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1、土地复垦稳定性评价中沉陷预计研究 赵雍 强辉强 陕西地建土地勘测规划设计院有限责任公司 摘 要： 论述了沉陷预计在土地复垦稳定性评价及复垦规划中的重要性, 阐述了沉陷预计模型和参数识别的研究过程, 以山东某待复垦矿区为例, 科学利用实测资料和概率积分法对待复垦区域进行沉陷预计。结果表明:沉陷预计结果量化反应了待复垦区的沉陷趋势, 为土地复垦稳定性评价、土地复垦方案优化及土地复垦工作提供参考。关键词： 土地复垦; 沉陷预计; 概率积分法; 控制测量; GPS; 作者简介：赵雍 (1980-) , 男, 陕西西安人, 高级工程师。主要从事工程测量、GIS 研发、遥感地质解译研究。E-mail:Re
2、search on subsidence prediction in land reclamation stability evaluationZHAO Yong QIANG Huiqiang Land Surveying, Planning and Design Institute of Shaanxi Land Engineering Construction Group Co., Ltd.; Abstract： This paper introduced the necessity of subsidence prediction in land reclamation stabilit
3、y evaluation and planning, and then presented the research process of subsidence prediction model and the identification of model parameter.According to the proposed model, the subsidence of reclamation area is predicted by using measured data and probability integration method.A case study in Shand
4、ong Province has been carried out to evaluate the proposed subsidence prediction model.The results agree well enough with the subsidence tendency of the land reclamation area, and thus can provide detailed and reliable data for the stability evaluation and the optimization of the land reclamation pl
5、anning.Keyword： land reclamation; subsidence prediction; probability integral method; control survey; GPS; 0 引言土地稳定性评价是对待复垦区域进行可垦性分析的科学论证。国内对土地复垦的研究和实践已有几十年历史, 但都等到土地复垦若干年后, 待地表沉陷发生的时候, 才着手治理, 使得复垦区沉陷后工程治理的时间长、收效慢1-2。在土地复垦工作实施前, 由于许多项目没有开展可垦性分析工作或可垦性分析不足, 使复垦规划处于被动状态, 复垦设计带有很强主观性, 造成了工程效益低下或失败3-4。开展
6、系统的沉陷预计工作, 可预测待复垦区沉陷的趋势以及土地复垦的范围与工程量, 对土地可垦稳定性分析是非常有必要的, 这将对开展相关研究和实践提供导向作用。本文以山东省滕南中部的生建待复垦矿区为例, 通过参数识别, 利用地表岩移观测数据对待复垦区域构建沉陷预计模型, 根据沉陷预计模型采用数值内插反演计算, 获得待复垦区沉陷预计等值线图, 用以评价待复垦区域的稳定性, 进而确定复垦工程采取的整治措施, 为复垦工程方案优化及其工作量的预计提供数据支撑。1 沉陷预计模型及参数识别结合现代控制论与系统论的理论和方法, 以地表岩层移动变形观测数据为基础, 将整个待复垦区的地表变形移动看作一个协调统一的系统,
7、 地表岩层移动观测数据作为系统的输出值, 地质条件作为输入值, 通过对输入输出值的对比分析, 构建出地表沉陷的数学和力学模型。在最佳力学模型的基础上, 通过数学方法调整系统的输入值, 通过比对相应的输出值, 分析求得待复垦区最合适的沉陷参数。1.1 沉陷预计变形值计算沉陷预计的变形值计算内容包括下沉量、倾斜值、曲率值、水平移动、水平变形的最大值。通过以上变形值计算获得沿地表下沉走向、倾向主断面上的移动和变形分布状态和规律, 进而根据移动和变形分布趋势, 预计待复垦区内任意点的沉陷变形值。由于各个地面点的移动量和方向都不同, 在求取变形值时, 应根据实测资料, 将各个点的移动变形值展绘到主断面上
8、, 由此得到沉陷变形的分布状态和规律。(1) 下沉量的计算:式中:W ni为 n 点的下沉值;H n0、H ni分别为首次和第 i 次观测时 n 点的高程。(2) 相邻两点间倾斜值的计算:式中:l nn+1为 n 号点至 n+1 号点的水平距离;W n+1、W n分别为 n+1 号点和 n 号点的下沉量。(3) 曲率值的计算:式中:I n+1n、I nn-1分别为 n+1 号点至 n 号点和 n 号点至 n-1 号点的倾斜;ln+1n、l nn-1分别为 n+1 号点至 n 号点和 n 号点至 n-1 号点的水平距离。(4) n 号点的水平移动:式中:U n为 n 号点的水平移动;L nm、L
9、 n0分别为 m 次观测时和首次观测时 n 号点至观测线控制点间的水平距离, 用点间距累加求得。(5) n 号点至 n+1 号点间的水平变形:式中: (l n+11) 0、 (l n+11) m分别为 n+1 号点至 n 号点在首次观测时和 m 次观测时的水平距离。(6) n 号点的下沉速度:式中: (W n) m、 (W n) m-1分别为 m-1 次和 m 次观测时 n 点的下沉值;T 为两次观测时的间隔天数。(7) n 号点的横向水平移动:式中:y nm、y n0分别为第 m 次观测和首次观测时 n 号点的支距值。1.2 概率积分法参数识别概率积分法的基础是随机介质理论, 是我国目前在进
10、行沉陷预计工作上应用范围最广的一种方法5。由于沉陷系统的复杂性、计算参数的多变性, 使得沉陷预计计算中参数的选取将成为预计工作成败的关键, 直接会影响到预测结果的正确性。下面是地表移动和变形的参数汇总:(1) 下沉系数:式中:W 0为走向和倾向的观测站实测得到的地表最大下沉值;m 为地层的法向厚度; 为地层倾角。(2) 影响半径 r:式中:切值 tan 称为主要影响角正切。(3) 水平移动系数是待复垦区最大水平移动值和最大下沉值之间的比例关系, 可以表述为:(4) 影响传播角:用概率积分法计算的沉陷变形值的精度, 合理选择及正确确定上述参数值, 是提高沉陷变形值预计计算精度的重要前提。2 地表
11、岩移变形观测2.1 地表岩移变形观测站设置在山东省滕南中部的生建待复垦区域布设三条观测线, 具体布设情况如图 1 所示。沿近似垂直待复垦区走向方向上布设了两条观测线, 设置了 62 个观测点, 观测点编号分别为测线一:Q1-1、Q1-32, 测线二:Q2-1、Q2-30;沿近似待复垦区走向方向布设了一条观测线, 设置了 46 个观测点, 观测点编号为 Z1-Z46。图 1 测站布设示意图 Fig.1 The diagram of setting for survey station 下载原图2.2 地表移动变形观测地表移动变形观测的基本内容是:对测线上各观测点进行定期地、重复地观测, 并记录观
12、测点在不同时期内空间位置变化。地表移动观测可分为控制测量、位移变形测量、水准测量。2.2.1 控制测量在所有观测点没有受到项目建设影响之前, 需要进行控制测量, 以准确的获得各控制点的坐标, 确定控制点与观测点的位置关系。(1) 平面测量。控制测量的平面测量采用静态卫星定位技术进行观测, 数据按全球定位系统 (GPS) 测量规范要求的进行全面检核, 平差计算时首先在WGS84 坐标系内进行无约束平差, 然后在 1980 西安坐标系内进行二维约束平差, 解算的控制网精度如表 1 所示符合规范要求。表 1 控制网平差精度 Table 1 The adjustment accuracy of con
13、trol net mm 下载原表 (2) 高程测量。本次控制测量的高程测量采用三等水准的方式进行, 组成闭合水准路线。2.2.2 位移变形测量位移变形观测的内容包括:测量各测点的平面位置和测点间的距离, 记录地表当前状况, 并进行描绘。位移变形观测分别进行了三次观测。2.2.3 水准测量水准观测工作是在位移变形观测之后所进行的测量工作, 其目的是准确获得地表的下沉量和下沉速度。对测点短时间内进行多次水准测量, 以判断地表移动情况。进行的水准测量工作, 重复间隔约为 0.52 个月。2.3 变形数据计算、整理地表移动变形观测站共进行了 16 期水准观测, 三次位移变形观测, 取得了大量的观测数据
14、。每次观测结束后, 均对观测成果进行检查, 然后进行各种改正数的计算和平差计算, 以确保观测成果的正确性。图 2 为根据走向观测线观测数据绘制的下沉曲线;图 3 为根据倾向观测线 Q1 观测数据绘制的下沉曲线;图 4 为根据倾向观测线 Q2 观测数据绘制的下沉曲线。图 5 为根据走向观测线平面观测数据绘制的水平移动曲线。图 2 走向观测线下沉曲线图 Fig.2 The subsidence curve of trend surveyed line 下载原图图 3 南倾向观测线下沉曲线图 Fig.3 The subsidence curve of south trend surveyed lin
15、e 下载原图图 4 北倾向观测线下沉曲线图 Fig.4 The subsidence curve of north trend surveyed line 下载原图图 5 走向观测线水平移动曲线图 Fig.5 The horizontal curve of trend surveyed line 下载原图3 参数识别及待复垦区沉陷预计在观测站实测参数求定时, 以往的求定方法是根据参数定义和实测资料直接求定, 但这种方法存有以下两个缺点:(1) 在求解参数时, 仅用测点具有误差的实测值, 将会导致求取的参数产生较大的误差。(2) 只用测点的实测值求得的参数, 对所有测点的观测值来说, 不一定是最
16、合适的。通过参数识别模型结合概率积分模型, 对该待复垦区的具体地质条件下进行沉陷预计计算, 该计算模型的输出为依据实地观测的沉陷结果, 输入为该区域的地质条件, 利用实测值与模型的计算值, 建立函数预测模型。结合待复垦区域的地质条件, 根据第一期到最后一期观测值, 求取了沉陷变形参数如表 2 所示。依据求定的各项参数采用数值内插反演计算, 绘制沉陷预计等值线图如图 6、7所示。表 2 沉陷变形参数 Table 2 The parametersof subsidence 下载原表 图 6 待复垦区预计下沉等值线图 Fig.6 The settlement isoline map of land reclamation area 下载原图图 7 待复垦区预计水平移动等值线图 Fig.7 The horizontal isoline map of land reclamation area 下载原图4 结语4.1
