基于InSAR数据与三维数值模拟的滑坡-桥梁相互作用机制研究

针对滑坡与桥梁结构相互作用机制复杂、监测手段局限的问题，本研究创新性地结合合成孔径雷达干涉测量(InSAR)与三维有限元数值模拟(FEM)，揭示了意大利帕尔马地区某桥梁受滑坡影响的位移特征。通过多轨道数据融合与时空对齐技术，实现了二维位移场重构，发现桥梁下游横向位移达14 cm，验证了水平推力导致的桥体倾斜。该集成方法为基础设施滑坡风险防控提供了高精度动态评估工具。

　　

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，滑坡地质灾害对交通基础设施的威胁日益凸显。意大利北部亚平宁山脉地区因其复杂地质条件，每年发生大量滑坡事件，其中桥梁结构因承受多维力学作用而成为高风险目标。传统监测手段如钻孔测斜仪仅能获取局部数据，而合成孔径雷达干涉测量(InSAR)虽可实现大范围地表形变监测，却受限于单视线向(LOS)投影的维度缺失问题。更棘手的是，现有模型难以准确模拟滑坡与桥梁的立体交互机制，导致风险预警存在盲区。

针对这一系列挑战，由FABRE联盟资助的研究团队开展了跨学科攻关。研究选取意大利帕尔马省典型滑坡-桥梁系统为对象，通过融合多时相InSAR数据与三维有限元建模(FEM)，首次实现了从地表位移到深层滑移的全过程耦合分析。论文创新性地采用PS-InSAR技术处理升降轨数据，结合缓冲距离匹配法和时间对齐算法，将LOS位移分解到假定变形平面，构建出二维位移场。数值模型则采用Mohr-Coulomb准则描述土体非线性特性，成功再现了滑坡推力导致的桥梁墩台14 cm水平位移。

关键技术方法
研究整合升/降轨Sentinel-1卫星数据(2014-2021年)，运用PS-InSAR技术提取1,528个永久散射体(PS)位移时序。通过比较栅格化与矢量重采样方法，最终选用基于几何距离的PS配对策略，在50米缓冲区内实现数据融合。三维有限元模型涵盖1.2 km²研究区域，采用15节点楔形单元离散化，参数校准结合了钻孔数据与InSAR反演结果。

主要研究结果

Case study
研究区位于艾米利亚-罗马涅大区，坡度10°-15°的泥质岩斜坡上发育复式滑坡体。意大利滑坡编目(IFFI)显示该区域存在历史滑动面，近期位移已波及桥梁南侧桥台及3个墩基。

Methodology
InSAR与FEM的协同框架包含三个创新环节：(1) 通过MSBAS-InSAR技术将LOS位移转换为沿滑坡主方向的二维分量；(2) 采用"合成PS"概念解决升降轨数据时空非共址问题；(3) 利用位移反分析确定滑带土体强度参数，弹性模量修正幅度达18%。

Analysis of the numerical simulation results
模拟显示位移场呈显著空间异质性，下游区域最大位移14 cm，桥墩产生0.35°倾斜角。应变能密度分布揭示桥台基础为应力集中区，与InSAR识别的6 mm/年高变形区吻合。

Discussion
对比五种重采样方法表明，基于20米缓冲区的PS匹配法误差最小(±1.2 mm)。模型验证阶段，InSAR数据将FEM预测精度提升37%，特别在缺乏地面监测点的桥下游区域。

Conclusions
该研究建立了滑坡-桥梁互作评估的新范式：InSAR提供大范围时空基准，FEM解析深层力学响应。实测数据证实，集成方法使位移预测均方根误差降至2.1 mm，较单一方法提高42%。成果为《International Journal of Disaster Risk Reduction》收录，其技术路线已应用于FABRE-ASTM道路安全监测系统。

这项研究的突破性在于首次实现InSAR位移场与三维力学响应的动态耦合，解决了传统方法中"看得见测不准"与"算得出验不了"的双重困境。特别是提出的合成PS时空对齐算法，为山区基础设施全生命周期监测提供了普适性框架。随着欧洲空间局(ESA)新一代雷达卫星发射，该方法在重大工程滑坡早期预警领域具有广阔应用前景。