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水准测量在地面沉降监测中的应用.docx

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水准测量 地面沉降 监测 中的 应用
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龙岩学院毕业论文题 目:水准测量在地面沉降监测中的应用 二 0 一六年六月三日2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3目录1 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 ...................................................................................................................................................................1441 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。53 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>0.3 0.5 0.02~0.05 60.1~0.3 1 0.01~0.02 120.05~0.1 3 <0.01 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。6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 DS05 ≤15 ≤0.3 ≤1.5 ≥0.5一级 DS05 ≤30 ≤0.5 ≤1.5 ≥0.5二级 DS1 ≤50 ≤1.0 ≤3.0 ≥0.3三级 DS3 ≤75 ≤5.0 ≤8.0 ≥0.27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 0.3 0.4 0.3 0.07 0.15 0.2一级 0.3 0.4 0.5 0.13 0.3 0.5二级 0.4 0.6 1.0 0.30 0.6 0.8三级 2.0 3.0 2.0 0.70 1.4 2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 0.15 ±0.3 ±0.15一级 0.3 ±0.5 ±0.30二级 0.6 ±1.0 ±0.50三级 1.4 ±2.0 ±1.004 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130~250m。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。8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。表 4-1 南阳市卧龙区自 2010~2014 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 12897—20062. 国家地质矿产部《地面沉降水准测量规范》DZ/T 0154—953. 国家行业标准《城市测量规范》CJJ/T 8—20114. 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、观测年份 监测范围/km 2 监测点数 路线长度/km 年平均沉降量/cm2010 806 86 165 初始测量2011 875 90 187 13.472012 1043 96 272 5.242013 1231 98 302 3.262014 1231 98 302 2.289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。10表 4-2 水准标尺检查结果(观测前)每米间隔真长/mm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一根标尺平均真长/mm 一对标尺平均真长/mm1540 -2.4 999.9851541 -0.80.03 301551999.968999.98012103 -0.5 999.99412104 -2.20.04 3015461000.0221000.0102736 +0.4 1000.0222737 +0.2 0.07 301552 999.998 1000.010表 4-3 水准标尺检查结果(观测后)每米间隔真长/mm标尺号 矢距/mm一根标尺平均真长/mm 一对标尺平均真长/mm1540 -0.5 999.9881541 -1.6 1000.001999.99012103 -0.7 1000.01212104 -1.6 1000.0321000.0202736 0.0 1000.0122737 0.4 999.985 1000.0004.2.5 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
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