地表沉降監測方法有哪些

1. 地面沉降的檢測措施有哪些

1、追蹤監測

地面沉降現象發生地區設施變形破壞情況的追蹤監測，如標高損失造成的海水倒灌、港口及堤防工程失效、測繪標志失效、橋梁和庫房凈空減少、汛期排泄不暢造成積水、內澇；不均勻下沉造成道路和房屋開裂變形、各種井管上升、傾斜、損壞等。

2、專項監測

各監測網的專項監測包括地面沉降或回彈量測定，地下水水位、水量的動態變化等。

3、分層監測

水準測量和應用GPS測量監測地面沉降量的大小，分層監測含水系統各主要層位的沉降量和孔隙水壓力變化量。

地面沉降的危害主要有：

(1)毀壞建築物和生產設施。

(2)不利於建設事業和資源開發。發生地面沉降的地區屬於地層不穩定的地帶，在進行城市建設和資源開發時，需要更多的建設投資，而且生產能力也受到限制。

(3)造成海水倒灌。地面沉降區多出現在沿海地帶。地面沉降到接近海面時，會發生海水倒灌，使土壤和地下水鹽鹼化。對地面沉降的預防主要是針對地面沉降的不同原因而採取相應的工程措施。

地面沉降會對地表或地下構築物造成危害;在沿海地區還能引起海水入侵、港灣設施失效等不良後果。人為的地面沉降主要是過量開采地下液體或氣體，致使貯存這些液、氣體的沉積層的孔隙壓力發生趨勢性的降低，有效應力相應增大，從而導致地層的壓密。

2. 地面沉降的檢測措施有什麼

主要內容和方法是：

①地面沉降發展過程監測,主要是通過衛星定位系統(GPS)和布設水準測網,定期進行高精度水準測量,監測地面高程變化情況.

②地下水和油氣等資源開采、回灌狀況與動態監測,主要是建立地下水動態監測網,調查和分析地下水開采量、地下水水位埋深和標高、地下水水質變化。

③構造沉降量與土層壓縮量監測,主要方法是埋設基岩標、分層標,定期測量高程變化,同時結合高壓固結試驗、模擬試驗等進行。

④房屋、橋梁、碼頭、道路等建築設施變形與破壞監測。

⑤海濱地區的海面動態監測。

地面沉降原因及措施

原因：對地下流體資源過度開發；岩溶出現塌陷的情況；過度開采固體礦；附近的高層建築群過於密集，引起工程環境效應。措施：對地下水的開采布局進行調整，並採取人工回灌的法子；對地下水開采量進行控制，適當調整其開采布局；增強地面及地下水的監測工作。

二、地面沉降的危害

1、對建築設施及生產設備造成破壞，對資源開發及建設造成不利的影響。出現地面沉降的地帶一般都存在地層不穩定的情況，這樣在建設城市及開發資源的過程中，需要投入更多的建設資本，還會影響到生產能力。

2、沿海地帶是地面沉降的多發地帶，如果地面沉降的位置距離海面太近，可能會出現海水導管的情況，導致地下水及土壤被鹽鹼化。不僅如此，沿海地區出現地面沉降的情況時，還容易導致海水入侵，甚至導致港灣設施無效。

3、人造成的地面沉降一般是因為地下資源過度開采，導致地層壓密。地面沉降不僅會影響到地下構築物，而且還會危害到地表，產生極大的危害。

3. 地面沉降調查與監測技術方法

一、內容概述

從20世紀60年代開始，上海開始系統地開展地面沉降調查及監測工作，採用的技術方法主要包括鑽探、水準測量、基岩標分層標測量、地下水位動態監測等。

目前，上海地面沉降監測的技術方法有：地下水動態監測，一、二等水準測量，基岩標、分層標測量，GPS測量，InSAR測量，自動化監測系統等。

1.地下水動態監測

全市有地下水監測井450口，分別監控潛水和6個不同深度承壓含水層地下水位（水質和水溫）的變化規律（圖1）。

圖1 地下水位監測井及監測數據

2.一、二等水準測量

水準測量是利用水準儀提供的「水平視線」，測量兩點間高差，從而由已知點高程推算出未知點高程（圖2）。

技術特點：精密水準測量的優點是水準點埋設費用低、水準網布設靈活，能夠較迅速地獲取較小區域（甚至是人口密集區）的沉降信息；其不足是勘察區域面積較大時，觀測周期長，投入人力資源大，人力成本較高，實時性較差。

技術指標：一、二等水準測量按照《地面沉降水準測量規范》（DZ/T0154-95）執行。

3.基岩標、分層標測量

基岩標和分層標測量是進行地面沉降監測的重要技術手段，是地面沉降分析研究和制定相應措施的基礎。

基岩標是埋設在地下完整基岩上的特殊觀測點，可以作為地面沉降測量的高程式控制制點。基岩標作為高程式控制制測量的基準，可減少傳遞誤差，提高測量精度。分層標是根據土層的性質，埋設在地下不同深度土層和含砂層中的特殊觀測點，是世界上公認的測量鬆散土層變形量的措施，廣泛應用於鬆散土層的精確變形測量（圖3）。技術特點：基岩標的優點是精度最高，能提供所有地面沉降監測研究工作的基準點；其不足主要是建設費用高（一般需要上百萬元，甚至幾百萬元），建設工序較多，質量要求較高，場地落實困難。為此，應根據地面沉降監測的實際需要，基岩標的規劃與建設需要詳細論證。

圖2 水準測量外業現場

圖3 上海南浦大橋分層標組

分層標主要用於監測從地面至地下垂向上不同深度、不同土層的壓縮變形，變形量記錄比較全面、完整，一般與基岩標配合使用，以基岩標、分層標組形式配對規劃。其優點是可監測某一特定區域如沉降漏斗或某一點的垂向上不同深度的變形，獲得立體空間上的變形量，若配以地面沉降自動化監測系統，將可以獲得實時、連續土層的變形量；其主要不足是建設費用高。

技術指標：基岩標作為地面沉降監測基準，精度級別是最高的。

分層標測量分為人工測量、自動化測量兩種。根據《地面沉降水準測量規范》，人工測量的精度一般為0.3mm。

4.GPS測量

GPS測量是利用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）在遠離變形區的適當位置，選擇或建立一個基準站，在變形區內設置若干個監測點，在基準站和監測點上分別安置GPS接收機，進行連續觀測，並將觀測數據進行分析和處理（圖4）。

圖4 GPS 基準站

技術特點：觀測時間短，人工作業勞動強度低，觀測作業簡便，測站間無須通視，布點靈活，可以在任何時間、地點和天氣狀況下進行全天候連續監測，定位精度高，較高的作業自動化水平等。

技術指標：按照《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T18314-2001）中B級網要求，按平均15km邊長推算，高差的誤差為34mm，實際結果為大地高程變化量精度在5mm左右。

5.InSAR測量

雷達干涉測量技術（InSAR）將合成孔徑雷達（SAR）成像原理和干涉測量技術相結合，利用雷達回波信號所攜帶的相位信息精確測量地表某一點的高程信息及其微小變化。其原理是通過兩副天線同時觀測（單軌道雙天線模式）或兩次重復觀測（單天線重復軌道模式）來獲得同一區域的重復觀測數據，即單視復數影像對，這是InSAR進行高程提取或形變監測的數據源。

技術特點：InSAR技術具備可以同時獲取點、線、面的沉降量，投入人力資源少等特點，已經顯示出用於地面沉降研究的廣闊前景和巨大潛力。其不足之處也很明顯，主要是目前InSAR技術不是很成熟，尚處研究階段，距大范圍的推廣應用還有一段時間。

技術指標：上海地區InSAR監測試驗結果表明，InSAR技術在垂向的精度可以達到±3.7mm，目前仍正在進行試驗研究中。

6.自動化監測系統

在分層標、水位孔上安裝自動化設備，實現分層標土體變形、水位變化自動觀測、記錄、傳輸、資料庫錄入等功能，進一步提高了分層標、水位測量自動化程度（圖5，圖6）。

圖5 地面沉降自動化監測設施原理圖

圖6 地面沉降監測數據採集、傳輸系統示意圖

技術特點：地面沉降自動化監測系統的優點是精度高、連續、實時、自動記錄、自動傳輸、無人值守且可以任意設置數據採集時間、同時監測不同土層的沉降，有利於從變形量中分離出每個土層的變形量，計算不同土層對總沉降量的貢獻，有利於研究地面沉降的原因、機理和機制。地面沉降自動化監測系統主要不足為一次性建設費用較高，因此比較適合選定有代表性的典型區域如沉降漏斗中心、漏斗邊緣等。因其高昂的建設費用，目前主要還是用於點狀對象的監測上。

技術指標：分層標自動化監測精度平均絕對誤差應不大於1mm；地下水位監測精度應為± 0.01m。

二、應用范圍及應用實例

（一）應用范圍

成果廣泛應用於地面沉降監測。

（二）應用實例

1.一、二等水準測量

按照《地面沉降水準測量規范》（DZ/T0154-95）、《國家一、二等水準測量規范》（GB/T 12897-2006）的要求，上海地質調查研究院在全市范圍內布設了一、二等高程式控制制網。基於基岩標，從一座基岩標至另外一座基岩標，組成大型高程式控制制網。

按照覆蓋的區域和復測頻率，高程式控制制網分為郊區高程式控制制網、中心城區（外環線以內區域）高程式控制制網。郊區高程式控制制網覆蓋了包括崇明島、橫沙島、長興島在內的整個上海區域，復測頻率為每5年復測一次，用於全市高程式控制制數據的更新與發布，在圖中繪制了一等水準路線圖。二、三等覆蓋整個郊區，目前缺少線路走向資料；中心城區（外環線以內區域）高程式控制制網分布在中心城區，復測頻率為每1年復測一次，覆蓋范圍約1000km²，用於地面沉降分析和研究；兩套高程式控制制網均以基岩標為結點，實現郊區高程式控制制網、中心城區高程式控制制網有機的統一和銜接。

2.基岩標、分層標

自開展地面沉降研究以來，高程式控制制網的基準點問題一直是關鍵性課題，有效的解決方案就是選擇穩定的基岩建立基岩標。上海地質調查研究院長期從事這項工作，特別是經歷了「九五」、「十五」、「十一五」等市政府重大課題大規模網點建設項目的實踐檢驗，獲得了豐富的施工和管理經驗，形成了一套嚴密的作業流程，熟練地掌握了基岩標施工工藝，取得了基岩標實施工藝專利（專利號：ZL 012394556，證書號：第478596號）。上海地區目前已建設完成了比較完備的地面沉降監測網路，特別是「十一五」地面沉降防治工程開展以來，全市已累計建設了35座地面沉降監測站（16座實現了自動化監測），監測在基岩面以上不同深度土層的變形規律（圖7至圖9）。

圖7 上海世博會會址地面沉降監測站

圖8 地面沉降監測站自動化監測設施

3.GPS測量

2001年1月～2010年12月，上海市地質調查研究院共組織GPS一級網監測13次。其中2001年1月～2002年7月時段長為3h或6h，自2002年11月起，時段長由12h逐漸改為24h，並進一步優化了觀測方案和數據處理方案，GPS監測地面沉降的精度、可靠性逐漸提高。

4.InSAR測量

圖10顯示了上海地區InSAR測量得到的2003年至2007年地面沉降速率圖。

圖9 地面沉降標組數據曲線

圖10 上海幅工作區2003～2007年地面沉降D-InSAR監測速率圖

三、推廣轉化方式

地面沉降監測技術的研究、發展、成熟和完善，為專利申報、規程、規范編制出台提供了有力的技術支撐，也為帶動長三角地區乃至華北平原、西北汾渭盆地等區域地面沉降監測與防治發揮了引領和示範作用。

通過多年來對基岩標標型設計、施工便利程度、成本、適宜性、可靠性、穩定性等指標的研究，形成了一套成熟的基岩標施工工藝，並申請了專利（ZL J 2 39455.6，證書號：第478596號）。

編制的規程、規范有《地面沉降監測與防治技術規程》（DG/TJO8-2051-2008，上海市）、《地面沉降監測技術規范》（中國地質調查局）、《地面沉降測量規范》（國土資源部），為進一步規范全國地面沉降監測和防治工作做出了積極貢獻。

技術依託單位：上海地質調查研究院

聯系人：方正

通訊地址：上海市靈石路930號

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聯系電話：021-56065720

電子郵件：[email protected]