基于InSAR和地面监测的滑坡变形及稳定性研究

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西南山区由于其地形复杂多变,构造作用强烈,是地质灾害的多发地之一。特别是2008年“5.12”汶川地震之后,触发大量滑坡,震后大量震裂和震松的潜在滑坡已经对人民生命和财产造成重大损失。利用In SAR可以实现长时间序列下大区域范围的滑坡的识别与变形监测,对于实现滑坡防灾减灾“关口前移”具有重要影响和意义,但其监测精度、适用条件和地表变形是否能反映滑坡体整体变形特征,是影响In SAR技术广泛应用于滑坡变形监测的限制因素之一。本文在野外和文献调研的基础上,以红梅村滑坡、青龙寺滑坡为研究对象,基于降雨、地下水位、孔隙水压力、地表测斜仪、多段式测斜仪等地面监测数据;采用PS-In SAR技术对红梅村滑坡开展形变监测,采用SBAS-In SAR技术对青龙寺滑坡开展形变监测;并取滑坡典型剖面建立红梅村滑坡、青龙寺滑坡地质模型,将滑坡区降雨划分为多个降雨过程对滑坡的变形进行数值模拟;同时以地面监测点位数据为基准,对In SAR监测结果进行了精度评价,对比了数值模拟结果与In SAR监测、地面监测的结果,并在对比三种变形数据的基础上对滑坡的变形特征进行了分析与讨论;最后采用Morgenstern-Price法对滑坡进行稳定性分析,并结合滑坡变形特征对滑坡稳定性变化规律进行了分析。主要形成了如下结论:(1)通过对地面监测数据进行分析,红梅村滑坡、青龙寺滑坡雨季与旱季降雨差别明显,降雨主要集中于雨季,地下水位、孔隙水压力响应程度较高,滑坡变形随着季节性降雨呈现一定的变化规律。青龙寺滑坡多段测斜仪监测数据表明2#滑坡体已形成明显滑带,1#滑坡滑面尚未贯通,处于剪切蠕变阶段。(2)基于时序In SAR技术,分别提取了监测周期内红梅村滑坡、青龙寺滑坡的地表时序形变结果。红梅村滑坡区域内形变速率分布于-19.31mm/a至22.45mm/a区间内,变形较为明显的区域位于1号变形体和3号变形体坡脚位置;青龙寺滑坡区域形变速率分布于-15.14mm/a至3.43mm/a区间内,变形量较大区域主要位于滑坡后缘及东南侧部分区域。取滑坡典型剖面并结合剖面上的变形速率,红梅村滑坡具有牵引式滑坡的特征,青龙寺滑坡具有推移式滑坡特征。将变形与滑坡降雨结合分析,表明In SAR监测的形变与监测间隔内的降雨量存在正相关的关系。(3)对滑坡进行数值模拟表明,降雨作用下,雨水渗入滑坡体中使滑坡体积含水量增加。红梅村滑坡在降雨作用下,滑坡前缘发生变形较大,滑坡整体变形呈现出牵引特征;青龙寺滑坡降雨作用下,滑坡体变形位置主要为青龙寺1#滑坡体后缘和青龙寺2#滑坡,青龙寺1#滑坡呈现推移式特征。对降雨过程中的降雨量与变形进行指数拟合,红梅村滑坡、青龙寺1#滑坡降雨量与变形指数拟合效果较好,其拟合度位于0.62-0.76之间。(4)采用地面监测对红梅村滑坡、青龙寺滑坡In SAR进行了精度评价,红梅村滑坡的监测中误差为5.17,青龙寺滑坡的监测中误差分别为3.41、4.79、6.12,同时根据相关文献调研对比,表明红梅村滑坡、青龙寺滑坡In SAR监测精度较高。采用地面监测数据、In SAR监测数据与数值模拟进行对比,三种手段的滑坡变形趋势性较强,表明对红梅村滑坡、青龙寺滑坡的数值模拟较为可靠。对滑坡变形进行对比,红梅村滑坡具有牵引式滑坡的特征,青龙寺1#滑坡具有推移式滑坡的特征,结合改进的切线角与滑坡演化规律,红梅村滑坡处于等速变形阶段,青龙寺滑坡处于初始变形阶段。(5)对红梅村滑坡稳定性进行计算,红梅村滑坡天然状态下,稳定系数为1.23,处于稳定状态。不同降雨条件下小雨、中雨和大雨稳定系数分别为1.23、1.17、1.12处于稳定或者基本稳定状态;暴雨的稳定系数为1.05处于欠稳定状态;大暴雨、特大暴雨的稳定系数为0.99、0.94处于不稳定状态。在日降雨条件下滑坡稳定系数分布范围为1.0604-1.2331,滑坡的降雨滞后性效应不明显。青龙寺1#滑坡天然状态下,稳定系数为1.33处于稳定状态,小雨、中雨、大雨和暴雨稳定系数分别为1.33、1.20、1.13、1.07,处于稳定或者基本稳定状态,大暴雨的稳定系数为1.03处于欠稳定状态,特大暴雨的稳定系数为0.98处于不稳定状态。在日降雨条件下稳定系数分布于1.0382-1.3482,滑坡的降雨滞后性效应明显。(6)采用星载SAR数据,数据采集频率受卫星重返周期限制,可以实现长时间序列下,大区域范围的滑坡变形监测,红梅村滑坡与青龙寺滑坡雨季短期出现剧烈变形,采用In SAR技术未能较明显的反映出这种发生的剧烈变形,可采用星载SAR识别出区域范围内的持续变形体,对识别出来的变形体采用地面专业监测技术进行连续监测,弥补In SAR由于短期内无法监测到剧烈变形的不足。(7)红梅村滑坡、青龙寺1#滑坡的稳定性变化相近,变形越大,稳定系数下降也越大,在变形较小或未发生变形时,滑坡的稳定性系数逐渐上升,逐渐恢复其原有的稳定性。对滑坡变形与稳定系数进行线性拟合,In SAR监测拟合直线的斜率与地面监测拟合的直线斜率具有相同的变化趋势,从侧面验证了In SAR监测的准确性,但受稳定性系数和变形本身的变化不大等因素影响,拟合直线相关性不高,但总体上看,滑坡地表变形与滑坡稳定性呈现出负相关的趋势,滑坡地表变形(地面变形监测、In SAR监测)可以间接反映出滑坡的稳定性的变化,为进一步判断滑坡稳定性状态提供参考。
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