基于GB-InSAR技術(shù)黃土地區(qū)鐵路工程邊坡綜合監(jiān)測技術(shù)

楊 春 川藏鐵路有限公司

我國是世界上黃土分布最廣的國家之一，分布面積約占國土陸地面積6.8%，主要分布于我國西北、華北地區(qū)等干早、半干早地區(qū)，其中，濕陷性黃土占總分布區(qū)的3/4。黃土滑坡是特定環(huán)境下的一種自然和人為災(zāi)害， 地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、巖土體結(jié)構(gòu)特性、新構(gòu)造活動及地下水等條件是影響其發(fā)生、發(fā)展的主要地質(zhì)因素， 而大氣降水及爆破、人工開挖的人類工程活動等非地質(zhì)因素對斜坡的變形破壞也起著重要的誘發(fā)作用。

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，黃土地區(qū)鐵路工程建設(shè)越來越多，鐵路工程誘發(fā)的黃土工程滑坡也越來越多，如何對鐵路路塹邊坡進(jìn)行監(jiān)測，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，對滑坡進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的深部位移測斜方法不僅需要在邊坡上鉆孔，而且布點(diǎn)比較分散，而GB-InSAR 技術(shù)只能監(jiān)測表面位移。本文以林家坪滑坡為例，嘗試將GB-InSAR 地表監(jiān)測和深部位移監(jiān)測技術(shù)結(jié)合起來對滑坡體進(jìn)行綜合監(jiān)測，獲得滑坡整體發(fā)展變化趨勢，掌握滑坡穩(wěn)定狀態(tài)特征和變形發(fā)展規(guī)律，從而避免或減輕邊坡在鐵路施工及運(yùn)營期間可能產(chǎn)生的危害和損失。

1 研究背景

1.1 工程概況

林家坪滑坡位于呂梁至臨縣（孟門）鐵路（呂梁至三交段）路塹右側(cè)邊坡，2013 年 10 月至 2013 年 12 月 14 日總計(jì)完成挖方約45 萬方，12 月14 日邊坡右側(cè)山頂出現(xiàn)兩條環(huán)形裂縫，12月18日發(fā)生工程滑坡。

滑坡發(fā)展初期表現(xiàn)為2 條后緣裂縫貫通，主裂縫長度300 m，寬度0.6 cm～28 cm，臺階高度1 cm～40 cm；次主裂縫長度260 m，寬度0.5 cm～7 cm，臺階高度0 cm～7 cm，前緣少見剪切裂縫。滑坡活動后，受黃土中垂直節(jié)理的影響，后緣主裂縫處發(fā)展為最大高差約15m 的陡壁，兩條主裂縫間形成滑坡楔形陷落洼地，滑體內(nèi)裂縫縱橫交錯(cuò)，土體被切割為0.1 m～3 m 塊狀，滑體中下部顯現(xiàn)縱張裂縫，路塹開挖面土體擠（鼓）出，最大移動距離15 m。

1.2 地形地貌

滑坡區(qū)為山前黃土緩坡地帶，溝谷發(fā)育，南東側(cè)為湫水河，地形單傾，西高東低，表覆黃土，局部基巖出露。區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀330°∠10°，巖層平緩。

1.3 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

主要地層為新黃土，淺黃色，硬塑，具濕陷性；老黃土褐紅色，硬塑，夾姜石；粗圓礫土：褐紅色，灰白色，潮濕，中密～密實(shí)；砂巖，灰黃色、灰白色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀，層狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，巖層產(chǎn)狀330°∠10°；泥巖，紫紅色、紅褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中薄層狀，層狀構(gòu)造，強(qiáng)～弱風(fēng)化，具弱膨脹性。

滑坡區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，為穩(wěn)定的緩傾單斜構(gòu)造。

1.4 氣象及水文條件

滑坡區(qū)屬溫帶大陸性氣侯區(qū)；歷年最大降水量662 mm。歷年最大蒸發(fā)量2618.9 mm，最大風(fēng)速20.7 m/s，風(fēng)向WNW，最大積雪厚度15 cm。

大氣降水多以線流、片流由坡體自高而下排泄，未見地表水體或溪溝水流，沙垣村南東側(cè)為湫水河，勘測期間水面寬10 m～20 m，水深0.1 m～0.6 m。勘測期間地下水情況：地下水埋深3.7 m～27 m。

地震動峰值加速度0.05 g，土壤最大凍結(jié)深度1.04 m。

1.5 邊坡設(shè)計(jì)概況

線路以挖方形式通過，路塹邊坡坡率及平臺：第一級邊坡坡率1：1.0，第二邊坡坡率1：1.5，第三級邊坡坡率1：2.0，邊坡每級8 m 高，級間交錯(cuò)設(shè)3 m 寬平臺，三級邊坡以上預(yù)留8.0 m寬大平臺。

2 監(jiān)測方案

綜合考慮現(xiàn)場環(huán)境、工程階段、坡體加固措施等因素，本工程主要對地表變形、深部位移、地下水位等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測，本文只對地表變形和深部位移進(jìn)行分析。地表變形監(jiān)測：采用地基雷達(dá)干涉測量技術(shù)（GB-InSAR）監(jiān)測。邊坡深部位移監(jiān)測：采用定點(diǎn)式測斜儀對坡體深部水平位移進(jìn)行監(jiān)測。

本段路塹邊坡共布設(shè)5 個(gè)監(jiān)測斷面11 個(gè)深部位移監(jiān)測孔共計(jì)69 支固定式測斜儀；地面變形監(jiān)測：地基雷達(dá)干涉（GB-InSAR）監(jiān)測面積90 000 m2，監(jiān)測10 次；坡面傾斜儀11個(gè)，1支水位計(jì)和1套雨量計(jì)(見圖1）。

5 個(gè)監(jiān)測斷面分別為改MDⅡK53+400、+450、+500、+550和+600斷面。

圖1 深部位移監(jiān)測設(shè)計(jì)圖

監(jiān)測頻次：地基雷達(dá)干涉監(jiān)測為5 次；其他測試（深部位移監(jiān)測、坡面傾斜、水位、雨量等）均為自動采集，前三個(gè)月每天采集1次，以后根據(jù)坡體穩(wěn)定狀態(tài)每2～3天采集一次。

3 滑坡監(jiān)測實(shí)施

3.1 地基雷達(dá)干涉測量技術(shù)（GB-INSAR）

3.1.1 觀測墩施工

（1）觀測墩一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可分為基巖觀測墩、土層觀測墩兩類。

（2）對于基巖觀測墩，內(nèi)部鋼筋與基巖緊密澆注，澆注深度不少于0.5 m；

（3）觀測墩位于地面時(shí)，與地面接合四周應(yīng)做不低于5 cm左右的隔振槽，內(nèi)填粗沙，避免振動帶來的影響。

3.1.2 建立GB_InSAR觀測站

GB_InSAR 站的結(jié)構(gòu)基本上是基于網(wǎng)絡(luò)終端的，主要設(shè)備間的連接與通訊是觀測站設(shè)計(jì)中的核心部分，其可靠性和穩(wěn)定性往往決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能與可靠性。具體步驟如下：

（1）安置IBIS-M設(shè)備的線性掃面單元；

（2）根據(jù)實(shí)地情況安置數(shù)據(jù)采集單元，設(shè)置合適的觀測角度；

（3）連接數(shù)據(jù)采集單元、能量供給單元和數(shù)據(jù)記錄和處理單元之間的電纜和數(shù)據(jù)線，注意接頭處防潮和防鹽處理；

（4）連接攝像頭、氣象設(shè)備、無線設(shè)備和數(shù)據(jù)記錄和處理單元之間的數(shù)據(jù)線，在無線設(shè)備和數(shù)據(jù)記錄和處理單元前，加裝避雷器；

（5）通過不間斷電源UPS 給IBIS-M 設(shè)備、計(jì)算機(jī)和通訊裝置供電，保證市電斷開時(shí)，設(shè)備能夠正常工作；

（6）安裝GB_InSAR 軟件，通過計(jì)算機(jī)設(shè)置IBIS-M 數(shù)據(jù)采集單元的主要觀測參數(shù)：采樣時(shí)間、預(yù)警閾值等；

（7）GB_InSAR 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄到存儲設(shè)備上，同時(shí)在計(jì)算機(jī)備份最新的7天數(shù)據(jù)；

（8）通訊網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)指令，自動傳輸存儲設(shè)備上的原始數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)中心；

（9）GB_InSAR 觀測墩與臨近的GPS 基準(zhǔn)站需要進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測。確保GB_InSAR觀測墩的穩(wěn)定性。

3.2 深部位移監(jiān)測

（1）鉆孔

依據(jù)設(shè)計(jì)方案定位監(jiān)測點(diǎn)位置，按要求鉆孔并取芯，鉆孔孔徑108 mm。

（2）安裝測斜管及儀器

測斜管長度分為2 m／根，4 m／根兩種，鉆孔完成后一根一根接到設(shè)計(jì)長度，連接位置采用套接，用鉚釘錨固。測斜管管底高程與樁底高程一致，管頂安裝管帽，防止雨水進(jìn)入，測斜管材料、孔徑及性能等滿足變形測量需求。

（3）挖溝走線

使用電纜將各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)串聯(lián)起來，電纜用鋼絲軟管進(jìn)行保護(hù)，對于已經(jīng)完成漿砌片石護(hù)坡的地段，用鋼板扣槽，水泥釘錨固；對于尚未防護(hù)的平臺坡面，挖溝將電纜埋于地下，用水泥填平壓實(shí)。

（4）自動采集系統(tǒng)

安裝智能數(shù)據(jù)采集模塊、太陽能電池組及支架、制作支架，澆注混凝土底座，固定接收設(shè)備等工作。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 地表變形監(jiān)測分析

使用微波干涉儀對山西呂梁林家坪段鐵路邊坡進(jìn)行監(jiān)測，采用Ku波段(16.02 GHz)雷達(dá)傳感器，生成、傳輸和接受雷達(dá)波；鋁合金滑軌長2.6 m，在步進(jìn)馬達(dá)的控制下，雷達(dá)傳感器在其上面滑動。雷達(dá)基本參數(shù)如表下：

（1）中心頻率：16.02 GHz；

（2）雷達(dá)軌道長度：2.5 m；

（3）距離向分辨率：0.48 m；

（4）帶寬：320 MHz；

（5）雷達(dá)掃描距離：50 m-250 m；

（6）方位向分辨率：4m@1 km。

利用上述合成孔徑雷達(dá)，分別于1月、4月、5月、7月、8月進(jìn)行了5次掃描，得到5組共2000多景數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)相鄰兩景之間掃描間隔約為2 min。

數(shù)據(jù)分析和結(jié)論：

首先對五期數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，每期選擇五項(xiàng)質(zhì)量較好且間隔時(shí)間相同的數(shù)據(jù)；接著各期數(shù)據(jù)之間相互組成干涉對，得到干涉圖和強(qiáng)度圖；對干涉圖像進(jìn)行濾波解析，利用模型對大氣延遲進(jìn)行改正，得到最終累計(jì)形變數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 時(shí)間序列累計(jì)形變量

可以看出，可監(jiān)測區(qū)域主要集中在邊坡支護(hù)體上，綜合5期數(shù)據(jù)可知，邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)地表變形累積2.3 mm 以內(nèi)，邊坡體比較穩(wěn)定。

4.2 深部位移監(jiān)測分析

圖3 典型深度-累計(jì)位移圖

林家坪滑坡共布設(shè)5 個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面2～3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，孔內(nèi)埋設(shè)固定測斜儀監(jiān)測邊坡的X、Y 方向的位移情況，平面位置如圖3所示。

監(jiān)測工作自2014 年10 月進(jìn)場開始，2014 年12 月完成埋設(shè)，埋設(shè)完成后即開始監(jiān)測，深部位移監(jiān)測頻率為一天一次，截至2017 年10 月，監(jiān)測斷面孔典型深度-累計(jì)位移如圖3 所示。

表1 各監(jiān)測點(diǎn)累積最大位移統(tǒng)計(jì)表（截至2017年6月）

由表1 可以看出，最大累積位移為14 mm，變形超過10 mm的測點(diǎn)占總監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量的18%，其余監(jiān)測點(diǎn)最大累積位移基本在10 mm 以內(nèi)；由各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)深度－累積位移曲線圖來看，邊坡存在一定的蠕動變形，蠕動變形速率基本在3 mm/年以內(nèi)，路塹邊坡滑向位移量在正常范圍內(nèi)，抗滑樁治理滑坡效果良好，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論及建議

（1）地基孔徑雷達(dá)（GB-InSAR）技術(shù)與常規(guī)測量方式比，該技術(shù)具有高的空間分辨率和測量精度，實(shí)現(xiàn)與地形無關(guān)的差分干涉技術(shù)，能夠獲得多時(shí)相形變圖和形變速圖，反映邊坡的整體位移趨勢，但由于其受坡體植被、工程施工等外界干擾因素較多，實(shí)際應(yīng)用中排除噪聲數(shù)據(jù)難度較大。

（2）通過深部位移監(jiān)測結(jié)果可以看出，林家坪滑坡最大累積位移超過10 mm 的占總監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量的18%，其余監(jiān)測點(diǎn)最大累積位移基本在10 mm 以內(nèi)；由各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)深度－累積位移曲線圖來看，邊坡存在一定的蠕動變形，蠕動變形速率基本在3 mm/年以內(nèi)，路塹邊坡滑向位移量在正常范圍內(nèi)，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）將地基孔徑雷達(dá)技術(shù)與深部位移監(jiān)測相結(jié)合對滑坡體進(jìn)行地表和地下的綜合監(jiān)測，相互驗(yàn)證，取長補(bǔ)短，可以達(dá)到實(shí)時(shí)獲得滑坡整體發(fā)展變化趨勢，掌握滑坡穩(wěn)定狀態(tài)特征和變形發(fā)展規(guī)律的目的。