泥质或钙质半固结状态，水量贫乏，水位埋深多在10～12 m，水质较差，以HCO3·SO4—Na·Mg型为主。单井涌水量小于1 000 m3/d。

2 地下水开采与地面沉降

从20世纪80年代开始，宿州市开始通过开采地下水供水。主要从中深层含水层开采地下水，由于开采量大，先后形成了以3个水厂为中心的3个深层地下水降落漏斗。随着国民经济快速发展，城市人口快速增长，地下水开采量由1995年的3 950×104m3/a增加到2007年的4 900×104m3/a。上述3个水厂采水量剧增，地下水降落漏斗持续发展。之后，随着西北新区的建立，部分水厂关闭，地下水漏斗在逐渐消失，但水位还在持续下降。

根据调查资料，宿州市区用水97%为中深层地下水，其余为浅层地下水。资料显示，深层含水层的顶、底板黏性土层孔隙水压力减少了0～100 kPa，说明宿州市浅深含水层之间的黏性土层应是主要压缩层，该层在源源不断地向深层含水层释水，结果必然导致黏性土层压缩，引发地面沉降。

随着宿州市城市建设与经济发展，地下水开采强度逐年增大，而且开采方式比较混乱，局部超采现象普遍，开采井集中、开采层位集中、开采时间集中的“三集中”现象较突出。因历史原因，宿州市城市和水源地同处一地，为给城市供水，需要源源不断地抽取城区地下水；城市建设中，不断增高的楼层也不断地向地面增加荷载。水位下降和地面加载的双重压力必然导致地面下沉。开展地面沉降防治工作不仅能为宿州市防灾减灾提供科学依据和具体措施，也将为淮北平原其他城市防治地面沉降提供指导和示范，具有一定的经济效益和社会效益。

3 沉降测量

沉降测量目的是监测出沉降区域与沉降量。沉降测量应依据流程进行(图1)。首先，收集必要的文件、熟悉相关的法律法规及技术规程，并编写技术设计书。其次，工程技术人员按照设计书开展沉降测量，依据国家一等水准测量测定维护后的基岩标高，按二等水准测量标准要求，监测市区地面沉降，获取监测网数据，监测数据采用清华三维软件进行平差处理，并编写相应的平差报告。

图1 地面沉降监测技术流程图

本次沉降观测采用二等水准标准，将2014年埋设的10个沉降观测点SZCJ01～SZCJ10和国家二等水准点宿泗1-1、宿蒙1-1及2013年埋设的沉降点CJ001、CJ002及宿城一中基岩标进行联测，共计15个点，组成6个水准观测闭合环，共20个测段，总长约170 km。测量使用美国Trimble DINI03电子自动安平水准仪，安平精度±0.2″，高程测量电子读数0.3 mm。水准标尺为Trimble厂生产的铟瓦合金钢带水准尺。在作业前、中、后分别检查水准仪的i角，确保其均值小于±15″。

水准观测时，使用Trimble DINI03电子自动安平水准仪观测，往测时，奇数站观测顺序为：后—前—前—后；偶数站观测顺序为：前—后—后—前。返测时，奇数站观测顺序为：前—后—后—前；偶数站观测顺序为：后—前—前—后。

观测过程中，选择地面坚固位置并踩实尺垫，水准尺用尺撑支撑稳定并使上下两个气泡居中。每一测段的往测和返测一般分别安排在上午和下午进行，个别测段夜间观测。在市区进行一、二等水准观测，注意排除干扰。除了在路线拐弯处外，每一站仪器与标尺应尽量保持一条直线，在水准路线前进途中，在安置仪器三脚架时应尽量使其中两个脚与路线方向平行，另一脚在路线的左侧或右侧。

平差计算利用清华三维软件进行严密平差，平差后最弱点高程中误差为±0.01 mm。测段往返较差最大是0.02 mm，限差0.28 mm。环线最长27.6 km，平均边长8.5 km，最小边长1.4 km，最大边长12.6 km。

4 成果分析

为确保测量数据的准确性，对原基岩标观测点进行了维护。由于基岩井之前没有封闭，基岩井偶尔有采水工作，对观测点的稳定性造成了一定影响，所以在本次监测工作之前对基岩井进行了焊接封闭并确立了新的观测点。通过观测网各站点的观测，绘制出13个观测点的沉降变量分布图(图2)。

图2 宿州市沉降观测点沉降变量分布图

13个沉降观测点中，有9个发生沉降，其中年沉降5 mm以下的有4个，分别是人才市场、30处小区、世纪阳光花园和人民北路观测点；年沉降5～10 mm的观测点有1个，是高速管理处观测点；年沉降10～20 mm的观测点有3个，分别是余家水泵房、怡海花园和春天花园观测点；年沉降20 mm以上的观测点有1个，为生态园S303省道观测点。

5 结论

(1)宿州市是安徽省少数以地下水作为城市供水水源的城市，地下水年开采量达5 000万m3，大量抽取地下水难免造成地面下沉。

(2)开展沉降测量可以有效监测出沉降区域与沉降量。

(3)宿州市13个沉降观测点中，有9个发生沉降，其中年沉降5 mm以下的有4个，年沉降5～10 mm的观测点有1个，年沉降10～20 mm的观测点有3个，年沉降20 mm以上的观测点有1个。