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 中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢市和平大道745號,430063

我國地質構造環境獨特且復雜,滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷、地面沉降等災害頻發[1],其中滑坡災害發生隱蔽、突發性強、隨機性強、成因復雜、損失嚴重,防災治災難度較大[2]。我國每年會發生上萬起滑坡災害,受災地區主要分布在四川、湖南、湖北、福建、廣西等地[3]。湖北恩施州地區滑坡災害頻發,成為近年來滑坡地質災害研究的熱點。陳曦煒等[4]基于GIS技術對湖北恩施州地區降雨誘發型地質災害進行風險評估,結果表明,恩施州災害誘發因子主要為強降雨,且孕災環境敏感性較高;陳君等[5]基于地質災害潛勢度理論分析降雨量與滑坡之間的關系,建立降雨誘發滑坡災害的風險評價模型;彭麗娟等[6]對恩施州3個縣市典型滑坡分布區滑坡地質災害的影響因素及其分布規律進行分析,完成該區域滑坡危險性空間預測評價;狄靖月等[7]從恩施州地質災害易發性及區域易損性角度探尋災害成因,結果表明,強降水是滑坡、泥石流等地質災害的直接誘因。但上述研究主要關注恩施州大尺度區域性滑坡災害的成因和分布規律,缺少針對鐵路選線的孕災環境研究。

InSAR技術[8]具有全天時、全天候、大范圍、高精度、成本低等諸多優點,在滑坡災害監測中得到廣泛應用。短基線集干涉測量(SBAS-InSAR)技術利用時間序列上的多幅影像來監測地表形變及其隨時間的變化規律,可以有效抑制時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,基于光學影像和實地勘察數據,探討SBAS-InSAR技術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營提供參考。

1 研究區概況和實驗數據

研究區位于湖北省恩施州(29°07′～31°24′N,108°23′～110°38′E),西連重慶市黔江區,北鄰重慶市萬州區,南面與湖南省湘西州接壤,東連神農架、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,呈現階梯狀地貌。受新構造運動間歇活動的影響,研究區大面積隆起成山,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泥石流和滑坡等地質災害。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營,需要進行勘察與監測。

圖1 研究區域Fig.1 Study area

Sentinel-1A是由歐洲航天局發射運營的對地觀測雷達衛星,擁有世界領先的軌道控制精度和地面定位精度,其影像產品廣泛應用于測繪、海事、軍事和能源等不同領域,能夠為地表形變精確測量服務提供高質量、高重訪周期監測影像數據集。實驗所用數據為97景Sentinel-1A衛星IW模式SLC影像升軌數據(圖2),空間分辨率為5 m×20 m,時間間隔12 d,時間跨度為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格網高程數據。

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致的相位分量,φnoise為其他噪聲相位。

以2個獲取時間的平均相位速度作為待求參數,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、從影像的獲取時間,(t0,…,tN)為所有SAR影像的獲取時間序列,可將式(3)寫成矩陣形式:

δφ=Bv

(4)

將SVD分解應用于矩陣B,可得到速度矢量v的最小范數解。根據各時間區間的沉降速度,對各時段速度在時間域進行積分即可得到各時間段的形變量。具體參數和實現步驟如下:

1)本實驗將時間基線閾值設為40 d,空間基線閾值設為80 m。對整景Sentinel-1A SAR影像進行裁剪,獲取覆蓋鐵路線的區域影像。由于研究區植被茂密、大氣影響嚴重,長時間間隔的干涉對效果較差,因此本實驗去除部分受大氣和失相干影響較大的干涉對,最終生成220個干涉對。

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

3)通過預先設定相干系數閾值選取高相干監測點,首先估算形變速率和殘余地形,然后對殘余相位進行大氣濾波,最后結合線性形變和非線性形變得到時序形變結果。

技術流程如圖3所示。

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

3 實驗結果和分析

SBAS-InSAR形變監測結果如圖4所示。圖4(a)為整個研究區的形變速率圖,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期間研究區發生明顯山體滑坡,主要存在3個滑坡群,最大滑動體位于滑坡群A所示區域,滑動速率達40 mm/a。圖4(b)為利用SRTM DEM計算得到的研究區坡度圖。對比圖4(a)和4(b)可知,形變速率大于10 mm/a的監測點主要分布在坡度為20°～40°區域內,表明形變主要為滑坡,且多數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計階段方案,為探尋該線路是否會受滑坡影響,實驗獲取鐵路線1 000 m緩沖區范圍內的InSAR形變結果(圖4(c)),其中形變大于10 mm/a的監測點用紅色和藍色標注。由圖可見,該線路同樣存在多處滑坡隱患點,最明顯的2處滑坡點位于高山峽谷地帶,峽谷底部為道路,山體滑坡會對鐵路和道路產生威脅,需要進一步實地勘察確認。

圖4 SBAS-InSAR形變監測結果Fig.4 SBAS-InSAR deformation monitoring results

圖5為分別放大展示3個滑坡群。由圖5(a)可知,a點和c點所在區域已經出現較為明顯的大面積山體滑坡,滑動方向分別為東南方向和西北方向。時序形變結果顯示,上述2個區域在每年6～7月受降雨量增加影響,滑動速率有所下降,在雨季過后呈加速滑動趨勢。此外,河流沿岸向外擴張導致c點出現滑坡。b點所在區域為內陸型滑坡,滑動方向為西南山谷方向。由時序形變結果可知,b點在每年6～7月受降雨量增加影響,滑動速率有所增加。圖5(b)為2個滑坡體及其滑動方向,可以看出這2個滑坡體發生相對滑移,均向山谷下滑。時序形變結果顯示,2019-06～07兩個滑坡體可能受降雨影響存在較大滑動,之后表現較為穩定,但也受雨季影響存在一定波動。圖5(c)為離擬建鐵路線不遠處的一個內陸型滑坡體及其滑動方向,由圖可知,該滑坡體在每年6～7月受降雨量增加影響,滑動速率有所增加。

圖5 3個滑坡群Fig.5 Three landslide clusters

綜上所述,遠離河流的內陸型滑坡在雨季容易加速滑動,而河岸型滑坡在雨季會因為河流水量增加產生向上的浮力,在一定程度上會減緩土體下滑速率,但在雨季過后也會加速滑動。

為進一步分析恩施州滑坡產生的內因,實驗獲取研究區每月一期的2018-11～2022-11降雨量數據。由表1可知,InSAR形變結果和降雨量相關性較高,雨季InSAR形變與降雨量的相關系數高達0.8,說明強降水是恩施州滑坡地質災害的直接誘因。

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

由光學影像可知,圖5中由InSAR技術識別出的滑坡群均位于道路線和村莊附近,滑移量過大,危險性較高,后期需要進行連續監測。此外,鐵路線選址時需重點規避這3處滑坡群,尤其是f點離所選鐵路線較近,發生較大滑坡而產生的堰塞湖可能對鐵路運行造成影響。

為進一步驗證InSAR監測結果,收集研究區的前期實地踏勘數據。鐵路選線一般要經過踏勘、初測和定測3個步驟。踏勘在方案研究階段進行,需要搜集地形圖、地質圖、河流水系圖、航攝相片、衛星照片以及相關規劃報告、圖表和經濟資料等,并進行現場勘查核對地形、地質、水文情況。通過前期踏勘獲取研究區部分不良地質帶的分布和不良地質體的位置,結果如圖6所示,包括滑坡區域和危巖落石區域,大多數不良地質區域位于河流沿岸。實驗中將InSAR技術所識別出的形變速率大于10 mm/a的區域和實地勘察數據進行對比,圖6為3個局部區域視圖。由圖可見,InSAR識別出的形變區域大多位于前期勘察所標注的不良地質區域內,在一定程度上驗證了InSAR結果的可靠性。受分辨率和植被影響,在某些區域二者也存在差異,需要后期進一步處理。

圖6 InSAR形變結果與實地勘察數據比較Fig.6 Comparison of InSAR deformation result and field survey data

4 結 語

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

2)結合光學影像和實地勘察數據發現,研究區滑坡可分為內陸型和河岸型滑坡,2種滑坡在雨季呈現出不同的變化趨勢。InSAR結果和實際情況較為相符,可以為滑坡地質災害監測提供參考。

后續研究將使用更長時間序列的SAR影像,結合實地數據和地質資料驗證InSAR監測精度,從多方面綜合分析滑坡產生的原因。