2. 地壳运动监测工程研究中心,北京市三里河路56号,100045
中国地壳运动观测网络工程和中国大陆构造环境监测网络是以GNSS为主的国家级地球科学综合观测网络,由分布在全国的260多个连续观测的基准站及2 000多个不定期观测的区域站组成,用于监测地壳形变并服务于其他高精度需求领域。利用获取的速度场/应变场可以揭示区域内块体现今构造运动基本特征和内部形变模式及其动力学机制等,更好地服务于地震分析和预报[1-3]。然而GNSS观测得到的地壳形变场通常含有构造形变与非构造形变两类信息[4],海潮、大气、积雪和土壤水、海洋非潮汐等负荷效应均可造成地壳非构造形变,去除其中的非构造形变信息对有效运用GNSS数据研究构造形变场至关重要。另外由钢筋混凝土浇铸而成的观测墩会随季节温度变化产生不同程度的热胀冷缩,因此带来观测误差混杂在获取的地壳形变信息中。我国被黄土覆盖区域超过6%,黄土沉积主要分布在33°~47°N、127°~75°E东西走向的巨大环形地带。在黄河中部谷地,黄土层深达80~120 m,一些区域最深可达175 m[5]。因而我国西部的观测墩多建在土层上,受区域地质条件影响较大,台基一般会影响2~3个方向的观测值。像2005年建成的北京GNSS连续观测网,大部分观测墩建在土层上,部分观测墩还设在沉降区[6],导致沉降影响的量值大、持续时间长[7];四川土层观测墩的倾斜影响了对芦山地震的机理分析[8]。如何保证观测数据的质量,前期如何选取观测墩的合理埋深、采取何种施工工艺等成为关键问题。好的方案可以做到用材省、工作量少,并可消除非构造形变的影响。本文选取我国西部土层区域作为试验场地,并建设不同形状的观测墩,通过水准、GPS及电磁波测距等测量手段对其稳定性作定量分析,为今后同类观测墩建设提供设计依据。
1 试验墩选建鄂尔多斯地块南缘渭河以北的宝鸡杨凌区,黄土覆盖层厚度大于100 m,被选定为试验场地。地层岩性在40 m勘探深度内自上而下依次由0.5 m厚的耕表土(Q4ml)、4.7 m厚的第四系上更新统风积黄土(Q3eol)、2.7 m厚的残积古土壤(Q3el)及更深地层的中更新统黄土(Q2eol)、残积古土壤(Q2el)等组成。场地内有2011年建成的GNSS连续站(SNYL),埋深11 m。此次新建3个不同埋深、掩埋部分为不同形状的试验墩,相对位置如图 1(a)所示,其中A、B、C埋深分别为8 m、5 m和3 m。各墩采用钢筋混凝土墩标,地平面四周安装4个不锈钢水准测量标志,方墩和圆墩面上的水准点命名见图 1(a),顶面安装强制归心标志。A、B墩在地下部分为直径0.8~1.0 m的圆柱体(人工开挖、整体浇灌),施工工艺简单,用工量小; C墩采用人工大开挖,地下部分为宝塔型,最底部为边长2.0 m、高0.4 m的方柱体,中部为边长1.2 m、高0.6 m的方柱体,上部为边长0.8 m方柱体至地面,施工工艺相对复杂,用工量比A、B礅多4~8 d。图 2给出埋深为3 m的C试验墩设计图,埋深8 m和5 m的观测墩设计图略。各观测墩地上出露部分规格相同,均为高2 m、直径0.5 m的圆柱体,上接高0.5 m、直径0.38 m的圆柱体(图 1(b))。
采用水准、GPS及电磁波测距等3种测量手段对观测墩进行10期的三维变形监测,其中水准和电磁波测距每2个月进行一次,GPS观测采用连续观测。监测工作始于拆模后的第7 d,依据相关试验,混凝土已达到一定强度; 垂直变形主要来自观测墩墩体引起的沉降。主要观测时段为2012-04-27~2013-10-27,中间间隔时间基本相等; 电磁波测距和水准还于2015-06-21观测一期。为保证所有观测资料具有相同的精度,在各期观测中均采用了完全相同的仪器设备,对同一点位不同期次的观测均采用相同的联测方法。
边长测量一是选用Leica公司生产的TC2003高精度全站仪(标称精度1 mm±1×10-6L,L为边长,单位km)按一等测量精度要求进行观测,各边长均进行10测回观测。观测时同时读取仪器站、镜站的干温、湿度、气压数据,取中数后对边长进行气象改正,每期观测均对AB、BC、AC 3条边进行对向观测,采用符合限差要求的观测平均值作为最终边长,并进行仪器加、乘常数改正。二是采用GNSS观测,所用仪器为Trimble NetR8 GNSS接收机,用GAMIT /GLOBK软件进行基线解算[9]。
垂直变形观测采用德国蔡司公司生产的NI002自动安平水准仪和线条式铟瓦水准标尺。执行《国家一、二等水准测量规范》[10],按一等水准作业方法进行观测。距离场地约100 m的地方建设2个水准基本点。将GNSS连续站SNYL北侧的水准点和新建的2个水准点作为相对稳定点,对新建的3个观测墩进行垂直变形监测。观测时对相对稳定点的每个测段进行往返观测,对试验墩的水准点采用单程闭合环线方式进行联测,各点起始高程采用假定高程坐标系,变形观测点各期观测高程以SNYL站北侧的水准点为相对稳定点进行计算,采用经典加权平差方法进行环闭合差平差。
3 试验墩变形特征分析长期的GPS和水准资料表明,试验场地所在的关中盆地相对欧亚板块以南东向运动为主,以2 mm/a左右的速率下沉[11]。固体潮是地壳最大量级的非构造形变[4],可从连续站SNYL 3个方向的坐标相对值看出周年和半周年的周期变化(图 3)。该站U向坐标变化也可看出未经负荷效应改正的垂向位置周年变化在每年的6~7月达到最大,与其他研究结果一致[4]。
图 4、图 5分别给出各观测墩间的电磁波测距和GPS观测结果。从边长变化来看,2012~2013年两种观测手段结果相同,A-B、A-C缩短明显。2012~2015年电磁波测距累积量分别为7.8 mm和4.6 mm,B-C变化为2.8 mm。2013年后各观测墩相对SNYL边长出现相对缩短变化。由于每期进行电磁波测距观测,需移动和重新架设GNSS天线,观测数据有时出现阶跃,总体看A-SNYL变化不明显,C-SNYL在2013年后期出现缩短变化,B-SNYL缩短明显,累计量值达6 mm。
取观测墩上的4个水准点相对2012-04-27的第一期观测量的平均值作为该试验墩的整体沉降量,见表 1。可以看出,各点首次最大沉降量出现在2012-12的第5期,后出现反向变化,可能反映观测墩在建设后的下沉过程。2013-12之前进行的10期观测中,具有承重底盘的C墩沉降量最小,埋深最深的A墩次之,埋深较浅的B墩沉降量最大。2015-06观测显示A墩有所上升,B、C墩持续下沉。截至2015-06,总体沉降量以A墩为最小,C次之,B最大。
从墩标底座4个方位的水准点各自沉降变化来看(图 6),A墩的E点在2013-10下沉最大,为0.58 mm; 2015年观测显示,4个点出现回升,量值相当,表明A墩相对稳定。截至2015-06,B墩的N点较S点下沉量要小,差异沉降为0.34 mm,说明B墩向南倾斜明显; C墩的EN和WN总体沉降量较ES、WS要小,平均差值为0.21 mm,说明C墩也表现出略微向南倾斜。地表流体质量变化部分可以解释全球42%的GNSS台站垂直位移变化[2],经调研,该试验场地中间部分为灌溉地,推测倾斜可能受地表流体的影响。
从试验场地3个观测墩的形变特征来看,埋深8 m至古土壤层的A墩稳定性最好,没有明显的三维变形; 具有承重底盘、埋深3 m的C墩次之,存在一定的下沉和南倾; 埋深5 m仅至黄土层的B墩出现明显的下沉和南倾。建议在以后的土层观测墩选建工作中, 选择总体成本较低、工艺相对简单、埋深大于8 m的设计,这样既保证点位稳定性,又减少工作量。从各项形变变化特征来看,土层观测墩在建成的前3个月变形明显,建议可靠的观测宜在3个月后进行。
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