大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)在湘中地區(qū)滑坡隱患點(diǎn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用*

尹 萍，龔玉葉

（湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410151）

本文選取的研究區(qū)域?yàn)楹蠈庎l(xiāng)地區(qū)的某滑坡形變，其中，研究區(qū)域的信息主要有地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、氣象水文、人類活動(dòng)等方面。詳細(xì)分析了該區(qū)域的滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生性評(píng)價(jià)影響因子，對(duì)滑坡的形成和滑坡區(qū)域的確定提供理論依據(jù)。研究數(shù)據(jù)的信息主要是采用In-SAR圖像數(shù)據(jù)的基本參數(shù)，結(jié)合InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中深部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出滑坡的范圍和規(guī)模。

1 研究區(qū)域概況

1.1 地形地貌

原始地貌為剝蝕低丘地貌，地形起伏較大，丘間多發(fā)育溝谷，滑坡區(qū)域處在兩沖溝之間的低丘地段，該段低丘山脈走向近東西向，低丘頂呈近橢圓形，峰頂高程149.50m，低丘山坡坡度較為平緩，坡度10°～20°，坡上植被茂密，人類工程活動(dòng)對(duì)原始地貌作了較大改變。研究區(qū)域圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡區(qū)處在桃花嶺壓性斷裂帶產(chǎn)生的次生斷裂帶內(nèi)，巖層總體呈緩變的單斜，傾向90～110，傾角8°～28°，受構(gòu)造影響，場區(qū)巖石破碎，局部軟巖中巖層擠壓褶曲、揉皺較為明顯，巖層產(chǎn)狀局部紊亂變化；巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，其中以25°∠80°～85°節(jié)理優(yōu)勢(shì)發(fā)育，節(jié)理密度達(dá)10～15條/m，節(jié)理面平直光滑，一般較為閉合。

1.3 地層巖性

場區(qū)分布的原始地層由上至下主要為：上覆第四系覆蓋層為坡殘積（局部崩積）粉質(zhì)粘土、碎石混黏性土；其下伏基巖為石炭系下統(tǒng)大塘組測(cè)水段（C1d）2砂巖、石英砂巖、泥巖、含炭質(zhì)泥巖互層。

1.4 氣象和水文

場地地下水主要類型有：第四系孔隙潛水、基巖裂隙水。第四系孔隙潛水賦存于粉質(zhì)粘土層中，該層含碎石、塊石，透水性較好，受大氣降水補(bǔ)給，地下水比較豐富，尤其在其底部，由于其下伏基巖表面，泥巖表面具有局部隔水特征，水量更為豐富?；鶐r裂隙水賦存于基巖裂隙中，場地強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖互層，呈互層層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙很發(fā)育，層面與節(jié)理裂隙切割面構(gòu)成密集的裂隙通道，滲透性好，基巖裂隙水豐富，其主要接受大氣降水經(jīng)上覆第四系孔隙潛水越流補(bǔ)給。在邊坡坡腳滲水點(diǎn)附近挖坑集水，采取1件地下水試樣，其結(jié)果詳見附件《水質(zhì)分析報(bào)告》，對(duì)其評(píng)定如表1。

表1 地下水評(píng)定結(jié)果表

1.5 不良地質(zhì)和特殊性巖土

除了滑坡以外，本場地尚有小型采空以及膨脹巖土特殊性巖土兩個(gè)值得關(guān)注的問題。

1.5.1 采空洞

該山坡上有私采拉濫挖的采煤采空洞存在，采空在巖體中形成空區(qū)，年代久遠(yuǎn)，難保其中不形成自然垮塌，形成采空塌陷區(qū)和采空變形區(qū)，造成山體中部分巖層移動(dòng)，破壞了地層結(jié)構(gòu)及其完整性。同時(shí)采空洞成為了儲(chǔ)水構(gòu)造，匯聚地表水進(jìn)入坡體的深部，長時(shí)間向周邊巖土體滲流、排泄，造成邊坡巖土地下水較為豐富，山坡巖土體中的泥巖、炭質(zhì)泥巖等，遇水易軟化、崩解，地下水在層間長期作用，不利于山體穩(wěn)定。

1.5.2 膨脹巖土

場地泥巖經(jīng)巖礦鑒定以及膨脹性土工試驗(yàn)，其蒙脫石含量約14%，伊利石含量約3%，自由膨脹率達(dá)72%，屬于膨脹潛勢(shì)為中等的膨脹巖土（呈土狀）。膨脹巖土在干濕交替的環(huán)境之下，其特點(diǎn)為脹縮性循環(huán)、裂碎及飽水極度變軟，極易產(chǎn)生由表及里的漸進(jìn)性破壞，從而導(dǎo)致公路邊坡逐步失穩(wěn)，屬于邊坡工程中的難題。

2 研究數(shù)據(jù)

研究區(qū)采用ALOS-1PALSAR和RADARSAT-2數(shù)據(jù)共計(jì)60景，時(shí)間覆蓋范圍為2018年6月2日至2019年9月23日，詳細(xì)情況如表2，采用DEM分辨率為30m的SRTM-1數(shù)據(jù)。

表2 研究區(qū)數(shù)據(jù)詳細(xì)情況

本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)ALOS-1PALSARA條帶數(shù)據(jù)及RAD ARSAT-2數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，根據(jù)軌道參數(shù)、脈沖重復(fù)頻率、時(shí)間信息和外部DEM等信息，采用InSAR干涉測(cè)量技術(shù)利用長時(shí)間自動(dòng)干涉測(cè)量系統(tǒng)AISAR進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。大致流程為預(yù)處理、差分干涉計(jì)算、形變量計(jì)算、地表形變結(jié)果的幾何校正、數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制等，并根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)的地質(zhì)條件，結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)，分析地災(zāi)體形變的變化規(guī)律，以及這種變化與地形地理、地質(zhì)類型與降水量等要素之間的關(guān)系，采用數(shù)值模型分析，對(duì)地表形變過程進(jìn)行模擬分析，揭示地表形變的機(jī)理，對(duì)形變體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的資料，發(fā)現(xiàn)北緯28.06815°，東經(jīng)112.73830°附近滑坡體由于高速公路從坡腳通過，該坡腳開挖形成了較高的邊坡，該區(qū)域原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)造受到了一定破壞。雖然該邊坡采用了一定的表面防護(hù)措施，但是該坡體主要為膨脹巖土，膨脹巖土在干濕交替環(huán)境下，呈現(xiàn)脹縮循環(huán)、裂碎以及飽水極度變軟的特點(diǎn)，其處在坡體淺表，極易產(chǎn)生由表及里的漸進(jìn)性破壞，從而導(dǎo)致邊坡逐步失穩(wěn)。

通過對(duì)ALOS-1PALSAR和RADARSAT-2數(shù)據(jù)的處理，提取各時(shí)段的DEM模型（如圖2-圖5），發(fā)現(xiàn)道林互通滑坡自2018年6月至2019年3月部分區(qū)域略有微小形變，但基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；自2019年3月～2019年8月部分坡體發(fā)生持續(xù)變形；自2019年8月底～2019年9月初部分坡體發(fā)生滑坡。

圖2 2018年6月至2019年3月道林互通滑坡體DEM模型圖

圖5 2019年9月道林互通滑坡體DEM模型圖

圖5 路徑規(guī)劃算法流程圖

由于滑坡發(fā)生在表層（約2m深，根據(jù)深部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得知），用肉眼觀察各個(gè)DEM模型，發(fā)現(xiàn)DEM模型變化較小。為準(zhǔn)確地得出滑坡體發(fā)生形變的范圍，我們將后續(xù)得到的DEM模型與2019年3月之前道林互通滑坡體DEM模型配準(zhǔn)后做差分處理，差分結(jié)果超過允許誤差的區(qū)域即為發(fā)生形變的區(qū)域。為直觀地展示發(fā)生形變的區(qū)域，我們將發(fā)生形變的區(qū)域映射到道林互通滑坡體初始DEM模型上，并用醒目色塊標(biāo)識(shí)（如圖6-圖8）。

圖6 2019年6月道林互通滑坡體形變區(qū)域圖

圖8 2019年9月道林互通滑坡體形變區(qū)域圖

圖3 2019年6月道林互通滑坡體DEM模型圖

圖4 2019年8月道林互通滑坡體DEM模型圖

圖7 2019年8月道林互通滑坡體形變區(qū)域圖

通過將后續(xù)得到的DEM模型與道林互通滑坡體初始DEM模型的差分處理結(jié)果，我們準(zhǔn)確地得到了道林互通滑坡體在各個(gè)時(shí)間段發(fā)生形變的位置及發(fā)生形變區(qū)域的范圍。由于網(wǎng)格大小已知，通過簡單計(jì)算，可得：2019年6月道林互通滑坡體相對(duì)于初始狀態(tài)（2019年3月前）形變區(qū)域面積約為63.172m2；2019年8月道林互通滑坡體相對(duì)于初始狀態(tài)形變區(qū)域面積約為69.442m2；2019年9月道林互通滑坡體相對(duì)于初始狀態(tài)形變區(qū)域面積約為89.470m2（此時(shí)，已發(fā)生局部滑坡）。

3 滑坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方法

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，為了與InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行相互補(bǔ)充，能確定滑坡的范圍和規(guī)模。根據(jù)規(guī)范，滑坡危害程度屬于一級(jí)滑坡，需建立地表變形、深部位移、裂縫位錯(cuò)、地下水位的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)控滑坡整體變形。根據(jù)監(jiān)測(cè)方案，本次監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有：地表位移監(jiān)測(cè)、邊坡深部位移監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)等。

3.1 地表位移監(jiān)測(cè)

地表位移監(jiān)測(cè)是指在能反映邊坡變形動(dòng)態(tài)的位置，布置相應(yīng)的地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可采用角度交會(huì)、距離交會(huì)、極坐標(biāo)法、邊角網(wǎng)、GPS等技術(shù)方法。通過數(shù)據(jù)處理分析坡面的幾何外觀變化情況，并繪制出坡面各個(gè)點(diǎn)在施工過程中的水平及豎直方向的位移變化，從而進(jìn)一步來了解邊坡滑動(dòng)基本情況，并提供災(zāi)害預(yù)警信息，這是一種最直接的監(jiān)測(cè)方法。地表位移監(jiān)測(cè)采用GPS連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 深部位移監(jiān)測(cè)

2019年3月，在道林互通滑坡體布設(shè)深部位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖9），每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在離地表2m、4m深度安裝深部位移傳感器，深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)每天實(shí)時(shí)更新。2019年3月至2019年9月，各深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖10-13。

圖9 道林互通滑坡體深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖10 道林互通滑坡體1號(hào)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)2m深傳感器位移曲線

3.3 地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

利用原有勘察鉆孔和監(jiān)測(cè)工作增加鉆孔，與其他監(jiān)測(cè)工作同周期同頻率地對(duì)鉆孔地下水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，來監(jiān)測(cè)地下水位的變化和降雨及深部位移變化的關(guān)系，從而評(píng)價(jià)地下水位對(duì)位移的影響及邊坡排水系統(tǒng)的有效性。

3.4 地表裂縫位錯(cuò)監(jiān)測(cè)

采用裂縫兩側(cè)埋設(shè)觀測(cè)樁觀測(cè)，使用鋼尺同周期測(cè)量的方法（也可采用裂縫計(jì)），監(jiān)測(cè)滑坡裂縫發(fā)展?fàn)顩r與錯(cuò)動(dòng)大小、方向，主要針對(duì)剛剛開始治理的邊坡，是最直觀和快速的監(jiān)測(cè)手段，也對(duì)施工安全、監(jiān)控起到預(yù)警預(yù)報(bào)的作用。

3.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)的地質(zhì)條件，通過對(duì)ALOS-1PALSAR和RADARSAT-2數(shù)據(jù)的處理，提取各時(shí)段的DEM模型，分析地災(zāi)體形變的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)道林互通滑坡自2018年6月至2019年3月部分區(qū)域略有微小形變，但基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；自2019年3月-2019年8月部分坡體發(fā)生持續(xù)變形；自2019年8月底-2019年9月初部分坡體發(fā)生滑坡。根據(jù)后續(xù)得到的DEM模型與道林互通滑坡體初始DEM模型的差分處理結(jié)果，準(zhǔn)確地得到了道林互通滑坡體在各個(gè)時(shí)間段發(fā)生形變的位置及發(fā)生形變區(qū)域的范圍。滑坡體布設(shè)深部位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在離地表2m、4m深度安裝深部位移傳感器，深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)每天實(shí)時(shí)更新，通過深部位移可知，自2019年4月初至2019年8月中，道林互通滑坡體1號(hào)深部位移監(jiān)測(cè)附近發(fā)生持續(xù)緩慢變形，滑動(dòng)面深度約為2m。

圖11 道林互通滑坡體1號(hào)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)4m深傳感器位移曲線

圖12 道林互通滑坡體2號(hào)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)2m深傳感器位移曲線

圖13 道林互通滑坡體2號(hào)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)4m深傳感器位移曲線

結(jié)合InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和深部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用道林互通滑坡體相對(duì)于初始狀態(tài)形變區(qū)域面積，假定滑動(dòng)面為一弧形曲面，可以計(jì)算出形變區(qū)域體積。2019年6月道林互通滑坡體相對(duì)于初始狀態(tài)（2019年3月前）形變區(qū)域面積約為63.172m2，形變區(qū)域體積（假定滑動(dòng)面為一弧形曲面，以下同）約為126.344m3；2019年8月道林互通滑坡體相對(duì)于初始狀態(tài)形變區(qū)域面積約為69.442m2，形變區(qū)域體積約為138.884m3；2019年9月道林互通滑坡體相對(duì)于初始狀態(tài)形變區(qū)域面積約為89.470m2，形變區(qū)域體積約為178.940m3。

4 結(jié)束語

本文研究了合成孔徑雷達(dá)干涉InSAR技術(shù)原理和數(shù)據(jù)處理方法，通過選取合適的InSAR雷達(dá)波長，減弱了地表植被對(duì)地形監(jiān)測(cè)的影響；同時(shí)將多種InSAR數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，有效解決了地形復(fù)雜區(qū)雷達(dá)信號(hào)相干性差異導(dǎo)致的地表變形難以精確提取的問題，得到了研究區(qū)域毫米級(jí)地表動(dòng)態(tài)變形結(jié)果。利用覆蓋湖南寧鄉(xiāng)某地的雷達(dá)數(shù)據(jù)，綜合應(yīng)用雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)，提取了該研究區(qū)域多時(shí)段的變形信息，揭示了該區(qū)域的滑坡發(fā)育地表形變的時(shí)空特征。結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果和野外驗(yàn)證，成功識(shí)別出該研究區(qū)域的滑坡，實(shí)現(xiàn)了滑坡的早期識(shí)別。利用研究區(qū)域監(jiān)測(cè)初期得到地表變形信息，提取出監(jiān)測(cè)初期地表形變區(qū)域的范圍，并在形變區(qū)域及其附近進(jìn)行深部位移監(jiān)測(cè)。結(jié)合后續(xù)的InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果及形變區(qū)域深部位移數(shù)據(jù)，得到了滑坡體各時(shí)段的形變區(qū)域的范圍、面積及滑動(dòng)面的深度，進(jìn)而較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了滑坡的范圍及規(guī)模。