毕业设计论文-水准测量在地面沉降监测中的应用.docx

毕业论文 题 目：水准测量在地面沉降监测中的应用 学 院： 资源工程学院 专 业： 二0一六年六月三日水准测量在地面沉降监测中的应用摘要：地面沉降是由多种因素引起的一种造成区域地表下降的现象。随着我国城市化进程的发展，地面沉降监测已经成为城市建设中不可或缺的一环。本文主要对地面沉降的原因、监测的方法和技术进行介绍和研究。并结合地面沉降观测的实例，着重介绍水准测量在沉降观测中的的过程、数据的整理及成果的分析。 关键词：地面沉降；沉降观测技术；二等水准测量；沉降分析目录引言41.1 研究的目的和意义41.2地面沉降监测研究现状42 地面沉降的成因43 沉降监测的技术和方法53.1 沉降测量方法53.2 沉降监测的要求53.2.1 基准点的布设53.2.2观测时间要求53.2.3观测过程中需要遵循的原则53.3具体施测方案与步骤63.3.1建立水准控制网63.3.2建立固定的观测路线63.3.3沉降观测63.3.4数据整理63.4 沉降监测技术指标64 南阳市卧龙区地面沉降监测应用分析.74.1 南阳市地面沉降原因分析74.2 南阳市卧龙区地面沉降观测84.2.1 已有资料情况84.2.2 作业技术依据84.2.3 基准点的确定与组网84.2.4 仪器的检校与使用94.2.5 二等水准测量104.2.6 质量保证与安全104.3 沉降观测数据整理和分析114.3.1 观测数据整理114.3.2沉降分析125 总结与展望13参考文献13致谢14引言1.1 研究的目的和意义地面沉降又叫地面下沉或沉陷。是由于地下松散沉积地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降的工程地质现象1。当前，地面沉降所引发的问题越来越被人们所关注。全球范围包括英国、韩国、印度、中国在内的七十多个国家在不用时期都发生过大小不同的沉降。其中中国是沉降现象最为严重的国家之一，截至2015年10月，中国有88个城市出现过地面沉降，其中珠江三角洲、河南、山西等省市已成沉降较为严重的区域 2。另外，一些经济发展迅速的城市，为了满足其城市建设与居民的日常生活用水需求，需要抽取本城区地层深处大量的地下水资源。这改变了城市地下荷载地质体的结构，从而引起沉降。例如3:根据郑州市历年的资料显示，郑州地区的地面有时沉降有时上升，这与其地下水受季节性变化影响有关。而有些省份矿产资源丰富，且都埋藏于地表深处。无限制的地下矿产开采，造成地基荷载能力减弱，也会使当地地面发生沉降。例如：自上个世纪80年代以来，山西省的各大煤炭开采矿区都曾发生过大范围地面下降，其中最大沉降面积已达500km2。本文主要结合了河南省南阳市卧龙区地面沉降观测的实际情况，通过对地面沉降原理的分析，对如何监测地面沉降的技术和方法进行了分析和研究。1.2地面沉降监测研究现状沉降监测方法包括地面以下采用的精密观测法 (基岩标、分层标)，地面上采用水准测量和GPS技术等。这些方法均可达到沉降监测的精度要求。随着空间信息技术的快速发展，差分干涉测量技术为大范围、快速地面沉降监测提供了一种全新的技术手段。与山洪、滑坡和泥石流等自然灾害一样，地面沉降所引起的地质地层变化也会造成巨大的经济损失。为了尽可能早地预测沉降，准确可靠的沉降资料已经成为各项施工作业的重要数据支持。2 地面沉降的成因地面沉降是在自然和人为因素的作用下造成地面标高缺失。自然因素有构造运动、地震火山运动、地应力的改变和粘土固结等。人为因素主要是对地下资源与固体矿产的开发和土质松软与工程施工强烈地区的固结沉降等。具体原因如下4：第一是开发利用地下水体资源。一般城区内生活用水大多为抽取地下水，过量抽取地下水很容易发生地面沉降。上个世纪二三十年代，我国在上海、苏州等大规模抽取地下水的地区均发生了不同程度的沉降。第二是开采固体矿产。矿山塌陷多分布在矿山的空采区，以采煤塌陷最为突出。中国有约20多个省区发生踩空塌陷，尤其以黑龙江、陕西、云南、河南等省最为突出。第三是工程地质的环境效应。占地面积巨大的大型建筑物在这几年越来越多，增大了对原有荷载地基的压力。并且在发达程度高的省市愈加明显。由此可见，人类的社会活动已经成为沉降现象出现的最大因素。所以，在分析地面沉降的成因时，更要关注的是人类的社会活动对其产生的影响。3 沉降监测的技术和方法3.1 沉降测量方法在如今科学技术飞速发展的现在，地面沉降监测所用的技术有水准测量、GPS技术和合成孔径干涉雷达监测。现使用最为广泛的方法是水准测量。这种方法最大的特点是精度高，但其缺点也很明显：只能在小面积区域使用5。到目前为止，水准测量仍然是沉降监测中最为准确的方法，被用于大多数地区的沉降监测。但对于某些地势起伏较大，面积广阔的地区，水准测量无法实现时可采用GPS技术进行监测。合成孔径干涉雷达属于遥感的范围。在国内，借助于ENVISAT卫星国际合作项目的支持，上海测绘院在上海市中心城区进行了观测试验，并且取得的结果与水准测量所得沉降趋势一致5。南阳市卧龙区将使用的是二等水准测量。3.2 沉降监测的要求3.2.1 基准点的布设基准点通常埋设在稳固的地表之上。其点位必须稳定可靠，不能轻易改变且受外界影响微弱6。每个基准点旁边都需要设立一些保护点。日常观测中，保护点可以用来校核基准点。假如基准点被破坏，其周围存在的保护点又可以帮助恢复。监测点设立的位置应该可以明确反映出该地区的地面沉降，而且还要易于观测作业的实施。3.2.2观测时间要求观测时间的确定极为重要，尤其是第一次测量必须准时进行。不然将无法得到准确的初始数据，甚至是整个作业都不具有观测意义。另外，其他阶段的复测，依据项目进展过程也要按时进行，不能漏测、补测。以两次观测时间的间隔确定为一个观测周期。选择最为合适的观测周期,可以使作业结果的分析更具意义。一般情况下，观测周期可参照表3-1：表3-1 沉降监测周期参照表沉降速度/mm/d观测周期/月沉降速度/mm/d观测周期/月0.30.50.020.0560.10.310.010.02120.050.130.01停止3.2.3观测过程中需要遵循的原则沉降观测设立点位一旦选择确定，一般情况下不可随便更改；观测时，仪器与设备要安置稳定；施测人员在外业观测时要认真负责；每次观测的天气环境需要大致相似；观测过程和方法要一致。遵循以上原则，可以减少误差的不确定性。3.3具体施测方案与步骤3.3.1建立水准控制网根据沉降监测所具有的特点和测区的现场环境，在测量之前制订出合适的方案。依据已知水准控制点，按照已经制定的方案和原则来建立合理的控制网。其要求如下：(1)在实测时，每个所设的站点必须最少后视到两个观测点。而且整个控制网必须闭合。(2)各观测点必须设立在地面沉降和地质环境不稳定的区域之外。而且点的设立形式必须遵循相关规范。3.3.2建立固定的观测路线观测路线的建立，需要以控制网为基础架起整个路线框架，并参考具体每个基准点位的分布。统筹区域地形情况，包括视线、地势起伏等不利于实测的因素。确定出最为合适的观测点位，并建立起适合实际观测的路线。最后还要在所设路线上的观测点做好标示。3.3.3沉降观测沉降观测的首次观测非常重要，必须严格依照具体的施测方案以及技术指标。通常，每次观测的高程值都需要和首次观测值进行比较，所以首次观测的精度应达到很高的标准。使以后所得数据与其比时具有意义。高精度的首次测量使后期进行沉降分析时可以得到更加准确的结果。3.3.4数据整理每次观测的数据都必须全部记录在案，不得随意更改7。并在每测段观测结束或当天的作业完成后进行检查，其结果如果符合限差要求，则可以进行后续的平差工作。但如果数据超出规定限差，必须组织重测，并分析总结其原因。作业结束后，依照沉降分析所使用的方法，将数据整理成所要求的形式。最后依据所用沉降分析法进行成果分析，产生报告。3.4 沉降监测技术指标依照不同监测精度的要求，可以把精度等级分为：特级、一级、二级、三级。其中在选用水准仪的时候，依据情况或要求选择对应的仪器8：（1）特级与一级的沉降监测，选DS05型。水准尺使用因瓦合金标尺；（2）二级沉降监测，必须使用DS1型。水准尺使用因瓦合金标尺；（3）进行三级沉降监测，必须使用DS3型。水准尺使用木质标尺。在进行具体等级的作业时，应参照相应规范要求：见表3-2、表3-3、表3-4。表3-2 视距长度、前后视距差和视线高度等级仪器类型/m视线长度/m视距差/m累积差/m视线高/m特级DS05150.31.50.5一级DS05300.51.50.5二级DS1501.03.00.3三级DS3755.08.00.2表3-3 水准测量主要误差等级基辅分划读数差/mm基辅分划所测高差之差/mm相邻基准点高差中误差/mm每站高差中误差/mm往返较差、附和或环线闭合差/mm检测已测高差较差/mm特级0.30.40.30.070.150.2一级0.30.40.50.130.30.5二级0.40.61.00.300.60.8三级2.03.02.00.701.42注：表中n表示的是测站数表3-4 沉降监测点的精度要求等级往返较差、附和或环线闭合差/mm高程中误差/mm相邻点高差中误差/mm特级0.150.30.15一级0.30.50.30二级0.61.00.50三级1.42.01.004 南阳市卧龙区地面沉降监测应用分析.4.1 南阳市地面沉降原因分析南阳市位于河南与湖北省交界，三面环山，中间是一个盆地。南阳盆地位于汉水上游，属于长江流域。丹江水库为南水北调中线源头，位于淅川县。南阳盆地所覆盖的第四纪松散沉积残积层厚度有130250m。南阳市地形流域图如下图4-1所示。南阳市城市建设飞速发展。城区面积不断扩大，大型建筑物此起彼伏。宁西高速铁路，焦枝铁路也在紧张施工。城市面貌日新月异，各类建设项目对市区地面高程的精度提出了更高的要求，自然而然地也需要更加关注地面沉降所造成的影响。南阳市地下水由孔隙潜水、承压水层构成。其中承压水具有水量充足、水质好等特点，所以人类往往在承压水层上凿井取水。但由于工程施工与日常生活中的过度挖采，某些区域的又不能及时补充。使得南阳盆地中重度挖采区地下水位持续下降，地表下土体失水。南阳市自九十年代起开始产生广泛的地面沉降。图4-1 南阳市地形流域图4.2 南阳市卧龙区地面沉降观测4.2.1 已有资料情况南阳市卧龙区自2006年起，对其区内重要地区进行了系统的沉降监测。南阳市城市规划局保存其相关资料。现找取2010年以后的监测记录作为已有资料进行对比分析。如下表4-1所示。观测年份监测范围/km2监测点数路线长度/km年平均沉降量/cm201080686165初始测量20118759018713.4720121043962725.2420131231983023.2620141231983022.28表4-1 南阳市卧龙区自20102014年沉降观测资料表4.2.2 作业技术依据1中华人民共和国国家一、二等水准测量规范GB/T 1289720062. 国家地质矿产部地面沉降水准测量规范DZ/T 0154953. 国家行业标准城市测量规范CJJ/T 820114. 国家测绘局测绘成果质量检查与验收GB/T 24356-20095. 国家测绘局2008年2月发布测绘作业人员安全规范CH 1016-20084.2.3 基准点的确定与组网地面沉降基准点的选择。由于沉降观测需要持续较长时间且无间断观测，所以基准点应该选在稳定可靠的岩石上，并且不轻易变化。南阳市卧龙区区域范围设有基岩标3个，一等水准点2个。每个基岩标都可以看作是个一等水准点。在进行地面沉降监测时，这些已知点都可以作为基准点。卧龙区内有国家一等水准点1个、河南省地面沉降观测点3个。南阳市国土资源局二等水准点1个、南阳市三等水准点1个、其他二等普通水准点若干。共计待定高程点98个。观测路线总长314Km，监测范围达1231 km2 ，共37个闭合环。具体如图4-2所示。图4-2 卧龙区沉降观测网图4.2.4 仪器的检校与使用本次使用的测量仪器为徕卡NA2高精度自动安平水准仪，并配套平行玻璃板测微器GPM3。并且使用5mm分划2米条式因瓦尺。其标尺号分别为1540/1541,12103/12104,2736/2737。在施测之前，必须对所用一起进行检校。此处省略了水准仪精度和对i角的检校。对线条式因瓦尺进行了检视。如表4-2,表4-3所示。表4-2 水准标尺检查结果（观测前）标尺号矢距/mm一对水准标尺零点差/mm基、辅分划读数差常数/mm每米间隔真长/mm一根标尺平均真长/mm一对标尺平均真长/mm1540-2.40.03301551999.985999.9801541-0.8999.96812103-0.50.04301546999.9941000.01012104-2.21000.0222736+0.40.073015521000.0221000.0102737+0.2999.998表4-3 水准标尺检查结果（观测后）标尺号矢距/mm每米间隔真长/mm一根标尺平均真长/mm一对标尺平均真长/mm1540-0.5999.988999.9901541-1.61000.00112103-0.71000.0121000.02012104-1.61000.03227360.01000.0121000.00027370.4999.9854.2.5 二等水准测量外业的有效观测时间为41天，且全部作业必须在流程规范的指导下进行。在测量前，首先把所使用的仪器放置于遮阴处一段时间后才可使用。在整段观测过程中，仪器时刻保持整平状态，施测人员双手把持标尺，使圆气泡始终居中。二等水准测量采用的是单路线往返观测。即在整个观测过程中，每次往返测必须经过相同的路线，且分别在上下午进行。在作业过程中，每段都要使用同样的仪器与标尺，并且它们之间的距离要控制在要求规范的距离之下，尽可能使其视距相等。在每个站点和尺转点处用红油漆画上相应的符号。在视线良好的测段上，应该尽量使仪器与标尺呈一条直线。仪器需要转动时，调整测微器且最后微调方向必须是向外转动。观测同一测站上的两个标尺，仪器不调焦。在水准线路相交处，采用8cm长带有直径为3cm凸形帽的钢钉牢固置于地面作好标记作为结点，并做好详细接测记录。施测期间日常气温平均在21，天气情况较好。风力不大，多为24级。4.2.6 质量保证与安全在其测量过程中，必须严格遵照二等水准测量的规范与要求。每次观测数据都必须记录在表，及时整理。每个测段或闭合环都要立即检查是否超出线差。每天观测数据都应在当天检查。如果发现有测段超出限差，立即组织重测并及时讨论分析原因，严格进行质量把关。各测量小组之间应该及时交流，探讨超限测段的原因。安全是一切工程项目的重中之重。保证作业过程中的安全工作，最重要的是要提高全体人员的安全意识。依照安全规章制度，对全体人员进行安全知识培训。要求工作时做好必要的防护措施，遵守规章条例。4.3 沉降观测数据整理和分析4.3.1 观测数据整理根据测量规范的要求，在一定阶段的观测结束时。以一个闭合环为单位，计算其环闭合差。且应小于限差4，F为该闭合环的周长9。环闭合差计算公式为： (公式4-1)为测段往返高差差值，单位为毫米；R为测段长度，单位为千米；n为测段数。本文只选取其中4个闭合环的计算结果统计成表4-5：表4-5 闭合差统计环号闭合差权倒数限差10.000815.90.01595环内点号II163II14SII15660661II10II11II12II13II163环号闭合差权倒数限差2-0.000420.70.01819环内点号I501W72I49II164II09II10661660II15659I501环号闭合差权倒数限差30.0039180.01697环内点号II99625601II07II08629QLXXII10II09627II19II62II99环号闭合差权倒数限差4-0.004624.30.01971环内点号G3730II17B012II19627II09II164I49W72I501G3730经过大量的统计与计算，整网精度如表4-6所示：表4-6 整网精度统计表环个数 W 1/4 1/4 W 1/3 1/3 W 1/237332290%5%5%表中W 表示环闭合差.由此可见，实测数据质量较高，精度可靠且符合要求。4.3.2沉降分析 此次沉降的数据分析法为线状分析法。以同一观测路线上多个水准点为基本单元，记录每个点在一段时间内的高程变化。将其组合在一起，可以看出整条路线的地面沉降情况。再以一条观测路线为基础，把多条路线的沉降情况进行整合，可以分析出此区域具体沉降情况。通过上述方法对卧龙区范围内沉降情况所做分析见表4-6，充分说明了该区地面沉降的总体情况。表4-6 南阳市卧龙区自2010-2015年地面沉降观测基本资料一览表观测年份覆盖范围/km2沉降点数路线长度/km年平均沉降量/cm201080686165初始测量20118759018713.4720121043962725.2420131057973023.2620141134983142.2820151134983142.55通过对本次地面沉降观测可以看出：从地面沉降监测的统计数据来看，南阳市卧龙区的整体沉降量不大，且已趋于平衡。通过表格可以分析出：近几年的沉降变缓，可能是因为地面出现反弹现象。由于南阳市处于南水北调中线源头，从丹江水库向北方各大城市输送了大量的水资源，使得本地地下水储量下降。但因为南阳市地处盆地，且降雨丰富，地下水资源可以得到及时的补充。又因为地下潜水失水后可以迅速补充，且承压水土层的收缩又是可以恢复的10。所以区域内地表的沉降在一定条件下可以出现反弹。5 总结与展望自工业革命以来，人类社会得到了空前的发展。城市经济的发展，需要大量的自然资源给予支撑。地下资源的开采、施工建设、土地开发等都是引起地面沉降的重要原因。经研究资料显示，大多数发达城市都出现过或大或小的地面沉降现象。防范于未然，任何灾害都需要尽可能提前预报。如今，地面沉降监测已经成为城市灾害预报体系中的重要组成部分，完整的沉降监测系统的建立刻不容缓。定期对以往沉降较大的地区进行监测，及时对数据资料分析。如今，地面沉降监测常用到的是常规监测、GPS技术和合成孔径干涉雷达三种方法。其中，水准测量在现阶段依然是大多数地区使用的方法，其数据可靠、技术成熟、精度高等优点对监测有着重要的意义。但是，不管在测量中使用什么技术，都存在某些局限性。当需要进行大面积测区的水准测量时，组织困难、耗时耗力等确定也逐渐显现出来。在城市与社会进步的现在，对作业过程的自动化、成果准确化、耗资最小化等提出了更高的要求。大大促使测量技术的发展。现存的沉降监测技术同样需要改良，自动实时化的技术将更受欢迎。但GPS与InSAR技术同样具有不可避免的局限：其系统的不稳定会导致最终结果质量不高且易受外界环境干扰。结合水准测量，三种技术之间的优势与局限性可以结合起来。相信在不久的将来，沉降监测技术可以实现自动高效与精确可靠并存。参考文献1 吴继敏. 工程地质学M.北京: 高等教育出版社, 2006, 146-150.2 Yi-Qun Tang. Application of grey theory-based model to prediction of land subsidence due to engineering environment in ShanghaiJ. Environ Geol , 2008, 583593.3 席新海, 姚青, 王喜军. 京广高铁郑州段地面沉降监测与防护措施J. 探矿工程, 2014, 1(11): 60-62.4 薛禹群, 张云, 叶淑君, 等. 中国地面沉降及其需要解决的几个问题J. 第四纪研究, 2003, 1 (6): 585-593.5 万广欣, 沈玉娜. 填海造陆软土区域地面沉降水准监测的探讨J. 矿山测量. 2014, 7: 49-51.6 冯社鸣. 高层建筑工程沉降观测技术的应用J. 科技创新与应用. 2014, 3: 250-253.7 林启森. 高层建筑施工中的沉降监测技术J. 低碳世界. 2013, 2: 288-289.8 李振洪. InSAR数据处理中的误差分析J. 武汉大学学报 信息科学版, 2004, 29（1）: 72-76.9 黄声享, 尹晖, 蒋征. 变形监测数据处理M. 武昌: 武汉大学出版社, 2003, 49.10 徐益峰, 小区域地面沉降监测的实施与分析J. 中国科技信息, 2009, 1(05): 5051.Research an