何子常 深圳市龍崗區(qū)水庫管理中心

1.前言

根據(jù)2014年全國水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，我國已建成各類水庫約9.7萬座，其中約90%為土石壩，與此同時(shí)，大壩事故中土石壩的比例高達(dá)70%。土石壩建成后的安全運(yùn)行維護(hù)成為當(dāng)前重要任務(wù)，其使用期長達(dá)幾十年，有的甚至上百年，疲勞效應(yīng)與突發(fā)效應(yīng)、材料老化、環(huán)境侵蝕和荷載的長期效應(yīng)等災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)損傷，如何及時(shí)的發(fā)現(xiàn)壩體結(jié)構(gòu)的變化并及時(shí)采取措施，則需要相關(guān)的安全監(jiān)測(cè)手段提供依據(jù)。土石壩表面變形監(jiān)測(cè)是安全監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。變形監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)的技術(shù)手段為全站儀和水準(zhǔn)儀對(duì)壩體表面設(shè)計(jì)的特定觀測(cè)墩開展季度或年度的觀測(cè)監(jiān)測(cè)，變形監(jiān)測(cè)所需的參考點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)通常需要設(shè)立在壩體周邊的基巖上并且需要與觀測(cè)墩之間具有良好的通視條件。近年來GNSS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)也逐步應(yīng)用于一個(gè)大型壩體的表面變形監(jiān)測(cè)，取得了很好的效果[1-2]，但是其設(shè)備成本較高，影響了其在水利行業(yè)的全面推廣應(yīng)用。

雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(I nter ferometric Synthetic Aperture Radar，In SAR)已成地表變形監(jiān)測(cè)的一種有效方法。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段相比，雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)具有全天候、高精度、大范圍、面覆蓋等監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)。近二十年來，InSAR技術(shù)已成功應(yīng)用至地裂縫監(jiān)測(cè)、城市地面沉降、滑坡監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[3-5]。

近些年，已有若干學(xué)者對(duì)利用雷達(dá)衛(wèi)星影像對(duì)大壩變形監(jiān)測(cè)開展了研究，王騰等采用3米分辨率TerraSAR-X影像對(duì)三峽大壩表面進(jìn)行變形時(shí)序分析研究，研究表明InSAR時(shí)間序列可以mm級(jí)精度提取到大壩的變形[6]。周偉（2016）等利用ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取了中國水布埡面板堆石壩的cm級(jí)精度的工后沉降，InSAR結(jié)果與壩體背水面的水準(zhǔn)結(jié)果具有較好的一致性，同時(shí)也利用水工模型對(duì)大壩的變形進(jìn)行了仿真模擬和預(yù)測(cè)[7]。熊尋安等利用升降軌SAR影像數(shù)據(jù)獲取了長嶺陂水庫大壩的沉降場(chǎng)，并采用水準(zhǔn)測(cè)量成果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證[8]。

本文分析了覆蓋公明水庫5 號(hào)壩體的條帶模式Terra SAR-X 及COSMO-SkyMed衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。結(jié)合壩體的設(shè)計(jì)資料及高精度的壩體DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行了InSAR結(jié)果評(píng)價(jià)分析以及壩體表面變形與工程設(shè)計(jì)結(jié)果的相關(guān)性分析。

2.土石壩概況與SAR影像數(shù)據(jù)

2.1 土石壩概況

公明水庫是深圳市最大的蓄水工程，在原橫江水庫、石頭湖水庫和逕口水庫的基礎(chǔ)上擴(kuò)建而成，正常蓄水水位為59.7m，正常庫容為1.42億m3，水庫正常水位面積6km2，集雨區(qū)面積為11.7km2，工程由六座大壩，溢洪道，放水隧洞等組成，壩體總長為4.34公里，最大壩高50.7m。公明水庫光學(xué)遙感影像如圖1所示。

圖1 公明水庫光學(xué)遙感影像

5號(hào)壩體最大壩高為39米，壩頂寬度為8m，長度895m，依據(jù)地形的起伏修建為分區(qū)壩，即主體部分為均勻粘性土料土背水坡下角為強(qiáng)風(fēng)化石料構(gòu)成。迎水面采用0.25m厚的混凝土面板，坡度為1∶3（水平角度為18.4o），迎水面內(nèi)部為粘性土料。背水面采用強(qiáng)風(fēng)化石料堆積三角錐體坡度為1∶3（水平角度為20o），上層坡度為1∶2.5（水平角度為22o），內(nèi)部為強(qiáng)風(fēng)化石料。粘土心墻的坡度比為1∶0.5，兩邊各增加3m厚度的粗砂反濾層。

2.2 SAR影像數(shù)據(jù)

本文收集了覆蓋公明水庫的條帶模式SAR影像序列數(shù)據(jù)，包括27景TerraSAR-X（TSX）升軌影像和21景COSMO-Sk yMed（CSK）降軌影像，距離向和方位向分辨率為3m×3m。所收集SAR影像的運(yùn)行波段均為X波段，具體參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SAR影像數(shù)據(jù)具體參數(shù)

3.InSAR數(shù)據(jù)處理流程

考慮到雷達(dá)干涉相位在水庫壩體表面易受時(shí)空失相干的影響，本文采用基于永久散射體和同分布散射體的SAR影像時(shí)間序列分析技術(shù)反演毫米級(jí)的壩體表面形變場(chǎng)，數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。首先進(jìn)行SAR影像的讀取、配準(zhǔn)、干涉處理，并利用無人機(jī)航拍獲取的高精度DEM去除干涉圖中地形相位，獲取的差分干涉圖。對(duì)差分干涉圖序列開展時(shí)序分析，具體包括永久散射體[9]和同分布散射體[10]提取、時(shí)空同質(zhì)濾波[11-12]、時(shí)序相位反演、三維相位解纏、時(shí)序變形解算等步驟。本文以振幅離差0.35為限制條件來初選永久散射體像素點(diǎn)，并提取對(duì)應(yīng)的時(shí)序相位值。對(duì)于同分布散射體，本文采用KS檢驗(yàn)方法進(jìn)行同質(zhì)點(diǎn)的判斷并以空間平均相干系數(shù)大于0.3為條件進(jìn)行相干點(diǎn)的初選，然后進(jìn)行時(shí)空同質(zhì)濾波和時(shí)序相位反演處理，最終獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形參數(shù)和序列。

圖2 InSAR數(shù)據(jù)處理流程

4.雷達(dá)干涉時(shí)間序列結(jié)果

考慮到5號(hào)壩的2013年底建成后一年內(nèi)的沉降量變化較大之后逐漸減小，選取了2015年至2016年底的TerraSAR-X和COSMO-SkyMed升降軌數(shù)據(jù)，對(duì)壩體的迎水面和背水面的變形開展時(shí)序分析。最終獲取的公明水庫5號(hào)壩體背水面和迎水面的線性變形速率如圖3所示。

圖3 公明水庫5號(hào)壩體變形監(jiān)測(cè)結(jié)果：左側(cè)為TerraSAR-X獲取的監(jiān)測(cè)結(jié)果；右側(cè)為COSMO-SkyMed獲取的監(jiān)測(cè)結(jié)果

左側(cè)監(jiān)測(cè)結(jié)果為利用升軌TerraSAR-X影像獲取的變形速率圖，由于壩體迎水面在TerraSAR-X影像中反射信號(hào)強(qiáng)度較弱，受空間失相干影響嚴(yán)重，本文僅選擇水庫壩體的背水面進(jìn)行變形分析；右側(cè)監(jiān)測(cè)結(jié)果為利用降軌COSMO-SkyMed影像獲取的變形速率圖，由于壩體背水面在COSMO-SkyMed影像中反射信號(hào)強(qiáng)度較弱且受表面植被覆蓋的影響，本文僅選擇水庫壩體的迎水面進(jìn)行變形分析。公明水庫5#壩體完工于2013年，在2015年1月至2016年10月期間，兩種數(shù)據(jù)源都監(jiān)測(cè)到水庫壩體表面存在較大的變形，且靠近壩頂位置的沉降最大：TerraSAR-X影像所獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大變形速率為-8.1mm/yea r；COSMOSkyMed影像所獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大變形速率為-9.1mm/year。這主要是因?yàn)榇髩握幱诮ㄔO(shè)完成初期，壩體回填土受重力壓實(shí)作用會(huì)導(dǎo)致大壩表面出現(xiàn)較大的變形。

圖4 為沿5 號(hào)壩體頂部斷面線A1-A2獲取的累計(jì)變形量，（A）為升軌TerraSAR-X影像獲取的變形結(jié)果，（B）為降軌COSMO-SkyMed影像獲取的變形結(jié)果，（C）為沿壩頂線的回填土深度。結(jié)合回填土深度數(shù)據(jù)分析可知，壩頂沉降量與回填深度呈正相關(guān)，（A）圖和(B)圖的累計(jì)變形量與回填深度的相關(guān)系數(shù)分別為0.44和0.63，可解釋為回填土的自身重力壓實(shí)效應(yīng)。

圖4 5號(hào)壩體沿壩頂縱斷面分析

參考5號(hào)壩的橫斷面圖可知，壩體的迎水面坡體較長，坡地位于淤泥區(qū)，內(nèi)部填充材料為粘性土料，因此COSMO-SkyMed迎水面拍攝的影像獲取最大壩高處的沉降與壩體深度的相關(guān)性較高。而背水面分為兩個(gè)區(qū)段，上半部分為粘性土，下半部分為堆石體，因此TerraSAR-X拍攝的影像主要反映的背水面沉降與壩體最大深度的相關(guān)性較低。

5.結(jié)論

高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星為中小型土石壩的工后沉降觀測(cè)提供了全新的技術(shù)手段，可全面的觀測(cè)大壩沉降過程為壩體建成后的沉降評(píng)估與計(jì)算提供了新的數(shù)據(jù)源，這也使得壩體沉降預(yù)測(cè)有限元分析更為準(zhǔn)確可靠。

融合永久散射體與同分布散射體的InSAR處理方法使得壩體上的干涉結(jié)果更為準(zhǔn)確平滑，與壩體土工設(shè)計(jì)結(jié)果的分析比較更為一致。SAR影像分辨率的提高使得一對(duì)干涉圖即可提取壩體的工后沉降，大大降低了對(duì)雷達(dá)衛(wèi)星拍攝頻次的要求。但是，考慮到土石壩背水面通常進(jìn)行植草綠化，對(duì)X波段雷達(dá)相干性的影響較大，超過半年的相干性明顯減弱，影響干涉效果。選取C或者L波段的雷達(dá)進(jìn)行干涉處理，將獲得更長觀測(cè)間隔的干涉圖使得形變監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性增加。