精密水準(zhǔn)測量在沉降監(jiān)測中的運(yùn)用

1、 礦業(yè)與煤炭學(xué)院 精密水準(zhǔn)測量在地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用 班級：13級測繪一班 姓名：張世杰 學(xué)號：1372143115 指導(dǎo)教師：孫同賀 精密水準(zhǔn)測量在地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用摘要：地面沉降是自然及人類活動引起地層的壓縮、變形，導(dǎo)致地表標(biāo)高發(fā)生局部變形的運(yùn)動。地面沉降監(jiān)測的方法中，利用精密水準(zhǔn)測量的方法完成地面沉降監(jiān)測工作，具有前期投入小、施工過程簡單，經(jīng)濟(jì)效益良好的特點(diǎn)，能夠?yàn)閰^(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的研究與預(yù)防提供了可靠的基礎(chǔ)資料。關(guān)鍵詞：地面沉降;精密水準(zhǔn)測量;變形監(jiān)測 引言 地面沉降又稱為地面下沉或地陷，隨著礦產(chǎn)資源的開采（油、氣、水、金屬礦、煤、巖鹽等）、地下及地表構(gòu)造物的建設(shè)以及地震等因素的影響，引

2、起地層的壓縮、變形，導(dǎo)致地表標(biāo)高發(fā)生局部變形的運(yùn)動。隨著對地面沉降的深入研究，各種大范圍地表沉降監(jiān)測手段不斷涌現(xiàn)。武百超、鄒徐文等利用 GPS/INSAR數(shù)據(jù)融合的方法完成了大范圍地表沉降監(jiān)測的工作；中科院地質(zhì)與地球物理研究所利用 GPS 對天津市市區(qū)地面沉降進(jìn)行了長期的觀測；北京市通過建設(shè)期、動態(tài)監(jiān)測。以上提到的大范圍地面沉降方法針對的監(jiān)測對象多為特大型、巨大型城市，其觀測系統(tǒng)建立較為復(fù)雜，成本壓力巨大，不太適合中等城市的實(shí)際需求。精密水準(zhǔn)測量作為傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測方法，具有前期投入小、施工過程簡單，精度能夠滿足工程設(shè)計(jì)需要的特點(diǎn)。隨著電子水準(zhǔn)儀的不斷普及，水準(zhǔn)測量中人為誤差得到減小，勞動強(qiáng)

3、度大大降低，為精密水準(zhǔn)測量的大量應(yīng)用創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件。本文以臨汾市堯都區(qū)地面沉降監(jiān)測為例，介紹精密水準(zhǔn)測量在地面沉降監(jiān)測中的具體應(yīng)用。1 地面沉降監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)方案1.1布設(shè)原則 一個區(qū)域內(nèi)的地面沉降監(jiān)測一般要求采用統(tǒng)一的布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，通過定期觀測，確定區(qū)內(nèi)的地面沉降量，為科學(xué)合理決策提供可靠的理論依據(jù)。臨汾市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)采用 1985 國家高程基準(zhǔn)，按照二等水準(zhǔn)的要求統(tǒng)一布設(shè)，觀測周期為一年，之前已進(jìn)行了兩次觀測。1.2水準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè) 水準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)前，對臨汾市堯都區(qū)各地面沉降區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，取得第一手地面沉降資料，結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)、水文、地震、氣象、土壤凍結(jié)及地下水位深度等資料，進(jìn)行了水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)

4、計(jì)。2 精密水準(zhǔn)測量2.1精度指標(biāo)根據(jù)地面沉降水準(zhǔn)測量規(guī)范DZ0154-95和國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范GB12897-2006要求，二等水準(zhǔn)測量每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差M和每千米水準(zhǔn)測量全中誤差 MW 不應(yīng)超過表 1 規(guī)定的數(shù)值。表1單位：毫米測量等級二等M1.0MW2.0每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差 M 計(jì)算：M = /R/（n）（1）式中：測段往返測高差不符值，單位為毫米（mm）；R 測段長度，單位為千米（Km）； n 測段數(shù)。每千米水準(zhǔn)測量的全中誤差 MW 計(jì)算：MW = WW/F/ N（2）式中：W 經(jīng)過各項(xiàng)改正后的水準(zhǔn)環(huán)閉合差，單位為毫米（mm）；F 水準(zhǔn)環(huán)線周長，單位為千米（Km）；

5、N 水準(zhǔn)環(huán)數(shù)。往返測高差不符值，環(huán)閉合差和檢測高差之差的限差應(yīng)不超過表 2 的規(guī)定：表2單位：毫米測段、區(qū)段、附合路線環(huán)閉檢測已測測等級路線往返測閉合差合差段高差之差高差不符值4 k二等4 F6 R4 L注：k 測段、區(qū)段或路線長度，單位為千米（Km）； n 測段數(shù)。L 附合路線長度，單位為千米（Km）；F 環(huán)線長度，單位為千米（Km）；R 檢測測段長度，單位為千米（Km）。2.2水準(zhǔn)線路設(shè)計(jì) 根據(jù)地面沉降水準(zhǔn)測量規(guī)范DZ0154-95 對水準(zhǔn)線路選定要求，結(jié)合臨汾市堯都區(qū)實(shí)際情況，水準(zhǔn)路線設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循以下要求：第一，針對臨汾市堯都區(qū)存在的構(gòu)造帶和斷裂帶、采煤形成的采空區(qū)、深井等可能引起地面

6、沉降的特征區(qū)域，水準(zhǔn)路線的布設(shè)要求盡可能穿過以上區(qū)域；第二，考慮到堯都區(qū)地形起伏較大，為方便觀測，水準(zhǔn)路線盡量沿著公路布設(shè)，對沒有鋪裝路面的區(qū)域，選擇坡度較小的道路布設(shè)，以減少測站數(shù)，提高觀測效率；第三，盡量選擇大型車輛、地面震動較少的區(qū)域布設(shè)水準(zhǔn)路線；第四，水準(zhǔn)路線的布設(shè)避免跨越較大區(qū)域的水面、湖泊等區(qū)域。當(dāng)測段長度小于 0.1Km 時(shí)，按 0.1Km 計(jì)算；2.3水準(zhǔn)觀測本項(xiàng)目采用一臺DiNi 12和一臺DiNi 03型數(shù)字水準(zhǔn)儀按二等水準(zhǔn)要求進(jìn)行施測，觀測數(shù)據(jù)自動儲存在PCMCIA 卡上。結(jié)合臨汾市堯都區(qū)具體的地質(zhì)和交通情況，布設(shè)的地面沉降監(jiān)測水準(zhǔn)路線如圖 1。觀測采用單路表3單位：毫米

7、等級儀器類別測段長度前后視距差任意測站上前視線數(shù)字水準(zhǔn)儀后視距累計(jì)差高度重復(fù)測量次數(shù)二等DSZ1、DS13且501.56.02.8且0.552次注：幾何法數(shù)字水準(zhǔn)儀視線高度的高端限差一、二等允許到 2.85m，相位法數(shù)字水準(zhǔn)儀重復(fù)測量次數(shù)可以上表數(shù)值減少一次，所有數(shù)字水準(zhǔn)儀，在地面震動較大時(shí)，應(yīng)隨時(shí)增加測量次數(shù) 線往返觀測，同一測段的往測（或返測）與返測（或往測）分別在上午與下午進(jìn)行。表4單位：毫米等級上下絲讀數(shù)平均值與中絲讀數(shù)的差基輔分劃基輔分劃所測高檢測間歇點(diǎn)0.5cm刻劃標(biāo)尺1cm刻劃標(biāo)尺讀數(shù)的差差之差高差之差二等1.53.00.40.61.0測站觀測限差應(yīng)不超表 4 的規(guī)定：對于數(shù)字水

8、準(zhǔn)儀，同一標(biāo)尺兩次讀數(shù)差不設(shè)限差，兩次讀數(shù)所測高差差執(zhí)行基輔分劃所測高差之差的限差。往返測奇數(shù)站照準(zhǔn)標(biāo)尺的順序?yàn)椋篴) 后視標(biāo)尺b) 前視標(biāo)尺c) 前視標(biāo)尺d) 后視標(biāo)尺往返測偶數(shù)站照準(zhǔn)標(biāo)尺的順序?yàn)椋篴) 前視標(biāo)尺b) 后視標(biāo)尺c) 后視標(biāo)尺d) 前視標(biāo)尺一測站操作程序如下（以奇數(shù)站為例）：a) 首先將儀器整平，（望遠(yuǎn)鏡繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，圓氣泡始終位于指標(biāo)環(huán)中央）；b) 將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)后視標(biāo)尺（此時(shí)標(biāo)尺應(yīng)按圓水準(zhǔn)表5單位：毫米施測年代每千米每千米最大最小觀測段數(shù)水準(zhǔn)線路偶然中誤差全中誤差高程中誤差高程中誤差總長（Km）2011年監(jiān)測0.391.154.030.96952862012年監(jiān)測0.451.

9、304.561.10102291測站視線長度（儀器至標(biāo)尺距離），前后視距差，視線高度，數(shù)字水準(zhǔn)儀重復(fù)測量次數(shù)，按表3規(guī)定執(zhí)行：器整置于垂直位置），用垂直絲照準(zhǔn)條碼中央，精確調(diào)焦至條碼影像清晰，按測量鍵；c) 顯示讀數(shù)后，旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)前視標(biāo)尺條碼中央，精確調(diào)焦至條碼影像清晰，按測量鍵；d) 顯示讀數(shù)后，重新照準(zhǔn)前視標(biāo)尺，按測量鍵；e) 顯示讀數(shù)后，旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)后視標(biāo)尺條碼中央，精確調(diào)焦至條碼影像清晰，按測量鍵，顯示測站結(jié)束，測站檢核合格后遷站。2.4外業(yè)概算與平差計(jì)算在外業(yè)觀測結(jié)束后，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真的檢查和整理后，對所用的高差加入了下列改正：a) 水準(zhǔn)標(biāo)尺長度改正；b) 水準(zhǔn)標(biāo)尺溫度改正

10、；c) 正常水準(zhǔn)面不平行改正；d) 重力異常改正。在概算的基礎(chǔ)上，按最小二乘法采用條件觀測平差方法進(jìn)行平差計(jì)算，本項(xiàng)目采用一個基巖點(diǎn)成果為已知點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，兩次平差結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)見表 5。3 地面沉降測量成果分析3.1沉降量計(jì)算根據(jù)對同一標(biāo)點(diǎn)重復(fù)兩次觀測平差后推算所得到的高程，計(jì)算兩次觀測期間的高程變化 - 即升降變量，按式（3）計(jì)算Hi+n - Hi = hi - i+n（3）式中：Hi- 某點(diǎn)第 i 次高程；Hi+n- 某點(diǎn)（同名點(diǎn)）第 i+n 次高程； hi - i+n- 某點(diǎn)在第 i 次與第 i+n 次觀測期間的變形量；i，n - 為自然數(shù) 1,2,3n。計(jì)算所得的變形量“-”為下沉；

11、“+”為上升。3.2沉降變形量的精度估計(jì)地面沉降水準(zhǔn)測量每一次重測都須計(jì)算其相應(yīng)的最弱點(diǎn)中誤差，變形量是同名點(diǎn)兩次高程之差，根據(jù)觀測誤差傳播定律，變形量中誤差按式（4）計(jì)算：m = m2+m 2（4）sij式中：ms- 變形量中誤差；m - 第 i 次觀測的最弱點(diǎn)中誤差；imj-第 j 次觀測的最弱點(diǎn)中誤差。本項(xiàng)目兩次監(jiān)測的變形量中誤差為 6.08mm。3.3地面沉降等值線圖的編制地面沉降量等值線圖用等比內(nèi)插法勾繪，本項(xiàng)目沉降等值線圖如下圖：4 結(jié)束語 精密水準(zhǔn)測量作為地面沉降監(jiān)測的一種有效手段，在嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的測量規(guī)程和規(guī)范的基礎(chǔ)上，積極采用數(shù)字水準(zhǔn)儀等方面的新技術(shù)新設(shè)備，保證了測量精度，提高了作業(yè)效率。 文中提到的臨汾市堯都區(qū)地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)，設(shè)計(jì)合理，作業(yè)方法先進(jìn)，特別是數(shù)字水準(zhǔn)儀在測量中的應(yīng)用，極大地提高了作業(yè)精度和作業(yè)效率。本項(xiàng)目的實(shí)施，為本地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的研究與預(yù)防提供了可靠的基礎(chǔ)資料。臨汾市堯都區(qū)作為中小城市，利用精密水準(zhǔn)測量的方法完成地面沉降監(jiān)測工作，具有技術(shù)手段可靠，經(jīng)濟(jì)效益良好的特點(diǎn)，該工程的完成及其取得經(jīng)驗(yàn)可為今后類似的工程項(xiàng)目實(shí)施提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)