湖北恩施州鐵路選線滑坡隱患識別與成因分析

管李義 劉冰洋 王作鈺

1 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢市和平大道745號,430063

我國地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境獨(dú)特且復(fù)雜,滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷、地面沉降等災(zāi)害頻發(fā)[1],其中滑坡災(zāi)害發(fā)生隱蔽、突發(fā)性強(qiáng)、隨機(jī)性強(qiáng)、成因復(fù)雜、損失嚴(yán)重,防災(zāi)治災(zāi)難度較大[2]。我國每年會(huì)發(fā)生上萬起滑坡災(zāi)害,受災(zāi)地區(qū)主要分布在四川、湖南、湖北、福建、廣西等地[3]。湖北恩施州地區(qū)滑坡災(zāi)害頻發(fā),成為近年來滑坡地質(zhì)災(zāi)害研究的熱點(diǎn)。陳曦?zé)樀萚4]基于GIS技術(shù)對湖北恩施州地區(qū)降雨誘發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,結(jié)果表明,恩施州災(zāi)害誘發(fā)因子主要為強(qiáng)降雨,且孕災(zāi)環(huán)境敏感性較高;陳君等[5]基于地質(zhì)災(zāi)害潛勢度理論分析降雨量與滑坡之間的關(guān)系,建立降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型;彭麗娟等[6]對恩施州3個(gè)縣市典型滑坡分布區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的影響因素及其分布規(guī)律進(jìn)行分析,完成該區(qū)域滑坡危險(xiǎn)性空間預(yù)測評價(jià);狄靖月等[7]從恩施州地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性及區(qū)域易損性角度探尋災(zāi)害成因,結(jié)果表明,強(qiáng)降水是滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的直接誘因。但上述研究主要關(guān)注恩施州大尺度區(qū)域性滑坡災(zāi)害的成因和分布規(guī)律,缺少針對鐵路選線的孕災(zāi)環(huán)境研究。

InSAR技術(shù)[8]具有全天時(shí)、全天候、大范圍、高精度、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn),在滑坡災(zāi)害監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。短基線集干涉測量(SBAS-InSAR)技術(shù)利用時(shí)間序列上的多幅影像來監(jiān)測地表形變及其隨時(shí)間的變化規(guī)律,可以有效抑制時(shí)空失相干和大氣相位延遲,得到地表mm級形變[9]。本文以湖北恩施州為研究對象,基于光學(xué)影像和實(shí)地勘察數(shù)據(jù),探討SBAS-InSAR技術(shù)識別大范圍潛在滑坡的有效性,為后期軌道交通工程施工和運(yùn)營提供參考。

1 研究區(qū)概況和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于湖北省恩施州(29°07′～31°24′N,108°23′～110°38′E),西連重慶市黔江區(qū),北鄰重慶市萬州區(qū),南面與湖南省湘西州接壤,東連神農(nóng)架、宜昌。恩施州海拔落差大,小氣候特征明顯,垂直差異突出,年均氣溫16.2 ℃,年均降水量1 600 mm,屬于亞熱帶季風(fēng)性山地濕潤氣候。全州三山鼎立,由北部、西北部和東南部逐漸向中、南傾斜,呈現(xiàn)階梯狀地貌。受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)間歇活動(dòng)的影響,研究區(qū)大面積隆起成山,局部斷陷。如圖1所示,恩施州局部最高海拔約1 600 m,最低約200 m,高差大且山脈陡峭,容易受降雨等影響引發(fā)泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。擬建橫跨恩施州東西向五峰至恩施段的滬渝蓉高速鐵路,為保障鐵路安全施工和運(yùn)營,需要進(jìn)行勘察與監(jiān)測。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

Sentinel-1A是由歐洲航天局發(fā)射運(yùn)營的對地觀測雷達(dá)衛(wèi)星,擁有世界領(lǐng)先的軌道控制精度和地面定位精度,其影像產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于測繪、海事、軍事和能源等不同領(lǐng)域,能夠?yàn)榈乇硇巫兙_測量服務(wù)提供高質(zhì)量、高重訪周期監(jiān)測影像數(shù)據(jù)集。實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)為97景Sentinel-1A衛(wèi)星IW模式SLC影像升軌數(shù)據(jù)(圖2),空間分辨率為5 m×20 m,時(shí)間間隔12 d,時(shí)間跨度為2019-01～2022-05,入射角為39°。裁剪原始影像獲取覆蓋湖北恩施州的SAR影像。為去除地形相位,選用30 m分辨率的SRTM DEM格網(wǎng)高程數(shù)據(jù)。

圖2 SBAS-InSAR基線Fig.2 SBAS-InSAR baseline

2 SBAS-InSAR方法

干涉測量相位由以下幾部分組成:

Φ=Φdef+Φtopo+Φatmo+Φnoise

(1)

式中,Φdef為雷達(dá)視線向形變相位,Φtopo為地形引起的干涉相位,Φatmo為2次SAR成像期間由于大氣延遲導(dǎo)致的相位分量,φnoise為其他噪聲相位。

以2個(gè)獲取時(shí)間的平均相位速度作為待求參數(shù),SBAS-InSAR基本模型如下:

(2)

第j幅干涉圖相位可表示為:

(3)

式中,IEj和ISj分別為第j幅差分干涉對中主、從影像的獲取時(shí)間,(t0,…,tN)為所有SAR影像的獲取時(shí)間序列,可將式(3)寫成矩陣形式:

δφ=Bv

(4)

將SVD分解應(yīng)用于矩陣B,可得到速度矢量v的最小范數(shù)解。根據(jù)各時(shí)間區(qū)間的沉降速度,對各時(shí)段速度在時(shí)間域進(jìn)行積分即可得到各時(shí)間段的形變量。具體參數(shù)和實(shí)現(xiàn)步驟如下:

1)本實(shí)驗(yàn)將時(shí)間基線閾值設(shè)為40 d,空間基線閾值設(shè)為80 m。對整景Sentinel-1A SAR影像進(jìn)行裁剪,獲取覆蓋鐵路線的區(qū)域影像。由于研究區(qū)植被茂密、大氣影響嚴(yán)重,長時(shí)間間隔的干涉對效果較差,因此本實(shí)驗(yàn)去除部分受大氣和失相干影響較大的干涉對,最終生成220個(gè)干涉對。

2)對SLC影像進(jìn)行10∶3多視處理,采用30 m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)去除地形相位得到差分干涉相位圖。濾波方法選擇Nonlocal自適應(yīng)濾波,采用最小費(fèi)用流法進(jìn)行解纏,得到解纏差分干涉相位圖,并利用6次多項(xiàng)式擬合去除軌道誤差。

3)通過預(yù)先設(shè)定相干系數(shù)閾值選取高相干監(jiān)測點(diǎn),首先估算形變速率和殘余地形,然后對殘余相位進(jìn)行大氣濾波,最后結(jié)合線性形變和非線性形變得到時(shí)序形變結(jié)果。

技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 SBAS-InSAR流程Fig.3 Flowchart of SBAS-InSAR

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

SBAS-InSAR形變監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為整個(gè)研究區(qū)的形變速率圖,形變速率范圍為-49～40 mm/a。為突出顯示效果,在制圖時(shí)將顏色條限制在-40～40 mm/a之間。由圖可知,2019-01～2022-05期間研究區(qū)發(fā)生明顯山體滑坡,主要存在3個(gè)滑坡群,最大滑動(dòng)體位于滑坡群A所示區(qū)域,滑動(dòng)速率達(dá)40 mm/a。圖4(b)為利用SRTM DEM計(jì)算得到的研究區(qū)坡度圖。對比圖4(a)和4(b)可知,形變速率大于10 mm/a的監(jiān)測點(diǎn)主要分布在坡度為20°～40°區(qū)域內(nèi),表明形變主要為滑坡,且多數(shù)滑坡位于河流水系附近。圖4(a)中所示鐵路線為滬渝蓉高速鐵路五峰至恩施段設(shè)計(jì)階段方案,為探尋該線路是否會(huì)受滑坡影響,實(shí)驗(yàn)獲取鐵路線1 000 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的InSAR形變結(jié)果(圖4(c)),其中形變大于10 mm/a的監(jiān)測點(diǎn)用紅色和藍(lán)色標(biāo)注。由圖可見,該線路同樣存在多處滑坡隱患點(diǎn),最明顯的2處滑坡點(diǎn)位于高山峽谷地帶,峽谷底部為道路,山體滑坡會(huì)對鐵路和道路產(chǎn)生威脅,需要進(jìn)一步實(shí)地勘察確認(rèn)。

圖4 SBAS-InSAR形變監(jiān)測結(jié)果Fig.4 SBAS-InSAR deformation monitoring results

圖5為分別放大展示3個(gè)滑坡群。由圖5(a)可知,a點(diǎn)和c點(diǎn)所在區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的大面積山體滑坡,滑動(dòng)方向分別為東南方向和西北方向。時(shí)序形變結(jié)果顯示,上述2個(gè)區(qū)域在每年6～7月受降雨量增加影響,滑動(dòng)速率有所下降,在雨季過后呈加速滑動(dòng)趨勢。此外,河流沿岸向外擴(kuò)張導(dǎo)致c點(diǎn)出現(xiàn)滑坡。b點(diǎn)所在區(qū)域?yàn)閮?nèi)陸型滑坡,滑動(dòng)方向?yàn)槲髂仙焦确较?。由時(shí)序形變結(jié)果可知,b點(diǎn)在每年6～7月受降雨量增加影響,滑動(dòng)速率有所增加。圖5(b)為2個(gè)滑坡體及其滑動(dòng)方向,可以看出這2個(gè)滑坡體發(fā)生相對滑移,均向山谷下滑。時(shí)序形變結(jié)果顯示,2019-06～07兩個(gè)滑坡體可能受降雨影響存在較大滑動(dòng),之后表現(xiàn)較為穩(wěn)定,但也受雨季影響存在一定波動(dòng)。圖5(c)為離擬建鐵路線不遠(yuǎn)處的一個(gè)內(nèi)陸型滑坡體及其滑動(dòng)方向,由圖可知,該滑坡體在每年6～7月受降雨量增加影響,滑動(dòng)速率有所增加。

圖5 3個(gè)滑坡群Fig.5 Three landslide clusters

綜上所述,遠(yuǎn)離河流的內(nèi)陸型滑坡在雨季容易加速滑動(dòng),而河岸型滑坡在雨季會(huì)因?yàn)楹恿魉吭黾赢a(chǎn)生向上的浮力,在一定程度上會(huì)減緩?fù)馏w下滑速率,但在雨季過后也會(huì)加速滑動(dòng)。

為進(jìn)一步分析恩施州滑坡產(chǎn)生的內(nèi)因,實(shí)驗(yàn)獲取研究區(qū)每月一期的2018-11～2022-11降雨量數(shù)據(jù)。由表1可知,InSAR形變結(jié)果和降雨量相關(guān)性較高,雨季InSAR形變與降雨量的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.8,說明強(qiáng)降水是恩施州滑坡地質(zhì)災(zāi)害的直接誘因。

表1 InSAR形變與降雨量相關(guān)性分析Tab.1 Correlation analysis of InSAR deformation and rainfall

由光學(xué)影像可知,圖5中由InSAR技術(shù)識別出的滑坡群均位于道路線和村莊附近,滑移量過大,危險(xiǎn)性較高,后期需要進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。此外,鐵路線選址時(shí)需重點(diǎn)規(guī)避這3處滑坡群,尤其是f點(diǎn)離所選鐵路線較近,發(fā)生較大滑坡而產(chǎn)生的堰塞湖可能對鐵路運(yùn)行造成影響。

為進(jìn)一步驗(yàn)證InSAR監(jiān)測結(jié)果,收集研究區(qū)的前期實(shí)地踏勘數(shù)據(jù)。鐵路選線一般要經(jīng)過踏勘、初測和定測3個(gè)步驟。踏勘在方案研究階段進(jìn)行,需要搜集地形圖、地質(zhì)圖、河流水系圖、航攝相片、衛(wèi)星照片以及相關(guān)規(guī)劃報(bào)告、圖表和經(jīng)濟(jì)資料等,并進(jìn)行現(xiàn)場勘查核對地形、地質(zhì)、水文情況。通過前期踏勘獲取研究區(qū)部分不良地質(zhì)帶的分布和不良地質(zhì)體的位置,結(jié)果如圖6所示,包括滑坡區(qū)域和危巖落石區(qū)域,大多數(shù)不良地質(zhì)區(qū)域位于河流沿岸。實(shí)驗(yàn)中將InSAR技術(shù)所識別出的形變速率大于10 mm/a的區(qū)域和實(shí)地勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,圖6為3個(gè)局部區(qū)域視圖。由圖可見,InSAR識別出的形變區(qū)域大多位于前期勘察所標(biāo)注的不良地質(zhì)區(qū)域內(nèi),在一定程度上驗(yàn)證了InSAR結(jié)果的可靠性。受分辨率和植被影響,在某些區(qū)域二者也存在差異,需要后期進(jìn)一步處理。

圖6 InSAR形變結(jié)果與實(shí)地勘察數(shù)據(jù)比較Fig.6 Comparison of InSAR deformation result and field survey data

4 結(jié) 語

1)湖北恩施州在2019-01～2022-05存在明顯的滑坡跡象,滑動(dòng)區(qū)域主要位于坡度20°～40°的山體上,最大滑動(dòng)速率達(dá)49 mm/a。

2)結(jié)合光學(xué)影像和實(shí)地勘察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),研究區(qū)滑坡可分為內(nèi)陸型和河岸型滑坡,2種滑坡在雨季呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。InSAR結(jié)果和實(shí)際情況較為相符,可以為滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測提供參考。

后續(xù)研究將使用更長時(shí)間序列的SAR影像,結(jié)合實(shí)地?cái)?shù)據(jù)和地質(zhì)資料驗(yàn)證InSAR監(jiān)測精度,從多方面綜合分析滑坡產(chǎn)生的原因。