精密水准测量在地面沉降监测中的应用分析

精密水准测量在地面沉降监测中的应用分析

作者：闫国生 张宁

来源：《城市建设理论研究》2014年第10期

摘要：在自然界地壳不断运动的情况下，再加上地球表面的人类的活动而对地层有挤压等作用，就会造成我们所看到的的地面沉降，导致地表的建筑发生变化。地面沉降监测的方法中，利用精密水准测量的方法完成地面沉降监测工作的优点颇多，例如投入较小、效益较好等等，这些都是为精密水准测量方法能够广泛的应用的前提条件。本文以临汾市尧都区地面沉降监测为例，介绍精密水准测量在地面沉降监测中的具体应用。 关键词：地面沉降；精密水准测量；变形监测；应用分析 中图分类号：O434文献标识码： A

在市场经济的不断推动下，先进的技术在不断的革新，伴随着科学技术的深入探索，对于检测地表沉降的方法也在不断的增多。一些专业的人才不断利用自己所学为地面沉降的检测做着贡献，例如：一些科学专家利用 GPS/INSAR数据融合的方法完成了大范围地表沉降监测的工作；北京市通过建设地面沉降监测网系统，融合了GPS监测、地面水准监测、地下水动态监测等多种方法实现了对北京市的长期、动态监测；中科院地质与地球物理研究所利用GPS对天津市市区地面沉降进行了长期的观测。上述这些事例都是为一线二线或较为繁华的大都市所服务的监测方法，在中小城市中这些方法的适用度也就下降了很多，不能适应中小城市的需要。

在我国的地面沉降监测方法中最常用的也是应用较为广泛的就是精密水准测量，它的优点是前期投入小、施工过程简单，并且设计精度能够充分满足工程的要求。随着电子水准仪的不断普及，水准测量中人为误差得到减小，劳动强度大大降低，为精密水准测量的大量应用创造了良好的技术条件。

1 地面沉降监测网的布设方案 1.1布设原则

一个区域内的地面沉降监测一般要求采用统一的布设标准，通过定期观测，确定区域内的地面沉降量，为科学合理决策提供可靠的理论依据。临汾市地面沉降监测网采用1985国家高程基准，按照二等水准的要求统一布设，观测周期为一年，之前已进行了两次观测。 1.2水准网布设

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水准网布设前，对临汾市尧都区各地面沉降区进行实地调查，取得第一手地面沉降资料，结合该区域地质、水文、地震、气象、土壤冻结及地下水位深度等资料，进行了水准监测网的设计。

临汾市尧都区地面沉降水准网共布设90个水准监测点，包括两个基岩水准点，临汾东山（东风村东山上）、龙祠镇（地震台）。利用旧点26个，（其中龙祠镇基岩点1个、国家一、二等水准点3个，地震局监测点13个，大西高速铁路控制点9个）。水准监测网覆盖了临汾市尧都区全部沉降区域。 2 精密水准测量 2.1精度指标

根据《地面沉降水准测量规范》DZ0154-95和《国家一、二等水准测量规范》GB12897-2006要求，二等水准测量每千米水准测量的偶然中误差M△和每千米水准测量全中误差MW不应超过表1 规定的数值。 表1单位：毫米

每千米水准测量偶然中误差M△计算： M△=±√〔△△/R〕/（４·n）（1）

式中：△——测段往返测高差不符值，单位为毫米（mm）； R ——测段长度，单位为千米（Km）； n ——测段数。

每千米水准测量的全中误差MW计算： MW =±√〔WW/F〕/N （2）

式中：W——经过各项改正后的水准环闭合差，单位为毫米（mm）； F ——水准环线周长，单位为千米（Km）； N——水准环数。

往返测高差不符值，环闭合差和检测高差之差的限差应不超过表2 的规定： 表2单位：毫米

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当测段长度小于0.1Km时，按0.1Km计算； L——附合路线长度，单位为千米（Km）； F——环线长度，单位为千米（Km）； R——检测测段长度，单位为千米（Km）。 2.2水准线路设计

根据《地面沉降水准测量规范》DZ0154-95对水准线路选定要求，结合临汾市尧都区实际情况，水准路线设计时主要遵循以下要求：

第一，针对临汾市尧都区存在的构造带和断裂带、采煤形成的采空区、深井等可能引起地面沉降的特征区域，水准路线的布设要求尽可能穿过以上区域；第二，考虑到尧都区地形起伏较大，为方便观测，水准路线尽量沿着公路布设，对没有铺装路面的区域，选择坡度较小的道路布设，以减少测站数，提高观测效率；第三，尽量选择大型车辆、地面震动较少的区域布设水准路线；第四，水准路线的布设避免跨越较大区域的水面、湖泊等区域。结合临汾市尧都区具体的地质和交通情况，布设的地面沉降监测水准路线如图1。 图1水准路线网图 2.3水准观测

本项目采用一台DiNi 12和一台DiNi 03型数字水准仪按二等水准要求进行施测，观测数据自动储存在PCMCIA卡上。观测采用单路线往返观测，同一测段的往测（或返测）与返测（或往测）分别在上午与下午进行。测站视线长度（仪器至标尺距离），前后视距差，视线高度，数字水准仪重复测量次数，按表3规定执行： 表3单位：毫米

测站观测限差应不超表4 的规定：对于数字水准仪，同一标尺两次读数差不设限差，两次读数所测高差的差执行基辅分划所测高差之差的限差。 表4单位：毫米

一测站操作程序如下（以奇数站为例）：

a) 首先将仪器整平，（望远镜绕垂直轴旋转，圆气泡始终位于指标环中央）；b) 将望远镜对准后视标尺（此时标尺应按圆水准器整置于垂直位置），用垂直丝照准条码中央，精确调焦至条码影像清晰，按测量键；c) 显示读数后，旋转望远镜照准前视标尺条码中央，精确调焦至

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条码影像清晰，按测量键；d) 显示读数后，重新照准前视标尺，按测量键；e) 显示读数后，旋转望远镜照准后视标尺条码中央，精确调焦至条码影像清晰，按测量键，显示测站结束，测站检核合格后迁站。

2.4外业概算与平差计算

在外业观测结束后，对观测数据进行认真的检查和整理后，对所用的高差加入了下列改正：a) 水准标尺长度改正；b) 水准标尺温度改正；c) 正常水准面不平行改正；d) 重力异常改正。

在概算的基础上，按最小二乘法采用条件观测平差方法进行平差计算，本项目采用一个基岩点成果为已知点进行平差计算，两次平差结果精度统计见表5。 表5单位：毫米 3 地面沉降测量成果分析 3.1沉降量计算

根据对同一标点重复两次观测平差后推算所得到的高程，计算两次观测期间的高程变化----即升降变量，按式（3）计算 Hi+n - Hi = △ hi- i+n （3） 式中：Hi------某点第i 次高程；

Hi+n------某点（同名点）第 i+n次高程； △hi - i+n------某点在第i次与第i+n次观 测期间的变形量；

i，n ------为自然数1,2,3………n。 计算所得的变形量“-”为下沉；“+”为上升。 3.2沉降变形量的精度估计

地面沉降水准测量每一次重测都须计算其相应的最弱点中误差，变形量是同名点两次高程之差，根据观测误差传播定律，计算变形量中误差。 3.3地面沉降等值线图的编制

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地面沉降量等值线图用等比内插法勾绘，本项目沉降等值线图如下图： 4 结束语

精密水准测量作为地面沉降监测的一种有效手段，在严格执行相关的测量规程和规范的基础上，积极采用数字水准仪等方面的新技术新设备，保证了测量精度，提高了作业效率。 文中提到的临汾市尧都区地面沉降水准监测网，设计合理，作业方法先进，特别是数字水准仪在测量中的应用，极大地提高了作业精度和作业效率。本项目的实施，为本地区地质灾害的研究与预防提供了可靠的基础资料。临汾市尧都区作为中小城市，利用精密水准测量的方法完成地面沉降监测工作，具有技术手段可靠，经济效益良好的特点，该工程的完成及其取得经验可为今后类似的工程项目实施提供借鉴经验。 参考文献：

[1]武百超,邹徐文.GPS/INSAR数据融合在大范围地表沉降监测中的应用[J],2006(1):33-35. [2]丁继新,尚彦军,杨志法,成英燕.天津市市区地面沉降的GPS监测分析[J],2004(6):41-44. [3]国家测绘地理信息局《.国家一、二等水准测量规范》[S].北京:中国标准出版社,2006. [4]地质矿产部《.地面沉降水准测量规范》[S],北京:中国地质出版社,1995.