【關(guān)鍵詞】地下水開(kāi)采；地表沉降；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；gps 

1 地表沉降 

1.1 地表沉降的涵義 

地表沉降系指地殼表面在自然力作用下或人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響下造成區(qū)域性的總體下降運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)是以向下的垂直運(yùn)動(dòng)為主體，而只有少量或基本上沒(méi)有水平方向位移。其速度和沉降量值以及持續(xù)時(shí)間和范圍均因具體誘發(fā)因素或地質(zhì)環(huán)境的不同而異。目前國(guó)內(nèi)外工程界所研究的地表沉降主要是指由抽取液體（以地下水為主，也包括油、氣）所引起的區(qū)域性地面沉降。本文的地表沉降是指我國(guó)《巖土工程勘察規(guī)范》中規(guī)定的：在較大面積內(nèi)由于抽取地下水引起水位下降而造成的地面沉降。 

1. 2 地表沉降的危害特點(diǎn) 

(1）沿海、沿江城市區(qū)域潮水上岸，潮水可能漫溢市區(qū)的道路、工廠、商店及村莊、農(nóng)田，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重； 

(2）城市下水道排水不暢，降雨積水成災(zāi)，發(fā)生大面積內(nèi)澇災(zāi)害； 

(3）河道橋下凈空減少，過(guò)航能力降低，影響交通運(yùn)輸； 

(4）城鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)，建筑物由于地面沉降影響產(chǎn)生不均勻變形，危及穩(wěn)定安全； 

(5）既有河海堤壩或防汛墻，其防洪朝的能力降低，致使城市抵御自然災(zāi)害的能力降低； 

(6）港口碼頭失效，作用功能降低； 

(7）道路設(shè)施以及地下管道遭受破壞； 

(8）地下水取水設(shè)備失效。 

1.3 地表發(fā)生沉降的原因分析 

1.2.1 自然因素分析 

（1）新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可使地面隨基底面升降 

（2）強(qiáng)烈地震對(duì)地表沉降的影響 

（3）土層的天然固結(jié) 

1.2.2 人為因素分析 

（1）抽取地下氣、液體的影響 

因各種目的而進(jìn)行的淺層疏干排水和抽取深層的氣、液體，使地層內(nèi)的氣、液壓降低，土粒間的有效應(yīng)力增加，地層壓密，形成區(qū)域性碟形洼地。這種因抽取地下水而形成的地表沉降，是地表沉降現(xiàn)象中發(fā)育最普遍，危害最嚴(yán)重的一類。由于城市的快速發(fā)展，對(duì)地下水的需求急劇增加，因此地下水的開(kāi)采量也成倍的增加，由此引起的地表沉降成為了當(dāng)前城市地面沉降的最主要因素。 

（2）大面積地面堆載的影響 

分布有巨厚的高壓性淤泥和淤泥質(zhì)土的低洼地區(qū)，隨經(jīng)濟(jì)建設(shè)的開(kāi)放，需在洼地上大面積的堆填。其軟土在堆載荷重的作用下，產(chǎn)生一堆壓縮固結(jié)，可形成地區(qū)性的地面沉降。此類沉降，受場(chǎng)地軟土的工程特性、層厚和堆載大小的控制，是構(gòu)成濱海平原城市總地表沉降的一個(gè)組成部分，是不容忽視的。 

1.4 地表沉降發(fā)生的機(jī)理 

地下水經(jīng)過(guò)抽水后使地層壓密，是由于含水層水位下降引起土層中空隙水壓力降低，顆粒間有效應(yīng)力增加的緣故。因此，有效應(yīng)力原理使抽水引起土層壓密。 

圖1 抽水后土層有效應(yīng)力的增加 

圖（1）中p為土層的總壓力，c為抽水前的有效應(yīng)力，b為抽水前的孔隙水壓 

力，抽水前上述諸力處于平衡狀態(tài)，即 

p = c + b(1.1) 

抽水后隨著水壓下降了a，土層中孔隙水壓力隨之下降，顆粒間浮托力減小，但由于抽水過(guò)程中土層的總壓力基本保持不變，故此下降了的a值即轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力增量。 

p = ( c + a ) + ( b – a )(1.2) 

在大多數(shù)情況下可以認(rèn)為這種壓密是一維的。壓密的時(shí)間延滯將隨土層的透水性而異。 

2 地下水開(kāi)采與地表沉降的關(guān)系 

2.1 城市地下水位變化信息與地表沉降信息的采集方法 

（1）地下水位變化信息的采集方法 

地下水位數(shù)據(jù)是利用城市水利部門(mén)的地下水位測(cè)報(bào)記錄,在地形圖上繪制出地下水位等值線圖,地面上同點(diǎn)不同時(shí)期的地下水位差即為地下水位降低量w。 

（2） 地表沉降信息的采集方法 

地表沉降數(shù)據(jù)根據(jù)城市測(cè)量部門(mén)定期的水準(zhǔn)復(fù)測(cè)原始記錄(非最終平差后的結(jié)果)獲取,要求城市測(cè)量部門(mén)在水準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)測(cè)過(guò)程中必須按國(guó)家3等水準(zhǔn)測(cè)量(含3等)以上的精度進(jìn)行。水準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)必須是遠(yuǎn)離城區(qū)的巖基國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn),基準(zhǔn)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不得少于3個(gè),當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)間高差符合基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定判別準(zhǔn)則的要求后，取其中1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)作為最終基準(zhǔn)點(diǎn)(即城市水準(zhǔn)點(diǎn)的高程起算點(diǎn))。若城市周邊無(wú)巖基水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)自己埋設(shè)巖基水準(zhǔn)點(diǎn),巖基水準(zhǔn)點(diǎn)最好直接嵌固在基巖出露地區(qū)的巖石上。根據(jù)水準(zhǔn)復(fù)測(cè)原始記錄及高程起算點(diǎn)高程獲取城區(qū)各水準(zhǔn)點(diǎn)的真實(shí)高程h′,同一水準(zhǔn)點(diǎn)不同復(fù)測(cè)期的高程差即為該水準(zhǔn)點(diǎn)處的城市地表下沉量h′,根據(jù)城市地表下沉量h′即可繪制出城市地表下沉等值線圖,在等值線圖上即可以確定城市任一位置的地表下沉量h。 

（3） 分析用數(shù)據(jù)點(diǎn)的選擇方法構(gòu)建地下水位變化與城市地表沉降數(shù)學(xué)模型(簡(jiǎn)稱數(shù)學(xué)模型)時(shí)采用的數(shù)據(jù)點(diǎn)一般選擇在周邊沒(méi)有大的景觀改變位置(即在數(shù)據(jù)分析年限內(nèi)基本沒(méi)有土方工程、土建工程和拆遷工程),數(shù)據(jù)分析年限是指從資料收集開(kāi)始到資料收集結(jié)束期間的時(shí)間跨度,也就是說(shuō)數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)位于未改造的老城區(qū)內(nèi)。 

（4） 地表沉降監(jiān)測(cè)與地下水位監(jiān)測(cè)的匹配數(shù)學(xué)模型構(gòu)建采用的數(shù)據(jù)必須是同期的地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果和地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果,也就是說(shuō)地表沉降監(jiān)測(cè)與地下水位監(jiān)測(cè)必須同步進(jìn)行。同一數(shù)據(jù)點(diǎn)(坐標(biāo)相同)不同年份同步地表沉降監(jiān)測(cè)與地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果,即構(gòu)成該數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析鏈。 

2.2城市地下水位降低與城市地表沉降關(guān)系的數(shù)學(xué)分析 

利用計(jì)算機(jī)模擬的方法得出地表沉降與地下水位降低的關(guān)系 

h=2.7113 ** ln(w/100+1)+0.0031 (2.1) 

式中,h為地表沉降量(單位為m),w為地下水位降低量(單位為m),e為地表到硬巖間土層的加權(quán)平均壓縮模量(單位為mpa),d為地表到硬巖間的鉛直距離(即地表到硬巖間的土層厚度,單位為m)。參見(jiàn)下圖2： 

圖2 城市地表沉降相關(guān)示意圖 

在上式中 

e =/ (2.2) 

=d (2.3) 

式中ei為各土層的壓縮模量,di為與對(duì)ei對(duì)應(yīng)的土層厚度。 

2.3 gps技術(shù)用來(lái)觀測(cè)地表沉降的原理 

2.3.1 gps的系統(tǒng)組成及其測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng) 

（1）gps定位技術(shù)的發(fā)展 

gps是全球定位系統(tǒng)(global positioning system)的英文縮寫(xiě)，它是隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而建立的新一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)，指人類利用人造地球衛(wèi)星確定測(cè)站點(diǎn)位置的技術(shù)。在利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量的初期，人造地球衛(wèi)星僅僅作為一種空間的觀測(cè)目標(biāo)，由地面的觀測(cè)站對(duì)衛(wèi)星的瞬時(shí)位置進(jìn)行攝影測(cè)量，測(cè)定測(cè)站點(diǎn)至衛(wèi)星的方向，建立衛(wèi)星三角網(wǎng)。同時(shí)也利用激光技術(shù)測(cè)定觀測(cè)站至衛(wèi)星的距離，建立衛(wèi)星測(cè)距網(wǎng)。用以上兩種觀測(cè)方法，均可解決常規(guī)大地測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離聯(lián)測(cè)定位問(wèn)題。