基于現有技術國內地面沉降監測手段綜述

肖敏慧

河海大學地球科學與工程學院

基于現有技術國內地面沉降監測手段綜述

肖敏慧

河海大學地球科學與工程學院

由于人類活動，地面沉降問題愈發嚴重，嚴重影響人類的正常生活。我國加大了對地面沉降的研究力度，采用不同的監測手段，主要有：水準測量方法、三角高程測量方法、GPS技術、數字攝影測量方法、InSAR方法、光纖監測技術。監測手段從單一化向多元化發展，成本低，精度、自動化程度、監測連續性、效益越高，受外界條件影響越小等。

地面沉降 監測手段 國內技術

1 引言

目前，資源型缺水、水質型缺水、工程型缺水問題已成為國內大部分地區急需解決的問題。為保證經濟的發展和人類生產生活的需求，地下水的開采量急劇增加，地下水的入滲小于其開采量。超采地下水已引起全國多地出現地下水降落漏斗，造成不同程度的地面沉降。

地面沉降作為一種緩變形地質災害，對水利工程、工農業生產、交通運輸、城市建設、生態環境、等產生極大不良影響，地面沉降監測手段的發展顯得極其重要。基于現有的技術，國內監測地面沉降的手段主要有：水準測量方法、三角高程測量方法、GPS技術、數字攝影測量方法、InSAR方法、光纖監測技術等。

2 地面沉降機理

地面沉降的原因主要有：過度汲取地下水、礦產資源等開采、地下洞室開挖、溶洞開發、上層建筑荷載等。其中，我國由于超采地下水引起地面沉降最為嚴重。

根據Terzaghi在1925年提出的有效應力原理，即：

σ=σ’+p （1）

其中：σ為上覆荷載總應力；σ’為有效應力；p為孔隙水壓力。

結合牛頓第三定律，即作用力與反作用力。承壓含水層被抽水后，水頭下降△H，上覆荷載不變，則有：

σ=(σ'+γ△H)+(p-γ△H)（2）

根據上述分析，在上覆荷載應力σ不變的條件下，過度開采地下水，引起孔隙水壓力p減小，必然會使有效應力增大，從而引起土顆粒的壓縮固結，造成地面沉降。

3 地面沉降監測手段及其應用

3.1 水準測量

由于地殼的垂直運動，傳統的水準測量方法測量高程精度較高，仍適用于地面沉降的監測。水準測量原理為：利用水平視線來求得兩點之間的高差，為保證測量的準確性及可靠性，需設立基準原點進行監測。

如圖1所示，在A-B兩端各豎立一根水準標尺，在A、B中間位置安置水準儀，當視線水平時，分別讀取A、B兩點的水準標尺讀數為a、b，A、B兩處高差即：

假設已知A點海拔高程為，則可得B的海拔高程：

圖1 水準測量原理

當B點所在區域出現地面沉降，其海拔高程HB將會發生變化。經過反復監測與周期監測，可得B點的沉降量。根據一系列點位的海拔高程變化量，便可大致估算出該地區的沉降中心。

但傳統的水準測量具有工作周期長、工作量大、經費高、受地形限制等缺點。

3.2 三角高程測量方法

三角高程測量原理為：根據兩點之間的水平距離或者斜距和豎直角，計算兩點之間的角度差，從而求得待測點的高程。

如圖2所示，在A處豎直放置經緯儀，B處直立水準標尺，讀取A、B兩點的角度差及水準標尺讀數。已知A點高程為HA，求B點的高程HB,則：

圖2 三角高程測量

假設基準點為A點，在基準點海拔高程不變的條件下，待測點B所在的區域出現地面沉降，周期測量與來回測量的海拔高程不同，可得到B點所在區域的沉降量。

當A、B兩點距離較遠（>300m）時，需考慮大氣折光和地球曲率等影響。

3.3 數字攝影測量與GPS監測技術

3.3.1 數字攝影測量

數字攝影測量的原理是，應用計算機技術、數字影像處理、影響匹配、模式識別等多種方法，對所攝取對象進行計算機分析和處理。具有自動化程度高、成果多樣化、成本低、效率高等特點。數字攝影測量應用廣泛，由于其的高精度，可攝影近似在數值平面的目標，即傾角ω比較小，滿足自動匹配影響的要求，監測出較小變形量的地面沉降。

3.3.2 GPS監測技術

GPS（Global Positioning System），即全球定位系統，隨著科技的進步和發展，GPS技術應用愈加廣泛。GPS類似于傳統的后方交會法進行定位，至少需要三顆GPS衛星，利用其發射的數據，通過GPS電文解譯出衛星的三維坐標（Xi,Yi,Zi），i=1,2,3。根據距離交會的方法求出目標點P的坐標（X,Y,Z），可得：

其中：ρi（i=1,2,3）分別為P點到三顆衛星的距離。

通過GPS的連續監測，則可得到目標P的坐標位置變化，計算出P點所在地面的沉降。

GPS作為20世紀的一項高新技術，具有以下優點：①全球全天候定位；②定位精度高；③觀測時間短；④測站間無需通視；⑤可提供全球統一的三維地心坐標等。

3.4 InSAR方法

GPS（Global Positioning System），即全球定位系統，隨著科技的進步和發展，GPS技術應用愈加廣泛。合成孔徑雷達干涉測量技術，簡稱InSAR，以同一地區的兩張SAR圖像作為基礎數據，利用雷達回波的相位信息，求取這兩張圖像的相位差，得到干涉圖像，經過相位解纏，從而獲得定高程數據。

如圖3所示,A1和A2分別是兩次觀測位置，兩點距離（基線距）為L，基線與水平線之間的夾角為α，A1和A2到地面目標P的距離分別為R和R+△R,A1的軌道高度為H，地面目標P的高度是h。

圖3 干涉測量成像示意圖

地面目標P可用以下公式計算：

根據余弦定理：

可得：

整理可得：

根據A1和A2的回波相位差與軌道重復，可得：

將公式（9）和（10）分別代入公式（7）中，可以得出：

InSAR技術可全天候，全天時監測地面沉降，垂向精度高，可進行大面積的控制測量。易受自然條件的影響，比如天氣、溫度、大氣等的影響。

3.5 光纖監測

分布式光纖監測技術是光在光纖媒介上感知和傳輸外界信號的新型傳感器，表現為光纖溫度和光纖應變與頻率漂移之間的關系。其關系式為：

其中：νB(ε,T)為溫度為T，應變為ε時的布里淵頻率漂移量；為光纖類型與有關應變之間的比例系數；為光纖類型與有關溫度之間的比例系數。

光纖監測可根據光纖的應變和溫度的變化，分析其受力情況，計算出地面沉降。

目前，分布式光纖監測技術應用廣其主要特點有信息量大、結構單、可靠安全、使用方便、成本低、敏感性高、測距長、外界干擾少等。

4 結論

①總結我國地面沉降的主要監測手段，分析其使用原理。

②對比各監測手段的特點，得出地面沉降的監測手段趨向于信息化、自動化，監測效果明顯、可靠，成本低、效率高等。

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