基于TLS的高壓線塔傾斜與曲率變形研究

楊望山,蔡來良,王姍姍,孟萬利

(河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

我國煤炭資源豐富，在煤礦開采過程中地表產生下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形等多種移動和變形。高壓線塔是非剛體結構，在受到開采影響時，其基礎固定，隨地表變化，而線塔頂部受高壓線拉力等外力作用，上下受力不一致，從而產生傾斜與曲率變形。

傳統全站儀、經緯儀、水準儀等監測手段都已相當成熟，并且因輸送高壓電、人員不能攀登等原因，只能以底部的變形情況推測塔身各個部分變形。而地面三維激光掃描(terrestrial laser scanner, TLS)技術以測量速度快、點云精度高、密度大、非接觸式測量、適合復雜目標對象的整體或者局部細節測量等特點在基坑[1]、滑坡[2,3]、地鐵隧道[4]、建筑物[5,6]、構筑物等變形監測中得到廣泛應用。高壓線塔屬于桿狀構筑物，是架空輸電線路中基本設備之一，研究其傾斜與曲率變形對線路建設施工和運行維護有重要的意義[7-9]，也是保障線路安全運行的有效措施。李云霓等[10]對經緯儀測量法、地面三維激光掃描儀測量法以及平面鏡測量法進行比較，指出三維激光掃描儀在高壓線塔變形監測方面應用的優勢；蔡來良等[11]研究了基于點云數據平面擬合原理的高壓線塔基礎傾斜計算方法，該方法可以更加準確地計算線塔的基礎傾斜；劉云備等[12]運用三維激光掃描技術研究高壓線塔的傾斜度；郭文兵等[13-15]運用數值模擬方法研究煤礦開采過成中地表的傾斜變形與鐵塔內力之間的關系，分析了高壓線塔在不同地表拉伸、壓縮變形影響下鐵塔內力和位移的變化規律。

目前對于高壓線塔變形的研究有：傳統的GPS、全站儀等監測基礎變形，進而推導塔身傾斜；重錘法(又稱吊線法)、傳感器監測塔身傾斜法[16]和經緯儀測量法等測量鐵塔偏離基礎中心點的距離，即撓度變形；數值模擬的方法側重于分析高壓線塔的撓度變形規律等。高壓線塔實際變形會因開采情況或者地形的原因，使高壓線塔各個部位的受力情況不完全一樣，單點或者局部點的測量不能代表線塔的整體變化規律。線塔塔身的傾斜與曲率既不與數值模擬的規律完全一致，也不與根據底部推導出的塔身傾斜完全一致。因此，為了更加準確地分析高壓線塔變形規律，本文運用地面三維激光掃描儀掃描高壓線塔，根據地表移動和變形規律，研究高壓線塔的傾斜與曲率變形。

1 點云數據處理

1.1 數據采集

1.2 數據處理

對掃描的高壓線塔點云數據用RiSCAN PRO軟件進行拼接和去噪，把植被、地表等數據去除掉，運用Geomagic Studio軟件濾除線塔表面孤立的點云數據，在OpenGL和VC++的計算機語言平臺上顯示高壓線塔點云數據如圖2所示。

圖1 線路走勢和等高線圖

圖2 線塔點云數據

該高壓線塔高38 m，由橫擔和塔身等組成。由于橫擔等結構復雜，分層時容易造成誤差，故沒有對其進行分層處理。對獲取的線塔點云數據進行處理，其流程如圖3所示。

圖3 數據處理流程圖

1)使用開發的點云處理軟件對線塔0.496 5～36.496 5 m處點云數據進行分層處理，層間距一般是1 m，切片厚度為1 cm，共獲得35個點云切片如圖4所示；

2)運用AlphaShapes算法提取每層切片的邊界點云數據，通過邊界點提取處理，刪除掉切片內部的點云數據；

3)采用Hough變換分割直線，用不同的顏色表示不同的直線；

4)利用RANSAC算法進行直線擬合，擬合出每層切片的邊界線；

5)根據4條線的交點，求出4個頂點，然后求均值，計算出每層切片的中心點坐標，如表1所示。

通過提取線塔基礎特征點，計算高壓線塔基礎中心點坐標(即第1層的中心點坐標)。由各層點云切片中心點與第1層中心點水平方向的偏移距離，計算高壓線塔各點云切片中心點偏離基礎中心點距離，如表1所示。

圖4 線塔分層點云數據

表1 各層切片中心點相對基礎中心點的變形距離 m

續表1 m

2 變形計算與分析

高壓線塔是非剛體結構，在地表移動盆地內的高壓線塔受到地表下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形影響時，高壓線塔也會產生傾斜與曲率變形。

2.1 傾斜計算

2.1.1 基礎傾斜計算

基礎傾斜的定義：高壓線塔基礎兩點間最大高差與兩點間水平距離的比值，通常用i基礎表示。它反映了移動盆地內高壓線塔基礎沿某一方向的傾斜，用高壓線塔基礎兩點間線段斜率表示。高壓線塔基礎傾斜計算式為

(1)

式中，i基礎表示基礎傾斜，h基礎表示特征點最大高度差，l基礎表示不均勻沉降后基礎特征點之間的水平距離。

變形前，高壓線塔基礎平面圖如圖5所示，X，Y，C，Z分別代表高壓線塔基座，基礎對角線交點是F(即基礎中心點)，基礎都在同一水平面上(即線XC是水平的)。當基礎受到地表移動與變形影響，頂部受到高壓線的拉力時，基礎發生不均勻沉降，高壓線塔基礎變形如圖6所示，基座C由C點下沉到B點，則中心點由F點沉降到E點，線塔整體由變形前的FP豎直狀態變為曲線EQ狀態。

圖5 高壓線塔基礎平面圖

圖6 高壓線塔變形過程

通過手動提取基礎特征點和利用開發的軟件提取各層切片點云數據在AutoCAD上顯示，手動連接各層邊框線。由于每層都顯示，俯視圖線框比較密集，不便于觀察規律，選擇隔層顯示如圖7所示。根據高壓線塔線框俯視圖可以確定線塔的傾斜方向是沿基礎對角線XC方向，對角線之間的距離是13.647 m，即XB=13.647(m)。由于高壓線塔不均勻沉降后基礎特征點最大高度差是1.243 m，過B點作BH⊥AC，則h基礎=BH=1.243 m,根據三角形勾股定理，通過XB和h基礎可求得兩塔基之間的水平距離為

l基礎=XH=13.590 m.

則高壓線塔的基礎傾斜度為

圖7 線塔線框俯視圖

2.1.2 塔身傾斜計算

塔身傾斜的定義：相鄰兩層切片中心點在水平方向上偏移中心點的距離與這兩點之間豎直距離的比值，通常用i塔身表示。它反映了移動盆地內高壓線塔塔身沿某一方向的傾斜，用高壓線塔塔身相鄰兩點間線段的平均斜率表示。則塔身第m層與第(m+1)層之間的傾斜計算式為

(2)

式中：hm-(m+1)表示第m+1與第m層之間的距離，偏移距離l(m+1)、lm表示第(m+1)與第m層水平方向整體偏移距離。

由于高壓線塔結構不是剛體，在受到高壓線拉力等作用時，塔身產生一定的傾斜變形。利用各層點云切片中心點坐標求得各層點云切片的傾斜變形，其傾斜變形規律如圖8所示。

圖8 隨高度變化的傾斜曲線

2.2 曲率計算

曲率的定義：兩相鄰切片中心點的傾斜差與兩中心點之間豎直距離的比值，通常用k(m/m2)表示。它反映了移動盆地內線塔沿某一方向的彎曲程度。則塔身第m-1層、第m層與第m+1層的曲率計算公式為

(3)

式中i(m-1)-m、im-(m+1)表示線段(m-1)-m和m-(m+1)的平均斜率，m/m；h(m-1)-m、hm-(m+1)表示線段(m-1)-m和m-(m+1)的豎直高度，m。

曲率正負號的規定：在線塔塔身曲率曲線上，凸為正，凹為負，傾斜的拐點處曲率為零。

根據式(3)得到線塔不同高度處的曲率，繪制曲率曲線如圖9所示。

圖9 隨高度變化的曲率曲線

2.3 變形分析

高壓線塔作為特殊的桿狀構筑物，對傾斜變形非常敏感。從圖1線路走勢和地形等高線圖看出，2號高壓線塔沿著圖10的F方向發生滑落，而在1號和3號高壓線塔的高壓線拉力等作用下，阻止了其滑落，從而產生傾斜變形與曲率變形。在地表移動盆地內，地表移動與變形極易使線塔發生傾斜與曲率變形。在重心偏移的情況下，由于線塔自身重力和高壓線拉力等作用，高壓線塔產生傾斜與曲率變形，如圖11所示。變形后一側的角鋼受到拉伸，另一側的角鋼受到壓縮。而拉伸多是強度破壞，壓縮多是失穩破壞。當拉伸一側角鋼所受的拉力大于軸向承受的拉力時，拉桿就會受到強度破壞。當壓縮一側角鋼所受的壓縮大于軸向承受的壓力時，鐵塔就會失穩，從而造成結構構件甚至整個線塔結構的破壞。

圖10 線塔傾斜方向分析圖

圖11 線塔受力示意圖

從圖8得出，隨著高度的增加，傾斜變形整體呈現先增加后減小，最后趨于穩定。從圖9得出，隨著高度的增加，曲率先減小，后基本趨于穩定，在傾斜變形變化的拐點處，曲率的變形為零。在高壓線塔基礎部分，線塔隨地表發生不均勻沉降，4個塔腿的受力不一致，線塔底部容易產生傾斜與彎曲。在高壓線塔頂部，受到高壓線的牽引力以及拉線的拉力等作用。線塔的基礎和頂部受力不一致，使線塔產生了整體的傾斜變形與曲率變形，其破壞情況如圖12所示。

圖12 實際高壓線塔圖

受到開采影響時，線塔基礎隨地表移動與變形，線塔頂部受到高壓線的牽引力和拉線拉力，基礎和頂部受力不一致產生了一定的扭曲變形，使線塔頂部的傾斜與曲率計算有一定的誤差。

3 結 論

本文將三維激光掃描技術應用于高壓線塔的變形監測，提出了一種高壓線塔傾斜與曲率變形分析方法，計算了高壓線塔基礎傾斜、塔身傾斜與曲率，分析了其隨距離線塔底部高度的變化關系，得出結論如下：

1)地面三維激光掃描儀不僅可以測得基礎傾斜，還可以測得塔身傾斜與曲率變形。通過研究基礎不均勻沉降，得出塔基傾斜變形，從而更好地分析塔身傾斜與曲率變形規律以及預測高壓線塔變形；

2)傾斜變形與距離底部的高度呈先增加后減小，最后趨于穩定的非線性關系；曲率先減小，后趨于穩定，在傾斜變形變化的拐點處，曲率變形為零。

3)該高壓線塔的傾斜度均大于1%，超過運行規范臨界值，需采取相應措施保證其正常運行。