SBAS監(jiān)測(cè)技術(shù)在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

孫志豪

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

大壩等基礎(chǔ)設(shè)施的合理使用對(duì)于保障民生，保護(hù)當(dāng)?shù)厮恋茸匀簧鷳B(tài)資源，對(duì)周邊居民的生活生產(chǎn)有著重要的作用[1- 2]。但大壩的建成，也為周邊的生活生產(chǎn)帶來(lái)了威脅與挑戰(zhàn)，近年來(lái)全國(guó)各地不斷報(bào)道由大壩變形引起的邊坡失穩(wěn)甚至垮塌帶來(lái)的社會(huì)及群眾生命財(cái)產(chǎn)損失的案例。因此對(duì)大壩的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋并迅速做出應(yīng)對(duì)至關(guān)重要。普通的監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于大壩變形方面的監(jiān)測(cè)浪費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力，因此，尋找一種能夠有效監(jiān)測(cè)大壩變形且省時(shí)省力的監(jiān)測(cè)方法對(duì)保障水利設(shè)施安全有著至關(guān)重要的作用。王利[3]通過(guò)灰色預(yù)測(cè)模型GM(1，1)和動(dòng)態(tài)灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行建模，并將該模型應(yīng)用于大壩變形預(yù)測(cè)，借助實(shí)測(cè)信息進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)等維信息動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)效果最好，灰色GM(1，1)模型由于其靜態(tài)特征預(yù)測(cè)精度最低，并認(rèn)為采用動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型能夠更好地預(yù)測(cè)大壩的變形信息。曾凡祥[4]借助LM(Leverberg Marquart)對(duì)傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行優(yōu)化，并將其應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測(cè)方面，最終借助試驗(yàn)證明優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)于大壩變形預(yù)測(cè)精度較高，且訓(xùn)練速度快，計(jì)算更為簡(jiǎn)潔。徐鋒[5]針對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法隨機(jī)性較強(qiáng)導(dǎo)致的計(jì)算速度慢等缺點(diǎn)，采用粒子群算法(PSO)對(duì)其權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化，并借助實(shí)際監(jiān)測(cè)大壩的水平位移資料進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，優(yōu)化后的算法精度更高，收斂更快。但這些模型或預(yù)測(cè)方法仍存在一定的局限性。

本文以某地水壩為對(duì)象，采用SBAS監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)比水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)SBAS監(jiān)測(cè)技術(shù)在大壩變形領(lǐng)域的適用性進(jìn)行研究，為其在水利設(shè)施監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某水利樞紐工程大壩壩頂長(zhǎng)約621.5m、壩體最高處的高度為51.6m。該大壩包含3孔沖沙閘和9孔泄洪閘以及溢流壩。其中，3孔沖沙閘與9孔泄洪閘的底板水準(zhǔn)高程約為198m，溢流壩前沿長(zhǎng)度約為195m，大壩左側(cè)有接頭壩，其壩長(zhǎng)約為337m，最高處高程為218m。該壩區(qū)水電站安裝有4臺(tái)貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量為120MW。水壩地處當(dāng)?shù)厍鹆陞^(qū)域，平均海拔在200～1100m海拔區(qū)間內(nèi)。該丘陵區(qū)域溝谷發(fā)育，河谷一般呈盆地狀展開，其寬度在511～832m范圍內(nèi)。

該地區(qū)地層主要包含侏羅紀(jì)系內(nèi)陸河湖相沉積的砂巖，粉砂巖以及粉砂質(zhì)泥巖。其巖相變化較大，砂巖交錯(cuò)發(fā)育，砂巖底部經(jīng)常出現(xiàn)形狀不規(guī)則的泥團(tuán)狀物質(zhì)。由第四系河流沖積形成的卵礫石層，主要表現(xiàn)為上部砂土，下部卵礫石夾砂，其厚度集中于3～18m區(qū)間內(nèi)，且主要分布于河床周圍。而其洪坡積堆積層主要集中分布于洼地等處，堆積層主要為紅褐色黏性土夾雜碎卵石，厚度集中于1～18m范圍內(nèi)。大壩所在區(qū)域地震活動(dòng)較弱，位于拗陷帶的東北翼緣處，地勢(shì)較為平緩。

2 研究方法

差分干涉測(cè)量短基線集時(shí)序分析技術(shù)(Small Baseline Subset InSAR，SBAS-InSAR)將時(shí)間基線與空間基線自由組合，從而形成不同的小基線集合，基線集合的增多，能夠增加不同時(shí)間與空間的觀測(cè)值，在一定程度上大大提高了監(jiān)測(cè)的精度。

其原理為對(duì)于X+1景所覆蓋的圖像，將其按照時(shí)間順序進(jìn)行排序，在不同的時(shí)間序列上進(jìn)行自由組合，生成不同的小基線集合，通過(guò)差分干涉的方法生成指定數(shù)量的干涉圖像。不同時(shí)間線組合而成的干涉圖的干涉相位差可表示為：

δφj(x,r)=φB(x,r)-φA(x,r)

(1)

上式可以近似等于：

δφj(x,r)≈Δφdef(x,r)+Δφtop(x,r)+
Δφatm(x,r)+Δφnoise(x,r)

(2)

式中，δφj—第j幅圖的干涉相位差；φA(x，r)—對(duì)應(yīng)時(shí)間段為A時(shí)刻的影像對(duì)時(shí)間為0時(shí)刻的相位；φB(x，r)—對(duì)應(yīng)時(shí)間段為B時(shí)刻的影像對(duì)時(shí)間為0時(shí)刻的相位；φdef(x，r)—變形相位；φtop(x，r)—地形相位；φatm(x，r)—大氣相位；φnoise(x，r)—噪音相位。

不考慮大氣相位和噪音相位，可將上述式子化簡(jiǎn)為：

δφ=Aφ

(3)

式中，δφ—干涉相位差；A—矩陣；φ—對(duì)應(yīng)0時(shí)刻的相位。

通過(guò)DSM對(duì)地形相位φtop(x，r)進(jìn)行去除，使用濾波的方法降低噪音相位φnoise(x，r)的影響；使用線性模型計(jì)算平均變形速率，考慮濾波處理過(guò)的大氣相位和噪音相位的非線性結(jié)果，二者進(jìn)行疊加得到最終的變形結(jié)果。

3 結(jié)果分析

3.1 進(jìn)出水口變形結(jié)果分析

為了研究大壩的變形，將大壩的進(jìn)水口、出水口、以及西壩部分逆時(shí)針獲取進(jìn)水口斷面c-c′、出水口斷面j-j′、西壩斷面d-d′ 3個(gè)斷面。并在突出位置標(biāo)定特征點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G、H、J等9個(gè)特征點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 大壩實(shí)際變形速率及特征點(diǎn)與斷面位置圖

大壩進(jìn)出水口的不同斷面變形速率與累計(jì)變形量如圖2所示。

圖2 大壩進(jìn)出水口的斷面變形速率與特征點(diǎn)累計(jì)變形量

圖2(a)為壩體中軸線距離與沉降速率關(guān)系圖，由圖2(a)可以看出，在同一斷面中迎水坡的沉降速率大于背水坡的沉降速率，其中在壩體的出水口斷面處迎水坡的沉降速率約為-21mm/a，出水口相比其他2個(gè)部分的沉降速率大，沉降現(xiàn)象最嚴(yán)重。在進(jìn)水口斷面處，沉降速率一直維持在0～5mm/a區(qū)間段，較穩(wěn)定，總體沉降量最低。為了更進(jìn)一步看出沉降量的變化，由圖2(b)所示的特征點(diǎn)累計(jì)變形量圖可以看出，2014—2020年，特征點(diǎn)J的累計(jì)沉降量最大，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，沉降量呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，至2020年10月總體沉降量達(dá)130mm。特征點(diǎn)D與J類似，而C和E 2個(gè)特征點(diǎn)處隨時(shí)間增長(zhǎng)，沉降量變化較小，總體較穩(wěn)定。

3.2 精度分析

將SBAS變形中的水準(zhǔn)點(diǎn)與實(shí)際水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，采用中誤差(均方根差)和相關(guān)系數(shù)的形式分析監(jiān)測(cè)精度。中誤差公式為：

(4)

式中，m—中誤差；n—樣本數(shù)；di—水準(zhǔn)點(diǎn)第i時(shí)刻的累計(jì)變形量；li—實(shí)際狀態(tài)下的第i時(shí)刻的累計(jì)變形量。

考慮到InSAR所監(jiān)測(cè)沉降量的角度是沿著雷達(dá)視線的角度，將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為垂直狀態(tài)下的變形：

(5)

式中，h—垂直方向上觀測(cè)得到的沉降量；l—斜視觀測(cè)得到的沉降量；θ—雷達(dá)傾角。

隨機(jī)選取大壩上的不同水準(zhǔn)點(diǎn)，與SBAS監(jiān)測(cè)下的沉降量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨機(jī)選取的6個(gè)特征點(diǎn)其平均相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，中誤差在20mm以內(nèi)的點(diǎn)占總數(shù)量的75%。由圖3(a)、(d)、(e)、(f)可以看出，由于特征點(diǎn)的取點(diǎn)方法從小到大為自東向西，因此對(duì)于大壩東部和大壩西部，受水位影響的總體變形量較小，各點(diǎn)位累計(jì)變形量的方差均值為16mm，不同水準(zhǔn)點(diǎn)之間的中誤差值均較小，實(shí)際水準(zhǔn)點(diǎn)與SBAS所監(jiān)測(cè)得到的水準(zhǔn)點(diǎn)累計(jì)沉降量最為接近。在圖3(b)(c)中，中誤差值較大，可能是當(dāng)?shù)氐叵滤倪^(guò)度開發(fā)造成的地面沉降。在使用(5)式轉(zhuǎn)換過(guò)程中垂直誤差引起了較大的中誤差，致使中誤差達(dá)到32.3mm和40.4mm，但二者相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，對(duì)比于實(shí)際的累計(jì)沉降量依然具備一致性。

圖3 不同特征點(diǎn)的累計(jì)沉降量對(duì)比圖

3.3 危險(xiǎn)性分析

參照規(guī)范DD 2014—11《地面沉降干涉雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)程》的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將不同沉降速率進(jìn)行分類見表1。

表1 沉降速率分類標(biāo)準(zhǔn) 單位：mm/a

對(duì)比前文可以看出該大壩的中部區(qū)域沉降量較低，沉降速率最大值為-21mm/a，累計(jì)沉降量達(dá)-135mm，屬較低沉降區(qū)域。而壩體西部區(qū)域的沉降速率最大值為-52mm/a，累計(jì)沉降量達(dá)-270mm，屬較高沉降區(qū)域。

4 結(jié)論

本文以某大壩為對(duì)象，借助SBAS監(jiān)測(cè)技術(shù)得到的大壩不同位置的沉降量與沉降速率，對(duì)比實(shí)際水準(zhǔn)點(diǎn)的沉降。結(jié)果顯示壩體的出水口相比其他部分的沉降速率大，沉降現(xiàn)象最為嚴(yán)重。進(jìn)水口斷面處，較為穩(wěn)定，總體沉降量最低。大壩中部區(qū)域沉降量較低，西部區(qū)域的沉降速率及累計(jì)沉降量較大。通過(guò)SBAS技術(shù)得到的沉降量與實(shí)際水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)得到的累計(jì)沉降量相關(guān)系數(shù)較高，雖存在部分中誤差較高的個(gè)例，但總體具備一致性，SBAS監(jiān)測(cè)技術(shù)可應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測(cè)。SBAS監(jiān)測(cè)技術(shù)在大壩變形監(jiān)測(cè)時(shí)，存在部分中誤差較高的情況，建議在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，定期人工符合，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。