高等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)在安徽宿州市地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

吳 悠

(安徽省地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)院，安徽 合肥 230022)

0 引言

地面沉降又稱為地面下沉或地陷[1]，它是由于自然因素或人類工程活動(dòng)引發(fā)的地下松散巖層固結(jié)壓縮并導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象[2]。目前，我國已有很多城市出現(xiàn)了地面沉降現(xiàn)象，其中長(zhǎng)三角地區(qū)、華北平原和汾渭盆地等地區(qū)尤為嚴(yán)重[3]。2012年2月，中國首部地面沉降防治規(guī)劃獲得國務(wù)院批復(fù)，地面沉降監(jiān)測(cè)與防治工作越來越受到城市管理者的重視[4]。

宿州市位于安徽省北部，地處淮北平原，是安徽省少數(shù)以地下水作為城市供水水源的城市，地下水年開采量達(dá)5 000萬m3，大量抽取地下水難免造成地面下沉[5]。宿州市為查明和防控地面沉降，本文開展了高等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量工作，以了解沉降區(qū)域與沉降量，為城市沉降治理提供基礎(chǔ)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

1.1 地層

宿州市地層除缺失奧陶系上統(tǒng)至石炭系上統(tǒng)、第三系漸新統(tǒng)之外，自上元古界至第四系均有發(fā)育，區(qū)劃隸屬華北地層大區(qū)徐淮地層分區(qū)淮北地層小區(qū)。市區(qū)廣泛分布第四紀(jì)松散堆積物，以黏性土和砂性土為主，厚度達(dá)80～250 m，呈北薄南厚形態(tài)展布。

1.2 構(gòu)造

宿州市主要發(fā)育新華夏系構(gòu)造、徐宿弧形構(gòu)造等區(qū)域構(gòu)造。全區(qū)廣泛分布不同時(shí)期、不同級(jí)別及不同方向的褶皺、斷層。市域內(nèi)最大的斷裂構(gòu)造為宿北張性斷層。據(jù)1∶50萬《安徽省區(qū)域地質(zhì)志》，該斷層長(zhǎng)度達(dá)120 km，走向約270°，向南陡傾，斷距超700 m，較大規(guī)模隱伏，較長(zhǎng)時(shí)期活動(dòng)。

1.3 水文地質(zhì)條件

宿州市區(qū)域內(nèi)廣泛分布松散巖類孔隙水，是城市供水主要來源。按含水巖組的埋藏條件可分為淺層含水層組、中深層含水層組和深層含水層組。

淺層含水層組是由上更新統(tǒng)含水砂層組成，以粉砂為主要巖性，粉土、細(xì)砂次之。含水層頂板埋深2～27 m，底板埋深15.89～45.20 m，累計(jì)厚度為4.75～16.97 m，屬潛水-微承壓水。根據(jù)安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站監(jiān)測(cè)資料，地下水位埋深1.16～16.55 m，單井涌水量100～1 000 m3/d；水化學(xué)類型主要為HCO3—Ca·Mg和HCO3—Na型，溶解性總固體多小于1 g/L，總硬度一般為280.0～324.6 mg/L。

中下更新統(tǒng)含水砂層組成中深層含水層組，灰黃和棕黃色粉細(xì)砂、中細(xì)砂為主要巖性，呈松散結(jié)構(gòu)，分選性良好。相比淺層含水層組，中深層含水巖組砂層厚度更大、顆粒更粗、富水性更強(qiáng)。含水層頂板埋深28.50～66.10 m，底板深50.79～92.69 m，含水砂層累計(jì)厚度3.48～49.35 m，為承壓水。根據(jù)安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站監(jiān)測(cè)資料，地下水位埋深2.92～21.16 m，單井涌水量1 000～2 000 m3/d；水質(zhì)好，水化學(xué)類型以HCO3—Ca·Na和HCO3—Na·Ca型為主，溶解性總固體均小于1 g/L，總硬度一般為195～317 mg/L。

深層含水層組則隱伏于中深層含水層組之下，地層多為上第三系，砂層不均勻發(fā)育，主要在新汴河以南地區(qū)發(fā)育，砂層厚度3.77～38.30 m。以細(xì)砂、中砂為主要含水層巖性，粗砂、粉砂次之，大多表現(xiàn)為泥質(zhì)或鈣質(zhì)半固結(jié)狀態(tài)，水量貧乏，水位埋深多在10～12 m，水質(zhì)較差，以HCO3·SO4—Na·Mg型為主。單井涌水量小于1 000 m3/d。

2 地下水開采與地面沉降

從20世紀(jì)80年代開始，宿州市開始通過開采地下水供水。主要從中深層含水層開采地下水，由于開采量大，先后形成了以3個(gè)水廠為中心的3個(gè)深層地下水降落漏斗。隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市人口快速增長(zhǎng)，地下水開采量由1995年的3 950×104m3/a增加到2007年的4 900×104m3/a。上述3個(gè)水廠采水量劇增，地下水降落漏斗持續(xù)發(fā)展。之后，隨著西北新區(qū)的建立，部分水廠關(guān)閉，地下水漏斗在逐漸消失，但水位還在持續(xù)下降。

根據(jù)調(diào)查資料，宿州市區(qū)用水97%為中深層地下水，其余為淺層地下水。資料顯示，深層含水層的頂、底板黏性土層孔隙水壓力減少了0～100 kPa，說明宿州市淺深含水層之間的黏性土層應(yīng)是主要壓縮層，該層在源源不斷地向深層含水層釋水，結(jié)果必然導(dǎo)致黏性土層壓縮，引發(fā)地面沉降。

隨著宿州市城市建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，地下水開采強(qiáng)度逐年增大，而且開采方式比較混亂，局部超采現(xiàn)象普遍，開采井集中、開采層位集中、開采時(shí)間集中的“三集中”現(xiàn)象較突出。因歷史原因，宿州市城市和水源地同處一地，為給城市供水，需要源源不斷地抽取城區(qū)地下水；城市建設(shè)中，不斷增高的樓層也不斷地向地面增加荷載。水位下降和地面加載的雙重壓力必然導(dǎo)致地面下沉。開展地面沉降防治工作不僅能為宿州市防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)和具體措施，也將為淮北平原其他城市防治地面沉降提供指導(dǎo)和示范，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 沉降測(cè)量

沉降測(cè)量目的是監(jiān)測(cè)出沉降區(qū)域與沉降量。沉降測(cè)量應(yīng)依據(jù)流程進(jìn)行(圖1)。首先，收集必要的文件、熟悉相關(guān)的法律法規(guī)及技術(shù)規(guī)程，并編寫技術(shù)設(shè)計(jì)書。其次，工程技術(shù)人員按照設(shè)計(jì)書開展沉降測(cè)量，依據(jù)國家一等水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)定維護(hù)后的基巖標(biāo)高，按二等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)要求，監(jiān)測(cè)市區(qū)地面沉降，獲取監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用清華三維軟件進(jìn)行平差處理，并編寫相應(yīng)的平差報(bào)告。

圖1 地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)流程圖

本次沉降觀測(cè)采用二等水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，將2014年埋設(shè)的10個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)SZCJ01～SZCJ10和國家二等水準(zhǔn)點(diǎn)宿泗1-1、宿蒙1-1及2013年埋設(shè)的沉降點(diǎn)CJ001、CJ002及宿城一中基巖標(biāo)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，共計(jì)15個(gè)點(diǎn)，組成6個(gè)水準(zhǔn)觀測(cè)閉合環(huán)，共20個(gè)測(cè)段，總長(zhǎng)約170 km。測(cè)量使用美國Trimble DINI03電子自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，安平精度±0.2″，高程測(cè)量電子讀數(shù)0.3 mm。水準(zhǔn)標(biāo)尺為Trimble廠生產(chǎn)的銦瓦合金鋼帶水準(zhǔn)尺。在作業(yè)前、中、后分別檢查水準(zhǔn)儀的i角，確保其均值小于±15″。

水準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)，使用Trimble DINI03電子自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀觀測(cè)，往測(cè)時(shí)，奇數(shù)站觀測(cè)順序?yàn)椋汉蟆啊啊螅慌紨?shù)站觀測(cè)順序?yàn)椋呵啊蟆蟆?。返測(cè)時(shí)，奇數(shù)站觀測(cè)順序?yàn)椋呵啊蟆蟆?；偶?shù)站觀測(cè)順序?yàn)椋汉蟆啊啊蟆?/p>

觀測(cè)過程中，選擇地面堅(jiān)固位置并踩實(shí)尺墊，水準(zhǔn)尺用尺撐支撐穩(wěn)定并使上下兩個(gè)氣泡居中。每一測(cè)段的往測(cè)和返測(cè)一般分別安排在上午和下午進(jìn)行，個(gè)別測(cè)段夜間觀測(cè)。在市區(qū)進(jìn)行一、二等水準(zhǔn)觀測(cè)，注意排除干擾。除了在路線拐彎處外，每一站儀器與標(biāo)尺應(yīng)盡量保持一條直線，在水準(zhǔn)路線前進(jìn)途中，在安置儀器三腳架時(shí)應(yīng)盡量使其中兩個(gè)腳與路線方向平行，另一腳在路線的左側(cè)或右側(cè)。

平差計(jì)算利用清華三維軟件進(jìn)行嚴(yán)密平差，平差后最弱點(diǎn)高程中誤差為±0.01 mm。測(cè)段往返較差最大是0.02 mm，限差0.28 mm。環(huán)線最長(zhǎng)27.6 km，平均邊長(zhǎng)8.5 km，最小邊長(zhǎng)1.4 km，最大邊長(zhǎng)12.6 km。

4 成果分析

為確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)原基巖標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了維護(hù)。由于基巖井之前沒有封閉，基巖井偶爾有采水工作，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定性造成了一定影響，所以在本次監(jiān)測(cè)工作之前對(duì)基巖井進(jìn)行了焊接封閉并確立了新的觀測(cè)點(diǎn)。通過觀測(cè)網(wǎng)各站點(diǎn)的觀測(cè)，繪制出13個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降變量分布圖(圖2)。

圖2 宿州市沉降觀測(cè)點(diǎn)沉降變量分布圖

13個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)中，有9個(gè)發(fā)生沉降，其中年沉降5 mm以下的有4個(gè)，分別是人才市場(chǎng)、30處小區(qū)、世紀(jì)陽光花園和人民北路觀測(cè)點(diǎn)；年沉降5～10 mm的觀測(cè)點(diǎn)有1個(gè)，是高速管理處觀測(cè)點(diǎn)；年沉降10～20 mm的觀測(cè)點(diǎn)有3個(gè)，分別是余家水泵房、怡?；▓@和春天花園觀測(cè)點(diǎn)；年沉降20 mm以上的觀測(cè)點(diǎn)有1個(gè)，為生態(tài)園S303省道觀測(cè)點(diǎn)。

5 結(jié)論

(1)宿州市是安徽省少數(shù)以地下水作為城市供水水源的城市，地下水年開采量達(dá)5 000萬m3，大量抽取地下水難免造成地面下沉。

(2)開展沉降測(cè)量可以有效監(jiān)測(cè)出沉降區(qū)域與沉降量。

(3)宿州市13個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)中，有9個(gè)發(fā)生沉降，其中年沉降5 mm以下的有4個(gè)，年沉降5～10 mm的觀測(cè)點(diǎn)有1個(gè)，年沉降10～20 mm的觀測(cè)點(diǎn)有3個(gè)，年沉降20 mm以上的觀測(cè)點(diǎn)有1個(gè)。