地面沉降的監(jiān)測技術(shù)及治理措施

薛天祥，沈春勇，陳潤澤

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081）

1 引言

地面沉降是城市中常見的地質(zhì)災(zāi)害，在人類建設(shè)活動及自然環(huán)境的共同作用下，地殼表層土體出現(xiàn)了不同程度的沉降現(xiàn)象，導致不同地區(qū)地面的高度有所下降，形成了難以逆轉(zhuǎn)的地質(zhì)問題。通常情況下，地面沉降的共有表現(xiàn)為持續(xù)時間較長，發(fā)展比較緩慢，區(qū)域影響較大，產(chǎn)生的原因復雜和治理問題多等，沉降的長期存在對城市建設(shè)、交通運輸、資源調(diào)度、經(jīng)濟發(fā)展和居住環(huán)境造成了巨大的威脅。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)已有90 多個地區(qū)或城市出現(xiàn)了不同層次及深度的地面沉降，這些區(qū)域中，以上海為代表的長江三角洲、以天津為代表的華北平原、以西安為代表的汾渭盆地是地面沉降的典型代表區(qū)域[1]。目前，我國沉降發(fā)生嚴重的城市有北京、天津、唐山、西安、太原、大同、滄州、臺北等。統(tǒng)計結(jié)果表明，天津塘沽的最大沉降量已達3.1 m，其中，累計地面沉降量超過0.2 m 的總面積超過7.9×104km2，并且存在進一步擴大的趨勢[2]。

目前，很多學者開展了一系列的地面沉降分析工作，地面沉降的治理工作也有了一定成效，但未能有效控制其繼續(xù)惡化的趨勢，面對如此嚴峻的沉降問題，日后的研究工作開展仍十分困難[3]。隨著地面沉降問題的日益嚴重，為防止地面沉降導致巨額損失，有必要對此展開深入研究。因此，本文全面論述了地面沉降的監(jiān)測技術(shù)及治理措施等，對研究人員開展地面沉降防治工作具有一定的參考意義。

2 地面沉降監(jiān)測技術(shù)分析

因地面沉降監(jiān)測范圍有所差異，監(jiān)測技術(shù)包括大范圍監(jiān)測技術(shù)和小范圍監(jiān)測技術(shù)[4]。大范圍監(jiān)測技術(shù)通常包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、合成孔徑干涉雷達（InSAR）、分布式光纖傳感技術(shù)以及水準測量等。GPS 監(jiān)測技術(shù)是利用人造衛(wèi)星對一個指定的測量地點進行三邊測量定位，根據(jù)測量定位獲得的地面高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)地面沉降監(jiān)測[5]。InSAR 監(jiān)測技術(shù)是沉降監(jiān)測的先進技術(shù)，通過對固定點測得干涉圖像和波形信號，模擬出測量點的三維模型特征，然后比較SAR 圖像的相位差獲得干涉條紋，進而得出測量點高程數(shù)據(jù)的變化，達到沉降監(jiān)測目的[6，7]。多年以來，分布式光纖傳感技術(shù)已成為國際區(qū)域光纖通信成果中新型的研究方法，通過使用先進的光時域反射儀（OTDR），把光纖當作傳感元件，發(fā)揮其在傳輸過程中的介質(zhì)特性，研究光纖在各個區(qū)域的溫度和應(yīng)變分布規(guī)律，完善沉降監(jiān)測方法。小范圍監(jiān)測技術(shù)包括常見的水準測量、基巖標及分層標等方法。其中，水準測量也被稱作幾何水準測量，該方法是通過水準尺和水準儀2 種儀器來測量地面上不同點之間的高差關(guān)系，保證在某個區(qū)域內(nèi)沉降監(jiān)測能得到滿足要求的監(jiān)測精度[8]。分層標和基巖標監(jiān)測技術(shù)則將基巖面作為水準點，采用埋設(shè)分層標和基巖標的方式得到各土層壓縮（膨脹）量等數(shù)據(jù)，經(jīng)分析求解各個土層的變形量和地面沉降量[9]?，F(xiàn)有常用的地面沉降監(jiān)測技術(shù)見表1。

表1 現(xiàn)有常用的地面沉降監(jiān)測技術(shù)

目前的監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)將監(jiān)測目標最大化，在各種監(jiān)測技術(shù)里面，水準測量自動化集成過程難度大，很難達到監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化的要求；GPS 和InSAR 監(jiān)測準確度常常與各農(nóng)作物等因素相關(guān)，且監(jiān)測所需費用多；分布式光纖技術(shù)仍在積極的研發(fā)與試驗過程中；分層標和基巖標存在著傳感密度較低、分析數(shù)據(jù)不足和實際操作存在難度等問題。

3 地面沉降預測與監(jiān)測

3.1 地面沉降預測

目前，國內(nèi)外通常采用灰色理論和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法來預測地面沉降[10]。其中，基于灰色理論的預測方法，在預測上海路家嘴地區(qū)的沉降過程中，唐益群和王寒梅通過建立非等時距GM（1，1）①GM（1,1），即灰色動態(tài)預測模型，G 表示Grey（灰色）；M 表示Model（模型）；GM（1，1）表示1 階的、1 個變量的模型。模型對沉降進行預測，與實測數(shù)據(jù)進行對比分析表明，預測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)大致相同，預測結(jié)果能達到精度要求。通過研究天津市區(qū)地面沉降的分布規(guī)律，李濤和潘云[11]等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理運用到研究中，成功預測了天津市區(qū)年度沉降情況。據(jù)統(tǒng)計，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法常用于地面沉降上下浮動較大的情況，當?shù)孛娉两蹈虞^小、穩(wěn)定且均勻時，通過灰色理論來進行預測。地面沉降的產(chǎn)生與多種形成機制息息相關(guān)，二者之間需求解復雜的非線性問題，因此，為了準確地預測地面沉降出現(xiàn)的可能性，并有效防止災(zāi)害發(fā)生，采用正確的預測方法和建立合適的預測模型是十分重要的。

3.2 地面沉降監(jiān)測

隨著地面沉降監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的逐漸加快，全球定位系統(tǒng)（GPS）已得到大力的推廣，區(qū)域性水準測量慢慢被替代。例如，針對日本新瀉等區(qū)域的沉降情況，日本的Hiroshi[12]通過使用GPS 技術(shù)，通過量測結(jié)果描繪沉降過程變化圖。1960 年早期，結(jié)合多種防治方法的治理效果，上海市鋪設(shè)了沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[13，14]，緩解了地面沉降的危害。美國也將InSAR 監(jiān)測技術(shù)作為重點研究對象。1990 年以后，隨著大面積的城市建設(shè)，高層建筑荷載逐漸加大，城市周邊地下水利用增多，從而導致中心位置在建設(shè)過程中出現(xiàn)新沉降并快速發(fā)展。目前，為實現(xiàn)長江三角洲沉降情況的全面監(jiān)測，上海市鋪設(shè)了信息系統(tǒng)（LSIS）以及GPS 監(jiān)測網(wǎng)，通過分析地面沉降圖件成果，實時跟蹤地面沉降變化進程。

4 地面沉降治理措施

4.1 加強組織管理和協(xié)調(diào)

我國部分地區(qū)通過建立專有的管理部門，重點關(guān)注地面沉降的防治工作，落實減輕地面沉降災(zāi)害所需要的費用。雖然部分地區(qū)開始規(guī)劃地質(zhì)災(zāi)害防治方法，并編制相關(guān)工作大綱，但針對沉降所開展的專項規(guī)劃仍然較少，難以整合地面沉降防治工作的多方資源。因此，應(yīng)針對不同的城市特點，結(jié)合城市規(guī)劃實際情況，編寫適用于不同地面沉降問題的治理規(guī)劃。同時，需要有法律法規(guī)推進地面沉降的防治規(guī)劃工作順利開展，給實際實施過程提供支撐依據(jù)和效果保障。尤其是多職能部門（如國土、環(huán)保、水利等）交叉配合的區(qū)域，存在協(xié)調(diào)和管理難度較大的問題，急需建立法律法規(guī)來保障防治工作實施。

建立健全立法工作是加速各區(qū)域和城市沉降防治規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以將沉降防治工作納入法制化管理。當發(fā)生大范圍的地面沉降時，常涉及多個區(qū)域，僅僅通過單個行政區(qū)域采取措施難以達到防治效果。因此，各區(qū)域之間的有效協(xié)調(diào)和配合顯得尤為關(guān)鍵，需加強各區(qū)域的聯(lián)合調(diào)度，靈活管理各區(qū)域的協(xié)同工作。為了給地面沉降的防治措施提供科學的參考依據(jù)，仍需搭建全面的沉降防治網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，并動態(tài)觀測地面形態(tài)變化和地下水的活動情況。

4.2 統(tǒng)籌地表水和地下水

通過統(tǒng)計多個地面沉降數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，過度利用地下水是引起地面沉降的主要原因，因此，要合理規(guī)劃地下水資源使用。統(tǒng)一調(diào)查城市的生產(chǎn)井網(wǎng)，在滿足地面沉降控制的最低標準要求時，對城市可利用資源的情況進行分析，計算出實際開采量，依托統(tǒng)計的可利用資源量統(tǒng)一調(diào)度已有生產(chǎn)井網(wǎng)。為防止二次污染的發(fā)生，在地下水資源使用后，應(yīng)當立刻回灌。例如，雨季合理儲存地表水資源，淡季合理使用自來水，并將使用后剩余部分的水回灌地下。針對水資源缺乏的區(qū)域，要統(tǒng)籌建設(shè)區(qū)域的供水工程。

4.3 防護措施

地面沉降常常會導致工程建筑出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，因沉降區(qū)域的地面標高不斷下降，引發(fā)海水入侵內(nèi)陸、積蓄洪水出現(xiàn)洪澇等次生災(zāi)害。為解決沉降的次生災(zāi)害，通常采用的治理方法有新修或者加高、加固防洪堤、防潮堤、防洪閘等，以輔助河道的疏導疏浚等措施，并通過新建排洪排澇建筑物、抬高建設(shè)區(qū)域高度、提高地下管網(wǎng)的強度及剛度等方式來緩解危害。在實際城鎮(zhèn)建設(shè)中從源頭防治地面沉降，應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃水資源的調(diào)配，嚴格把控自然環(huán)境與水環(huán)境的適應(yīng)性和協(xié)同性，避免盲目開采固體礦產(chǎn)、地下水等地下資源，保證各區(qū)域地質(zhì)環(huán)境及條件的穩(wěn)定性。在項目規(guī)劃期間，新建或者擴建項目中如果出現(xiàn)對沉降較敏感的區(qū)域，建議最好遠離地面沉降嚴重的區(qū)域，對可能發(fā)生沉降的危險區(qū)域應(yīng)予以關(guān)注。原則上，應(yīng)將城鎮(zhèn)供水區(qū)域布置在離工程建設(shè)區(qū)較遠的位置，考慮布置在地質(zhì)及水文條件上對建筑物影響不大的區(qū)域，以免帶來不必要的問題。

5 結(jié)語

地面沉降的發(fā)生過程是不可逆的，一旦形成便難以恢復。通過大量的研究及資料分析發(fā)現(xiàn)，嚴重的地面沉降及其造成的災(zāi)害將對經(jīng)濟發(fā)展、城市建設(shè)、交通運輸、環(huán)境保護和人民生活造成巨大影響。本文對地面沉降監(jiān)測技術(shù)、預測方法及治理措施進行了深入的研究，指出為減少地面沉降帶來的危害，需全面、綜合地對不同區(qū)域的地面沉降進行監(jiān)測管理，并對地面沉降治理措施展開基礎(chǔ)理論和應(yīng)用實踐研究，并統(tǒng)籌規(guī)劃城鎮(zhèn)建設(shè)，加強地面形態(tài)的長期觀測及源頭防治，為科學制定沉降治理措施提供依據(jù)。