蒲川豪 許 強 趙寬耀 蔣亞楠 郭 鵬 杜鵬川 袁 爽

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059，中國)

0 引 言

黃土是具有水敏性和結(jié)構(gòu)性的區(qū)域性特殊土，在我國的西北地區(qū)分布廣泛。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略、“一帶一路”戰(zhàn)略的推進以及城市發(fā)展的需要，黃土高原地區(qū)正進行一系列重大工程建設(shè)，如平山造城、治溝造地、固溝保塬等，其作用速度和強度遠(yuǎn)超地質(zhì)營力，對其地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響，使得黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱性問題進一步加劇，并導(dǎo)致災(zāi)變不斷發(fā)生。

延安地處黃土高原的中南部丘陵溝壑區(qū)，城區(qū)密集分布在一個“Y”字形的主川道中，城市發(fā)展空間不足嚴(yán)重制約著延安的經(jīng)濟社會發(fā)展。因此，延安采取“中疏外擴、上山建城”的發(fā)展戰(zhàn)略，進行平山造城工程從而建造總占地面積為78.5ikm2的新區(qū)(杜光利，2012)。在濕陷性黃土溝壑地區(qū)進行規(guī)模如此宏大的巖土工程，其所處工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，濕陷性黃土具有特殊的結(jié)構(gòu)特征和工程特性，同時又具有超大土石方量、高填方、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜及相互影響因素多等特點，使得延安新區(qū)的工程建設(shè)與災(zāi)害防控問題突出。

平山造城工程涉及大量高填方工程，根據(jù)填方區(qū)場地有無側(cè)限約束條件，可將填方工程分為在新區(qū)“U”型或“V”型溝谷內(nèi)填土的側(cè)限填方，以及填方區(qū)與溝谷交界處的無側(cè)限填方(黃雪峰等，2014)，工程災(zāi)害類型主要分別是地面沉降和填方邊坡的穩(wěn)定性問題。對于延安新區(qū)，地面沉降對其工程規(guī)劃建設(shè)及未來持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。已有研究表明，地面沉降包括填方體自身沉降以及原地基的沉降，主要沉降為填方體自身的沉降，施工期沉降主要是土體孔隙氣體壓縮以及排出產(chǎn)生的壓密變形，在施工間歇期及工后沉降主要是土體的排水固結(jié)(葛苗苗等，2017)。高填方沉降受原始地基及填土自身工程性質(zhì)、填方區(qū)幾何形態(tài)、施工工藝技術(shù)、邊界條件及周圍水文地質(zhì)條件等多種因素控制，而非飽和填方體的排氣條件是影響其沉降發(fā)展的關(guān)鍵因素(杜偉飛等，2019)。

對填方土體的變形特性及濕陷特征研究是確定施工現(xiàn)場壓實方式、工后地面沉降預(yù)測、地基設(shè)計的重要參數(shù)。影響壓實黃土變形特性的因素非常復(fù)雜，許多學(xué)者通過大量室內(nèi)試驗對延安新區(qū)的壓實黃土變形特性進行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)壓實度與含水率是壓實黃土變形特性的重要影響因素，減小含水率以及增大壓實度，均能在一定程度上提高土的抗壓縮性(黃雪峰等，2014；李旭東等，2015；孔洋等，2018)。濕陷變形是指黃土在某一壓力作用下變形達(dá)到穩(wěn)定后，由于含水率增加而產(chǎn)生的附加變形(張?zhí)K民等，1990；楊玉生等，2017)。延安新區(qū)不同深度的回填壓實黃土均有濕陷性，而且均存在峰值濕陷系數(shù)(殷鶴等，2016)，濕陷系數(shù)隨壓力變化存在一個峰值，隨含水率增加而降低，同時對黃土的壓實可顯著降低濕陷系數(shù)，最終將其轉(zhuǎn)換為非濕陷性黃土(劉穎瑩，2018)。填方土體的強度是影響地面沉降和高填方邊坡穩(wěn)定性的重要因素，因此也有學(xué)者對延安新區(qū)填方土體的抗剪強度以及變形強度進行了相關(guān)研究。通過對延安新區(qū)回填壓實黃土在不同條件下的直剪試驗，結(jié)果表明壓實度、含水率及黏粒含量對抗剪強度的影響明顯，現(xiàn)場回填壓實黃土相比室內(nèi)制備的壓實黃土具有更高的抗剪強度(李旭東等，2018)。通過對延安新區(qū)原狀及重塑黃土進行一系列控制基質(zhì)吸力的三軸剪切試驗，發(fā)現(xiàn)初始干密度和基質(zhì)吸力越大，重塑黃土的剪脹性越顯著，強度越高(高登輝，2016)。

圖 1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location map of Yan’an New District

許多學(xué)者對延安新區(qū)的回填壓實黃土的壓縮變形、濕陷特性以及強度特征進行了大量的研究，但在濕陷性黃土溝壑地區(qū)實施平山造地，建設(shè)城市新區(qū)少有先例，因此對于此類工程的災(zāi)害特征、防控原則等幾乎沒有開展過相關(guān)研究?？紤]到平山造城是未來土地資源短缺地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展的必然趨勢，不可避免地會遇到一系列地質(zhì)災(zāi)害及生態(tài)環(huán)境問題?；诖耍疚幕赟BAS-InSAR技術(shù)以及結(jié)合遙感數(shù)據(jù)處理對延安新區(qū)平山造城工程工后地面沉降及植被恢復(fù)特征進行了分析，并對平山造城工程的沉降影響因素及防控原則進行初步探討，為此類工程的規(guī)劃建設(shè)以及災(zāi)害動態(tài)防控提供參考依據(jù)。

1 平山造城工程概況

延安新區(qū)平山造城工程位于陜西省延安市清涼山北麓、寶塔山東南以及鳳凰山西側(cè)的黃土溝壑地帶，是通過“削山、填溝、造地、建城”，將黃土溝壑地區(qū)整理成新區(qū)建設(shè)用地(圖 1)。計劃用10年時間，最終整理出78.5ikm2的新區(qū)建設(shè)面積，從而建造一個兩倍于目前城區(qū)的新城(杜光利，2012)。按照“依托老城，沿川展開，整流域治理”的原則，確定了延安新區(qū)北區(qū)、東區(qū)及西區(qū)3大片區(qū)。其中，北區(qū)的規(guī)劃面積為38ikm2，東區(qū)規(guī)劃面積為32.3ikm2，西區(qū)規(guī)劃面積為8.2ikm2。延安的“平山造城”工程是目前世界上在濕陷性黃土溝壑地區(qū)規(guī)模最大的巖土工程，在世界建城史上也少有先例。延安新區(qū)(北區(qū))一期項目已于2012年4月17號正式開工建設(shè)，因此后面主要依據(jù)延安新區(qū)北區(qū)(后文簡稱延安新區(qū))的平山造城工程為研究對象，以原始地形分水嶺為研究區(qū)邊界(圖 1)。

研究區(qū)出露的主要地層為第四系黃土，但是受地表水等作用的影響，黃土厚度變化較大，一般為10～100im之間，最大厚度可達(dá)150im。根據(jù)其沉積時間，黃土由老到新依次分為中更新統(tǒng)離石黃土、上更新統(tǒng)馬蘭黃土以及全新統(tǒng)坡積層和洪積層。在研究區(qū)西南和東南側(cè)深切河谷處出露有延河一級階地，二元結(jié)構(gòu)較清晰，上覆馬蘭、離石黃土，下伏基巖為侏羅系砂巖、泥巖。

如此宏大的平山造城工程建設(shè)相當(dāng)于在黃土溝壑地區(qū)進行一次“大手術(shù)”，其中潛藏了許多的不確定風(fēng)險。由于延安新區(qū)平山造城工程地處濕陷性黃土地區(qū)，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，而濕陷性黃土具有特殊的結(jié)構(gòu)特征和工程特性，同時又具有超大土石方量、高填方、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜及相互影響因素多等特點，在水和外部荷載作用下極易導(dǎo)致土體濕陷變形，從而造成填方工程和地基的不均勻沉降甚至邊坡失穩(wěn)。研究延安新區(qū)平山造城工程工后地面沉降及植被恢復(fù)特征，及其沉降機理與防控原則，是延安新區(qū)工程建設(shè)中一項亟需解決的重要現(xiàn)實問題。

2 研究方法

2.1 目視解譯數(shù)據(jù)源及內(nèi)容

研究區(qū)所使用的影像數(shù)據(jù)主要為歷史多期(包括2012年1月、2013年1月、2014年3月、2015年5月、2015年10月、2016年11月、2017年11月、2018年6月)Google Earth光學(xué)遙感影像，空間分辨率為0.48im。

對延安新區(qū)平山造城工程基本特征的解譯基于ArcGis 10.1人機交互平臺進行精細(xì)化人工目視解譯，在前期詳細(xì)的現(xiàn)場實地調(diào)查以及前人資料上，依據(jù)2012年的遙感影像解譯出延安新區(qū)原始地形的分水嶺、溝谷發(fā)育特征、流域分區(qū)等，然后依據(jù)2013年及以后的遙感影像對平山造城工程總范圍、建筑工程的范圍及分布、工程邊坡的分布特征等進行詳細(xì)解譯。選取挖、填方工程界限明顯的典型遙感影像(如2013年1月)，依據(jù)此影像對挖填方工程進行詳細(xì)的解譯，以此分析挖填方工程與建筑工程分布關(guān)系等。

2.2 基于資源三號衛(wèi)星立體像對的DEM數(shù)據(jù)提取原理

資源三號衛(wèi)星是我國首顆民用三線陣高分辨率立體測繪衛(wèi)星，其配備三線陣測繪相機和多光譜相機，包括2.1im空間分辨率的正視全色相機，3.5im分辨率的前后視相機，以及一臺空間分辨率為5.8im的多光譜相機，幅寬52ikm。資源三號衛(wèi)星三線陣立體相機可以進行同軌成像，避免了由于異軌影像時間差異而不能很好匹配的缺陷(蘭穹穹等，2015)。

立體像對提取DEM的原理可以簡單理解為在天空中不同位置的兩個或者多個已知坐標(biāo)的傳感器(相當(dāng)于人的雙眼)對同一個地面點進行拍攝，當(dāng)天空中傳感器的位置確定了之后，就會在地面點形成一個夾角，夾角越小說明拍攝的地物點高程越低，反之，夾角越大地物點高程就越高。當(dāng)解算出所有地面點的坐標(biāo)值后，就得到了數(shù)字高程模型。如圖 2所示，攝影基站S1和S2相當(dāng)于人的雙眼，A、B、C分別是地面上的3個觀測點，而b則是空間攝影基線。A、B、C 3個觀測點在S1、S2上分別形成像點a1、b1、c1以及a2、b2、c2，通過幾何關(guān)系就可以解算出A、B、C 3點的空間位置(王樹根，2009；李陽，2015)。

圖 2 基于立體像對提取DEM原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of extracting DEM based on stereo image pair

目前國內(nèi)外大部分遙感軟件都基于立體像對提取DEM的原理開發(fā)了相應(yīng)的DEM提取模塊，而且提取過程簡單、高效，精度不斷提升。本文利用TitanImage8.0軟件(試用版)中的DEM提取工具，數(shù)據(jù)為資源三號衛(wèi)星的前視數(shù)據(jù)和后視數(shù)據(jù)，以及包含有理函數(shù)信息的RPC文件。依據(jù)資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在延安新區(qū)一共能夠獲取到2013年、2015年、2016年及2017年4期DEM數(shù)據(jù)，以在地理空間數(shù)據(jù)云獲取的原始地形DEM數(shù)據(jù)為參照對象，基于遙感影像處理軟件ENVI5.3自動尋找同名點進行配準(zhǔn)，提高DEM數(shù)據(jù)的可靠性。

2.3 SBAS-InSAR原理

SBAS-InSAR技術(shù)是基于多主影像的一種InSAR時間序列分析方法，利用較短的時空基線干涉對來提取地表形變時間序列(Chaussard et al.，2014)，極大限度地避免了由時空基線過長而引起的失相干現(xiàn)象，同時減小了地形對差分的影響(張靜等，2018)。SBAS-InSAR技術(shù)基本原理：首先對覆蓋某個地區(qū)不同時間段的多景SAR影像計算時間和空間基線，選擇合適的時間基線和空間基線閾值進行干涉組合；然后對形成的干涉對進行差分干涉處理以及相位解纏；最后根據(jù)干涉圖形成子集的情況，對所有干涉圖組成的相位方程采用奇異值分解法(SVD)或者最小二乘法獲取形變時間序列。在實際處理中常會采用高斯濾波器進行時空濾波，去除大氣延遲的影響從而分離出非線性形變，估算的低頻形變以及非線性形變的總和即為整個研究區(qū)的地表形變信息(朱建軍等，2017)。

為了獲取延安新區(qū)平山造城建設(shè)工后地表變形特征，本文選取時間范圍為2017年12月1日至2018年12年20日的32景C波段(5.63icm) Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)對延安新區(qū)平山造城工程范圍內(nèi)的地表形變時間序列進行提取分析。采用分辨率為30im的SRTM DEM數(shù)據(jù)用作外部DEM數(shù)據(jù)以去除干涉圖的地形相位。SBAS-InSAR技術(shù)處理流程主要包括差分干涉對的選擇與生成，選擇相干點目標(biāo)，干涉紋圖的相位解纏以及延安新區(qū)地表形變時間序列的獲取(Samsonov et al.，2011)。

2.4 NDVI

NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，歸一化差分植被指數(shù))是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，可以準(zhǔn)確反映地表植被覆蓋狀況，其與植被覆蓋有關(guān)且與植被分布密度呈線性相關(guān)。目前，基于SPOT/VEGETATION以及MODIS等衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)提取的NDVI時序數(shù)據(jù)已經(jīng)在各區(qū)域的植被動態(tài)變化監(jiān)測、土地利用及植被覆蓋變化檢測、宏觀植被覆蓋分類和凈初級生產(chǎn)力估算等研究中得到了廣泛的應(yīng)用(徐新良，2018)。

植物由于其葉子的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，在紅光波段(R)具有較強的吸收特征，但對近紅外波段(NIR)反射強烈，而且對近紅外波段的反射隨著植被增加而增加。因此可依據(jù)兩個波段反射率的數(shù)學(xué)變換來描述植被狀況(NDVI)：

(1)

表 1 延安新區(qū)流域面積統(tǒng)計表Table1 Statistics of Yan’an New District watershed area

編號123456789101112131415總面積/km2面積/km24.160.462.661.140.543.752.010.650.852.671.1410.474.710.554.6040.37

式中：NIR和R分別為近紅外波段和紅波段處的反射率值；NDVI值隨植被覆蓋度增大而增大(孫家抦，2013)。為了分析延安新區(qū)平山造城工程對植被環(huán)境的影響，選取延安新區(qū)多期(2013年7月30日、2015年8月29日、2018年5月25日)高分一號遙感影像進行NDVI時序數(shù)據(jù)的提取，定量分析延安新區(qū)的植被覆蓋變化特征。

圖 3 延安新區(qū)流域分布圖Fig. 3 Watershed distribution of the Yan’an New District

3 結(jié)果與分析

3.1 平山造城工程基本特征研究

延安新區(qū)原始地形呈黃土高原丘陵溝壑地貌，溝谷水系發(fā)育，地形以梁、峁為主。工程范圍多以分水嶺為界，因此按分水嶺和水系的展布特征可將延安新區(qū)所處區(qū)域分為15個流域(圖 3)，每個流域中含有多級支溝，總流域面積為40.37ikm2，最大流域為12號流域，面積為10.47ikm2，約占總流域面積的26%(表 1)。從空間分布上看，延安新區(qū)的西部地區(qū)主要分布著相對中小型的流域，數(shù)量多面積小，地形條件復(fù)雜，工程地質(zhì)問題突出。

延安新區(qū)平山造城工程范圍包括平山造城總范圍(即挖填方工程總范圍)以及建筑工程總范圍。選取典型遙感影像對延安新區(qū)平山造城工程總范圍進行逐年解譯(圖 4)?？梢悦黠@看出，平山造城工程范圍變化呈現(xiàn)出從12號流域向周圍擴展，后期逐漸向北東方向擴展，通過野外實地調(diào)查，延安新區(qū)工程范圍內(nèi)的西南地區(qū)多已經(jīng)進行了邊坡防護工程。

圖 4 延安新區(qū)工程范圍變化圖Fig. 4 Extension of the projects in Yan’an New District

圖 5 工程建設(shè)范圍隨時間變化曲線Fig. 5 Variations of engineering range with time

利用ArcGis軟件對延安新區(qū)平山造城總面積及建筑工程總面積進行統(tǒng)計，其隨時間變化曲線如圖 5。延安新區(qū)平山造城總面積從2012年工程開工隨時間呈先急劇增加，至2015年增大的趨勢逐漸趨緩，截至2018年6月延安新區(qū)(北區(qū))工程范圍總面積已達(dá)22.31ikm2。而又由遙感影像解譯可知延安新區(qū)建筑工程始于2013年，且至2014年建筑工程同樣急劇增加，延安新區(qū)平山造城工程總范圍與建筑范圍隨時間變化規(guī)律具有較好的一致性，但是相對平山造城總范圍，建筑范圍隨時間變化呈現(xiàn)一定的滯后性，即建筑范圍急劇增加階段相對平山造城總范圍滯后約2ia，這段時間是填方體的自然沉降固結(jié)期(圖 5)。

圖 6 延安新區(qū)建筑范圍分布圖Fig. 6 Construction scope distribution of Yan’an New District

由2013年1月時的Google Earth影像可以清晰解譯出填方范圍，此時平山造城工程范圍主要位于12號流域(圖 4a)，填方面積約3.17ikm2，占12號流域的33%，填方體區(qū)域沿著溝谷展布，山脊挖方和溝谷填方與流域水系呈明顯的相關(guān)性(圖 6)。以12號流域為研究區(qū)域，依據(jù)此流域內(nèi)的填方范圍分析與后期建筑工程分布的關(guān)系。將填方區(qū)域與建筑工程范圍疊加后可以發(fā)現(xiàn)早期(如2015年10月)建筑工程主要沿原始地形分水嶺處集中分布(圖 6a)，少量分布在填方區(qū)域之外的兩條支溝中間，由遙感影像可以看出此時填方區(qū)域主要為草地。從2018年6月時的建筑工程分布圖可以看出建筑工程的分布同樣與原始地形特征有關(guān)(圖 6b)，表現(xiàn)為建筑工程主要分布在原始地形分水嶺處以及填方區(qū)之外的挖方區(qū)，但此時已有部分建筑在填方體上修建。

3.2 平山造城工程沉降特征研究3.2.1 平山造城工程潛在災(zāi)害隱患單元

延安新區(qū)建設(shè)場地填方區(qū)面積大，填方體厚度大，黃土對水的特殊敏感性和多孔性、大孔隙結(jié)構(gòu)特性又使得其具有較強的濕陷特征，因此在后期工程建設(shè)中將會出現(xiàn)諸多因挖、填方區(qū)域分布所造成的不可預(yù)見的工程災(zāi)變問題。依據(jù)填方區(qū)場地有無側(cè)限約束，可將潛在災(zāi)害隱患類型分為在新區(qū)“U”型或“V”型溝谷內(nèi)填土的側(cè)限填方處的地面沉降問題，以及填方區(qū)與溝谷交界處的無側(cè)限填方的邊坡穩(wěn)定性問題。

平山造城工程范圍內(nèi)的地形相對其他區(qū)域較平坦，總體呈現(xiàn)西北高東南低的趨勢，工程范圍的分布與變化受地形影響明顯?；谫Y源三號衛(wèi)星立體像對提取的多期分辨率為5im的數(shù)字高程模型(DEM)，通過對多期DEM數(shù)據(jù)差分處理分析，可以明顯看出DEM差分結(jié)果與Google Earth影像解譯的填方范圍基本一致(圖 6，圖 7a)，驗證了DEM數(shù)據(jù)的可靠性。挖填方工程的分布與水系緊密相關(guān)，填方工程主要沿著溝谷展布，挖方工程主要沿原始地形分水嶺展布，挖、填方體最大厚度均超過90im，是潛在的地面沉降高風(fēng)險區(qū)(圖 7)。

延安新區(qū)平山造城工程建設(shè)中，無論是削山、填溝、造地甚至建城，都會涉及到黃土邊坡。因此，黃土邊坡穩(wěn)定性對于延安新區(qū)平山造城工程的整個過程都尤為重要，利用典型遙感影像對工程范圍內(nèi)已有的工程邊坡進行解譯，分析邊坡分布特征，可以為邊坡災(zāi)害防控提供依據(jù)。

圖 7 延安新區(qū)地形變化圖Fig. 7 Topographic changes of Yan’an New Districta. 2001年～2013年11月17日地形變化圖；b. 2013年11月17日～2015年5月12日地形變化圖；c. 2015年5月12日～2017年10月13日地形變化圖；d. 2001年～2017年10月13日地形變化圖

延安新區(qū)工程邊坡幾乎分布于整個工程范圍的邊界處，其中主要以西部溝壑地區(qū)為主(圖 8)。延安新區(qū)工程邊坡類型可以分為分布在溝谷兩側(cè)和分水嶺處經(jīng)過人工削方、放坡等工程處理而形成的削方邊坡，以及填方區(qū)域與溝谷交界處的填方邊坡。

延安新區(qū)的西南地區(qū)溝谷相對發(fā)育，而且單個流域范圍小，地形地貌條件相對復(fù)雜，在此地區(qū)主要分布著沿溝谷兩側(cè)且與溝谷走向一致的人工削方邊坡。在每個流域的溝谷與平山造城工程交叉處為填方范圍，因此在交叉處主要分布著人工填方邊坡。在延安新區(qū)的北部地區(qū)還分布著在分水嶺周圍經(jīng)人工削方而形成的削方邊坡。

圖 8 延安新區(qū)工程邊坡分布圖Fig. 8 Distribution of artificial slope in Yan’an New District

圖 9 研究區(qū)2017～2018年形變速率圖Fig. 9 Average 2017～2018 map of ground deformation rate in Yan’an New District

3.2.2 平山造城區(qū)地面沉降特征分析

3.3 平山造城工程植被恢復(fù)特征研究

圖 10 延安新區(qū)NDVI值變化圖Fig. 10 Variation of NDVI inYan’an New District

通過NDVI提取結(jié)果可知，延安新區(qū)植被覆蓋情況逐年增加，植被分布情況也隨時間逐漸均勻(圖 10)。在2013年7月時延安新區(qū)正值挖填方工程，植被覆蓋差，NDVI值范圍主要為0～0.25，僅在小范圍區(qū)域超過0.5，平均值為0.023(圖 10a)；至2015年8月，延安新區(qū)的植被覆蓋明顯增加，主要分布在主要造城區(qū)以及工程邊界處，NDVI值范圍主要為0～0.5，整個工程范圍內(nèi)NDVI平均值0.076，相比2013年NDVI平均值增長230%。工程范圍邊界處的NDVI值最大，范圍為0.5～0.75，植被恢復(fù)明顯(圖 10b)；延安新區(qū)2018年5月的NDVI值范圍主要為0.125～0.625，NDVI平均值為0.105，相比2015年增長38%，其中邊坡工程段的植被恢復(fù)程度最大，相比2015年增長了50%(圖 10c)。雖然延安新區(qū)工程建設(shè)對植被環(huán)境造成了一定程度的破壞，但是延安新區(qū)建設(shè)重視城區(qū)綠化率建設(shè)，2013～2018年延安新區(qū)NDVI平均值增長近4.57倍，植被分布情況也逐漸均勻(圖 10d)，逐步實現(xiàn)了植被環(huán)境的修復(fù)和合理配置。從現(xiàn)有的植被恢復(fù)情況上看，延安新區(qū)建設(shè)過程中一系列綠化措施有利地緩解了西北地區(qū)自然環(huán)境較為惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱的問題(段漢明，2001)。

圖 11 研究區(qū)地面沉降的影響因素Fig. 11 Factors affecting land subsidence in the study areaa. 2017～2018年地面沉降與原始地形的關(guān)系；b. 2017～2018年地面沉降與道路建筑的關(guān)系；c. 工程邊坡處2017～2018年地面沉降；d. 工程邊坡處2018年NDVI值

4 討 論

4.1 平山造城工程地面沉降影響因素

延安新區(qū)的主要沉降區(qū)域集中分布在12號及13號流域的填方區(qū)域內(nèi)，而且填方區(qū)域的沉降速率明顯高于挖方區(qū)等其他區(qū)域。地面沉降分布與原始地形呈明顯的相關(guān)性(圖 11a)，越靠近原始溝谷中心，地面沉降速率越高，即表明填方體厚度越大，地面沉降現(xiàn)象越顯著。此外，主要地面沉降區(qū)與建筑范圍以及交通公路的分布也具有一定的相關(guān)性(圖 11b)，位于填方區(qū)內(nèi)的建筑及公路對應(yīng)的地面沉降速率更高，而且主要沉降區(qū)域沿填方區(qū)內(nèi)的建筑及公路展布。相比填方區(qū)的地表變形，分布著主要建筑工程的挖方區(qū)地面沉降現(xiàn)象反而不明顯。原狀黃土由于在歷史形成過程中所形成的特殊結(jié)構(gòu)，如土體細(xì)微顆粒間接觸點在長時間物理化學(xué)作用所形成的膠結(jié)等，使得原狀黃土往往具有較好的力學(xué)性質(zhì)。在填方工程中，由于填土過程中的重塑，改變了自然可壓縮性黃土的物理性質(zhì)(如大孔隙、結(jié)構(gòu)松散、濕陷性等)(Chen et al.，2018)，從而使得填土區(qū)重塑黃土中的大孔隙在自重、降雨、建筑以及循環(huán)交通荷載等作用下被壓縮。而其下伏原狀黃土又具有明顯的次固結(jié)特性(郅彬等，2018)，在上覆填土荷載作用下也會產(chǎn)生一定的壓縮變形，最終在填土和原狀黃土的共同壓縮變形下導(dǎo)致大量的地面沉降，而填方體厚度是決定地面沉降分布與大小的主要控制因素(董琪等，2016)。此外，在工程建設(shè)后，原始水文地質(zhì)條件的改變，包括壓實黃土堵塞原始地下水排泄通道從而造成地下水位上升等，都會引起高填方體和原始黃土地基的進一步附加沉降。

另外，基于InSAR形變監(jiān)測結(jié)果，延安新區(qū)的工程邊坡大多處于穩(wěn)定狀態(tài)，地面變形速率在10imm·a-1范圍內(nèi)，僅在延安新區(qū)西部邊界區(qū)域的工程邊坡存在局部的不均勻沉降(圖 11c)。通過NDVI結(jié)果可知，延安新區(qū)工程邊坡的植被恢復(fù)情況明顯，在2015～2018年邊坡工程段的植被增長50%(圖 11d)，說明植被覆蓋對于延安新區(qū)工程邊坡的穩(wěn)定具有一定的影響。

4.2 平山造城地面沉降防控原則

延安新區(qū)大規(guī)模的挖填方工程帶來大量建設(shè)用地的同時，也極易引發(fā)一系列的地質(zhì)問題。根據(jù)前文對平山造城工程動態(tài)演變、沉降特征及沉降影響因素的分析，平山造城工程地面沉降可以從工程規(guī)劃、設(shè)計、施工以及運營4個階段進行綜合災(zāi)變防控。

工程規(guī)劃階段，由于地面沉降主要受填方工程的控制，因此早期建筑選址應(yīng)盡量避免填方區(qū)域和挖填方交界處，優(yōu)先選擇原始地形分水嶺等挖方區(qū)域。

工程設(shè)計階段，盡管建筑工程建設(shè)時間相對挖填方工程有2ia的滯后期，但是由2017～2018年新區(qū)地面沉降特征可以看出，目前填方區(qū)仍存在大量持續(xù)的不均勻沉降。因此，建議填方區(qū)在沉降穩(wěn)定之前可以進行一些綠化工程，直到填方體沉降穩(wěn)定后才在其上進行建筑工程的建設(shè)。同時，壓實黃土不具備原狀黃土的特殊大孔隙結(jié)構(gòu)，不具有產(chǎn)生濕陷變形的基本條件，但大量的試驗研究發(fā)現(xiàn)壓實黃土仍然具有濕陷性(陳開圣，2006)，甚至還有研究認(rèn)為在相同干密度和含水率條件下，填方過程中土層的反復(fù)壓實作用不足以完全消除黃土的濕陷特征，壓實黃土的壓縮性和濕陷性還要大于原狀黃土(伍石生等，1997；Chen et al.，2018)。因此，在此階段還可以設(shè)計防止地表水入滲和地下水位上升的綜合控水系統(tǒng)，因地制宜地提出虹吸排水、豎井、地下廊道、盲溝等綜合排水措施，防止過量濕陷沉降以及產(chǎn)生潰散性失穩(wěn)的壓實度控制標(biāo)準(zhǔn)，從而防治由于地下水位不斷升高而導(dǎo)致的濕陷沉降、滑移、潰散性失穩(wěn)破壞，以及內(nèi)部侵蝕等災(zāi)變發(fā)生(金艷麗等，2007；許強等，2016；Xu et al.，2019)。

工程施工階段，對平山造城工程的全過程進行多元立體監(jiān)測，實時掌握填方區(qū)的地表及深部變形、地下水、土壓力、水壓力等的基本量值及其發(fā)展演化特征及趨勢，并及時通過調(diào)整優(yōu)化原工程設(shè)計方案，避免和防治工程災(zāi)變的發(fā)生，實現(xiàn)信息化施工和反饋優(yōu)化設(shè)計，并基于監(jiān)測結(jié)果依據(jù)數(shù)值模擬、深度機器學(xué)習(xí)等手段進一步對工后沉降進行預(yù)測。同時，設(shè)計綜合排水系統(tǒng)、利用壓(夯)實等手段保證填土壓實度以及適當(dāng)減緩填筑速度可有利于減小工后沉降量，而合理布設(shè)排氣通道則可減少達(dá)到沉降穩(wěn)定所需的時間(杜偉飛等，2019)。

工程運營階段，進一步完善多元立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對平山造城工程的長期持續(xù)觀測，結(jié)合多元立體綜合監(jiān)測結(jié)果，持續(xù)分析研究地面沉降在內(nèi)外動力作用下(降雨、外部荷載等)的動態(tài)演化規(guī)律，充分考慮工程建筑物的承災(zāi)能力，建立地面沉降時-空預(yù)警模型及其相應(yīng)的工程調(diào)控應(yīng)對策略和機制。

5 結(jié) 論

遙感影像記錄有不同時期的工程范圍和分布特征，利用歷史多期遙感影像可以對工程的宏觀分布規(guī)律及其隨時間的動態(tài)變化特征進行分析，從而對以后的工程選址和災(zāi)害防控提供參考依據(jù)。本文基于遙感數(shù)據(jù)分析結(jié)合SBAS-InSAR技術(shù)對延安新區(qū)平山造城工程地面沉降及植被恢復(fù)特征進行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)依據(jù)水系、分水嶺的展布將延安新區(qū)工程范圍分為15個流域，其中最大的12號流域為主要造城區(qū)，建筑工程面積隨時間的變化滯后挖填方工程約兩年，此間隔時間為填方體的自然沉降固結(jié)期。

(2)利用資源三號衛(wèi)星立體像對提取的延安新區(qū)DEM分辨率可達(dá)5im，差分處理分析得到填方區(qū)域沿著原始地形的溝谷展布，延安新區(qū)挖、填方體最大厚度均超過90im。

(3)延安新區(qū)平山造城工程潛在災(zāi)害隱患類型分為地面沉降和邊坡失穩(wěn)兩類。延安新區(qū)2017～2018年最大沉降速率達(dá)45imm·a-1，主要地面沉降區(qū)域集中分布在12號及13號流域的填方區(qū)域內(nèi)，主要建筑工程所處的挖方區(qū)地面沉降反而不明顯，工程邊坡僅在延安新區(qū)西部邊界區(qū)域存在局部的不均勻沉降。

(4)延安新區(qū)2013～2015年NDVI平均值增長230%，2015～2018年增長50%，植被分布逐漸均勻，逐步實現(xiàn)了植被環(huán)境的修復(fù)和合理配置。

(5)填方工程中黃土的重塑及其物理性質(zhì)的改變是填方區(qū)地面沉降主要內(nèi)在因素，而填方體厚度是地面沉降分布與大小的主要控制因素。