基于时序InSAR技术的西安地铁沿线沉降监测及预测分析

城市轨道交通建设和运营造成的地铁沿线及周边区域的地表沉降,给地铁的安全运营带来极大的隐患,甚至造成严重的经济损失和不良的社会影响.本文以西安市地铁沿线地面形变现象为研究对象,利用覆盖西安市2017—2021年的44景Sentinel-1A影像数据,采用SBAS-InSAR方法获取地铁网络沿线的地表形变信息,并基于SVR模型和LSTM模型对典型地铁站点地面沉降进行预测分析.研究发现：(1)西安市地铁沿线呈现不同程度的地表形变现象,抬升区域主要集中在鱼化寨地区、电子城地区、西安城墙的南部,抬升速率最大为25 mm/a;(2) 2号线的南部、5号线的东西两段以及9号线的东段是沉降发生的主要路段,且5号线沿线整体不均匀沉降现象较为严重,最大沉降速率为32 mm/a,最大累积沉降量达130 mm;(3)通过不同预测模型实验对比,发现LSTM模型精度较高,预测结果显示2、5、9号线典型沉降区域未来四个月以每月约2.3 mm的最大速率继续沉降,需对典型沉降段进行持续监测．     

抽取承压水对区域地表沉降影响分析——以西安高新区为例

地下水超采引发的地面沉降灾害,目前成为影响我国多个重大城市经济可持续发展、城市规划建设及人们日常生活的主要区域性地质灾害,并已引起国内外众多学者的关注,但目前针对城市地面沉降灾害机理的研究多仅从纯数值模拟的角度进行分析,缺少综合多类实测资料从而构建与客观实际更为切合的地下水流模型,获得对地下水超采引发地面沉降机理的深入认知.基于此,本文选取我国地面沉降严重的西安市作为主要研究对象,并针对西安市高新技术开发区近年来越发严重的地面沉降现象,依据Leak夹层理论与太沙基有效应力原理,结合区域地下水与钻孔等实测资料,根据研究区土层结构及地下水流渗透特性将研究区在垂向上划分为5层结构体,构建了该区域较完备的地下水流模型,反演获取了该区域1992—2007年间地表沉降量及其分布特征,并据此分析了抽取地下承压水对区域地表沉降的影响,有效刻画出了研究域地面沉降发展的三个重要时期-快速发展期(1990—1995年)、持续发展期(1996—2001年)、减速期(2002—2008年).最后通过选取典型特征点并利用实测In SAR与GPS监测结果与模型模拟值进行了对比分析,验证了本文模型反演结果的可靠性.本文研究结果可有效弥补区域内其他监测手段数据空白区问题,对于深入理解及预测由于抽取地下承压水导致区域地表沉降具有一定的参考意义.     

工程水准复测垂直形变分析

利用京沪高铁京津段的八期工程水准复测资料,绘制了2007年3月-2011年3月间的京津地区垂直形变图,并对京津沿线地区近期垂直形变趋势进行了分析研究.研究结果表明,2009年3月至2011年3月期间,不同地点出现了正速率变化,与以往对于这一区域负速率变化的地面沉降规律形成了一个“反向”变化,显示出区域应力场受外部干扰和影响后的变化特征.为分析研究首都圈地区今后一段时间的地壳垂直形变趋势提供依据.     

利用GPS与InSAR研究西安现今地面沉降与地裂缝时空演化特征

西安孕育严重的地面沉降及地裂缝灾害,严重制约着城市的现代化发展,本文采用GPS精密定位和InSAR遥感差分技术对西安地面沉降和地裂缝进行变形监测与分析,获取了西安地面沉降与地裂缝整体变形现状的珍贵信息,通过对这些变形信息的研究分析,揭示了西安现今地面沉降与地裂缝时空演化特征和机理：随着停止或限采地下水,西安地面沉降量级由20世纪90年代中期的最大年沉降速率20～30 cm/a减少到不足10 cm/a,且超过60%的沉降区域的年沉降速率已由90年代中期的5~8 cm/a减少到不足2 cm/a;原有的沉降中心大部分已不存在或大大减小;地裂缝在时空活动与分布上与地面沉降存在明显的关联性;地面沉降和地裂缝随着西安高新区的建设向南、西南、东南逐步扩展.     

多年冻土区道路工程病害类型及特征研究

多年冻土及多年冻土区恶劣的环境给工程构筑物的建设及维护带来了极大的挑战。以青藏工程走廊内的青藏公路、青藏铁路两大道路工程为研究对象,系统论述了其路基工程、桥梁工程、涵洞工程的主要病害类型及分布特征。现场调查显示,青藏公路80%的路基病害由多年冻土融沉所引起,主要表现为严重的不均匀沉降变形和纵向裂缝,且主要发生在高填方路基上。这两种病害与多年冻土地温及含冰量密切相关,地温越高,含冰量越大,病害越为严重。青藏公路桥梁工程的病害主要集中在附属工程及上部结构上,而涵洞工程病害则主要由冻胀、融沉作用、泥石流淤积、冰塞以及施工原因导致。青藏铁路沿线现场监测及调查结果表明,目前铁路路基病害主要为高温冻土区普通路基的（不均匀）沉降变形、纵向裂缝、路桥过渡段沉降变形、风沙灾害及块碎石材料风化引起的冷却路基结构失效等。此外,青藏工程走廊内广泛分布着包括冻胀丘、冰椎、冰幔、热融湖塘等不良冻土地质现象,当上述不良地质现象与工程接近时,会对道路工程的稳定性造成威胁,严重时可导致一些工程病害的发生。     

交通荷载作用红层填料道路沉降细观模拟

为研究G6京藏高速兰州—海石湾段红层路基填料导致的沉降问题,建立二自由度路基路面耦合离散元模型。通过迭代运算,得到各层材料的细观参数,编写Fish函数,用冲击荷载及半正弦荷载模拟交通荷载作用,在此基础上分析荷载作用下路基路面各层颗粒的位移和应力时程曲线。研究表明：基层与红层填料交界面处出现位移分层现象,基层受水平拉应力作用,是裂缝发展的高风险区,在公路运营过程中应定期重点监测该区域裂缝的发生。PFC模型实现了路基土体及路面结构层在离散元软件中协同变形的耦合,为不良路基地区道路的病害问题及沉降变形计算提供研究思路,为该地区后续的路基病害整治奠定理论基础。     

区域网GPS观测得到的汶川大地震前后的地壳垂直运动

中国地壳运动观测网络1000个观测站的GPS非连续观测区域网分别在1999年、 2001年、 2004年、 2007年和2009年作了5次观测。 2008年5月12日汶川8.0 级地震震中(31.0°N, 103.4°E)恰好在区域网GPS观测站密集的地区。 区域网长期、 多期GPS观测可降低年周期变化影响, 有利于获取此次地震前后的垂直位移趋势变化。 简要讨论了GPS垂直位移观测的精度。 分析了垂直位移观测的主要干扰地面沉降, 特别是华北地区因大量抽取地下水产生的严重地面沉降。 为获取汶川地震前垂直运动信息, 首先剔除因大量抽取地下水产生的大幅度沉降干扰结果, 通过趋势面分析中国大陆垂直位移空间分布, 显示了3个垂直位移沉降最显著区域。 对比分析表明, 临近汶川震区的沉降区, 未见大量抽取地下水干扰影响。 汶川地震前1999—2007年区域网GPS观测站得到的垂直位移表明, 汶川地震紧临显著沉降区的西北侧, 龙门山断层北段垂直运动闭锁。 该沉降区与另两个沉降区的时空变化明显不同, 也与区域网水平应变异常区的空间分布不同, 但该沉降区与区域网水平应变异常区同时出现。 大幅度同震垂直位移集中在龙门山断层北段震前垂直位移闭锁区。 这些事实表明, 汶川地震前GPS观测到的紧临震中的沉降区及垂直运动闭锁区与汶川地震的发生存在密切关系。     

多年冻土区铁路路基热状况对工程扰动及气候变化的响应

基于青藏铁路沿线长期地温监测资料,对天然场地及铁路路基下部的浅层地温、多年冻土上限及下伏冻土地温动态变化过程进行对比分析,研究多年冻土区铁路路基热状况对于工程扰动及气候变化的响应过程.监测结果表明,路基修筑后边坡热效应显著,由此导致路基下部多年冻土热状况的不对称分布,必须引起足够的重视.块石路基修筑后,下部多年冻土上限抬升显著,其中阴坡路肩下抬升幅度普遍较阳坡路肩下显著.普通路基修筑后,在年平均地温低于?0.6～?0.7℃的地区下部多年冻土上限有不同程度的抬升,而在年平均地温高于?0.6℃的地区下部冻土上限则出现了一定程度的下降,其中阳坡路肩下降幅显著.受块石层冷却降温作用,低温冻土区块石路基下部浅层冻土地温有明显降温过程,而在高温冻土区这一降温趋势只存在于阴坡路肩下.对于普通路基,多年冻土上限抬升后,浅层冻土地温存在一定的升温过程.对于气候变暖,低温冻土区多年冻土的响应主要集中体现在冻土升温上,而高温冻土区多年冻土的响应则主要表现为冻土上限下降,冻土厚度减小.基于上述监测结果,可将目前青藏铁路路基热状况分为稳定型(低温冻土区块石路基)、亚稳定型(低温冻土区普通路基及高温冻土区块石路基)和不稳定型(高温冻土区普通路基).     

土石坝安全监测与有限元模拟

土石坝的安全监测包括两个部分,一是关于应力的监测,主要是孔隙水压力的监测;二是变形的监测,包括地表沉降、地基深层分层沉降、坝肩水平位移等.实际工程表明,土石坝在填筑施工中出现安全问题时,超孔隙水压力与坝肩水平位移会明显偏大,结合地表沉降与坝基深层位移监测结果能够对坝体施工安全有效预警.为研究土石坝坝体与软弱地基的沉降、...     

基于有限元方法的冕宁跨断层水准大幅变化机理

分析计算安宁河断裂带上冕宁跨断层水准场地原始观测数据及年均速率结果,结合1-1C测段加密观测数据的差异性特征,重点对滑坡、抽水2个主要影响因素,利用有限元方法构建该场地三维Mohr-Coulomb弹塑性滑坡体模型及二维抽水影响的单向流固耦合模型,模拟获得2种主要因素的影响模式。结果显示:冕宁水准1-1C测线中距离1C点约300 m范围为古滑坡体所处边坡的坡脚区域,古滑坡体对坡脚区域长期的累积作用使得该区域存在隆升变形特征,进而使1-1C测段在抽水造成的大幅下降过程中出现沉降量逐渐减小后再次增大的特征;地下水抽取造成沿水井形成了较为明显的抽水漏斗沉降变形特征,在含水系统平衡被打破后,1号点所处土体边坡更易受到抽水带来的沉降变形影响,出现与井口处相当甚至比井口附近更大的沉降变形。     

华北地区地下水开采对地壳应力的影响

近50年来华北地区遭受持续大面积过量开采地下水,已形成区域地下水漏斗、地面沉降、地陷地裂等地质灾害.然而,地下水的抽取减小了地壳的载荷,造成地壳应力场变化,这一点至今尚未被充分认识.为探索华北地区地下水超采对地壳应力场的影响,本文建立了二维有限元模型,定量计算地下水超采引起地壳变形和应力场变化.结果表明:华北地区地下水开采会引起地表抬升达+12.4cm;漏斗区上、中地壳的水平拉应力增量分别达到70kPa和35kPa;而在地下水开采区外围,水平压应力增量达20kPa;而华北地区构造主压应力积累速率约为0.5kPa·a-1.通过对比华北地区1980年前后5级以上地震的分布状况,本文认为地下水开采对区域构造应力场的扰动不可忽略,其卸载过程可能对华北地区大地震孕震过程存在减缓作用.     

基于PS-InSAR的蓟运河断裂震间形变监测研究

采用2014年10月22日至2019年4月11日之间的26景Sentinel-1升轨数据,基于PS-InSAR技术对蓟运河断裂这一隐伏断裂进行形变监测试验。结果表明：(1)研究区受地面沉降干扰强烈地区在南部宁河一带,向北地面沉降逐步减弱,在蓟运河断裂北段以北一带基本无地面沉降现象。(2)研究区北部的视向线形变速率在蓟运河断裂北段一带在0 mm·a^-1左右,向北随远离断裂形变速率增大,表明研究区北部受近东西向燕山隆起控制,有向南掀斜运动的趋势。(3)蓟运河断裂北段活动方式为黏滑,其两盘的视线向相对形变速率差约为1.83 mm·a^-1,蓟运河断裂南段两盘形变速率差小于2.96 mm·a,与2005—2012年的水准测量结果相近,表明蓟运河断裂2005年以来活动速率较为稳定。(4)在受到地面沉降影响下,隐伏断裂的InSAR形变场包含更多的非构造信息,无法获取断裂的具体形变速率。但断裂活动会导致断裂两盘含水层厚度不同,地下水超采造成的地面沉降幅度也不同,相应的其InSAR形变场在断裂两盘出现突变,对隐伏断裂的位置判定有一定意义。     

Simulation of regional land subsidence in the southern Yangtze Delta

Investigation of the deformation characteristics of individual hydrostratigraphic units is the key to construct a regional land subsidence model. All of 12 hydrostratigraphic units in the study area were discussed throughout. On the basis of the measured data of groundwater level, five kinds of changing patterns of groundwater level were deduced and the relationship between the deformation characteris-tics of aquifer units and the corresponding changing patterns of groundwater level was discussed. The study area is 1.7×104 km2, where the geological condition is complex. The changing patterns of groundwater level the hydrostratigraphic units have experienced vary from site to site and from time to time. Consequently, the deformation characteristics of units are sophisticated. An identical hydros-tratigraphic unit may exhibit different deformation characteristics, such as elasticity, elasto-plasticity, visco-elasticity, and visco-elasto-plasticity, at different sites or during different periods, not to mention the different units. The existing models are difficult to describe the complex visco-elasto-plastic con-stitutive law under the condition of land subsidence. So the Merchant’s model was modified to depict the visco-elasto-plastic behavior of units. Then a three-dimensional flow model with variable parame-ters and a vertical one-dimensional subsidence model were constructed and coupled. The coupled model was applied in simulating land subsidence in the southern Yangtze Delta and a satisfactory re-sult was obtained. The simulation results show that the new coupled model can depict the complex geological conditions and describe the developing process of land subsidence very well in the south-ern Yangtze Delta. The new model can surely be used to predict land subsidence in the future, which is very helpful to taking measurements to control land subsidence.     

王艳，廖明生，李德仁等.利用长时间序列相干目标获取地面沉降场.地球物理学报，2007

方法，相干目标分析是利用时间序列多景影像获取地表稳定反射体——高相干点目标的新方法.实验区选择上海市主城区约100 km2 区域，InSAR的实验数据采用覆盖1992～2000年间的25景ERS-1/2的单视复影像.在无先验沉降场模型的情况下，实验结果显示该实验区的地面沉降场在时间范围上跨越8年，平均观测时间采样率约为4个月，垂直形变精度优于5 mm，满足我国对城市地面沉降形变观测的要求.研究结果表明该方法可以用于今后大时间/空间尺度上的高精度地表形变观测.     

Three-Dimensional Numerical Investigation of Pore Water Pressure and Deformation of Pumped Aquifer Systems

Excessive groundwater withdrawal has caused severe land subsidence worldwide. The pore water pressure and the deformation of pumped hydrostratigraphic units are complex. A fully coupled three-dimensional numerical simulation was carried out for different pumping plans in this paper. When groundwater is pumped from a confined aquifer, the great compaction occurs in the pumped aquifer and its upper and lower adjacent aquitard units. Land subsidence is smaller and the area affected by land subsidence is greater when groundwater is pumped from the deeper confined aquifer. The pore water pressure in the pumped confined aquifer changes immediately with pumpage. In the adjacent aquitard units, however, the pore water pressure increases in the early pumping time and decreases in the early recharging time. The decrease in the pore water pressure vertically spreads from the interface between aquitard and pumped aquifer to the other surface of the aquitard. The pumped aquifer compacts and rebounds immediately with pumping and non-pumping or recharging actions, while the compaction and rebounding of the aquitard units clearly lag behind. The compaction of the adjacent aquitard unit first occurs near the interface between aquitard and pumped aquifer units, and the compaction zone spreads outward as the pumping goes on. The aquitards may expand vertically within some zones. Due to the inelastic deformation of soil skeleton, different pumping plans result in different land subsidence. For the same net pumpage, maximal land subsidence and horizontal displacement are the smallest for constant discharge and the greatest for recharge-discharge cycle.     

华北地区的现代构造运动

华北地区的现代垂直构造运动基本上沿袭着新构造运动的格局发展,大体上可以划分为鄂尔多斯上升区、汾渭下降带、太行山上升区、渤海下降区、冀豫下降区、冀辽上升区、齐鲁上升区和定县—德州过渡区等八部分。此外还有较小规模的银川下降区、中卫下降区、五原—呼和浩特下降区和下辽河下降区等四部分。 现代水平运动不甚强烈,年应变率为10-8级。主压应变轴向北50°东左右。南东向的拉张应变占主导地位     

白云深水区新生代沉降及岩石圈伸展变形

为认识白云深水区新生代构造沉降和岩石圈伸展变形特征,本文对过研究区的两条测线进行了回剥分析和伸展系数计算,结果表明:白云深水区新生代构造沉降具有幕式特点,由快到慢共分4幕:①65～24.4 Ma;②24.4～18.5 Ma;③18.5～13.8 Ma;④13.8～0 Ma,在裂后存在3期快速沉降(24.4～21Ma,1...     

宁波市地下水位动态与地面沉降预测分析

为了准确预测分析宁波市地下水位动态与地面沉降的发展趋势,建立了宁波市第四纪松散沉积层孔隙地下水流三维数值模拟模型和地面沉降与地下水位多元线性回归模型,预测了2009年底到2020年底的逐月地下水位动态和逐年地面沉降量的变化特征.结果表明,从2013年起,除山区沟谷孔隙潜水地下水位降落漏斗逐渐扩大外,其余孔隙水的地下水流场基本趋于稳定,地下水位年际变化很小,年地面沉降量也逐渐变小,由2012年的5.62 mm/a逐渐下降到2020年的5.54 mm/a,由地下水位下降引起的地面沉降基本得到控制.     

利用D—InSAR技术研究临汾水准巨幅形变异常

通过D-InSAR技术获取了临汾水准两次巨幅形变异常期间的区域垂直形变场,结果显示：2009年2月20日至2009年10月23日,临汾水准所在的龙祠区域无明显变形,临汾市区南部出现的10～20mm的下沉区域为周边密集分布的多个电厂大量开采地下水所致;2010年1月1日至2010年3月12日,大部分区域变形量基本为零,在临汾盆地内部存在一些小的、空间上不连续分布的沉降区域。幅度约为10mm左右,此类型的沉降区域多与城市发展过程中大规模抽取地下水有关。基于InSAR的结果,表明临汾水准BN,测点的巨幅形变异常在InSAR形变图上无法显示,属于局部地区小范围的变形。     

利用PSInSAR时间序列研究拉奎拉地震位移场变化特征

对2009年4月6日意大利拉奎拉(LAquila)Mw6.3级地震9景ENVISAT重轨单视复数据采用双轨模式进行永久散射体(Persistent Scatterer,PS)处理,获得了此次地震时序位移场,结合PS位移场Delaunay算法数值分析,结果表明:1)Envisat干涉雷达完整而清晰地探测到了地震前后位移场变化过程及其在不同阶段与震源断裂相关的不同形变特征:震前蠕动位移-明显变形-震期快速突变-震后量级明显减缓的持续变形;2)在此次分析的约54×59km2区域内,震中以西为大面积上升区,视线向最大上升量为130mm;震中以东为下降区域,但下降集中在破裂区,主要在发震过程及震后形成,视线向最大下沉量为210mm,与GPS监测结果一致;3)地震产生的破裂主要分布在约22×14km2范围内,沿NW走向、SW倾斜的Paganica-S.Demetrio正断层展布,方向约135°;4)本文为探索利用PSInSAR时间序列进行地震趋势预测提供了一个较好的案例.