采用北斗精確定位技術(shù)監(jiān)測(cè)輸電線路桿塔基礎(chǔ)位移

馮志強(qiáng)，胡丹暉，姚 堯，周學(xué)明，張耀東，汪 濤

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

湖北省具有地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地、平原和湖區(qū)兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn)，地質(zhì)條件復(fù)雜、降雨豐沛、人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈等因素，造成地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生種類多、分布廣、頻率高、災(zāi)情重，是我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)省份之一。其中崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷（包括巖溶地面塌陷、采空地面沉陷）災(zāi)害發(fā)生最為頻繁，對(duì)輸電線路的破壞性最強(qiáng)，極易導(dǎo)致輸電線路桿塔及基礎(chǔ)的傾斜、變形、沉降，嚴(yán)重威脅輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

目前，輸電線路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)主要是在汛前加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害隱患排查，汛中加強(qiáng)線路運(yùn)維巡視，訊后加強(qiáng)災(zāi)后治理。而在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前通常存在一個(gè)緩慢而微弱的發(fā)育過(guò)程，一般難以被人為察覺(jué)。這種運(yùn)維工作方式往往不能在災(zāi)害發(fā)生前及時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)隱患，提前發(fā)出災(zāi)害預(yù)警，為災(zāi)害治理?yè)屝尢峁┏渥愕姆磻?yīng)時(shí)間。在災(zāi)害出現(xiàn)發(fā)育跡象時(shí)，不能對(duì)災(zāi)害發(fā)育程度進(jìn)行評(píng)估[3]。因此，亟需一種對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育過(guò)程、發(fā)育程度進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的手段，以便評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為線路運(yùn)維決策分析提供支持。

2017年4月10日，湖北地區(qū)某500 kV輸電線路桿塔受地質(zhì)影響而出現(xiàn)滑移，導(dǎo)致桿塔主材變形、傾斜度增加，橫隔面交叉材向上彎曲拱起。本文采用北斗精確定位系統(tǒng)對(duì)桿塔基礎(chǔ)，進(jìn)行毫米級(jí)精度的全天候不間斷在線監(jiān)測(cè)，2個(gè)多月的監(jiān)測(cè)結(jié)果反映出該基桿塔朝下坡向累計(jì)發(fā)生14.8 mm的滑移，為線路運(yùn)維搶修提供了直接參考依據(jù)。北斗精確定位系統(tǒng)采用載波相位差分技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度的定位[4-5]，其雙差模型可以消除衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)種差的影響；消弱衛(wèi)星星歷誤差的影響；消弱對(duì)流層和電離層折射誤差的影響，大大提高定位的精度，滿足輸電線路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的應(yīng)用需求。

1 事故概況

1.1 基本情況

事故桿塔為500 kV同塔雙回的耐張轉(zhuǎn)角塔，桿塔型號(hào)為SJ3A-24，轉(zhuǎn)角度數(shù)為左30°44′。導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJ-630/55鋼芯鋁絞線，線路左側(cè)采用GJ-80鍍鋅鋼絞線地線，右側(cè)采用OPGW-130-24通信光纜。桿塔基礎(chǔ)為巖石嵌固型原狀土基礎(chǔ)，底部擴(kuò)底，基礎(chǔ)深度10 m，直徑2 m。

該塔位于高山體中部，屬于滑坡不良地質(zhì)發(fā)育區(qū)，如圖1所示。1～4號(hào)，3～4號(hào)塔基側(cè)5～10 m為坡度 40°～50°的陡坡，局部植被發(fā)育，以雜草、灌木為主。塔位上坡向?yàn)橛衩椎兀露葹?3°～30°。該塔的地質(zhì)情況為：

0～1.8 m：含碎石粉質(zhì)粘土，褐黃色，碎石含量70%，為頁(yè)巖風(fēng)化碎塊，松散稍密；

1.8～3.4 m：頁(yè)巖，淺黃，灰黃色，巖石呈片狀，節(jié)理裂縫極發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化；

3.4～11.6 m：頁(yè)巖，綠黃色，節(jié)理裂縫發(fā)育，中等風(fēng)化。

圖1 故障桿塔周圍地質(zhì)情況Fig.1 Geological situation around the abnormal tower

1.2 故障情況

2017年4月，線路運(yùn)維人員在例行巡視中發(fā)現(xiàn)該塔塔基護(hù)坡與塔基之間出現(xiàn)裂縫。隨后，調(diào)查人員經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察測(cè)量發(fā)現(xiàn)，該塔出現(xiàn)多種不同程度的故障特征（見(jiàn)圖2），主要表現(xiàn)為：

1號(hào)腿、3號(hào)腿、4號(hào)腿基礎(chǔ)與護(hù)面之間均有裂縫，最大達(dá)9.7 cm，2號(hào)腿基礎(chǔ)與護(hù)面之間未見(jiàn)明顯裂縫；

第一、第二橫隔面交叉材向上部彎曲拱起，最大達(dá)32 cm；

2號(hào)腿主材明顯變形，其他腿第一段主材輕微變形，各腿主斜材均有不同程度變形；

2號(hào)腿與4號(hào)腿第一橫隔面對(duì)角距離比1號(hào)腿與3號(hào)腿第一橫隔面對(duì)角距離小11 cm，中心樁偏移約23 cm。

圖2 桿塔的故障情況Fig.2 Fault situation of the tower

根據(jù)勘察測(cè)量結(jié)果，調(diào)查人員分析認(rèn)為：在地表10 m以下的深層地質(zhì)長(zhǎng)期蠕動(dòng)作用下，1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)腿基礎(chǔ)發(fā)生位移，造成塔材彎曲變形，但是塔基位移方向、位移量難以確定。由于該塔位耐張轉(zhuǎn)角塔，塔基位移造成桿塔抗扭能力急劇下降，已不能抵御大暴雨等惡劣天氣、其他極端工況及地質(zhì)災(zāi)害加劇，情況比較危急。

2 塔基位移沉降監(jiān)測(cè)

2.1 北斗監(jiān)測(cè)裝置安裝

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察后，由于1號(hào)腿、4號(hào)腿位于山坡的下坡側(cè)，發(fā)生位移的可能性較大。并且1號(hào)、4號(hào)腿朝南有利于衛(wèi)星天線搜星，多徑向干擾較小，因此確定將北斗監(jiān)測(cè)裝置安裝在1號(hào)腿、4號(hào)腿的基礎(chǔ)上，并采用膨脹螺栓將監(jiān)測(cè)站觀測(cè)桿固定在塔基上，連接處澆筑保護(hù)帽，保證監(jiān)測(cè)站與塔基連接牢固沒(méi)有相對(duì)位移。北斗觀測(cè)天線對(duì)中固定在觀測(cè)桿上，如圖3所示。

為了提高監(jiān)測(cè)站的定位精度，基準(zhǔn)站以就近原則安裝在監(jiān)測(cè)站附近的居民樓樓頂。居民樓遠(yuǎn)離滑坡區(qū)，基礎(chǔ)穩(wěn)定，距離監(jiān)測(cè)站200 m左右。

圖3 北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of Beidou monitoring system

2.2 北斗精確定位系統(tǒng)原理

北斗精確定位系統(tǒng)由北斗地面監(jiān)測(cè)站、基準(zhǔn)站和數(shù)據(jù)解算中心構(gòu)成。北斗監(jiān)測(cè)站安裝在監(jiān)測(cè)對(duì)象上，反映監(jiān)測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)情況；基準(zhǔn)站安裝在位置穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，為監(jiān)測(cè)站提供相對(duì)參考位置，相對(duì)距離小于10 km即可。兩者同時(shí)對(duì)北斗衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸實(shí)時(shí)地發(fā)送給數(shù)據(jù)解算中心。數(shù)據(jù)解算中心通過(guò)靜態(tài)算法得到精確監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。北斗監(jiān)測(cè)站/基準(zhǔn)站由GNSS天線，GNSS接收機(jī)，供電系統(tǒng)和通信設(shè)備構(gòu)成，如圖4所示。GNSS天線采用新型扼流圈型天線，以抑制電磁干擾[6-7]。監(jiān)測(cè)站與基準(zhǔn)站均采用市電加蓄電池供電。

圖4 北斗精確定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of Beidou monitoring system

北斗衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)包括載波信號(hào)、測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文，測(cè)距碼和導(dǎo)航電文正交調(diào)制在載波上。通過(guò)對(duì)“測(cè)距碼和導(dǎo)航電文”進(jìn)行測(cè)碼偽距的數(shù)據(jù)解算，可以實(shí)現(xiàn)米級(jí)精度的實(shí)時(shí)定位。而對(duì)于輸電線路地質(zhì)災(zāi)害的緩慢微弱的發(fā)育過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為了提高定位的精度，本文采用載波相位差分技術(shù)（RTK）進(jìn)行數(shù)據(jù)解算[8]，這是北斗定位精度最高的一種方法。其雙差模型[9]可以消除衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差的影響，削弱衛(wèi)星星歷誤差的影響，削弱對(duì)流層和電離層折射誤差的影響，在短距離的情況下幾乎可以完全消除其影響[10]。在監(jiān)測(cè)站與基站距離較近時(shí)（小于10 km），可以達(dá)到毫米級(jí)精度。

北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏移量分析原則如下：

確定基準(zhǔn)坐標(biāo)：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解算出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)24 h后，將24 h內(nèi)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)取平均值，作為基準(zhǔn)坐標(biāo)。

偏移量：確定基準(zhǔn)坐標(biāo)后，將解算得到的位置坐標(biāo)減去基準(zhǔn)坐標(biāo)，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X、Y、H方向的偏移量。

位移趨勢(shì)：將長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)得到的偏移量繪制偏移曲線。當(dāng)偏移曲線持續(xù)呈單調(diào)變化的趨勢(shì)（單增或單減趨勢(shì)），可以判定該監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)偏移；當(dāng)偏移曲線持續(xù)往返波動(dòng)，則該監(jiān)測(cè)點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)偏移。

位移量：在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)位移趨勢(shì)的前提下，考慮到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差，X、Y方向累計(jì)發(fā)生6 mm的偏移（水平方向累計(jì)發(fā)生9 mm的偏移），H方向累計(jì)發(fā)生10 mm的位移，可以判定該點(diǎn)發(fā)生位移，核定該點(diǎn)的位移量。

從4月16日至6月15日，經(jīng)過(guò)為期2個(gè)月的持續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)，1號(hào)腿、4號(hào)腿在水平X、Y方向均出現(xiàn)持續(xù)的單調(diào)變化趨勢(shì)，確定存在位移趨勢(shì)；在垂直方向呈往返波動(dòng)，沒(méi)有出現(xiàn)偏移。5月14日（第28 d），1號(hào)腿在水平X、Y方向偏移量達(dá)到9.4 mm，超過(guò)測(cè)量誤差。但是，4號(hào)腿位移量始終小于9 mm，位于誤差范圍內(nèi)。按照上述判定原則，截至6月15日，該塔的位移沉降觀測(cè)結(jié)果為：

1號(hào)腿垂直方向累計(jì)無(wú)偏移，水平方向朝東偏南44°累計(jì)偏移14.8 mm，如圖5所示。

4號(hào)腿垂直方向累計(jì)無(wú)偏移，水平方向存在位移趨勢(shì)，位移量位于誤差范圍內(nèi)。

圖5 北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.5 Monitoring data of Beidou monitoring system

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)單位出具的線路走向圖紙，故障桿塔小號(hào)側(cè)與大號(hào)側(cè)線路方向的夾角為150°，其角平分線為該塔橫擔(dān)的方向，據(jù)此可以確定18號(hào)塔4個(gè)塔腿在線路走向圖上的相對(duì)位置，如圖6所示。設(shè)計(jì)圖紙正上方為北，可以估算出1號(hào)腿指向4號(hào)腿的方向?yàn)楸逼珫|64°。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采用指南針?lè)謩e測(cè)量1號(hào)腿、4號(hào)腿主材（平行于1～4號(hào)腿連線的主材）的方向均為北偏東64°。綜上，可以確定1號(hào)腿指向4號(hào)腿的方向?yàn)楸逼珫|64°（東偏北26°）。

圖6 線路走向與桿塔朝向分析Fig.6 Analysis of line direction and tower orientation

北斗監(jiān)測(cè)結(jié)果表明該塔1號(hào)腿水平位移方向?yàn)闁|偏南44°，而1號(hào)腿指向4號(hào)腿的方向?yàn)闁|偏北26°（北偏東64°），可以得出1號(hào)腿位移方向與1～4號(hào)腿連線（1號(hào)腿指向4號(hào)腿）夾角α為70°，累計(jì)偏移量Δd達(dá)14.8 mm，如圖7所示。由于故障桿塔1～4號(hào)側(cè)面向下坡方向，北斗監(jiān)測(cè)結(jié)果表明該塔主要朝下坡方向滑移，這與山體滑坡方向一致。

圖7 桿塔1號(hào)腿位移方向分析Fig.7 Analysis of displacement direction of 1st leg of tower

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，事故桿塔主材出現(xiàn)不同程度彎曲，橫隔面交叉材向上部彎曲拱起，1號(hào)腿、3號(hào)腿、4號(hào)腿塔基與護(hù)面之間出現(xiàn)裂縫，表明該塔基礎(chǔ)出現(xiàn)滑移，造成桿塔抗扭能力急劇下降，已不能抵御大暴雨等惡劣天氣、其他極端工況及地質(zhì)災(zāi)害加劇，情況比較危急。

為了能夠精準(zhǔn)測(cè)量塔基的位移量與位移方向，本文采用北斗精確定位系統(tǒng)對(duì)該塔1號(hào)、4號(hào)腿進(jìn)行了為期兩個(gè)多月的不間斷在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果反映出1號(hào)腿水平方向朝東偏南44°累計(jì)偏移14.8 mm，垂直方向累計(jì)無(wú)偏移。4號(hào)腿水平方向存在位移趨勢(shì)，位移量位于誤差范圍內(nèi)，垂直方向累計(jì)無(wú)偏移。

結(jié)合線路的走向圖與北斗觀測(cè)結(jié)果，該塔1號(hào)腿水平位移方向與1～4號(hào)腿連線（1號(hào)腿指向4號(hào)腿）夾角為70°，累計(jì)偏移量為14.8 mm，與山體滑坡方向一致。

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