500kV變電站地表緩慢沉降監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用

韓曉言，卜祥航

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

500kV變電站地表緩慢沉降監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用

韓曉言1，卜祥航2

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

為實現(xiàn)多模式地表緩慢沉降監(jiān)測技術(shù)并提高監(jiān)測預(yù)警的成功率，論述了基于INSAR遙感監(jiān)測、光纖傳感監(jiān)測和地質(zhì)雷達(dá)地表無損監(jiān)測等監(jiān)測技術(shù)的研究及應(yīng)用。以四川省甘孜州某500kV變電站地面沉降為例，結(jié)合實地野外調(diào)查，對空間監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行效果分析，驗證了此監(jiān)測方法的可行性和準(zhǔn)確性。

地面沉降；光纖傳感；空間監(jiān)測數(shù)據(jù); 地質(zhì)雷達(dá)

0 引 言

四川地區(qū)作為中國重要的清潔能源送出基地，且地質(zhì)活動頻繁，大量的水電送出通道、特高壓通道都不可避免地穿越脆弱的地質(zhì)環(huán)境。因此地質(zhì)災(zāi)害對輸電通道和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的威脅日益加劇，對電網(wǎng)應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害提出了極大的挑戰(zhàn)[1-3]。

基于地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性和復(fù)雜性，其監(jiān)測預(yù)警研究目前仍是國際熱點[4-6]。國外采用遙感、GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、氣象雷達(dá)及微震技術(shù)等監(jiān)測手段對滑坡和地形形變等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測，以實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的長期、中期和短期的預(yù)報[7-8]。國內(nèi)雖起步較晚，但是現(xiàn)代測量技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)，特別是3S技術(shù)集成及其他相關(guān)領(lǐng)域的高速發(fā)展為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)提供了先進(jìn)的技術(shù)支撐[7-11]，同樣也運(yùn)用到四川電網(wǎng)的防災(zāi)減災(zāi)預(yù)警工作中。文獻(xiàn)[7]利用3S技術(shù)集成分析了丹巴康定輸電走廊地質(zhì)災(zāi)害遙感特征及預(yù)警對策；文獻(xiàn)[12]利用光纖傳感器和GPRS分析了四川某輸電走廊滑坡的變形特征。然而前人的研究中監(jiān)測數(shù)據(jù)種類單一，無法實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的相互驗證，從而無法獲得經(jīng)濟(jì)性與準(zhǔn)確性兼具的輸電走廊地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)手段。

下面以某500kV變電站地面沉降災(zāi)害作為案例分析，通過野外實地調(diào)查，結(jié)合INSAR遙感監(jiān)測、光纖傳感器傳感監(jiān)測和地質(zhì)雷達(dá)的地表無損監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域和點位全面立體的持續(xù)監(jiān)測。根據(jù)多種監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合判斷、互相驗證，提高地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警成功率，對地表緩慢沉降監(jiān)測進(jìn)行有效的早期預(yù)警，從而對電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行及社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展提供巨大的保障。

2 地表緩慢沉降空間監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 INSAR遙感監(jiān)測技術(shù)

利用監(jiān)測區(qū)域的高分辨率光學(xué)和INSAR遙感影像，實現(xiàn)SAR圖像滑坡和地形形變信息提取：1)利用SAR圖像和極化分解方法提取輸電通道以及附近區(qū)域的植被覆蓋變化信息[13]，給出植被分布圖，以此為基礎(chǔ)再利用多極化SAR圖像提取大規(guī)模滑坡信息，見圖1；2)利用SAR圖像和D-INSAR技術(shù)[14]，提取輸電通道緩慢地形形變信息，給出地形形變速率，從而判斷發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性以及對輸電設(shè)施的危害性，見圖2。

圖1 大規(guī)模快速滑坡信息提取流程

圖2 緩慢滑坡信息提取流程

2.2 地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)利用寬頻帶短脈沖電磁波，由天線發(fā)射器發(fā)送至地下，經(jīng)目標(biāo)體或電性界面反射后由雷達(dá)天線器接收，并以電磁反射波時域曲線形式成像。通過對所接收的雷達(dá)信號進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到探測異常的目的，如圖3所示。利用地質(zhì)雷達(dá)完成電網(wǎng)不同類型地質(zhì)災(zāi)害特征勘查與原因分析，突破了以往地質(zhì)災(zāi)害單純依靠地面測量為主的技術(shù)缺陷。

2.3 光纖傳感器監(jiān)測技術(shù)

靠近變壓器等強(qiáng)電磁場的附近，光纖類的方案能夠抵御強(qiáng)烈的電磁干擾。各個傳感器之間用通信光纜連接起來構(gòu)成光信息傳輸通道，最終傳輸給桿塔上光纖調(diào)制解調(diào)儀器。后者從中獲取信息后，通過電力部門專用的信號或者采用無線的方式，將數(shù)據(jù)傳回控制中心，傳感監(jiān)測系統(tǒng)流程圖見圖4。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測原理示意圖

圖4 光纖傳感器監(jiān)測技術(shù)示意圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)實例分析

某500kV變電站地面高程約1 900 m，后緣高程2 100 m左右，相對高差約200 m，屬侵蝕剝蝕中高山峽谷。變電站所在區(qū)域處亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū)，具有高原型氣候的特點，主要受高空西風(fēng)和西南季風(fēng)影響，干濕季節(jié)分明。變電站位于一古滑坡堆積體上，堆積體前緣較陡約35°～45°，后緣為較為平緩約15°～30°。堆積體下游側(cè)基巖露頭已形成陡崖地形。變電站位置見圖5。變電站承擔(dān)著該地區(qū)多數(shù)中小型電站電力電量輸出的任務(wù)，對于當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。由于變電站位于一古滑坡堆積體上，雖然修建時在前緣進(jìn)行了大面積填方，但從2015年7月開始變電站內(nèi)部出現(xiàn)了多處沉降變形，導(dǎo)致地面裂縫、墻體開裂和桿塔傾斜。變電站光纖傳感器布置圖見圖6。

3.1 變電站地裂縫發(fā)育特征及趨勢分析

通過對500kV變電站實地調(diào)查，結(jié)合衛(wèi)星影像圖，發(fā)現(xiàn)共發(fā)育6處沉降裂縫，其變形位置分布在電站環(huán)形路面的正北、北東、北西方向，裂縫分布見圖7。

野外調(diào)查的裂縫詳細(xì)信息如下：

圖5 變電站位置圖

圖6 變電站沉降觀測布點圖

圖7 500kV變電站沉降裂縫點位置衛(wèi)星影像圖

1號裂縫，2014年7月至8月發(fā)現(xiàn)，2015年7月至8月擴(kuò)大到1 cm，至今無明顯形變，寬度為1 cm、長度為4.5 m的東西向開裂。僅出現(xiàn)拉張裂縫，無明顯沉降變形，裂縫旱季變形量較小，但雨季隨著降雨產(chǎn)生的地表水滲入，有進(jìn)一步變形的可能性。

2號裂縫，2013年12月發(fā)現(xiàn)(已封填)，成南北向展布，長度為2.5 m，寬度為0.5 cm，有分支，分支角度30°。封填后無新的沉降變形，經(jīng)過長期監(jiān)測后，如果仍無變形，可以確定為穩(wěn)定狀態(tài)。

3號裂縫，2015年7月發(fā)現(xiàn)(已封填)，裂縫與垂直方向成30°角，寬度約為0.5 cm，長度為2 m貫穿。封填后無新的沉降變形，過長期監(jiān)測后，如果仍無變形，可以確定為穩(wěn)定狀態(tài)。

4號裂縫，2015年7月發(fā)現(xiàn)墻體微裂，裂縫呈45°，寬度約為0.3 cm,長度為3 m，基本貫通。沉降變形不明顯，有進(jìn)一步變形的可能性。

5—1號、5—2號、5—3號裂縫，2015年7月發(fā)現(xiàn)，至2015年8月汛期以來不斷擴(kuò)展，均沉降變形嚴(yán)重。5號裂縫是目前全變電站規(guī)模最大、分布范圍最廣、變形量最大、變形速度最快的裂縫。未來，已出現(xiàn)的寬口裂縫極易使地表水入滲，裂縫加劇發(fā)展變形的可能性很大，裂縫規(guī)模見表1。

6號裂縫，2015年12月發(fā)現(xiàn)，擠出裂縫位移最大處為5 cm，自上而下長為2.5 m。擠壓變形嚴(yán)重，存在牽引破壞的可能。

表1 500kV變電站地基5號裂縫規(guī)模統(tǒng)計

通過野外調(diào)查分析可知， 500kV變電站內(nèi)沉降裂縫較為發(fā)育，在持續(xù)強(qiáng)降雨條件下，有可能會進(jìn)一步發(fā)生沉降變形。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測效果分析

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測解釋成果(圖8)可知：變電站由于是填方地基，下方地層結(jié)構(gòu)較雜亂，無明顯基巖界面，存在多外地下水富集區(qū)。推測變電站地面沉降的主因是填方導(dǎo)致的不均勻沉降，其中地下水的異常分布是最直接的誘因，如圖9所示。

圖8 地質(zhì)雷達(dá)探測現(xiàn)象解釋

圖9 變電站地下水分布示意圖

3.3 于極化分解技術(shù)的大規(guī)模滑坡提取效果分析

所選兩幅SAR圖像為Radarsat-2全極化數(shù)據(jù)，分辨率為5.2 m×7.6 m，獲取時間分別為2016年5月25日和2015年6月18日。中心經(jīng)緯度為101°50’31”E、30°52’36”N。其范圍為左上角101°40’21”E、31°1’51”N；右上角102°0’40”E、31°1’51”N；左下角101°40’21”E、30°43’23”N；右下角102°0’40”E、30°43’23”N。

本算法中圖像經(jīng)過了7×7多視處理以及地形校正，根據(jù)初始像素點分辨率，因此一個像素點大約為49 m×49 m。為了便于顯示，選擇VV極化強(qiáng)度值作為背景灰度圖。另外，由于變電站標(biāo)記于圖上為一個像素點，肉眼不宜區(qū)分，因此將變電站及其周圍3×3像素點標(biāo)記為圓形白點(圖中方框內(nèi))，白點中心像素代表變電站所處位置；其余白色區(qū)域為實際提取結(jié)果，是5月份至6月份在變電站附近可能發(fā)生的滑坡分布。根據(jù)圖10可以看出，變電站遠(yuǎn)離滑坡區(qū)域，2016年5月25日至2015年6月18日期間發(fā)生的滑坡對變電站不會構(gòu)成危害。

圖10 監(jiān)測區(qū)域提取結(jié)果圖

3.4 變電站區(qū)域緩慢形變信息提取效果分析

基于DINSAR技術(shù)利用多幅全極化數(shù)據(jù)對變電站附近區(qū)域地表形變信息進(jìn)行了初步提取，采用的圖像與大規(guī)模滑坡信息提取的圖像相同。

變電站區(qū)域：-2 cm(符號為正，代表地表上升，反之則下降)。

根據(jù)緩慢形變提取結(jié)果可知，該區(qū)域都有不同程度的地形形變，但是形變量較小，鐵塔和變電站都比較安全，如果有強(qiáng)降水，則會導(dǎo)致形變速度加快，需要關(guān)注。

綜上所述，500kV變電站地表緩慢沉降監(jiān)測技術(shù)，確定了地面沉降的主要誘發(fā)因素是豐富的地下水，并提取了變電站區(qū)域地形形變參數(shù)和周邊滑坡信息，建議在強(qiáng)降雨條件下，加強(qiáng)對變電站的監(jiān)測預(yù)警工作。

4 結(jié) 論

地表緩慢沉降監(jiān)測技術(shù)包括野外實地調(diào)查、INSAR遙感監(jiān)測技術(shù)、光纖傳感器傳感監(jiān)測和地質(zhì)雷達(dá)地表無損監(jiān)測技術(shù)。主要解決的問題在于可根據(jù)多種監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合判斷、互相驗證，而獲得經(jīng)濟(jì)性與準(zhǔn)確性兼具的監(jiān)測系統(tǒng)。

以某500kV變電站地面沉降為例，通過地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)，發(fā)現(xiàn)地面沉降的主要誘發(fā)因素是異常豐富的地下水。在強(qiáng)降雨條件下，地面沉降會有繼續(xù)變形的可能性，這在野外調(diào)查和利用SAR影像提取的地形形變參數(shù)得到了驗證。而周邊地質(zhì)環(huán)境對變電站的影響，通過基于極化分解技術(shù)的大規(guī)模滑坡信息提取，可知2016年5月25日至2015年6月18日期間發(fā)生的滑坡對變電站不會構(gòu)成危害。上述案例分析，充分證明了地表緩慢沉降監(jiān)測技術(shù)的可用性與可靠性。

[1] 嚴(yán)福章, 李曉軍. 電網(wǎng)工程滑坡滑帶的工程地質(zhì)性質(zhì)[J]. 電力建設(shè), 2010, 31(11): 43-46.

[2] 張星海, 賈志杰. 四川電網(wǎng)建設(shè)運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)和解決措施[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(4):1091-1099.

[3] 王圣偉, 鄧創(chuàng), 劉友波,等. 四川電網(wǎng)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害隱患統(tǒng)計分析與對策[J]. 能源與環(huán)境, 2015(6):43-46.

[4] 黃露, 謝忠, 羅顯剛. 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息共享機(jī)制研究[J]. 測繪科學(xué), 2016, 41(5)：55-59.

[5] 馮振, 李濱, 趙超英,等. 三峽庫區(qū)山區(qū)城鎮(zhèn)重大地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警示范研究[J]. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報, 2016(3):685-694.

[6] 徐政宏. 在線監(jiān)測技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 地理空間信息, 2016, 14(7):93-95.

[7] 曹永興, 常鳴, 唐川,等. 丹巴康定輸電走廊滑坡泥石流遙感調(diào)查及預(yù)警對策[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 2013, 24(2):8-15.

[8] Cao Y X, Chang M, Tang C, et al. Remote Sensing Interpretation and Early Warning System Designing of Geohazards along Transmission Lines - A Case Study of the Danba - Kangding 500kV Double Circuit Transmission Line[J]. Advanced Materials Research, 2014, 986-987:1647-1650.

[9] 何滿潮. 滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)及其工程應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2009, 28(6):1081-1090.

[10] 劉傳正.中國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警站網(wǎng)建設(shè)構(gòu)想[J]. 地質(zhì)通報, 2002, 21(12):869-875.

[11] 王福濤, 王世新, 周藝,等. 高分辨率多光譜的蘆山地震次生地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測與評估[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2016, 36(1):181-185.

[12] Cao Y X, Xue Z H, Zhang C H, et al. Design and Application of Online Landslide Monitoring System for Transmission Lines Corridor Based on the Optical Fiber Sensing Technology [J]. Applied Mechanics & Materials, 2014, 556-562:3160-3163.

[13] 牛朝陽, 馬德寶, 張向峰. SAR目標(biāo)極化分解方法研究[J]. 微計算機(jī)信息, 2005(23):98-100.

[14] 于晶濤, 陳鷹. D-InSAR監(jiān)測地面沉降研究[C].城市建設(shè)與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測遙感技術(shù)應(yīng)用交流會，2002.

In order to realize the multi-mode monitoring technologies for transmission channel land subsidence and improve the success rate of monitoring and early warning, the space monitoring system is established, including INSAR remote sensing, optical fiber sensing and non-destructive surface monitoring with geological radar. Based on the ground subsidence of a 500kV substation in Sichuan province, the feasibility and accuracy of the proposed monitoring system are verified by field investigation and the effect of monitoring system.

surface subsidence; fiber sensing; space monitoring data; geological radar

TM835

A

1003-6954(2017)02-0046-05

2017-03-03)

韓曉言(1965)，博士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制，智能電網(wǎng)技術(shù)。

卜祥航(1987)，博士，主要從事輸電線路地震地質(zhì)災(zāi)害與抗震減災(zāi)技術(shù)研究。