基于InSAR和光學(xué)遙感的貴州鬃嶺采煤滑坡識(shí)別與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

朱怡飛姚 鑫姚磊華周振凱姚闖闖肖詩(shī)豪

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081;

2.自然資源部活動(dòng)構(gòu)造與地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;

3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方向與地殼穩(wěn)定性研究中心, 北京 100081;

4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院, 北京 100083;

5.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550000

0 引言

人類活動(dòng)正在逐漸替代自然營(yíng)力成為影響斜坡穩(wěn)定性的主要原因(黃潤(rùn)秋,2007)。礦山開采,水電開發(fā),修路切坡等人類工程活動(dòng)引發(fā)的崩滑地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生頻率逐漸增加,造成的人員死亡及財(cái)產(chǎn)損失情況日益嚴(yán)重。近年來(lái),我國(guó)西部多次發(fā)生采礦引發(fā)的重大地質(zhì)災(zāi)害事件,2009年重慶武隆雞尾山崩滑造成77人死亡;2013年貴州漁洞村滑坡造成5人失蹤,2017年貴州納雍普灑崩滑造成26人死亡。通過對(duì)以往大型崩滑災(zāi)害研究發(fā)現(xiàn),從變形開始到最終失穩(wěn)破壞,地質(zhì)體經(jīng)歷了長(zhǎng)期復(fù)雜演變過程,而對(duì)地質(zhì)體的地表變形演化和破壞痕跡發(fā)展進(jìn)行定量分析則對(duì)崩滑災(zāi)害的穩(wěn)定性分析具有指導(dǎo)作用 (Zhang et al., 2019;Fan et al., 2019;李為樂等,2019)。

光學(xué)遙感識(shí)別和合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)是進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的可靠手段(劉星洪等, 2018; 韓冬建等,2020; Wang et al., 2020)。利用光學(xué)遙感提取的裂縫、陡坎、前緣隆起和塌陷等變形標(biāo)志可對(duì)已經(jīng)發(fā)生過整體失穩(wěn)或存在顯著變形特征的滑坡進(jìn)行快速識(shí)別(劉桂衛(wèi)等, 2019;陸會(huì)燕等, 2019)。遙感圖像低分辨率和西南地區(qū)云霧遮蔽等缺陷,都對(duì)光學(xué)遙感識(shí)別滑坡帶來(lái)挑戰(zhàn)。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(InSAR)技術(shù)通過計(jì)算同一地區(qū)不同時(shí)刻的SAR影像相位差,獲取時(shí)間間隔內(nèi)的精確變形信息,可以對(duì)不穩(wěn)定地質(zhì)體的活動(dòng)邊界及變形速率進(jìn)行有效探測(cè)。InSAR在滑坡調(diào)查和位移監(jiān)測(cè)領(lǐng)域突出優(yōu)勢(shì)得到了研究人員的廣泛認(rèn)同(李凌婧等,2014; 朱建軍等, 2017; 李振洪等, 2019)。2017年四川省新磨滑坡發(fā)生以來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員利用時(shí)間序列InSAR方法獲取了新磨滑坡失穩(wěn)破壞前有效的加速變形信息,為滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)提供了新的思路與方案(Dong et al.,2018)。

鬃嶺變形帶變形時(shí)間長(zhǎng),變形范圍大,茂盛的植被條件和高陡的山勢(shì)給地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。目前鬃嶺滑坡群僅進(jìn)行了簡(jiǎn)要的地質(zhì)調(diào)查和單體崩滑的描述工作,而針對(duì)鬃嶺滑坡群滑坡變形模式、危巖體分布和穩(wěn)定性情況尚未進(jìn)行深入研究。文章以鬃嶺滑坡群為研究區(qū),提出了一套基于差分干涉測(cè)量技術(shù)和光學(xué)影像的采煤滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法。以8期PALSAR-2數(shù)據(jù)的D-InSAR計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ),綜合12期多源多時(shí)相光學(xué)影像和無(wú)人機(jī)航攝照片對(duì)鬃嶺滑坡群潛在變形體進(jìn)行定量識(shí)別;然后利用地質(zhì)地形資料對(duì)滑坡機(jī)制進(jìn)行了分析;最后采用體積-距離模型對(duì)變形體滑移距離進(jìn)行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了對(duì)變形體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。該研究為黔西地區(qū)采礦滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)探索了新的方法,并對(duì)黔西、滇東地區(qū)的采礦滑坡防治工作具有重要的示范意義。

1 鬃嶺滑坡群概況

鬃嶺滑坡群地處貴州省畢節(jié)市,距離納雍縣城13km,海拔1600~2400m(圖1a)。鬃嶺滑坡群地勢(shì)上處于青藏高原第一階梯與東部丘陵平原第三階梯過渡的斜坡地帶,大地構(gòu)造單元屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆遵義斷拱畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)(楊秀忠和薛立根,1994)。區(qū)內(nèi)主要出露地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)、長(zhǎng)興組(P2c)和大隆組(P2d),三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)、永寧鎮(zhèn)組(T1yn)及第四系(圖1b)。龍?zhí)督M為區(qū)內(nèi)主要的含煤地層,由泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r、玄武巖(P2β)及煤層組成。其含可采煤層11層,主要分布在上段。下段主要巖性為火山角礫巖與深灰色玄武巖,不含可采煤層。長(zhǎng)興組和大隆組主要巖性為燧石灰?guī)r與泥質(zhì)粉砂巖。上部為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f),其中飛仙關(guān)組第一段及第三段,巖性以泥質(zhì)粉砂巖夾薄層泥灰?guī)r為主,巖體物理力學(xué)性質(zhì)較差。飛仙關(guān)組第二段,巖性以灰?guī)r為主,工程力學(xué)性質(zhì)較好。整體上看,鬃嶺滑坡群地層力學(xué)性質(zhì)由上至下表現(xiàn)為上硬下軟的特征。地層總體走向?yàn)槟衔鳌睎|向,傾角10°~55°。鬃嶺滑坡群地質(zhì)圖和典型剖面見圖1c,鬃嶺滑坡群內(nèi)發(fā)育有與地層走向基本一致的高陡變形帶,落差100~300m,坡度約為60°~80°。當(dāng)?shù)孛禾抠Y源豐富,自2000年以來(lái),先后有近十家煤礦在鬃嶺山腳進(jìn)行煤礦開采活動(dòng),其采區(qū)位于桌山邊緣下部地層。緩傾層狀巖體的坡腳開挖及山體長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)采動(dòng)導(dǎo)致崩滑帶后緣有較多深大裂縫存在。

2 研究方法及數(shù)據(jù)

此次研究首先利用無(wú)人機(jī)航攝照片對(duì)變形體裂縫、滑坡邊界和變形特征進(jìn)行提取,并根據(jù)多時(shí)相存檔光學(xué)數(shù)據(jù)(Planet光學(xué)影像和Google Earth光學(xué)影像)獲取變形體動(dòng)態(tài)變化情況;其次利用DInSAR和Stacking-InSAR結(jié)果定量獲取鬃嶺滑坡群變形區(qū)域及年平均變形量信息;最后綜合上述信息,結(jié)合地貌、地質(zhì)數(shù)據(jù),采用滑坡-距離模型對(duì)不穩(wěn)定斜坡進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),研究流程見圖2。

2.1 使用數(shù)據(jù)

選用2017年5月至2018年8月拍攝的8期升軌PALSAR-2圖像計(jì)算鬃嶺地區(qū)變形。其方位向(Azimuth)和距離向(Range)像元大小分別為1.43m和2.21m,入射角為39.2893°,方位角為347.78°,其覆蓋范圍如圖1a所示。選用12m分辨率WorldDEM數(shù)據(jù)計(jì)算地形相位和陰影面積。

以2019年10月30日獲取的1期面積為14km2的無(wú)人機(jī)航攝照片、2016年10月至2019年11月時(shí)間間隔6個(gè)月的8期Planet光學(xué)影像、2017年5月至2018年4月的3期Google earth光學(xué)影像和2011年獲取的12m分辨率的WorldDEM數(shù)據(jù)作為光學(xué)解譯的基礎(chǔ)文件。其中無(wú)人機(jī)航空攝影獲取的鬃嶺地區(qū)0.1m高精度光學(xué)照片和地形數(shù)據(jù)用于崩滑邊界,裂縫等地質(zhì)災(zāi)害精確解譯;3m分辨率Planet光學(xué)影像數(shù)據(jù)和0.61m分辨率Google earth光學(xué)影像用于追溯現(xiàn)有災(zāi)害體動(dòng)態(tài)變化;數(shù)字地表模型用于生成地形陰影圖,輔助光學(xué)解譯。所使用的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)圖像清晰,幾何畸變小,沒有明顯的云霧遮蓋,能夠滿足災(zāi)害解譯要求。此次研究使用的光學(xué)和雷達(dá)數(shù)據(jù)參數(shù)見表1。

表1 研究采用的光學(xué)和雷達(dá)數(shù)據(jù)表Table 1 Optical and radar data sets used in the study

2.2 光學(xué)影像解譯方法

鬃嶺滑坡群內(nèi)已發(fā)生多起失穩(wěn)破壞現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為巖質(zhì)滑坡-碎屑流,根據(jù)鬃嶺滑坡群特點(diǎn)和災(zāi)害特征建立解譯標(biāo)志(卓寶熙,2011)。鬃嶺滑坡群由北向南可分為桌山邊緣、高陡變形帶和山前平臺(tái)(圖1c)。

桌山邊緣植被茂盛,主要發(fā)育與滑坡后緣邊界展布方向一致的拉張裂縫。拉張裂縫識(shí)別標(biāo)志是明顯的線狀展布特征,部分區(qū)域有明顯錯(cuò)落陡坎發(fā)育;滑源主要分布在高陡變形帶區(qū)域,其主要特征是頂部存在明顯的滑坡后壁,大部分為裸露的基巖,部分區(qū)域兩側(cè)存在小規(guī)模崩塌;滑坡堆積區(qū)主要分布在山前平臺(tái)區(qū)域,堆積體巖性為灰?guī)r,形態(tài)呈扇形或漏斗形。根據(jù)以上解譯標(biāo)志,對(duì)鬃嶺滑坡群內(nèi)災(zāi)害進(jìn)行精細(xì)化解譯。在利用多時(shí)相數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯時(shí),通過不同時(shí)相的遙感圖像的波譜及空間差異特征獲取變形體動(dòng)態(tài)變形過程。

由于不同平臺(tái)獲取的光學(xué)遙感圖片在位置上存在偏移,為了獲得準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)解譯結(jié)果,以0.1 m分辨率的無(wú)人機(jī)航攝照片為基準(zhǔn),通過典型的地物標(biāo)志(山頂凸起,建筑物,道路拐角)生成配準(zhǔn)表,對(duì)Google Earth和Planet光學(xué)影像進(jìn)行幾何矯正,獲得精確配準(zhǔn)的多源遙感數(shù)據(jù)集。

2.3 InSAR數(shù)據(jù)處理方法

Stacking-InSAR方法是將多幅解纏后的差分干涉相位進(jìn)行加權(quán)平均、通過最大程度地減少大氣誤差、噪聲相位和DEM誤差提高形變精度的一種方法。區(qū)別于傳統(tǒng)D-InSAR,在獲取多幅解纏后的差分干涉圖之后,Stacking-InSAR通過相位疊加得到疊加時(shí)間基線內(nèi)的平均形變量。其基本假設(shè)是每一幅干涉圖的大氣擾動(dòng)是隨機(jī)的,區(qū)域上的形變是線性的 (Strozzi et al., 2000;范景輝等,2008;張洋等,2016)。

為對(duì)鬃嶺地區(qū)潛在活動(dòng)性滑坡范圍進(jìn)行識(shí)別并獲取年平均變形值,利用Stacking-InSAR方法對(duì)鬃嶺滑坡群變形進(jìn)行計(jì)算。此次提出了一種基于短基線策略的Stacking-InSAR處理方法,其處理流程如下。

(1)首先,將覆蓋鬃嶺滑坡群的多幅圖像配準(zhǔn)到選取的主影像成像空間上,結(jié)合InSAR數(shù)據(jù)波段特征設(shè)置時(shí)間和空間閾值調(diào)整干涉組合,生成差分干涉圖。

(2)其次,利用自適應(yīng)濾波算法降低相位噪聲并利用地形信息和SAR數(shù)據(jù)入射角生成陰影疊掩圖用于干涉圖對(duì)干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜,剔除可能出現(xiàn)的解纏誤差項(xiàng)。

(3)最后,對(duì)多幅差分干涉相位進(jìn)行疊加,獲取疊加時(shí)間基線內(nèi)的相位信息,并將相位信息轉(zhuǎn)換為變形量數(shù)值。

上述Stacking-InSAR流程通過對(duì)所獲取影像時(shí)間和空間基線進(jìn)行優(yōu)化組合,利用時(shí)間基線和空間基線較短的差分干涉,保證了每幅干涉圖的高相干性,克服了傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)中的時(shí)空基線過長(zhǎng)引起的去相關(guān)問題,優(yōu)化后數(shù)據(jù)處理方法獲取的形變量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

3 滑坡識(shí)別與變形模式分析

3.1 光學(xué)遙感解譯結(jié)果

利用2017年至2019年12期多源多時(shí)相光學(xué)影像對(duì)鬃嶺滑坡群進(jìn)行解譯,共識(shí)別出變形現(xiàn)象64處。其中滑坡37處,裂縫27條,主要沿鬃嶺桌山邊緣展布(圖3)。區(qū)內(nèi)滑坡以巖質(zhì)滑坡碎屑流為主,裂縫主要分布在箐腳(L18)滑坡和新房子2#(L27)滑坡處,展布方向與滑坡后緣展布方向基本一致,為后緣拉裂縫。在東側(cè)變形區(qū)崩滑體內(nèi)部有少量裂縫發(fā)育,這一結(jié)果與野外調(diào)查結(jié)果一致。

3.2 InSAR觀測(cè)結(jié)果

以2017年11月24日數(shù)據(jù)為主影像對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。設(shè)置時(shí)間閾值和垂直基線閾值分別為200d和500m,共產(chǎn)生15個(gè)干涉組合。利用空間濾波對(duì)隨機(jī)大氣進(jìn)行減弱;通過高程與層流大氣之間的相關(guān)性建立了模型,對(duì)分層大氣誤差進(jìn)行了修正;并利用解纏后的差分干涉相位對(duì)軌道誤差進(jìn)行糾正。解纏參考點(diǎn)選擇鬃嶺滑坡群東南側(cè)的穩(wěn)定居民區(qū)(圖3)。設(shè)置最小連續(xù)變形疊加期數(shù)為12期,獲取干涉時(shí)段平均變形量。

圖3 鬃嶺滑坡群光學(xué)解譯滑坡災(zāi)害分布圖Fig.3 Optical interpretation of the landslide distribution in the study area

基于8期PALSAR-2數(shù)據(jù)獲得了2017年5月至2018年8月鬃嶺地區(qū)多時(shí)段地表變形信息(圖4)。鬃嶺地區(qū)變形具有明顯的帶狀特征,沿山體走向展布。2017年5月14日至2017年6月11日干涉圖(圖4a)顯示鬃嶺滑坡群東西側(cè)和中部存在明顯變形跡象。變形區(qū)域在2017年6月11日至2017年11月12日期間明顯擴(kuò)大(圖4b、4c),在2017年11月11日至2017年12月24日短暫收縮(圖4d),并在2017年12月24日至2018年4月15日繼續(xù)擴(kuò)大(圖4e),隨后不斷減小(圖4f)。條帶狀變形區(qū)走向與地下煤系地層走向一致。

圖4 鬃嶺滑坡群多時(shí)段D-InSAR地表變形圖Fig.4 Multi-period surface deformation of the Zongling landslide group derived from D-InSAR(a) Interferogram from 14 May 2017 to 11 June 2017; (b) Interferogram from 11 June 2017 to 6 August 2017; (c) Interferogram from 6 August 2017 to 12 November 2017; (d) Interferogram from 12 November 2017 to 24 December 2017; (e) Interferogram from 24 December 2017 to 15 April 2017; (f) Interferogram from 15 April 2017 to 8 July 2018

多期干涉圖像中均觀察到以同心圓環(huán)向外拓展的紅黃色交替干涉圖斑,表明圖斑中心發(fā)生變形大于一個(gè)周期的位移量(圖4)。其變形特點(diǎn)為中部變形大,四周變形小,是采煤地區(qū)塌陷漏斗的圖斑特征。野外調(diào)查走訪得知,中部變形區(qū)對(duì)應(yīng)左家營(yíng)煤礦及光華煤礦采空區(qū),西部變形區(qū)為中嶺煤礦及月亮灣采空區(qū),東側(cè)為富源煤礦采空區(qū),變形區(qū)域在空間上與采空區(qū)具有很好的對(duì)應(yīng)性,因此鬃嶺滑坡群變形的主要原因是下部采煤活動(dòng)。

3.3 綜合解譯結(jié)果

通過Stacking-InSAR計(jì)算獲得了鬃嶺滑坡群年平均變形速率(圖5)。其變形量為星載雷達(dá)視線向(LOS)變形,其中正值變形表示靠近雷達(dá)視線向方向的變形,負(fù)值變形表示雷達(dá)視線向的變形。鬃嶺區(qū)域山體年平均變形速度為-20.4~10.2cm/a,位移量最大的區(qū)域集中在桌山邊緣和高陡變形帶山腳部分。桌山邊緣和山前平臺(tái)部分呈現(xiàn)出不同的變形規(guī)律,上部山體主要為遠(yuǎn)離視線方向變形,投影到水平向后表現(xiàn)為豎直向下的運(yùn)動(dòng)。

圖5 鬃嶺滑坡群年均變形速率圖Fig.5 Average annual deformation rate of the Zongling landslide groupThe landslide boundary is the result of optical interpretation. The deformation rate ribbon shows the results calculated by InSAR

利用Stacking-InSAR計(jì)算結(jié)果對(duì)桌山邊緣的快速變形區(qū)進(jìn)行提取,快速變形區(qū)與已發(fā)滑坡重疊度較高(圖5)。鬃嶺滑坡群滑坡類型為巖質(zhì)滑坡碎屑流,滑源巖體陡峭,受裂縫切割嚴(yán)重,堆積區(qū)為第四紀(jì)土體及碎石。結(jié)合光學(xué)影像及野外踏勘對(duì)危險(xiǎn)范圍進(jìn)行劃分(圖5)。

光學(xué)解譯結(jié)果與InSAR結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),區(qū)內(nèi)滑坡存在不同程度的變形(圖5)。其中鬃嶺滑坡群中部滑坡變形程度最大,多處滑坡滑源位置存在持續(xù)性變形;西側(cè)區(qū)域滑坡體存在少量變形,東側(cè)變形區(qū)基本穩(wěn)定,沒有發(fā)生進(jìn)一步的變形。受采煤和高陡臨空面的影響,鬃嶺滑坡群內(nèi)飛仙關(guān)組灰?guī)r和砂巖巖組最易發(fā)育活動(dòng)性滑坡,將滿足條件:①發(fā)育在飛仙關(guān)組灰?guī)r和砂巖中;②坡度大于40°;③InSAR變形速率大于6cm/a的斜坡劃定為危險(xiǎn)變形體。

3.4 滑坡變形模式

鬃嶺滑坡群靠近加戛背斜核部,加之東北向斷層的作用,應(yīng)力集中明顯(程宇等,2019)。其地層易于發(fā)生拉張作用,并在巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量尺寸較小的豎向和近水平向裂縫(Zheng et al., 2015)。高陡變形帶下部有長(zhǎng)時(shí)間大范圍采礦活動(dòng),巷道頂板上部巖體壓縮變形,邊坡發(fā)生應(yīng)力調(diào)整,采煤巷道頂板及桌山邊緣產(chǎn)生拉裂縫(趙建軍等,2016)。隨著裂縫的不斷發(fā)展,山體頂部裂縫向內(nèi)拓展與巖體內(nèi)部緩傾裂縫貫通,在外力作用下山體逐漸發(fā)生失穩(wěn)破壞(楊忠平等,2020)。根據(jù)光學(xué)解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析,按照滑源物質(zhì)及斜坡變形特征將鬃嶺滑坡群內(nèi)滑坡變形模式劃分為拉裂-傾倒型和拉裂-剪斷兩種類型。

拉裂-傾倒型滑坡主要發(fā)生在飛仙關(guān)組灰?guī)r巖層中,其失穩(wěn)變形主要由靠近高陡凌空的一組陡傾裂縫和一組緩傾裂縫控制(圖6a)。采空區(qū)重復(fù)開采對(duì)上部巖層擾動(dòng)增加,山頂裂縫向巖體內(nèi)部拓展,切割灰?guī)r巖體。隨著裂縫不斷延伸,裂縫寬度增加,形成良好的進(jìn)水通道,最終導(dǎo)致危巖體向凌空面傾倒破壞(圖6b、6c)。其主要特征是①控制性裂縫發(fā)育在灰?guī)r巖層中;②裂縫陡傾,靠近高陡凌空面且貫穿巖體較深,該類型滑坡堆積體最大粒徑一般超過8m;③等效摩擦系數(shù)(H/L)為0.3~0.4,災(zāi)害的影響范圍較大,典型實(shí)例為大土寨滑坡(L7)和中嶺滑坡(L36)。

圖6 拉裂-傾倒型變形模式圖Fig.6 Deformation pattern of pull-toppling landslide(a) Fracture development; (b) Formation of dangerous rock mass; (c) Slope failure

拉裂-剪斷型滑坡主要發(fā)生在飛仙關(guān)組泥質(zhì)粉砂巖巖層中。不同于拉裂-傾倒型,地下開采導(dǎo)致山頂泥質(zhì)粉砂巖層產(chǎn)生拉張裂縫,裂縫在巖體內(nèi)部沿緩傾結(jié)構(gòu)面拓展(圖7a),坡體在自身重力作用下沿緩傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生蠕動(dòng)變形,前端灰?guī)r巖層構(gòu)成維持坡體穩(wěn)定的鎖固段(圖7b),隨著裂縫不斷向前拓展,坡體剪斷鎖固段發(fā)生失穩(wěn)破壞(圖7c)。其主要特征是①控制性裂縫發(fā)育在砂巖巖層中;②裂縫緩傾,深度較淺,類型滑坡堆積體粒徑一般不超過4m;③等效摩擦系數(shù)(H/L)大于0.6,滑坡體運(yùn)動(dòng)距離相對(duì)較近,典型實(shí)例為箐腳滑坡(L18)。

圖7 拉裂-剪斷型滑坡變形模式圖Fig.7 Deformation pattern of pull-clipping landslide(a) Fracture development; (b) Formation of dangerous rock mass; (c) Slope failure

4 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.1 適應(yīng)于鬃嶺滑坡群的滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)公式

運(yùn)動(dòng)距離是崩滑災(zāi)害危害性評(píng)價(jià)和防治重要的依據(jù)?；聨r性類別,運(yùn)動(dòng)機(jī)理,形成機(jī)制的復(fù)雜性,給滑坡的運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算帶來(lái)了難度。雖然影響滑坡運(yùn)動(dòng)距離的原因眾多,但是將滑坡體積和滑坡地形作為影響滑距最主要的因素成為研究滑坡運(yùn)動(dòng)距離的共識(shí)。目前已有眾多研究者提出了許多模型和方法,建立了滑坡規(guī)模與運(yùn)動(dòng)距離之間的聯(lián)系 (詹威威等, 2017;樊曉一等, 2018; 唐然等, 2018)。針對(duì)西南地區(qū)典型的巖質(zhì)滑坡-碎屑流這一災(zāi)害類型,鄭光等(2019)通過運(yùn)動(dòng)距離與勢(shì)能關(guān)系研究、量綱分析、模擬試驗(yàn)和數(shù)據(jù)回歸等方法,建立了滑坡體積、地形與堆積體粒徑結(jié)合的預(yù)測(cè)體系,總結(jié)出適應(yīng)于巖質(zhì)碎屑流的運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算公式:

公式中V為滑坡碎屑體體積;d為停積區(qū)最大粒徑,其值為滑坡堆積體中最大粒徑直徑;H為最大垂直運(yùn)動(dòng)距離,其值為滑坡前緣最低點(diǎn)與后源最高點(diǎn)之間的高程差;α、B為滑移區(qū)寬度和坡度,其值為滑坡體在運(yùn)移階段平均寬度和坡度;l1為最大水平運(yùn)動(dòng)距離,定義為滑坡前緣最低點(diǎn)與后源最高點(diǎn)之間的水平距離。公式在針對(duì)體積大于107m3以上的崩滑災(zāi)害具有較強(qiáng)的實(shí)用性,在計(jì)算體積較小的崩滑災(zāi)害時(shí)結(jié)果偏高(鄭光等,2019)。文中研究目的在于提取適用于上硬下軟層中發(fā)育的滑坡-碎屑流的改進(jìn)公式,由于該類型滑坡是滑坡碎屑流的一種特殊類型,因此其相關(guān)計(jì)算因子滿足公式1中的方程,僅需對(duì)其系數(shù)進(jìn)行修改。利用西南地區(qū)典型的上硬下軟巖層中的滑坡-碎屑流災(zāi)害信息,對(duì)公式進(jìn)行修正,提出一種適用于上硬下軟巖層中發(fā)育的滑坡-碎屑流的改進(jìn)公式;其計(jì)算流程如下:第一步提取已經(jīng)失穩(wěn)破壞的滑坡變形數(shù)據(jù),包括滑坡最大水平/垂直運(yùn)動(dòng)距離、停積區(qū)最大粒徑、滑移段寬度、滑移段坡度及滑坡體積(滑源面積);第二步利用公式1計(jì)算最大水平運(yùn)動(dòng)距離(修正前l(fā)1值),確定修正前最大水平運(yùn)動(dòng)距離與實(shí)際水平運(yùn)動(dòng)距離(l1實(shí)際值)計(jì)算誤差,對(duì)該偏差進(jìn)行平均,獲取改進(jìn)后的計(jì)算系數(shù);第三步將修正后的計(jì)算系數(shù)代入公式,并利用鬃嶺區(qū)域典型滑坡參數(shù)驗(yàn)證公式的可靠性。參數(shù)修正計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 模型修正采用的滑坡參數(shù)Table 2 Landslide parameters used to modify the calculation model

此次獲取了10個(gè)具有典型上硬下軟巖性特征的滑坡-碎屑流數(shù)據(jù)用于模型檢驗(yàn)(表2)。滑坡數(shù)據(jù)來(lái)源于野外實(shí)測(cè)及文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)(高楊等,2020)。0.1m高精度數(shù)字高程模型和Google earth光學(xué)影像用于輔助提取距離。結(jié)果顯示參照公式1計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在較大差異,理論計(jì)算值相較于實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移值偏大,其結(jié)果具有趨勢(shì)性,通過對(duì)系數(shù)的修正可以抵消計(jì)算結(jié)果的偏差(表2)。計(jì)算出實(shí)際與計(jì)算結(jié)果的偏差,對(duì)該偏差進(jìn)行平均,獲得適用于上硬下軟層中發(fā)育的滑坡-碎屑流的改進(jìn)公式:

通過調(diào)查鬃嶺變形帶區(qū)域5處已經(jīng)潰滑的典型巖質(zhì)滑坡,根據(jù)滑坡碎屑體體積、停積區(qū)最大粒徑、最大垂直運(yùn)動(dòng)距離、最大水平運(yùn)動(dòng)距離、滑移區(qū)寬度和坡度數(shù)據(jù)等參數(shù)信息,對(duì)公式2進(jìn)行驗(yàn)證(圖3,表3)。其中體積由面積-體積計(jì)算公式V=1.315A1.208(Xu et al.,2016)計(jì)算,其余數(shù)據(jù)來(lái)自光學(xué)遙感解譯與野外地質(zhì)調(diào)查。結(jié)果顯示滑坡最大水平運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算誤差在5%以內(nèi),證明該改進(jìn)公式對(duì)于上硬下軟層中的滑坡-碎屑流距離評(píng)估具有良好的適用性。

表3 改進(jìn)后計(jì)算模型驗(yàn)證表Table 3 Verification table of the improved calculation model

4.2 高危變形體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

結(jié)合航攝數(shù)字地表模型和InSAR變形年均變形速率信息,識(shí)別出左家營(yíng)(L17)和箐腳(L18)兩處威脅較大的危險(xiǎn)變形體。

4.2.1 左家營(yíng)危險(xiǎn)變形體

左家營(yíng)危險(xiǎn)變形體位于L17號(hào)滑坡滑源東側(cè),其巖性為飛仙關(guān)組暗紫紅色泥質(zhì)粉砂巖和灰?guī)r,上覆大量松散第四紀(jì)土體及碎石。Stacking-InSAR結(jié)果顯示最大變形速率為-10cm/a(圖8a),部分變形區(qū)域出現(xiàn)失相干現(xiàn)象未能獲得有效變形信息。綜合光學(xué)影像(圖8b)、InSAR圖像及野外地質(zhì)調(diào)查圖(圖8c、8d)對(duì)不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行圈定,其面積約為4242m2,滑移段坡度27°,堆積體最大粒徑12m。在降雨和工程擾動(dòng)作用下與可能發(fā)生失穩(wěn)破壞,其變形模式為拉裂-傾倒型。

圖8 左家營(yíng)危險(xiǎn)變形體InSAR變形速率和野外調(diào)查圖Fig.8 InSAR deformation rate map and field survey photo of the Zuojiaying deformed slope(a) Deformation rate of the Zuojiaying deformed slope; (b) UAV aerial photo of the Zuojiaying deformed slope; (c, d) Field photos of the Zuojiaying deformed slope (c: towards 25°, d: towards 280°)

4.2.2 箐腳危險(xiǎn)變形體

箐腳危險(xiǎn)變形體位于L18號(hào)滑坡滑源北側(cè),巖性為飛仙關(guān)組灰色層狀灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖,上覆松散第四紀(jì)土體。Stacking-InSAR顯示變形體最大變形速率-15 cm/a(圖9a)。綜合光學(xué)影像(圖9b)、InSAR圖像及野外地質(zhì)照片(圖9c、9d)對(duì)不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行圈定,其面積為4385m2,滑移段坡度36°,堆積區(qū)最大粒徑7m。該變形發(fā)育多條長(zhǎng)10~80m不等的裂縫,走向與滑源展布方向一致,裂縫最大錯(cuò)落高度達(dá)0.5m(圖9c、9d)。在降雨和工程擾動(dòng)作用下與可能發(fā)生失穩(wěn)破壞,其變形模式為拉裂-剪斷型。

圖9 箐腳危險(xiǎn)變形體InSAR變形速率和野外調(diào)查圖Fig.9 InSAR deformation rate map and field photo of the Jingjiao deformed slope(a) Deformation rate of the Jingjiao deformed slope; (b) UAV aerial photo of the Jingjiao deformed slope; (c, d) Field photos of the Jingjiao deformed slope (c:towards 9°, d: towards 11°)

利用公式2計(jì)算鬃嶺滑坡群左家營(yíng)和箐腳兩處危險(xiǎn)變形體最大水平運(yùn)動(dòng)距離分別為386.25m和219.76m,運(yùn)動(dòng)范圍均達(dá)到下方農(nóng)田及牲畜放牧范圍,需要對(duì)變形體加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并劃定活動(dòng)紅線區(qū),避免人員傷亡。

5 問題與分析

文章利用綜合宏觀變形和小微變形對(duì)滑坡現(xiàn)狀進(jìn)行描述,并對(duì)危險(xiǎn)變形體進(jìn)行識(shí)別。但在識(shí)別與計(jì)算過程中存在漏譯和誤差,主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)由于鬃嶺滑坡群植被茂盛且高精度無(wú)人機(jī)航攝照片在鬃嶺滑坡群東側(cè)部分缺失,野外地質(zhì)調(diào)查能夠?qū)Y(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充,但鬃嶺滑坡群山勢(shì)陡峭,通達(dá)性較差,因此解譯結(jié)果可能少于實(shí)際變形數(shù)量。

(2)InSAR計(jì)算誤差。首先,利用InSAR處理獲取的變形量是基于參考點(diǎn)的相對(duì)變形速率,其絕對(duì)變形量值有待校正。其次,研究中僅使用升軌數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,局部陰影疊掩區(qū)域變形信息未能有效獲取。此外,由于獲取的8期ALOS-2數(shù)據(jù)最大時(shí)間間隔為112天,也會(huì)造成變形失相干現(xiàn)象,丟失部分區(qū)域變形信息。Stacking-InSAR計(jì)算結(jié)果可以較好的反映變形區(qū)的范圍和強(qiáng)度,但由于對(duì)大氣和地形誤差的去除能力較弱,變形速率必將存在一定的系統(tǒng)偏差,但總體反映變形的差異,不影響對(duì)變形區(qū)的劃分。

(3)危險(xiǎn)性計(jì)算誤差。利用為經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)重點(diǎn)滑坡進(jìn)行距離分析時(shí),由于危險(xiǎn)滑坡體尚未發(fā)生失穩(wěn)變形,其滑坡體積(V)、地形(α、H)與堆積體粒徑(d)等參數(shù)是未知的,借助經(jīng)驗(yàn)公式及已有滑坡特征進(jìn)行取值,計(jì)算結(jié)果尚待實(shí)際檢驗(yàn)。

6 結(jié)論

研究通過綜合野外地質(zhì)調(diào)查、無(wú)人機(jī)航空攝影、多源光學(xué)遙感、InSAR觀測(cè)技術(shù)和解析公式計(jì)算對(duì)鬃嶺變形帶滑坡災(zāi)害進(jìn)行了精細(xì)識(shí)別和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),得到以下結(jié)論。

(1)地下采煤活動(dòng)是引起鬃嶺桌山邊緣山體變形的主要原因,InSAR觀測(cè)結(jié)果顯示鬃嶺地區(qū)變形具有明顯的帶狀特征,年平均變形速率為-20.4~10.2cm/a,與下部采空區(qū)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,大位移區(qū)域集中在采煤沉降和斜坡重力疊加的桌山邊緣地帶。

(2)鬃嶺地區(qū)現(xiàn)存變形現(xiàn)象64處其中滑坡37處,裂縫27條,危險(xiǎn)變形體2處?；轮饕l(fā)生在飛仙關(guān)組深灰色灰?guī)r巖層和暗紫紅色泥質(zhì)粉砂巖巖層中,根據(jù)滑源巖性及變形特征將滑坡劃分為拉裂-傾倒和拉裂-剪斷兩種類型。其中拉裂-傾倒型滑坡堆積體粒徑大,運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn),威脅較大。

(3)獲得巖質(zhì)滑坡碎屑流滑移距離計(jì)算公式,對(duì)鬃嶺地區(qū)上硬下軟地層中發(fā)育的采煤滑坡滑移距離具有良好的適用性,驗(yàn)證誤差在5%以內(nèi),利用該公式對(duì)鬃嶺滑坡群左家營(yíng)和箐腳危險(xiǎn)變形體進(jìn)行計(jì)算,預(yù)測(cè)危險(xiǎn)避讓距離在220~386m。

致謝:本文ALOS-2雷達(dá)數(shù)據(jù)由貴州省第一測(cè)繪院提供,納雍縣左家營(yíng)煤礦提供部分地質(zhì)及野外調(diào)查資料,對(duì)以上單位一并表示感謝。