李翔宇 雷添杰 陳文晉

摘要 為了解決傳統(tǒng)大壩邊坡形變監(jiān)測方法僅能獲取點(diǎn)變形信息，且監(jiān)測周期長、監(jiān)測精度低、無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測等問題，以云南牛欄江紅石巖邊坡為例，提出了基于地基雷達(dá)干涉測量技術(shù)（GB-InSAR）的大壩邊坡形變監(jiān)測。為了有效監(jiān)測邊坡形變情況，在詳細(xì)分析地基干涉雷達(dá)測量技術(shù)的原理及關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于該邊坡穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)測中。結(jié)果表明，采用地基雷達(dá)干涉測量技術(shù)對該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以有效監(jiān)測邊坡形變情況，達(dá)到邊坡災(zāi)害預(yù)警的目的。

關(guān)鍵詞 大壩邊坡;形變監(jiān)測;地基雷達(dá)干涉測量技術(shù);災(zāi)害預(yù)警

Abstract In order to solve the problems of traditional dam slope deformation monitoring methods， such as only obtaining point deformation information， long monitoring period， low monitoring accuracy and unable to carry out realtime monitoring， this paper took the Hongshiyan slope of Niulanjiang River in Yunnan Province as an example， and put forward the deformation monitoring of dam slope based on groundbased radar interferometry （GBInSAR） technology. In order to effectively monitor the deformation of slope， the principle and key technology of groundbased radar interferometry was analyzed in detail and applied in the realtime monitoring of slope stability. The results showed that the realtime monitoring of slope stability by groundbased radar interferometry could effectively monitor the deformation of slope and achieve the purpose of early warning of slope disasters.

Key words Dam slope;Deformation monitoring;GBInSAR;Disaster warning

我國是全世界名副其實(shí)的壩工大國之一。然而由于自然災(zāi)害、地貌因素、水文因素、氣候因素以及人為因素等方面原因，導(dǎo)致我國每年都會面臨邊坡崩塌、邊坡滑坡、泥石流等嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，給社會的生態(tài)環(huán)境和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的損失。因此，通過對邊坡形變情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測到的形變數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理，對于準(zhǔn)確掌握邊坡的形變情況、形變特征和形變趨勢以及制定安全的防范措施及應(yīng)急預(yù)案有著十分重要的意義。

傳統(tǒng)的大壩邊坡形變監(jiān)測手段有全站儀、水準(zhǔn)儀、測量機(jī)器人等，雖然這些測量手段已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但其經(jīng)常無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，精度易受氣候時(shí)間、氣候、通視等條件限制。

合成孔徑雷達(dá)[1-2]（synthetic aperture radar，SAR）是一種高分辨率雷達(dá)，其特點(diǎn)是分辨率高，能進(jìn)行全天時(shí)、全天候（24 h、全天候條件）、大范圍（數(shù)公里全面覆蓋）、高精度（監(jiān)測精度達(dá)亞毫米）的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測，可以在十分惡劣的環(huán)境條件下識別監(jiān)測物體并獲取監(jiān)測物體的高分辨率雷達(dá)影像。差分干涉雷達(dá)（D-InSAR）是SAR的一個(gè)重要應(yīng)用，該技術(shù)已經(jīng)在近十余年內(nèi)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用[3-4]。合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)（InSAR）主要包括星載和地基合成孔徑干涉技術(shù)，星載InSAR技術(shù)可以全天時(shí)、全天候工作，能夠獲取大范圍區(qū)域的地表沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，但是由于星載InSAR技術(shù)時(shí)常受大氣干擾，監(jiān)測精度低，且重返周期長，分辨率低，連續(xù)監(jiān)測能力差，因此導(dǎo)致星載InSAR技術(shù)無法在大范圍區(qū)域進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。地基干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（GB-InSAR）不僅具有連續(xù)觀測性，而且觀測周期短，監(jiān)測精度高（可達(dá)亞毫米），分辨率高，監(jiān)測點(diǎn)可達(dá)百萬級。該技術(shù)屬于非接觸性測量方法范疇，適用于對邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測[5]。筆者以云南牛欄江堰塞湖紅石巖邊坡為例，針對紅石巖邊坡的地貌、水文等特點(diǎn)，采用GB-InSAR技術(shù)對紅石巖邊坡進(jìn)行形變監(jiān)測，同時(shí)結(jié)合邊坡的形變數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理分析的結(jié)果，進(jìn)一步對該技術(shù)在紅石巖邊坡變形監(jiān)測方面的可行性進(jìn)行分析與評價(jià)。

1 GB-InSAR的測量原理

GB-InSAR是采用一種微波干涉技術(shù)的創(chuàng)新雷達(dá)，集成合成孔徑雷達(dá)（SAR）、干涉測量技術(shù)（D-InSAR）和步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)（SFCW）等多種先進(jìn)技術(shù)。其基本原理是通過SAR技術(shù)來提高GB-InSAR系統(tǒng)的方位向分辨率，通過SFCW技術(shù)來提高GB-InSAR系統(tǒng)的距離向分辨率，通過干涉測量技術(shù)獲取GB-InSAR系統(tǒng)的高精度視線向形變。GB-InSAR技術(shù)具有高精度、高空間分辨率、高采樣頻率和多角度觀測等突出的技術(shù)優(yōu)勢[6]。

1.1 SAR技術(shù)的基本原理

合成孔徑雷達(dá)成像是一種高分辨率微波遙感成像技術(shù)，該技術(shù)可以對邊坡進(jìn)行全天時(shí)、全天候監(jiān)測、體積小、監(jiān)測周期短、監(jiān)測范圍廣、精度高、且受惡劣氣候條件影響較小。合成孔徑雷達(dá)（SAR）是利用小天線作為單個(gè)輻射單元，向某一固定方向移動(dòng)，在不同的位置上接收同一監(jiān)測物體返回的雷達(dá)信號并進(jìn)行相關(guān)處理，進(jìn)行成像[7]。通過小天線的運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)等效的大天線，就可以獲得高分辨率的星載合成孔徑雷達(dá)圖像（圖1）。根據(jù)合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)原理得，設(shè)GB-InSAR系統(tǒng)發(fā)射的信號帶寬為，雷達(dá)信號波在空氣中的傳播速度為，則GB-InSAR系統(tǒng)的斜距向分辨率為c/2B，若GB-InSAR系統(tǒng)發(fā)射的信號波長為λ，系統(tǒng)在軌道上移動(dòng)的最遠(yuǎn)距離為L，則GB-InSAR系統(tǒng)的方位向分辨率為λ/2L[8]。該研究采用的是MPDMR-05-LSA1701型號的GB-InSAR系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過雷達(dá)信號接收器沿著滑動(dòng)軌道進(jìn)行移動(dòng)，從而形成合成孔徑效果，用于測量雷達(dá)小天線接收信號的幅度與相位信息，并通過差分干涉測量技術(shù)獲取地基雷達(dá)監(jiān)測區(qū)域的地形信息和相對形變信息，從而達(dá)到監(jiān)測邊坡形變的目的。GB-InSAR以固定的視角不斷地發(fā)射和接收回波信號，經(jīng)過聚焦處理后形成極坐標(biāo)形式的二維SAR影像。在影像像元內(nèi)，距離向分辨率是固定不變的，而方位向分辨率與像元夾角及目標(biāo)距離有關(guān)，將距離向與方位向進(jìn)行結(jié)合，監(jiān)測區(qū)域被分為若干個(gè)二維小像元（圖2），監(jiān)測距離越遠(yuǎn)，方位向分辨率越低[9]。

1.2 D-InSAR原理

2 GB-InSAR監(jiān)測流程及技術(shù)

2.1 GB-InSAR監(jiān)測流程

紅石巖邊坡所處地勢陡峭，地形復(fù)雜，外部山體形態(tài)變化不穩(wěn)定，易受于人類活動(dòng)和惡劣天氣的影響，這些因素往往會對邊坡監(jiān)測產(chǎn)生極大的困難。因此，在監(jiān)測前要整體規(guī)劃，制定一個(gè)完整規(guī)范的監(jiān)測流程。該工作流程主要包括：構(gòu)建GB-InSAR監(jiān)測體系、建立GB-InSAR監(jiān)測系統(tǒng)、采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、制作邊坡形變圖、建立邊坡預(yù)警模型以及制定相應(yīng)的安全措施和應(yīng)急預(yù)案等。具體監(jiān)測流程如圖4所示。

2.2 GB-InSAR關(guān)鍵技術(shù)

GB-InSAR關(guān)鍵技術(shù)主要含有圖像配準(zhǔn)、生成干涉圖、相位解纏、相位估計(jì)、地理編碼等技術(shù)。首先圖像配準(zhǔn)技術(shù)是生成干涉圖的基礎(chǔ)，也是GB-InSAR形變監(jiān)測的關(guān)鍵步驟之一，通過GB-InSAR系統(tǒng)在軌道上的2次滑動(dòng)將所獲取的SAR影像中同一監(jiān)測物體的像元匹配到同一位置的點(diǎn)位上，并利用該點(diǎn)位在2幅不同的時(shí)間獲取的SAR影像重疊的相位信息計(jì)算SAR影像的相干值即可完成SAR影像的圖像配準(zhǔn)。在完成圖像配準(zhǔn)后，通過提取由二維SAR影像數(shù)據(jù)生成高質(zhì)量干涉圖的干涉相位為相位解纏做準(zhǔn)備。由于噪聲以及平地效應(yīng)的存在，在完成相位解纏工作前不僅需對干涉圖進(jìn)行去噪處理，而且還要還需要去除平地效應(yīng)，從而可以獲取更加直觀的高程信息和稀疏的干涉條紋，為相位解饞工作提供便利。干涉圖噪聲及平地效應(yīng)會嚴(yán)重影響GB-InSAR數(shù)據(jù)處理中SAR影像的圖像質(zhì)量，導(dǎo)致相位解纏工作無法實(shí)現(xiàn)。只有有效減少噪聲及平地效應(yīng)對干涉圖的干擾，才能保證獲取高質(zhì)量的GB-InSAR形變圖。相位解纏主要是將GB-InSAR獲取的干涉相位的主值還原為真值，也是GB-InSAR形變監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)之一，相位解纏的準(zhǔn)確性直接影響到GB-InSAR監(jiān)測結(jié)果的精度[11]。大氣相位校正是指當(dāng)雷達(dá)電磁波信號經(jīng)過大氣層時(shí)，大氣會對電磁波信號產(chǎn)生折射和散射影響，導(dǎo)致其傳播路徑延遲，從而形成大氣效應(yīng)，對干涉結(jié)果造成嚴(yán)重影響。因此，在數(shù)據(jù)處理過程中，需要考慮到大氣相位對監(jiān)測結(jié)果的影響，以提高監(jiān)測精度。最后完成以上工作的同時(shí)，采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將GB-InSAR技術(shù)與其他監(jiān)測技術(shù)結(jié)合并分析出邊坡綜合形變信息，再對獲取的綜合形變監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行地理編碼，并將雷達(dá)坐標(biāo)系中的識別到的邊坡的點(diǎn)、線、面等屬性映射到同一個(gè)地理坐標(biāo)系下。

3 紅石巖邊坡監(jiān)測試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

云南牛欄江紅石巖堰塞湖工程位于牛欄江下游河段，該工程左岸部分位于云南省昭通市巧家縣境內(nèi)，右岸部分位于魯?shù)榭h境內(nèi)，中心位置位于103°36′E、26°99′N。壩址距上游小巖頭水電站廠房約23 km，距離下游天花板水電站取水壩約17 km，堰塞體長度約為910 m，高約103 m，總方量約為1 000萬m3。該工程兼有防洪、供水、發(fā)電、灌溉、旅游等綜合利用效益。樞紐工程上主要由堰塞體壩、右岸溢洪洞、右岸泄洪沖沙洞、右岸引水系統(tǒng)以及右岸岸邊主副廠房等建筑物組成，設(shè)計(jì)灌溉面積2 400 hm2，設(shè)計(jì)供水114.5萬人，裝機(jī)容量20.1萬kW，總投資35.9億元。

該工程邊坡為典型巖質(zhì)邊坡，無植被覆蓋，邊坡高度落差大，地勢陡峭，該邊坡是由2014年8月3日魯?shù)?.5級地震所導(dǎo)致山體大面積崩塌從而形成的。目前邊坡下游部位坡面巖體為地震拉裂、損傷巖體、卸荷拉張裂隙發(fā)育、巖體破碎。該邊坡右岸大部為厚層、巨厚層棲霞、茅口組灰?guī)r，在高程1 380 m附近分布有厚度20～40 m的梁山組頁巖、泥巖夾砂巖。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)人員對整個(gè)邊坡下游側(cè)進(jìn)行實(shí)地勘察，對開挖外圍的地質(zhì)條件做出了簡單的評價(jià)及危巖體的圈定。邊坡現(xiàn)狀如圖5所示。

該邊坡危巖體主要分為Ⅰ類和Ⅱ類，Ⅰ類危巖區(qū)主要表現(xiàn)為平行邊坡和垂直邊坡的2組陡傾角裂隙切割，且寬度大，與坡面基本分離，呈孤立塊體，穩(wěn)定性極差;Ⅱ類危巖區(qū)主要表現(xiàn)為為平行邊坡和垂直邊坡的2組陡傾角裂隙切割，裂隙短小密集，但寬度不大，穩(wěn)定系較差。

由于Ⅰ類危巖區(qū)巖體穩(wěn)定性極差，將邊坡右岸下游側(cè)（1 765 m高程以下）危巖體細(xì)分分為7塊，即Ⅰ-6、Ⅰ-7、Ⅰ-8、Ⅰ-9、Ⅰ-10、Ⅰ-11、Ⅰ-12。Ⅱ類危巖區(qū)穩(wěn)定性較差，將邊坡右岸下游側(cè)（1 765 m高程以下）危巖體細(xì)分分為4塊，即Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4。該邊坡危巖體等級具體劃分如表1所示。

3.2 GB-InSAR的作業(yè)條件

為了更好地監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域，在選擇觀測房時(shí)，應(yīng)考慮到以下條件[12]：

①持續(xù)供電。為了保證設(shè)備可以連續(xù)24 h進(jìn)行監(jiān)測，GB-InSAR系統(tǒng)需要持續(xù)供電。因此，在安裝GB-InSAR設(shè)備時(shí)，應(yīng)保證對該設(shè)備的持續(xù)供電。若現(xiàn)場出現(xiàn)短時(shí)間斷電情況，應(yīng)采用UPS繼續(xù)供電。

②監(jiān)測距離及范圍。在施工現(xiàn)場布設(shè)過程中，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場所處位置的地貌、水文等條件將雷達(dá)設(shè)備的監(jiān)測距離及監(jiān)測范圍控制在合理的范圍內(nèi)，雷達(dá)設(shè)備最遠(yuǎn)監(jiān)測距離應(yīng)小于5 km，最大覆蓋范圍應(yīng)小于10 km2，在此基礎(chǔ)上，監(jiān)測距離越大，雷達(dá)接收回波信號越弱，其誤差效果越大，監(jiān)測效果越差，因此應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇合適的監(jiān)測距離。

③通視條件。GB-InSAR系統(tǒng)應(yīng)該在能見度高的條件下工作。若能見度較低，則會對GB-InSAR系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果造成一定的誤差，影響其監(jiān)測精度。同時(shí)，在雷達(dá)設(shè)備與監(jiān)測目標(biāo)之間不能有障礙物的存在，比如巖石、樹木、設(shè)備、無關(guān)人員等。如果存在障礙物，監(jiān)測目標(biāo)的反射強(qiáng)度會減弱，最終會影響監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

④設(shè)備安放點(diǎn)穩(wěn)定性。在監(jiān)測過程中雷達(dá)監(jiān)測設(shè)備應(yīng)平穩(wěn)放置，不能受到振動(dòng)。因此，在選址過程中要考慮將監(jiān)測房安置于水平地面上。

⑤儀器架設(shè)位置。觀測邊坡時(shí)，應(yīng)對設(shè)備視線方向和主滑移方向的夾角進(jìn)行權(quán)衡，夾角越小，監(jiān)測雷達(dá)對形變信號的強(qiáng)度越敏感，但不利于接收回波信號。

⑥滑坡植被。GB-InSAR系統(tǒng)的雷達(dá)波頻率較高，波長較短，其雷達(dá)信號對目標(biāo)物體的形變比較敏感，但如果在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)存在大量的植被，由于空氣流動(dòng)的影響，植被會發(fā)生搖擺，雷達(dá)無法很好地接收監(jiān)測目標(biāo)的形變信號，最終會影響到GB-InSAR系統(tǒng)的監(jiān)測效果。因此，監(jiān)測區(qū)域應(yīng)選擇植被稀疏的區(qū)域。

3.3 試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)該邊坡的實(shí)際條件，結(jié)合被監(jiān)測邊坡的地質(zhì)條件及危險(xiǎn)區(qū)域的分布范圍，將GB-InSAR設(shè)備安置于被監(jiān)測邊坡正南方向的地基較穩(wěn)定處。為了確保GB-InSAR設(shè)備在監(jiān)測過程中不受降水、大風(fēng)等惡劣天氣條件的影響，并滿足其在惡劣天氣條件下仍然正常連續(xù)監(jiān)測的要求，在紅石巖邊坡正南方向相對穩(wěn)定的基巖上建立監(jiān)測房。將GB-InSAR設(shè)備安置于監(jiān)測房中對邊坡進(jìn)行形變監(jiān)測，監(jiān)測房的建立可以有效地避免設(shè)備因不利天氣條件而對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生的影響，保證設(shè)備24 h連續(xù)監(jiān)測。同時(shí)，將監(jiān)測邊坡的系統(tǒng)服務(wù)器放置于監(jiān)測房中，監(jiān)測人員可以通過客戶端對GB-InSAR設(shè)備的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及實(shí)時(shí)預(yù)警。GB-InSAR設(shè)備采用24 h連續(xù)監(jiān)測，測量頻率7 min/軌，水平方向觀測角度-34.6°～34.6°，監(jiān)測雷達(dá)的中心視線與水平夾角約為25°，距離向分辨率0.2 m，方位向分辨率為5.5 mrad。最后，對邊坡監(jiān)測區(qū)域的形變情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析與處理[13]。

該監(jiān)測站于2018年12月20日開始部署，并于2018年12月21日開始試運(yùn)行且對紅石巖邊坡進(jìn)行監(jiān)測，試運(yùn)行時(shí)間段為2018年12月21日至12月31日。該設(shè)備于2019年1月1日正式運(yùn)行，該研究選取監(jiān)測時(shí)間段為2019年1月1日至1月31日所采集到的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。地基監(jiān)測雷達(dá)在監(jiān)測期間共獲取3 410幅SAR影像，該GB-InSAR設(shè)備觀測距離為300～500 m，觀測范圍覆蓋整個(gè)邊坡區(qū)域。該設(shè)備主要針對監(jiān)測區(qū)域的1～10號點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖6所示。

依據(jù)該邊坡的形變結(jié)果，對該邊坡形變區(qū)域進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)地考察，該邊坡右岸上方由于施工方正在進(jìn)行清渣作業(yè)，導(dǎo)致部分石頭和塵土下滑，導(dǎo)致7號與10號點(diǎn)位累計(jì)形變量增加。該邊坡左岸下方由于施工方進(jìn)行爆破作業(yè)，同時(shí)加上近期雨雪天氣的干擾，導(dǎo)致8號與9號點(diǎn)位累計(jì)形變量增加?？傮w來看，GB-InSAR監(jiān)測結(jié)果為施工現(xiàn)場的安全保障提供了有效的數(shù)據(jù)支持。紅石巖工程項(xiàng)目部技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)地進(jìn)行了施工人員撤離并對邊坡左岸上方崖壁進(jìn)行了防護(hù)網(wǎng)加固工作，有效避免了邊坡災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié)論

該試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以不受暴風(fēng)雨、霧霾等惡劣天氣條件的影響，能夠全天候地進(jìn)行低邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)測，該系統(tǒng)在雷達(dá)視線上監(jiān)測精度可達(dá)毫米級別，且具有距離遠(yuǎn)、范圍大、連續(xù)空間覆蓋、全自動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。筆者通過MPDMR-05-LSA1701型號的GB-InSAR系統(tǒng)對云南牛欄江紅石巖邊坡進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)，并通過試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)邊坡7～10號點(diǎn)位累計(jì)形變量較大，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及時(shí)對邊坡左岸上方崖壁進(jìn)行了防護(hù)網(wǎng)加固措施，有效避免了邊坡災(zāi)害的發(fā)生。

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