時序InSAR邊坡滑移監(jiān)測下輸電桿塔失穩(wěn)機(jī)理研究

高霞霞，李素敏*，陳朋弟，袁利偉，黃 然

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

電力系統(tǒng)的強(qiáng)大與否反應(yīng)了一個國家的綜合國力和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)能力，輸電桿塔作為高壓輸電線路中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，在保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。截止到2020年12月，云南省已建成10條輸電外送通道，但隨著輸電工程規(guī)模和跨度的擴(kuò)大，越來越多的輸電線路工程設(shè)施區(qū)域面臨著滑坡、泥石流、地面沉降、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的威脅。地質(zhì)災(zāi)害會造成輸電桿塔塔基的移動與變形，破壞高壓輸電桿塔的初始平衡狀態(tài)，進(jìn)而對輸電桿塔的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[1-3]。因此，研究輸電桿塔的長時間形變監(jiān)測對保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常必要。

傳統(tǒng)的基于全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)和水準(zhǔn)測量方法雖然可以實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域的單點(diǎn)高精度監(jiān)測，但存在測量范圍有限、易受到磁場信號干擾、耗時耗力和成本高等問題[4]。后續(xù)發(fā)展起來的作業(yè)機(jī)器人[5]、無人機(jī)[6]、傳感器[7]等方法，投入成本較高，且不利于大范圍長時間性監(jiān)測，效率較低。也有很多學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法對地質(zhì)災(zāi)害下輸電桿塔穩(wěn)定性進(jìn)行研究，如周文峰等[8]利用ANSYS軟件建立桿塔精細(xì)化有限元模型，施加地質(zhì)災(zāi)害下各工況塔基約束條件，對桿塔失效性進(jìn)行分析；王彥海等[9]運(yùn)用ANSYS軟件建立了500 kV輸電桿塔仿真模型，模擬滑坡災(zāi)害下輸電桿塔的基礎(chǔ)變形，并分析了桿塔在不同工況下的受力情況。上述方法雖能模擬桿塔的變形過程，但無法對輸電桿塔塔基的地表形變進(jìn)行反演，探究桿塔在地質(zhì)災(zāi)害作用下的破壞模式。

相比之下，當(dāng)前發(fā)展起來的基于合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)干涉測量(synthetic aperture radar interferometry，InSAR)技術(shù)具有高時空分辨率、覆蓋范圍廣、形變監(jiān)測精度高、全天時和全氣候等特點(diǎn)[10-11]，已在區(qū)域性地表形變監(jiān)測[12-14]、地震形變監(jiān)測[15]、滑坡隱患識別[16-19]等方面得到了廣泛應(yīng)用，并已獲得可行性驗(yàn)證。隨著InSAR技術(shù)的成熟應(yīng)用，該方法也被應(yīng)用于電力系統(tǒng)的監(jiān)測中，LUO 等[20]利用小基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測量(small baseline subset insar，SBAS-InSAR)方法對2016年至2017年之間采集的21幅COSMO-SkyMed雷達(dá)圖像進(jìn)行處理，以監(jiān)測中國永山縣輸電走廊地面沉降趨勢；FERESHTEH等[21]利用InSAR技術(shù)對 X波段的COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)和C波段的Sentinel-1A數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分析了研究區(qū)域每個輸電塔的變形和精確的位移大?。环儿i等[22]以TerraSAR-X數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了時序InSAR技術(shù)在青藏輸電桿塔變形監(jiān)測中的應(yīng)用，結(jié)果表明高分辨率時序InSAR技術(shù)在輸變電工程形變監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景。

上述方法大多只針對局部輸電線路災(zāi)害隱患點(diǎn)的識別以及輸電桿塔的變形監(jiān)測，而對地質(zhì)災(zāi)害引起的輸電桿塔塔基失穩(wěn)機(jī)理的研究相對較少。因此，本文以Sentinel-1A 雷達(dá)影像為數(shù)據(jù)源，獲取了2019年1月—2020年12月的49景影像數(shù)據(jù)，利用SBAS-InSAR技術(shù)對多座輸電桿塔區(qū)域進(jìn)行滑坡監(jiān)測識別，并基于滑坡的時空演變特征對輸電桿塔塔基的失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析，監(jiān)測結(jié)果可為滑坡災(zāi)害影響下的輸電桿塔穩(wěn)定性評估提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)輸電桿塔選取自云南省大理白族自治州南澗彝族自治縣，地理位置如圖1所示。南澗彝族自治縣地處云南省西部，大理白族自治州南部，地形以山地為主，絕大部分地區(qū)山高、壑深、坡陡，99.3%的區(qū)域?qū)偕絽^(qū)。研究區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)100°15′24″—100°17′21″和北緯24°55′27″—24°56′39″，位于南澗彝族自治縣西部(見圖1(a)，紅色邊框表示研究區(qū)域)，海拔148～2 123 m，年平均氣溫19.3 ℃，年降水量867.8 mm，屬中國西部熱帶海陸季風(fēng)氣候，地貌構(gòu)成主要有侵蝕構(gòu)造地貌、侵蝕堆積地貌、剝蝕地貌、斷塊山地貌、巖溶地貌等，巖性以砂巖、泥巖、灰?guī)r、礫巖等為主，土壤資源有棕壤、黃棕壤、紅壤、紫色土、石灰土、沖積土、水稻土和鹽土8種。該區(qū)域地處橫斷山系縱谷區(qū)，大部分是由河谷、山巒和坡地構(gòu)成的山區(qū)或半山區(qū)，地形地貌復(fù)雜，加之降水時空分布不均，是山洪災(zāi)害的易發(fā)區(qū)、高發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)。圖1(b)展示了研究區(qū)500 kV輸電桿塔的空間分布位置。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)由歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星提供，時間跨度為2019年1月—2020年12月，共計(jì)49景降軌影像，所有影像均為VV極化方式，C波段(波長5.6 cm)，成像模式采用干涉寬幅模式(interferometric wide swath，IW)，所獲數(shù)據(jù)可完全覆蓋研究區(qū)，數(shù)據(jù)信息如表1所示。影像處理中所使用的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)是由美國宇航局(national aeronautics and space administration，NASA)主導(dǎo)的采用航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪任務(wù)(shuttle radar topography mission，STRM)所采集的數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。

表1 Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)參數(shù)

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究方法

SBAS-InSAR采用多主影像的方式組合出短時間和空間基線的干涉圖。其主要技術(shù)原理為[23]：

假設(shè)在一定時間范圍內(nèi)獲得覆蓋同一區(qū)域的N+1幅SAR影像，任選其中一幅影像作為主影像，將其余N幅影像配準(zhǔn)到主影像的成像空間，通過設(shè)置時空基線閾值對配準(zhǔn)后的影像進(jìn)行組合，生成M幅相干性較好的差分干涉圖，M和N的關(guān)系滿足，

(1)

經(jīng)地形相位去除后，得到由tA和tB時刻(tB>tA)生成的第j幅差分干涉圖，則生成的干涉圖某一點(diǎn)的干涉相位可表示為

(2)

其中，

(3)

(4)

(5)

2.2 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行SBAS時序處理，然后利用ArcGIS對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和精細(xì)化處理，處理流程如圖2所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)選用覆蓋研究區(qū)的降軌影像，以20200726影像數(shù)據(jù)作為主影像，對多景單視復(fù)數(shù)(single look complex，SLC)影像進(jìn)行一系列處理后得到時間序列形變結(jié)果，通過結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場核查對輸電桿塔的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，最后基于時空演變特征分析輸電桿塔塔基的失穩(wěn)機(jī)理。其中，時間基線閾值設(shè)定為90 d，最大空間基線閾值設(shè)定為10%。

圖2 數(shù)據(jù)處理與分析流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 輸電線路地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別

通過SBAS-InSAR技術(shù)對2019年1月—2020年12月期間獲取的覆蓋研究區(qū)的合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到該區(qū)域內(nèi)500 kV輸電桿塔周邊廣域范圍內(nèi)的形變監(jiān)測特征信息(見圖3(a))，并對疑似變形區(qū)域和重大風(fēng)險隱患點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。圖3(a)中紅色正值表示抬升，目標(biāo)朝向衛(wèi)星運(yùn)動方向，藍(lán)色負(fù)值表示沉降，目標(biāo)背離衛(wèi)星運(yùn)動方向，綠色則表示相對穩(wěn)定的區(qū)域。

從圖3(a)可以看出，大部分區(qū)域的形變速率在-10～+10 mm/a之間，沉降嚴(yán)重區(qū)域主要集中在N號塔西部、西北部以及東北部300 m范圍內(nèi)，且存在大片高速率形變區(qū)，疑似災(zāi)害隱患點(diǎn)，監(jiān)測得到的最大形變速率值為-80 mm/a。為此，本文主要針對N號輸電桿塔附近危險坡體進(jìn)行形變監(jiān)測與分析，研究該區(qū)域滑坡體對輸電桿塔穩(wěn)定性的影響機(jī)理。對無人機(jī)所拍攝的照片進(jìn)行三維建模后，可以清晰的顯示出輸電桿塔與坡體的空間位置及坡體的地形地貌，從圖3(b)可以看出輸電桿塔位于滑坡區(qū)頂部，坡體上有沖溝和居民住宅區(qū)。

(a)2019年1月—2020年12月雷達(dá)視線向形變速率 (b)無人機(jī)航拍圖

3.2 N號輸電桿塔穩(wěn)定性分析

輸電桿塔塔基的穩(wěn)定性受滑坡變形范圍的影響，從圖3(a)可以看出，塔基的形變速率為-40 mm/a，且研究人員在2020年5月通過現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)，輸電桿塔塔基的頂面出現(xiàn)了不同程度的裂紋(見圖4(a))，為了對桿塔的穩(wěn)定性做進(jìn)一步分析，通過在現(xiàn)場布設(shè)代表性監(jiān)測點(diǎn)對輸電桿塔塔基進(jìn)行監(jiān)測。在地表變形作用下，輸電桿塔破壞的程度與桿塔四個塔腿的沉降量有很大的關(guān)系，當(dāng)桿塔的四個塔腿沉降量保持一致時，基礎(chǔ)間的相對位置保持不變，破壞的風(fēng)險較小，當(dāng)四個塔腿的沉降量不一致時，桿塔發(fā)生傾倒的風(fēng)險增大。由于InSAR數(shù)據(jù)分辨率的問題，無法對桿塔的四個塔腿進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測，故在塔腿基礎(chǔ)頂面布設(shè)了相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)(見圖4(b))，并對四個塔腿進(jìn)行監(jiān)測，測量時以TD腿插入角鋼頂端立柱頂點(diǎn)為基點(diǎn)，得到四個塔腿的變化值(見表2)。2020年5月8日的測量數(shù)據(jù)顯示，N號輸電桿塔基礎(chǔ)TA、TB、TC腿均發(fā)生了沉降，TA腿基礎(chǔ)沉降了448 mm，TB腿基礎(chǔ)沉降了440 mm，TC腿基礎(chǔ)沉降了147 mm，考慮到TC、TD基礎(chǔ)存在75 mm的設(shè)計(jì)預(yù)偏，因此TA腿的基礎(chǔ)沉降量為373 mm，TB腿基礎(chǔ)的沉降量為365 mm，TC腿基礎(chǔ)的沉降量為72 mm，TA、TB腿為靠近坡體的一側(cè)，屬于不均勻沉降，且N號桿塔為耐張轉(zhuǎn)角塔，塔高44.6 m，為插入角鋼斜柱式基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)受某種自然災(zāi)害破壞時，線路修復(fù)困難，因此會對N號塔的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。

(a)塔腿裂紋 (b)監(jiān)測點(diǎn)位置

表2 N號塔腿變形值

3.3 典型區(qū)域滑坡時空演變特征分析

為了探究滑坡變形對N號輸電桿塔塔基失穩(wěn)的影響機(jī)理，從空間和時間兩方面進(jìn)行塔基失穩(wěn)性分析。

研究發(fā)現(xiàn)，滑坡多發(fā)于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、坡度大于20°且形變速率超過10 mm/a的區(qū)域，滑坡的破壞一般是由局部破壞逐漸擴(kuò)展貫通到整體的漸進(jìn)式過程[24]。研究區(qū)時空變化圖如圖5所示，紅色邊框區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)研究區(qū)域，該區(qū)域地質(zhì)地貌復(fù)雜，坡度在30°左右。

從整體的變形過程可以看出，該研究區(qū)從2019年1月—2020年12月期間一直處于沉降遞增狀態(tài)，這是導(dǎo)致輸電桿塔塔體失穩(wěn)的主要原因。從劃分的時間間隔來看，2019年1月—2019年3月(見圖5(a))，研究區(qū)整體沉降量較小，沉降值范圍在-10～-19 mm之間，但相比于周邊區(qū)域，該研究區(qū)沉降較為明顯；到2020年3月底(見圖5(e))，該區(qū)域沉降趨勢顯著增加，坡體整體存在A、B兩個潛在滑移面，主要分布在N號輸電桿塔的東北部、西北部與西部，區(qū)域沉降面積逐漸擴(kuò)大，對塔基失穩(wěn)性影響增強(qiáng)，沉降值范圍在-58～-98 mm；從2020年3月底—2020年12月(見圖5(f)、圖5(g)、圖5(h))，研究區(qū)沉降范圍擴(kuò)散加強(qiáng)，滑坡體相對變形整體呈遞增趨勢，相比于圖5(e)，隨著時間的推移，A、B兩區(qū)域逐步向中間擴(kuò)展已形成形變貫通面，整體呈現(xiàn)漸進(jìn)破壞趨勢，最大沉降量為-140 mm，沉降面積達(dá)到0.1 km2。從圖5的監(jiān)測過程不難發(fā)現(xiàn)，變形區(qū)域距離輸電桿塔越來越近，進(jìn)而導(dǎo)致塔體失穩(wěn)性顯著增加。

圖5 典型區(qū)域地面沉降空間演化過程

為進(jìn)一步研究滑坡對N號輸電桿塔變形的影響過程，在典型沉降區(qū)內(nèi)分別選取了A、B、N 3個特征點(diǎn)，對其進(jìn)行地面沉降長時間序列演化特征分析，并獲取相關(guān)時序形變信息，其中N點(diǎn)為輸電桿塔所在位置，A、B位于坡體上。如圖6所示，從統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以看出：上述三點(diǎn)的形變時序曲線走勢基本一致，幾乎呈現(xiàn)相同的線性下降趨勢，且研究區(qū)坡體以相似的形變速率持續(xù)蠕動變形，說明輸電桿塔塔基的破壞形式與坡體的運(yùn)動模式表現(xiàn)一致，證明了區(qū)域性滑坡是導(dǎo)致N號輸電桿塔變形的主要原因。通過觀察圖6發(fā)現(xiàn)，該坡體存在兩個形變加速階段，分別為2019年7月—2019年10月、2020年7月—2020年10月，前時間段形變量隨降雨的增多加速明顯，后時間段形變量隨降雨的增多雖表現(xiàn)不明顯，但總體呈現(xiàn)形變加速狀態(tài)。從現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在雨季時場地覆蓋層內(nèi)會有局部上層積水存在，通過查閱相關(guān)地質(zhì)資料得知，該形變區(qū)域主要包含砂巖、泥巖夾泥灰?guī)r，為軟弱巖類，屬侏羅紀(jì)系，在外界因素如風(fēng)力風(fēng)化、降雨沖擊、地下水以及太陽輻射等作用下加速了該區(qū)域巖性的泥化過程，導(dǎo)致層面間抗剪強(qiáng)度降低，形成典型的軟弱結(jié)構(gòu)面，這種結(jié)構(gòu)很容易造成區(qū)域性滑坡，進(jìn)而會對坡體和桿塔產(chǎn)生一定的影響。

圖6 時序曲線圖

實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，重型車輛的反復(fù)碾壓也是造成塔基沉降和坡體發(fā)生形變的主要外在因素。在研究區(qū)道路左后方山梁緩平地段存在一個大型拌合站，該大型拌合站用于修建大臨鐵路，而N號輸電桿塔所處路段為該工程主要的運(yùn)輸通道，從2019年下半年開始該路段頻繁經(jīng)過水泥罐車和材料運(yùn)輸?shù)却笮蛙囕v，噸位都在幾十噸以上，而該段道路并沒有經(jīng)過任何硬化處理，在重型車輛的反復(fù)碾壓下，路基不斷下沉，這也是導(dǎo)致該區(qū)域沉降加速的主要外界因素之一。

4 結(jié)論

輸電桿塔作為電力輸送的重要支撐載體，在保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)營中發(fā)揮著重要的作用。本文利用SBAS-InSAR技術(shù)對南澗彝族自治縣某區(qū)域500 kV輸電桿塔進(jìn)行形變監(jiān)測，并對重點(diǎn)形變坡體做滑坡時空演化特征分析，通過現(xiàn)場勘察和內(nèi)外因結(jié)合的方式來探討滑坡對N號輸電桿塔穩(wěn)定性的影響機(jī)理，主要結(jié)論有：

1)通過InSAR技術(shù)對多座輸電桿塔進(jìn)行監(jiān)測，分析發(fā)現(xiàn)N號輸電桿塔附近存在滑坡，通過現(xiàn)場監(jiān)測與核查證實(shí)，N號輸電桿塔塔基出現(xiàn)了不均勻沉降，這一因素對桿塔穩(wěn)定性影響較大。

2)從InSAR的時空演變分析結(jié)果可以看出，N號輸電桿塔附近坡體滑坡是造成塔基失穩(wěn)的主要原因，塔基的破壞形式與坡體的運(yùn)動模式基本一致。分析發(fā)現(xiàn)，重點(diǎn)形變區(qū)坡體存在兩個潛在滑移面，主要分布在N號輸電桿塔的東北部、西北部與西部，隨著時間的推移，兩滑移面逐步向中間擴(kuò)展，為漸進(jìn)滑動模式，沉降區(qū)面積呈現(xiàn)遞增趨勢。

3)滑坡的發(fā)生是由內(nèi)外因共同作用的結(jié)果。觀察發(fā)現(xiàn)，重點(diǎn)形變區(qū)坡體位于N號桿塔東北部、西北部與西部，巖體破碎性較大，坡體土質(zhì)松軟，在雨水沖擊、重型車輛碾壓等外部因素作用下很容易發(fā)生滑坡。因此，坡體在內(nèi)外因素的共同作用下使沉降速率加速，從而導(dǎo)致輸電桿塔變形增加。

本文針對滑坡滑移下輸電桿塔的失穩(wěn)情況進(jìn)行了相關(guān)監(jiān)測和機(jī)理分析，該研究可為邊坡滑移下桿塔的穩(wěn)定性評估提供一定的借鑒，有助于提前采取預(yù)防措施，降低地質(zhì)災(zāi)害對輸電線路的破壞程度，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。