譚 超 薛 廉 齊得旭

1四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川成都，610032

油氣管道是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著保障國家能源安全、保障油氣供應(yīng)的重大責(zé)任和使命。油氣管道的保護(hù)關(guān)聯(lián)國家能源安全，涉及民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，至關(guān)重要［1］。然而，管道附近填方區(qū)的堆積可能會導(dǎo)致滑坡、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，威脅到管道的安全。為了保證管道的安全性，必須進(jìn)行高效準(zhǔn)確的變形監(jiān)測。傳統(tǒng)的測量手段（如水準(zhǔn)測量、GPS等）僅能對離散點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，而且耗時、耗力、成本高［2，3］，合成孔徑雷達(dá)干涉測量（interferometric synthetic aperture radar，In SAR）技術(shù)突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)形變測量的限制，通過干涉測量的方法獲取區(qū)域形變，具有大范圍、全天候、低成本的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于滑坡、火山、地震、沉降等形變監(jiān)測中［4，5］，為管道附近區(qū)域的形變測量提供了重要的技術(shù)支撐。

為了研究某天然氣管道高填方區(qū)的形變特征，本文使用27景降軌Sentinel?1A衛(wèi)星影像進(jìn)行In SAR數(shù)據(jù)處理和分析，獲取研究區(qū)2018?06—2019?05的形變信息，通過形變曲線分析研究區(qū)的形變階段和特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)地調(diào)查判斷高填方區(qū)對管道的影響。

1 研究區(qū)概況

某天然氣管道K724+580高鐵檢修站高填方區(qū)位于四川省廣元市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)盤龍鎮(zhèn)東升村9組，管道從丘陵溝谷?斜坡過渡地帶通過，坡體上第四系覆蓋層較厚，下伏基巖為侏羅系沙溪廟組砂泥巖互層。由于修建動車所檢修站，場地平整開挖形成的棄渣堆填在某天然氣管道南側(cè)，目前形成高10 m的填方區(qū)。高填方區(qū)位于嘉陵江流域，附近無大型地表水體，僅有中小型灌溉堰塘與季節(jié)性沖溝，地表流量受季節(jié)影響大，調(diào)查期間匯水地帶及季節(jié)性沖溝僅有少量積水。區(qū)域地貌類型屬于緩丘~中丘。由于修建動車所檢修站，在管道附近進(jìn)行了大規(guī)模土石方作業(yè)，形成了高填方區(qū)，整體面積10 000 m2，高差約10 m，方量約10萬m3，填方邊坡整體坡度約32°。管道穿越區(qū)位于丘陵溝谷?斜坡過渡地帶，斜坡整體呈階梯狀，坡度較平緩，整體約6°。圖1為高填方區(qū)與管道的相對位置。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，管道南側(cè)的高填方區(qū)還將繼續(xù)堆填增高，坡腳目前距管道僅6 m，填方邊坡在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但土體較為松散，原地形處于匯水區(qū)域，區(qū)域地表與地下水較為發(fā)育?，F(xiàn)場邊坡出露基巖為泥巖，飽水強(qiáng)度降低。目前狀態(tài)下填方體坡腳未設(shè)置支擋措施，在長期持續(xù)降雨條件下，填方邊坡邊緣土體易失穩(wěn)側(cè)滑，可能對管道產(chǎn)生側(cè)向擠壓的作用。

圖1 高填方區(qū)與管道的相對位置Fig.1 Relative Position of the High Fill Area and the Pipeline

在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，本文采用多InSAR技術(shù)對填方區(qū)潛在災(zāi)體的時序形變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查明潛在災(zāi)體及典型點(diǎn)的形變規(guī)律，分析現(xiàn)今變形破壞跡象及其形成條件，分析其成因機(jī)制，為管道的安全運(yùn)營提供防治依據(jù)。

2 InSAR形變監(jiān)測和結(jié)果分析

2.1 In SAR形變監(jiān)測

In SAR技術(shù)是極具潛力的微波遙感新技術(shù)，它是合成孔徑雷達(dá)遙感成像與電磁波干涉兩大技術(shù)融合的結(jié)果［4，5］。它利用兩副天線同時觀測（單軌雙天線模式）或兩次平行觀測（重復(fù)軌道模式）獲得同一地區(qū)的重復(fù)觀測數(shù)據(jù)（單視復(fù)數(shù)影像對），通過提取同一目標(biāo)對應(yīng)的兩個回波信號之間的相位差（干涉相位）并結(jié)合觀測平臺的軌道數(shù)據(jù)來獲取高精度、高分辨率的地面高程及形變信息［6］。InSAR技術(shù)可以監(jiān)測大范圍的地面微小形變［7］，具有精度高、視域廣、連續(xù)性強(qiáng)、安全性高、全天時、全天候等優(yōu)點(diǎn)［8，9］，被廣泛應(yīng)用于地表形變監(jiān)測［10?13］。本文使用差分合成孔徑雷達(dá)干涉測量（differential In SAR，D?In SAR）、永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測量（permanent scatterer In?SAR，PS?In SAR）、短基線子集合成孔徑雷達(dá)干涉測量（small baseline subset InSAR，SBAS?In SAR）技術(shù)對研究區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。

本文的監(jiān)測重點(diǎn)是潛在災(zāi)體，其地勢為南東高、北西低，坡向?yàn)楸蔽飨颉８鶕?jù)斜坡位移特征，其主要位移方向應(yīng)當(dāng)是由南東往北西?？紤]到監(jiān)測區(qū)范圍、監(jiān)測區(qū)自然地理?xiàng)l件、衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時效性、空間分辨率及經(jīng)濟(jì)性等因素，本文采用Sentinel?1A衛(wèi)星降軌高分辨率SAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，共獲取到2018?06—2019?05的27景影像。

2.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

為了追溯監(jiān)測區(qū)的歷史時序形變，本文采用PS?In SAR及SBAS?InSAR技術(shù)提取形變，形變點(diǎn)分布圖見圖2和圖3。可以看出，PS?In SAR技術(shù)探測出的PS點(diǎn)極少（彩色點(diǎn)為PS點(diǎn)），主要分布于居民區(qū)，尤其是潛在災(zāi)體上沒有PS點(diǎn)，SBAS?In SAR監(jiān)測到的點(diǎn)較多，但是潛在災(zāi)體上仍然存在數(shù)據(jù)缺失，這主要是由于山區(qū)穩(wěn)定的散射體數(shù)量較少，而且植被比較茂密。

圖2 大區(qū)域范圍形變點(diǎn)分布情況Fig.2 Distribution of Deformation Points in Large Area

圖3 目標(biāo)區(qū)形變點(diǎn)分布情況Fig.3 Distribution of Deformation Points in the Target Area

為進(jìn)一步監(jiān)測和分析監(jiān)測區(qū)域的時空形變特征，彌補(bǔ)PS?In SAR和SBAS?In SAR部分區(qū)域數(shù)據(jù)缺失的問題，對27景Sentinel?1A降軌影像，以每相鄰12天的影像為干涉對進(jìn)行D?In SAR處理，獲得了監(jiān)測區(qū)26個時段的形變信息，分析潛在災(zāi)體在12天內(nèi)的空間形變特征及間隔12天的時序變化特征，部分時段形變量分布見圖4。

通過多項(xiàng)式擬合圖4中的各監(jiān)測時間段內(nèi)形變量最大值、最小值，計(jì)算出區(qū)域擬合平均值，如表1所示，以監(jiān)測時間為橫軸，區(qū)域擬合平均值為縱軸，可以得到目標(biāo)分析區(qū)的形變趨勢，如圖5所示。

圖4 部分時段形變量分布Fig.4 Distribution of Deformation in Some Periods

根據(jù)表1和圖5，潛在災(zāi)體在2018?06?21—2019?05?11期間沿瞄準(zhǔn)線（line of sight，LOS）方向的形變特征可分為3個時期：

圖5 目標(biāo)區(qū)形變量趨勢Fig.5 Deformation Trend in the Target Area

表1 目標(biāo)區(qū)形變信息Tab.1 Deformation Information in the Target Area

1）2018?06?21—2018?10?07，曲線波動較為規(guī)律，根據(jù)實(shí)地調(diào)查，監(jiān)測區(qū)在此時間段正值雨季，降水較多而且頻率較高。上述分析表明，監(jiān)測區(qū)地表的形變變化特征受降水影響，屬于正常波動。

2）2018?10?07—2018?11?24，雨季接近尾聲，區(qū)域進(jìn)入較穩(wěn)定期。

3）2018?11?24—2019?05?11，曲線出現(xiàn)明顯變化，根據(jù)實(shí)地調(diào)查可知，現(xiàn)場于12月左右開始填方，人類工程活動明顯，地表形變相對劇烈。

3 結(jié)束語

本文基于監(jiān)測區(qū)2018?06?21—2019?05?11的27景Sentinel?1A降軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分別采用PS?InSAR、SBAS?In SAR與D?In SAR技術(shù)提取了形變信息，分析了其時空變化特征。分析PS?InSAR與SBAS?In?SAR兩種技術(shù)的處理結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種結(jié)果的形變發(fā)育分布基本一致，這相互印證了處理結(jié)果的合理性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行D?In SAR處理并進(jìn)行時序分析。監(jiān)測區(qū)在2018?06?21—2019?05?11間的形變趨勢總體可以分為規(guī)律波動期、穩(wěn)定期、劇烈波動期3個階段，2018?11?24—2019?05?11地表形變相對劇烈。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該工程建設(shè)計(jì)劃高填方區(qū)還將繼續(xù)堆填增高，由于土體不斷堆填，自重應(yīng)力不斷增加，下部土體壓縮變形，壓縮變形導(dǎo)致的變形相對劇烈。高邊坡相對坡體內(nèi)部土體，坡表主應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，加之新近填土抗剪強(qiáng)度較差，坡體表層填土顆粒發(fā)生相對位移以適應(yīng)坡表應(yīng)力環(huán)境。因此，坡表變形較大，在降雨、人工擾動、地震等外因作用下，有發(fā)生淺表層滑塌的風(fēng)險，一旦發(fā)生滑動，對管道產(chǎn)生側(cè)壓，威脅到管道的安全。因此，在管道運(yùn)行期間要加強(qiáng)坡體變形監(jiān)測，保證管道安全運(yùn)行。