袁铭 张序

（苏州科技大学城市与环境学系，江苏苏州滨河路298号，215011）

 

摘要 根据城市地面沉降具有不可逆性的特点，采用两次平差的方法处理垂直形变监测数据，同时选取形变参考系统。在形变分析中引入了分区速率均值、形变强度差异、速率准加速度等垂直形变场数字特征量，对地面下沉从空间和时间上进行定量分析。最后给出了一个例子。

关键词 地面沉降  参考系 形变 数字特征量 速率

 

1引言

利用水准网点进行地面垂直形变测量的目的就是获取地面点位在不同时期的沉降量，因此地面垂直形变测量是为地面沉降研究提供基础资料的主要手段。

以往进行地面沉降研究时，往往以该地区的水文地质、工程地质资料为主要对象，而对垂直形变资料的利用和研究不够。实际上，地面垂直形变资料直接给出了地表的实际变化值，其中还包含研究地面下沉的多种信息。对长期观测的地面垂直形变数据处理结果的分析能够了解地面沉降的历史和现状，从空间和时间上研究地面下沉的特征及规律，沉降漏斗的迁移路径，沉降速率的线性和非线性变化。与水文、地质、地下液体抽取等资料结合进行相关分析，可以对城市地面沉降的发生和发展过程及引起沉降的原因进行探讨，进而提出综合治理的方法，达到控制地面沉降，保护城市地质环境，维持社会经济可持续发展的目的。

建立城市高程控制网的目的主要是为市政建设和工农业生产服务。一般的高程控制网都积累了长期丰富的观测资料，对已有网点进行适当的清理及改造后，可以作为城市地面垂直形变监测网使用。本文主要讨论这类观测数据的分析方法。

2 两次平差法确定监测网参考基准

       正确选取形变参考系统和数据处理方法是进行形变分析的基础。有多年高程控制网观测资料的城市一般都建有基岩标或基岩点，但其高程是否长期稳定，是否可以作为形变参考基准点仍需进行分析。

为了正确确定参考基准，需要了解城市地面沉降的一个重要特点，即地面沉降的不可逆性[1]，这是因抽取地下水引起的城市地面沉降与因地质构造活动引起的地面垂直形变的重要区别。

城市地面沉降的原因主要是在承压含水层中抽取地下水后使相邻的上下粘性土释水，因释水而引起固结造成沉降。这是粘性土的结合水运移的结果。在释水固结过程中，粘性土的结合水运移起始水头梯度是不断变化的，随固结度的增加，直至释水固结停止。

人工回灌承压含水层可以使水头压力增高，结合水渗流线将指向粘性土层中，但由于起始水头梯度增加，即使含水层水头恢复到初始数值也无法再恢复到初始的含水带厚度。因此释水固结后粘性土层已无法恢复到起始状态，回灌使粘性土层回弹只是很小的数值。可见粘性土的回弹值无法补偿压缩量。地面沉降是不可逆的。

这时的水准点在表现形式上，沉降速率可能会加大，在沉降控制有效地区其沉降速率可能会减缓，这时的速率为负值。

在有些地区（根据不同的土层结构）采用注水方法可以使孔隙水压力恢复，砂层大体能恢复原状，
使得水准点有可能发生上升，此时的沉降速率值为正，但其幅度不会大，时间也不会长。如上海市在1966-1976年间回灌第二、三承压含水层而产生的第三压缩层回弹值年平均仅为0.52毫米。

根据以上分析，可以采用两次平差的方法来判断基准参考系。

首先采用重心参考系将全网各点均作为未知点进行秩亏自由网整体速率平差，由于重心参考系是以各点的高程均值作为参考基准点，因此可以选取平差结果在各期中上升速率均为最大的那个基岩点（或稳定岩石点）作为可能的稳定参考点。或者，如果各期上升速率大且速率值接近的基岩点的点有多个，可用这些点组成拟稳点组。

其次利用该基岩点作为唯一参考点，用原数据再进行经典速率平差，或者利用组成的拟稳点组进行拟稳平差[ 2 ]。

第二次平差结果中除固定参考点或拟稳点组外，所有点位的平差速率值应均为负值，或少数点位速率虽为正值但量值不大且持续时间不长，这说明选取的参考点或拟稳点组是正确的，平差方法也是合适的，平差结果可以采用。

实际上，在任何情况下，拟稳平差总是可以进行的，因为在网中总是可以找到部分点相对其它点稳定（例如规定拟稳点组的年变速率小于8毫米）。

在基准参考系的判断过程中，秩亏自由网平差实际上是做为一种数据预处理方法使用的。

必须指出，由于在新构造运动中有可能产生区域性的缓慢上升或下沉[3]，因此上述方法所确定的参考基准点并非完全不动，而只是相对本区内其他点为稳定。

3 垂直形变场特征分析

利用平差结果绘制各期速率等值线图，根据等值线图进行形变特征分析。

1）形变的空间分析：包括局部区域的形变速率大小；区域间速率的比较；沉降漏斗位置与幅度；与水文地质及工程地质的关系等。

2）形变的时间分析：包括垂直形变的发展历史；形变的特征；沉降漏斗的迁移路径和过程（可结合地下水抽取历史进行）等。

3）分区形变特征分析：为直观描述不同区域及其相互间的形变强度和形变差异，可以采用垂直形变场分区特征量分析形变场在空间与时间上的特征。分区特征量指研究区内某一地区垂直形变量的平均值及平均值之间的差异，采用的计算值为平差后得到的除参考点外的各分区内全部点的速率值。此特征量不受平差基准影响，可以定量表示同一地区局部区域以及在不同时期的形变场变形强度和区域间强度差异，具有表达直观、物理意义明确的特点。

第k个区域中各点的速率均值：

    （1）

两区域间形变强度差异：

    2）

4）地面沉降速率的非线性变化[4]

形变速率属运动学参量，而加速度则有动力学含义。取形变速率随时间的变化为加速度：

式中 分别为前后时段形变速率和时段间隔。

实际计算时，△T不可能趋于零，采用下式计算：

A称为垂直形变速率的准加速度，反映了形变速率的非线性变化。准加速度的计算要求观测期数至少为三期。

实际的变形分析往往还要结合重点剖面测线及定点观测数据进行垂直形变面、线、点的综合分析。

进行地面沉降的综合分析则要结合水文地质和工程地质资料进行。

4 一个例子

苏州地区位于长江三角周冲积平原，分布着广泛的第四系和第三系上部沉积物，其隔水层主要有含水量大的孔隙较小的亚粘土构成，地下第四系承压含水层三层，主要分布于苏州市区的北西－南东向条带区间内。

苏州市近年来经济发展迅速，同时地面沉降也已成为重要的地质环境灾害。自1979以来，水准点位最大沉降量达1.55米，目前沉降面积达250平方公里以上。作为例子，这里选择90年代以来观测的1991、1994、1997年三期数据进行速率整体平差。

按前述方法，首先采用整体秩亏自由网速率平差法，结果表明位于虎丘山上的一基岩点符合各期上升速率最大的要求，用该点为已知起算点再进行经典速率平差，计算结果中全部点位速率值均为负值，说明除参考起算点外，各点均有不同程度下沉。

苏州市地面沉降的时空变化分析已另文阐述，这里简要分析分区特征量及准加速度的计算结果。

将全部观测点(已知起算点不包括在内)根据其位置分布分成南部、中部和北部三个区（图1中虚线），按式（1）、（2）计算年速率均值和分区形变强度差异量，计算结果列于下表 。

表1      苏州市垂直形变场数字特征量(单位mm)

Teb. 1 The digit character value of Su Zhou vertical deformation field

上述计算结果因采用了全部水准点的速率值，因而比较客观。由表1 可见，两时段内形变速率均值呈南低北高态势，第二时段南部区速率在增加，中、北部区在减小。可见苏州市区在1995年后加强了地下水开采量控制和回灌，取得明显效果，使得市区的中、北部区域地面下沉速率减缓。

各区形变强度差异显著，其中北区和中区形变强度远高于南部区，南—北部强度差异达40毫米；1995年后中北部区总体形变速率有所减小，但随着南部区域形变强度加大，南—中和南—北区强度差异在减小，南—北区强度差异降为31毫米。

图1中速率准加速度值区域分布十分明显，区内大多为正值分布，表明后一时段较前一时段地面下

  沉速率为小，特别是环保学院漏斗区地面下沉速率明显降低。南部区与齐门漏斗区准加速度值均为负，且其范围及量值有增加迹象，表明1995年以后这两个地区地面下沉速率在继续增加。

 

参 考 文 献

1 纪万斌. 塌陷与灾害. 北京∶地震出版社，1997  211-212  

2 陶本藻 .自由网平差与变形分析. 北京. 测绘出版社. 1984. 47-49

3 段永侯 我国地面沉降研究现状与21世纪可持续发展  中国地质灾害与防治学报 1998 5 1-5

4 江在森、丁平、王双虚等，中国西部大地形变监测与地震预测 北京 地震出版社 2001

5 崔笃信、江在森、王双虚等 用大地形变判定强震危险区的指标体系及河西地区垂直形变演化 西北地震学报 1998 （2）43-51