高等級水準測量技術在安徽宿州市地面沉降監測中的應用

吳 悠

(安徽省地質測繪技術院，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引發的地下松散巖層固結壓縮并導致一定區域范圍內地面高程降低的地質現象[2]。目前，我國已有很多城市出現了地面沉降現象，其中長三角地區、華北平原和汾渭盆地等地區尤為嚴重[3]。2012年2月，中國首部地面沉降防治規劃獲得國務院批復，地面沉降監測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，是安徽省少數以地下水作為城市供水水源的城市，地下水年開采量達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，本文開展了高等級水準測量工作，以了解沉降區域與沉降量，為城市沉降治理提供基礎資料。

1 區域地質環境

1.1 地層

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

1.2 構造

宿州市主要發育新華夏系構造、徐宿弧形構造等區域構造。全區廣泛分布不同時期、不同級別及不同方向的褶皺、斷層。市域內最大的斷裂構造為宿北張性斷層。據1∶50萬《安徽省區域地質志》，該斷層長度達120 km，走向約270°，向南陡傾，斷距超700 m，較大規模隱伏，較長時期活動。

1.3 水文地質條件

宿州市區域內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含水砂層組成，以粉砂為主要巖性，粉土、細砂次之。含水層頂板埋深2～27 m，底板埋深15.89～45.20 m，累計厚度為4.75～16.97 m，屬潛水-微承壓水。根據安徽省地質環境監測總站監測資料，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。

中下更新統含水砂層組成中深層含水層組，灰黃和棕黃色粉細砂、中細砂為主要巖性，呈松散結構，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。含水層頂板埋深28.50～66.10 m，底板深50.79～92.69 m，含水砂層累計厚度3.48～49.35 m，為承壓水。根據安徽省地質環境監測總站監測資料，地下水位埋深2.92～21.16 m，單井涌水量1 000～2 000 m3/d；水質好，水化學類型以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，砂層不均勻發育，主要在新汴河以南地區發育，砂層厚度3.77～38.30 m。以細砂、中砂為主要含水層巖性，粗砂、粉砂次之，大多表現為泥質或鈣質半固結狀態，水量貧乏，水位埋深多在10～12 m，水質較差，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個水廠為中心的3個深層地下水降落漏斗。隨著國民經濟快速發展，城市人口快速增長，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個水廠采水量劇增，地下水降落漏斗持續發展。之后，隨著西北新區的建立，部分水廠關閉，地下水漏斗在逐漸消失，但水位還在持續下降。

根據調查資料，宿州市區用水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是主要壓縮層，該層在源源不斷地向深層含水層釋水，結果必然導致黏性土層壓縮，引發地面沉降。

隨著宿州市城市建設與經濟發展，地下水開采強度逐年增大，而且開采方式比較混亂，局部超采現象普遍，開采井集中、開采層位集中、開采時間集中的“三集中”現象較突出。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地下水；城市建設中，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致地面下沉。開展地面沉降防治工作不僅能為宿州市防災減災提供科學依據和具體措施，也將為淮北平原其他城市防治地面沉降提供指導和示范，具有一定的經濟效益和社會效益。

3 沉降測量

沉降測量目的是監測出沉降區域與沉降量。沉降測量應依據流程進行(圖1)。首先，收集必要的文件、熟悉相關的法律法規及技術規程，并編寫技術設計書。其次，工程技術人員按照設計書開展沉降測量，依據國家一等水準測量測定維護后的基巖標高，按二等水準測量標準要求，監測市區地面沉降，獲取監測網數據，監測數據采用清華三維軟件進行平差處理，并編寫相應的平差報告。

圖1 地面沉降監測技術流程圖

本次沉降觀測采用二等水準標準，將2014年埋設的10個沉降觀測點SZCJ01～SZCJ10和國家二等水準點宿泗1-1、宿蒙1-1及2013年埋設的沉降點CJ001、CJ002及宿城一中基巖標進行聯測，共計15個點，組成6個水準觀測閉合環，共20個測段，總長約170 km。測量使用美國Trimble DINI03電子自動安平水準儀，安平精度±0.2″，高程測量電子讀數0.3 mm。水準標尺為Trimble廠生產的銦瓦合金鋼帶水準尺。在作業前、中、后分別檢查水準儀的i角，確保其均值小于±15″。

水準觀測時，使用Trimble DINI03電子自動安平水準儀觀測，往測時，奇數站觀測順序為：后—前—前—后；偶數站觀測順序為：前—后—后—前。返測時，奇數站觀測順序為：前—后—后—前；偶數站觀測順序為：后—前—前—后。

觀測過程中，選擇地面堅固位置并踩實尺墊，水準尺用尺撐支撐穩定并使上下兩個氣泡居中。每一測段的往測和返測一般分別安排在上午和下午進行，個別測段夜間觀測。在市區進行一、二等水準觀測，注意排除干擾。除了在路線拐彎處外，每一站儀器與標尺應盡量保持一條直線，在水準路線前進途中，在安置儀器三腳架時應盡量使其中兩個腳與路線方向平行，另一腳在路線的左側或右側。

平差計算利用清華三維軟件進行嚴密平差，平差后最弱點高程中誤差為±0.01 mm。測段往返較差最大是0.02 mm，限差0.28 mm。環線最長27.6 km，平均邊長8.5 km，最小邊長1.4 km，最大邊長12.6 km。

4 成果分析

為確保測量數據的準確性，對原基巖標觀測點進行了維護。由于基巖井之前沒有封閉，基巖井偶爾有采水工作，對觀測點的穩定性造成了一定影響，所以在本次監測工作之前對基巖井進行了焊接封閉并確立了新的觀測點。通過觀測網各站點的觀測，繪制出13個觀測點的沉降變量分布圖(圖2)。

圖2 宿州市沉降觀測點沉降變量分布圖

13個沉降觀測點中，有9個發生沉降，其中年沉降5 mm以下的有4個，分別是人才市場、30處小區、世紀陽光花園和人民北路觀測點；年沉降5～10 mm的觀測點有1個，是高速管理處觀測點；年沉降10～20 mm的觀測點有3個，分別是余家水泵房、怡?；▓@和春天花園觀測點；年沉降20 mm以上的觀測點有1個，為生態園S303省道觀測點。

5 結論

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

(2)開展沉降測量可以有效監測出沉降區域與沉降量。

(3)宿州市13個沉降觀測點中，有9個發生沉降，其中年沉降5 mm以下的有4個，年沉降5～10 mm的觀測點有1個，年沉降10～20 mm的觀測點有3個，年沉降20 mm以上的觀測點有1個。