譚 超 薛 廉 齊得旭

1四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川成都，610032

油氣管道是國家重要的基礎設施，擔負著保障國家能源安全、保障油氣供應的重大責任和使命。油氣管道的保護關聯(lián)國家能源安全，涉及民眾的生命財產安全，至關重要［1］。然而，管道附近填方區(qū)的堆積可能會導致滑坡、地面沉降等地質災害，威脅到管道的安全。為了保證管道的安全性，必須進行高效準確的變形監(jiān)測。傳統(tǒng)的測量手段（如水準測量、GPS等）僅能對離散點進行監(jiān)測，而且耗時、耗力、成本高［2，3］，合成孔徑雷達干涉測量（interferometric synthetic aperture radar，In SAR）技術突破了傳統(tǒng)單點形變測量的限制，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，被廣泛應用于滑坡、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，結合實地調查判斷高填方區(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濟開發(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，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)場調查，管道南側的高填方區(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，飽水強度降低。目前狀態(tài)下填方體坡腳未設置支擋措施，在長期持續(xù)降雨條件下，填方邊坡邊緣土體易失穩(wěn)側滑，可能對管道產生側向擠壓的作用。

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)場調查的基礎上，本文采用多InSAR技術對填方區(qū)潛在災體的時序形變數(shù)據(jù)進行分析，查明潛在災體及典型點的形變規(guī)律，分析現(xiàn)今變形破壞跡象及其形成條件，分析其成因機制，為管道的安全運營提供防治依據(jù)。

2 InSAR形變監(jiān)測和結果分析

2.1 In SAR形變監(jiān)測

In SAR技術是極具潛力的微波遙感新技術，它是合成孔徑雷達遙感成像與電磁波干涉兩大技術融合的結果［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（重復軌道模式）獲得同一地區(qū)的重復觀測數(shù)據(jù)（單視復數(shù)影像對），通過提取同一目標對應的兩個回波信號之間的相位差（干涉相位）并結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、安全性高、全天時、全天候等優(yōu)點［8，9］，被廣泛應用于地表形變監(jiān)測［10?13］。本文使用差分合成孔徑雷達干涉測量（differential In SAR，D?In SAR）、永久散射體合成孔徑雷達干涉測量（permanent scatterer In?SAR，PS?In SAR）、短基線子集合成孔徑雷達干涉測量（small baseline subset InSAR，SBAS?In SAR）技術對研究區(qū)域進行監(jiān)測。

本文的監(jiān)測重點是潛在災體，其地勢為南東高、北西低，坡向為北西向。根據(jù)斜坡位移特征，其主要位移方向應當是由南東往北西。考慮到監(jiān)測區(qū)范圍、監(jiān)測區(qū)自然地理條件、衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時效性、空間分辨率及經濟性等因素，本文采用Sentinel?1A衛(wèi)星降軌高分辨率SAR影像數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，共獲取到2018?06—2019?05的27景影像。

2.2 監(jiān)測結果與分析

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技術提取形變，形變點分布圖見圖2和圖3?？梢钥闯觯琍S?In SAR技術探測出的PS點極少（彩色點為PS點），主要分布于居民區(qū)，尤其是潛在災體上沒有PS點，SBAS?In SAR監(jiān)測到的點較多，但是潛在災體上仍然存在數(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)域范圍形變點分布情況Fig.2 Distribution of Deformation Points in Large Area

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

為進一步監(jiān)測和分析監(jiān)測區(qū)域的時空形變特征，彌補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，分析潛在災體在12天內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。

通過多項式擬合圖4中的各監(jiān)測時間段內形變量最大值、最小值，計算出區(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，潛在災體在2018?06?21—2019?05?11期間沿瞄準線（line of sight，LOS）方向的形變特征可分為3個時期：

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

表1 目標區(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)實地調查，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)實地調查可知，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兩種技術的處理結果發(fā)現(xiàn)，兩種結果的形變發(fā)育分布基本一致，這相互印證了處理結果的合理性。在此基礎上，進行D?In SAR處理并進行時序分析。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)場調查，該工程建設計劃高填方區(qū)還將繼續(xù)堆填增高，由于土體不斷堆填，自重應力不斷增加，下部土體壓縮變形，壓縮變形導致的變形相對劇烈。高邊坡相對坡體內部土體，坡表主應力發(fā)生偏轉，加之新近填土抗剪強度較差，坡體表層填土顆粒發(fā)生相對位移以適應坡表應力環(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)生淺表層滑塌的風險，一旦發(fā)生滑動，對管道產生側壓，威脅到管道的安全。因此，在管道運行期間要加強坡體變形監(jiān)測，保證管道安全運行。