水利工程沿線地下水超采區地面不均勻沉降監測技術

楊 浩，湯樹海

(漣水縣水利科學研究站，江蘇 漣水 223400)

0 引 言

在人為因素和自然因素的作用下，地殼表層土出現壓縮現象，引發地面不均勻沉降問題[1]。地面沉降問題的出現，需要滿足兩個條件：一方面是地下包含可壓縮性土層，另一方面是人類對于地下水等資源開發過度。其中，水利工程建設過程中，地下水超采是引發地面不均勻沉降問題的主要原因，地下水開采量超出標準要求后，會造成水位極快速下降，引發地面不均勻沉降問題[2]。為了應對不均勻沉降引發的一系列施工難題，需要設計不均勻沉降監測技術。

文獻[3]提出的監測方法以光信息傳感技術為核心，利用光柵傳感技術得到沉降數據并進行去噪處理，根據處理后的數據計算沉降應變值，生成沉降變化曲線圖，但該監測技術的工作效率較低。文獻[4]針對監測區域的地質環境，建立相應的沉降監測方案，再運用光纖技術獲取沉降監測信息，采用數值模擬的方式，結合采集信息獲取地表沉降規律，但該方法監測結果準確性較低。文獻[5]在地表沉降監測過程中，融入了隧道沉降反演模型，通過理論推導的方式對模型進行驗證，利用驗證后的模型，對目標區域進行監測，結合光纖采集數據生成沉降應變曲線，但該沉降監測方法造價昂貴。

為了提升沉降監測精度，本文設計一種新的地面不均勻沉降監測技術，針對水利工程沿線地下水超采區進行研究，運用回歸分析方法提取與沉降量密切相關的影響因子，構建沉降分析模型，有效降低沉降監測相對誤差。

1 水利工程沿線地下水超采區地面不均勻沉降監測技術設計

1.1 建立不均勻沉降監測基準網

地面沉降監測基準網主要組成結構為工作基點和基準點，其主要作用是提供參考系，明確監測區域的變形情況[6]。水利工程沿線地下水超采區的沉降監測過程中，基準網分布范圍較小，通常情況下，區域起始基準點選取穩定性較高的點，在該點放置沉降監測設備，實時獲取地面沉降量。不均勻沉降監測基準網建立過程中，基準點點位分布情況見圖1。

圖1 基準點點位分布圖

根據圖1可知，為了明確地表沉降的不均勻變化情況，基準點分布需要保證均勻性和分散性，按照二等附和水準線路進行分布。同時，基準點的選擇還需要進行穩定性檢核，計算兩個基點的高差，與上一次計算的高差進行對比，需要滿足：

(1)

式中：H為基準高差之差；h0為上次測量的基準高差；h1為當前觀測高差；K為線路長度。

此外，倘若沉降監測基準穩定性較差，可以采用附近水準路線上方的基準點進行替換。而對于重點監測區域來說，選取的基準點還需要保持數據延續性。

1.2 設計監測數據處理體系

從多個沉降監測點獲取監測數據，本文為了處理不確定觀測因素引起的異常監測數據[7]，設計監測數據處理體系，對監測數據進行奇異值剔除、等時距處理及去噪處理。

奇異值的處理包括兩個環節：一是搜索奇異值，將其從監測數據集中提取出來；二是尋找該數據的替代值，對奇異值進行替換處理[8]。將監測數據表示為預處理序列，對序列中每個數據進行奇異值判斷，奇異值判斷公式為：

(2)

其中：

(3)

式中：tan為正切函數。

利用上述公式完成奇異值數據的判斷，將奇異值從序列中剔除，并補上替代值。

在統一的監測時間內，采集的沉降監測數據為等距數據。為了便于后續不均勻沉降計算，需要針對不等距監測數據進行處理，按照差值的方式對數據序列進行擬合處理，將擬合曲線分解為多個等距區間，完成數據等距處理[9]。通過等距數據的監測時間、具體監測值生成小范圍沉降變化曲線。

沉降數據的去噪處理以小波去噪算法為基礎，建立綜合去噪模型，選取合理的小波函數，分解奇異值剔除和等時距處理后的監測數據，再根據閾值判斷檢測數據是否剔除。這一過程中，閾值的選取是最關鍵的環節，通過啟發式計算，得出噪聲數據最優閾值。設置分解層數為2、4、6、8、10、12，分別計算監測數據的去噪效果，確定去噪效果最好的分解層數，作為小波去噪參數。噪聲數據提取完成后，將提取出來的檢測數據進行去除，對處理后的數據進行平滑度指標計算：

(4)

式中：d為平滑度；n為樣本總數；i為選定樣本；β(i)為原始樣本；β′(i+1)為去噪后樣本。

式(4)計算結果越小，表明小波函數的去噪效果更佳；反之，則需要重復進行小波去噪處理。

1.3 構建地表沉降分析模型

為了降低地表沉降監測誤差，本文設計的監測技術融合了逐步回歸分析理念，采用F檢驗算法進行反復計算，對提取出的影響因子進行剔除和更新，提取出與地表沉降量有顯著關系的影響因子[10]，構建地表沉降分析模型。經過分析可知，與沉降量關系密切的影響因子主要包括地下水位、孔隙水壓力以及時效因子。

地下水超采區的地面沉降量，與地下水位有著直接關系。根據土力學沉降公式，以當前表面為參考，隨機選取一個地表點，計算地下水位下降后地表點的位移量：

=aE2-bE+c

(5)

式中：ψ為地表點位移量；E為地表點抽水后的地下水位；e為地表點初始地下水位；Δr為當前土體孔隙比；r0為初始孔隙比；?為壓縮系數；W為孔隙水的容重；a、b、c為常數。

根據式(5)可知，地下水位高度與地表沉降量之間呈現出二次曲線關系。因此，可以將地下水位沉降數學模型表示為：

δE=τ0+τ1E+τ2E2

(6)

式中：δE為地下水位沉降數學模型；τ0、τ1、τ2為地下水位沉降因子系數。

由于地下水位與土地孔隙水壓力之間具有較強的關聯性，孔隙水壓力也是沉降分析的關鍵影響因子。運用泰勒級數進行分析，將孔隙水壓力沉降分析模型表示為：

(7)

式中：δ?為孔隙水壓力沉降分析模型；λ為泰勒級數；?為孔隙水壓力。

地表沉降分析的最后一項影響因子為時效因子，土層的壓縮變形，取決于土壤的有效應力?；谕馏w的初始沉降量，得出地表沉降量隨著時間產生的變化，時效因子沉降分析模型為：

δt=q1t+q2lnt

(8)

式中：δt為時效因子模型；t為時效分量；q1、q2為時效因子系數。

綜合考慮上述沉降分析模型，將地下水超采區沉降總分析模型表示為：

δ=τ0+τ1E+τ2E2+h1?+h2?2+k1M+k2M2+q1t+q2lnt

(9)

式中：δ為整體地面沉降監控計算模型；h1、h2為孔隙水壓力系數；k1、k2為地面荷載系數。

1.4 生成地表沉降分布曲線

針對地下水超采區的地表沉降現象進行分析，建立簡化沉降力學模型，見圖2。

圖2 沉降簡化力學模型示意圖

從圖2可以看出，地表沉降主要為豎向沉降形式，可以表示為二次拋物線形狀，提取出沉降區域的起點與終點，并對其進行標注。根據二次拋物線沉降曲線可知，當豎向沉降發生后，區域的每個點都會出現一定程度的長度增量，先計算沉降拋物線的弧長，獲取其與原始直線長度的差值，得到最終的長度增量值。其中，弧長計算公式如下：

(10)

式中：L1為變形區域起點；L2為變形區域終點；y為變形區域內各個點的豎向沉降量；L為變形區域中心點；ΔL為長度增量。

通過式(10)完成沉降拋物線弧長計算后，再進行積分計算，可得出：

(11)

式中：w為拋物線的二次項系數；ln為對數函數；Δx為采樣間隔；ξ為每個采樣點處的應變值。

求解出積分計算結果，可得出二次拋物線沉降曲線的二次項系數及常數項值。以此為基礎，可以得出沉降拋物線的具體形狀，明確地下水超采區每個點的不均勻沉降分布情況。

2 應用分析

2.1 工程概況

為了驗證本文提出的不均勻沉降監測技術的可行性，將其應用于某防波堤建設過程中，獲取工程施工區域沿線地下水超采區地面不均勻沉降數據。該防波堤工程的主要結構為斜坡式，設計施工長度約為4 900 m，防波堤的堤頂高與寬分別為6、5 m，并需保證其建設完成后可以抵抗7級地震災害。

深入分析防波堤建設區域的地質情況可知，該區域土層主要由四大層組成：第一大層包括4種類型的土質；第二大層的土質類型主要包括3種；第三大層土層和第四大層土層的土壤土質類型分別為2種和1種，其中第四大層土層主要由粉細砂構成。針對每個土層進行分析，得到的參數信息見表1。

表1 土層的主要物理力學參數

根據參數統計表可知，第四大層土壤具有較高承載力，可以作為防波堤建設的基礎持力層。此外，考慮到該區域地下水開采量達到1×107～2×107，水位平均年降幅為2～3 m，地面呈現出不均勻沉降特點。

2.2 制作沉降盤

為了降低現場因素對監測結果造成影響，分析沉降區域的地質環境，制作監測所需的沉降盤。沉降盤作為主要監測工具，主要包括底座和沉降桿兩個部分。前者為3 m×3 m×0.03 m的鋼板，后者為厚度3 mm、直徑為160 mm的鋼管，通過焊接的方式連接底板與沉降桿，并在底板焊接多個三角鋼板，加強焊接的牢固性，沉降盤具體結構見圖3。

圖3 沉降盤結構圖

沉降盤制作過程中，部分難以連接的區域，可以采用工字鋼或螺紋鋼進行連接。從沉降桿頂部開始，刷上反光漆，同時在反光漆干后，按照相同的間隔標識刻度，便于水利工程沿線地下水超采區、地面不均勻沉降量的識別。

2.3 布置沉降觀測點

按照監測點設計需求，結合防波堤工程實際施工環境，設置20個不均勻沉降監測點，在每個監測點埋放沉降盤，見圖4。

圖4 沉降點布置現場圖

針對沉降點進行布置后，實時獲取每個沉降點的沉降信息，再結合本文研究內容，獲取防波堤沉降監測結果。

2.4 沉降監測結果分析

本次應用分析過程中，從2020年1月開始布置沉降盤，針對地下水超采區地面進行長期沉降監測。隨機選定其中4個沉降監測點，根據沉降監測點每日反饋的數值，得到地表沉降量監測結果，見圖5。

圖5 防波堤地表沉降量監測結果

根據圖5可知，該防波堤地表近年來沉降現象越來越嚴重。以沉降點1和沉降點2為例，對比本文提出方法得出的沉降監測值以及每日現場測量得出的實際沉降值，獲取沉降監測的相對誤差為：

(12)

式中：φ為相對誤差；F為實際沉降值；F′為監測沉降值。

利用式(12)進行計算，得到沉降監測相對誤差統計表，見表2。

表2 沉降監測相對誤差統計表

根據表2可知，運用本文提出的監測技術，獲取的沉降監測結果與實際沉降吻合度較高，沉降點1沉降監測的平均相對誤差為0.7%，沉降點2的監測平均相對誤差為0.27%。綜上所述，本文提出沉降監測技術的相對誤差總是低于1%，滿足水利工程施工要求。

3 結 語

水利工程施工過程中，沿線地下水超采區域呈現出明顯的不均勻沉降特點。為了提升沉降監測精度，本文提出了一種新的監測技術。首先建立監測基準網后，獲取每個監測點反饋數據，并對監測數據進行處理；再深入分析與沉降有密切關聯的影響因子，構建地表沉降分析模型；根據模型分析結果繪制最終的沉降分布曲線，使得監測結果相對誤差極低；最后明確區域沉降發展趨勢，并建立相應的沉降防治措施，保證水利工程施工安全。