区域地面沉降监测及数据处理分析

摘 要：文章详细介绍了区域地面沉降监测及数据处理，并依据等值线图对该区域地面沉降情况进行了分析，提出了对地面沉降监测的技术改进方法。

关键词：地面沉降；数据处理；数据分析；沉降分析

地面沉降监测属于变形监测的范畴，通常采用的方法大致有高精度水准测量、GPS观测、精密全站仪三角高程测量等。本文采用某区域地面沉降监测2010-2013年连续四年的实测数据，对该区域地面沉降情况进行分析，并提出了对地面沉降监测的技术改进方法。

一、沉降点布设和观测方法

（一）沉降点布设

某区域地面沉降监测共布设监测点86个，均匀分布在A、B、C、D区，控制面积约200平方公里，监测点利用C级点9个，利用旧水准点11，其余66个为新埋设。起算点是两个相对稳定的国家一等基岩点，分别位于该区域的东西两侧，该位置符合二等水准网形的基本要求。如图1所示。

（二）观测方法

该区域的地面沉降监测采用国家二等水准观测方法，观测过程中的所有限差均符合国家二等水准的观测要求。

观测使用DINI03电子水准仪配合条码式因瓦标尺。

测站观测顺序：奇数站：后—前—前—后

偶数站：前—后—后—前

每測段均采用往返测观测。观测尽量在观测条件较好时进行。

主要技术指标限差执行二等水准规范。

（三）数据处理

数据处理时，按要求应对观测高差进行下列改正：

1.水准标尺长度改正。δ=f×h

式中：δ—改正数（mm）；f—标尺改正系数（mm/ m）；h—往测或返测高差（m）。

2.正常水准面不平行改正。ε=-（γi+1-γi）·Hm/γm

式中：γm—两水准点正常重力平均值，10-5m/s2；γi.γi+1—分别为i点、i+1点椭球面上的正常重力值，10-5m/s2；Hm—两水准点概略高程平均值，单位为米（m）。

γm=（γi+γm+1）/2-0.154 3Hm

γ=978 032（1+0.005 302 4sin2φ-0.000 005 8sin22φ）

式中：φ—水准点纬度，γ值取至0.01×10-5m/ s2.

3.环线闭合差改正（在水准平差程序里进行）。

υi=-ni/Σn·W

式中：ni—第i段的测站数；W—加入各项改正后的闭合差。

由于本区域范围小，观测周期短，温度变化小，重力异常改正，固体潮改正和水准标尺温度改正对高差影响很小，故不做改正。

数据处理时采用《南方平差易2005》平差软件进行。主要指标观测结果统计见表1：

k，水准环闭合差也达到了规范要求。

（四）数据分析

依据2010、2011、2012、2013四年观测数据的比较，制作了地面沉降等值线图如图2、图3、图4所示：

从等值线图来看，2010-2011年期间区域地面沉降总体特征为：南部沉降速率大于北部，东部御东新区沉降速率大于西北部，监测区内沉降速率在10mm/年以下的区域占到65﹪左右。

北部A区中部沉降区有沉降，速率为10mm/年；西南部以C区西北部为中心的沉降区沉降速率较大，为36.8mm/年。东部区域沉降格局较为复杂，其中东北部B区中心有一沉降区，为23.8mm/年，东南部D区中心的沉降区为14.7mm/年，B区南部以东至区域东部有一沉降带，速率平均为12mm/年，沉降区以D区西北部有反弹表现，最大反弹量4.6mm。

从等值线图来看，2011-2012年期间区域地面沉降总体特征为：地面沉降速率明显趋缓，南部沉降速率大于北部，监测区内大部分区域沉降速率在10mm/年以下。

相较2010-2011年，2011-2012年间区域地面沉降格局发生了较大变化。北部以A沉降区中部沉降速率有所加大；中南部出现了以B区西北部沉降区，沉降速率最大18.9mm/年；西南部以C区中部的沉降区沉降速率减缓至9.5mm/年（2010-2011年为36.8mm/年）；东部区域沉降格局变化较大，东北部B区中部为中心的沉降区（2010-2011年为23.8mm/年）及东南部D区的沉降区（2010-2011年为14.7mm/年），由于DT63、DT70两沉降中心水准监测点2012年上半年被损毁，造成区域2011-2012年地面沉降等值线图未能真实反映该区域沉降情况；另外，东部B区和D区中部一带出现了反弹，最大反弹量10mm。

从等值线图来看，2012-2013年期间区域地面沉降总体特征为：地面沉降速率明显趋缓，北部沉降速率大于南部，监测区内大部分区域沉降速率在10mm/年以下。

由于2010-2012年，区域监测区内大部分区域沉降速率在10mm/年以下，沉降速率较小，2013年将主干水准线路观测等级由二等提高为一等，进一步提高观测精度。监测结果数据来看，更加准确地反映了区域区地面沉降的年度变化。相比较2010-2011年和2011-2012年间，2012-2013区域地面沉降格局发生了较大变化。

北部以A区东部沉降区沉降速率有所加大，沉降速率最大18.1mm/年。

西南部出现了以C区以北为中心的沉降区，沉降速率最大10.3mm/年。

西南部C区北部为中心的沉降区沉降速率减缓至5.1mm/年（2011-2012年为9.5mm/年）。

东部区域沉降格局变化不大，东北部以B区北部为中心的沉降区，沉降速率在4.1—6.5之间，较前两年有所减缓，（2010-2011年为23.8mm/年）。

东部B区东北部至D区西北部某村公墓一带出现了反弹，最大反弹量4.8mm。

C区形成了新的反弹区，最大反弹量4.6mm。

二、监测技术改进

通过对这四次数据的处理分析，对于规范的执行有以下建议：

城市地面沉降观测属于小范围的变形测量，目前执行的规范室在使用传统光学仪器条件下的规范，现在使用的电子水准仪，仪器的性能已经有了很大的提高，外业观测时的一些限差在观测条件好时可以适当放宽。对于有些规范的执行反而应该更加严密。

第一，二等水準观测时前后尺视距差的执行，规范要求1.5米，依据这几年的经验看，1.5米显然宽了些，如果有超过一半的数据超过1米，由于i角的影响，数据将有接近限差或超限的危险。所以在设计中要求执行小于0.5米的限差。

第二，一些高差的改正可以不进行，比如重力异常改正和固体潮改正以及温度改正。因为沉降观测范围小，温差变化不大，通过验证，改正数很小，大致均在0.1-0.2mm，来自其他方面的误差已经将其掩盖。选用尺长改正数较小的水准尺测量会使高差改正数更小。

第三，如果观测区域内路面材料较为坚硬，尺垫的选择上也可以适当放宽，建议选择3公斤重的尺垫较为合适，以减轻作业员的体力，同时也能保证观测条件的稳定。

第四，由于i角对观测高差的影响，在视距长度的问题上要严格执行规范要求的小于50米。

从测量数据结果看，上述技术改进更好的监测了区域城市地面沉降的变化情况和规律。

参考文献

[1] 国家一，二等水准测量规范（GB/T12897—2006）[S].

[2] 变形监测规范（GB/T—2006）[S].

[3] 建筑物沉降观测方法（DGJ32J18-2006）[S].

[4] 地面沉降水准测量规范（DZ0154-95）[S].

[5] 区域地面沉降监测技术设计书（2010-2013）[Z].

作者简介：王文生（1966- ），男，山西太原人，工程师，1998年6月毕业于太原理工大学，主要从事高等级水准测量和变形监测工作。