采用經緯儀的變電站地基沉降監測分析法

(國網四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610000)

0 引 言

地基沉降指地面下沉的現象，是目前國內各大變電站面臨的一個主要地質問題。它可引起建筑物傾斜，基礎開裂，給生產和生活帶來很大影響，可能導致嚴重的財產損失。

近十年，隨著變電站的加速建設，已建變電站地基下沉的情況多有發生，這對變電設備的安全生產帶來巨大的安全隱患，嚴重的將造成重大經濟損失，如在《中國電網風險管理報告(一)》中就提及了“山西某220 kV變電站1998年發生地基沉陷，直接經濟損失數百萬元[1]；甘肅某電廠2003年因地面突然下陷造成墻體開裂，直接經濟損失約48萬元[2]；某500 kV變電站工程在投運前發現主變壓器基礎與散熱器基礎發生不均勻沉降導致設備受損”[3]。可見電網運行管理不僅要對電力設備本身的安全性進行專業維護管理，還要加強對設備所在地的地基環境等基礎設施進行嚴密的定期監測。

地基沉降是一個復雜的環境地質問題,一直受到各國學者的普遍關注。目前，國內外監測地基沉降的方法有很多種，主要采用全站儀、水準測量、雙曲線法和沉降差法，都是通過線性擬合來預測地基的沉降。盡管這4種方法線性擬合都很好，但相對費用高，后兩種誤差高達53%[4-5]，并且理論和監測手段過于復雜，需要專業測量人員才能開展，不利于國網四川檢修公司所轄的藏區偏遠變電站地基沉降的跟蹤監測。

下面提出的根據經緯儀垂直角測量原理，采用的兩點對比觀測法簡單，不需要專業測量人員參與，可以由駐站運維人員經過短時間的經緯儀理論與實際操作強化訓練就可獨自開展，經現場實踐驗證可行。對站址邊遠的藏區高海拔變電站具有極大的優勢。同時針對地基沉降形成、發展過程進行了大量研究,分別從地面沉降成因、產生機理、監測數據分析和防治5個方面系統地介紹了丹巴變電站沉降研究現狀。這些工作為開展地基沉降的防治工作奠定了良好的基礎。

1 丹巴變電站地基沉降概述

丹巴變電站位于四川省甘孜州丹巴縣，海拔2158 m，于2013年10月投入運行，擔負著藏區水電送出的重要任務。然而，不均勻沉降導致的隱患正在嚴重威脅著該站的安全穩定運行。

丹巴變電站設備場地由于采用了大量的回填土，回填土平均厚度5.85 m，基礎底標高-2.00 m，220 kV設備場地回填土厚度均大于10 m。由于回填土具有高含水量、高壓縮性、極低強度、欠固結等特點[6]，特別是夏季汛期地基易發生不均勻沉降[7]。

該站自2013年10月投運后不斷沉降，導致引線被繃直,如圖1所示；巡視道路高低不平且嚴重斷裂、設備基礎開裂，如圖2所示；設備傾斜、組合電氣設備SF6氣室氣體泄漏等一系列問題，該場區沉降差約18 mm，累計裂縫縫長600 mm，縫寬20 mm。

圖1 引線被繃緊

圖2 基礎開裂

2 采用經緯儀的監測方法

2.1 經緯儀及其測量原理

2.1.1 經緯儀

經緯儀分為光學經緯儀和電子經緯儀。光學經緯儀采用光學度盤，借助光學放大和光學測微器讀數的一種經緯儀；電子經緯儀與光學經緯儀的根本區別在于用于微處理機控制的電子測角系統代替光學讀數系統，能自動顯示測量數據，主要用于平面控制測量、精密工程測量[7]，下面重點介紹光學經緯儀。

光學經緯儀總體可分為3部分：基座、水平度盤和照準部，如圖3所示。圖中：1為制動螺旋；2為望遠鏡物鏡；3為微動螺旋；4為水平制動螺旋；5為水平微動螺旋；7為豎盤水準管觀察鏡；8為豎盤水準管；9為瞄準器；10為物鏡調焦環；11為目鏡；12為度盤讀數鏡；14為光學對中器；17為垂直度盤；18為度盤照明鏡；19為平盤水準管。

圖3 光學經緯儀

2.1.2 水平角測量原理

相交于一點的兩方向線在水平面上的垂直投影所形成的夾角，稱為水平角。一般用β表示，角值范圍為0°～360°，如圖4所示。

圖4中，A、B、O是地面上任意3個點，OA和OB是兩條方向線所夾的水平角，即為OA和OB垂直投影在水平面H上所構成的夾角β。可在O點的上方任意高度處，水平安置一個帶有刻度的圓盤，圓盤中心在過O點的鉛垂線上；設這兩個鉛垂面在刻度盤上截取的讀數分別為a和b，則水平角β的角值為

β=a-b

(1)

儀器上的望遠鏡不僅可以在水平面內轉動，而且還能在豎直面內轉動。經緯儀就是根據上述基本要求設計制造的測角儀器[8-10]。

圖4 水平角原理

2.1.3 垂直角測量原理

在同一鉛垂面內，觀測視線與水平線之間的夾角，稱為垂直角，也稱傾角，用α表示，其角值的范圍為0°～±90°，如圖5所示。

圖5 垂直角測量原理

圖5中，望遠鏡瞄準目標的視線與水平線分別在豎直度盤上有對應讀數，兩讀數之差即為垂直角的角值。視線在水平線的上方，垂直角為仰角，符號為正(+α)；視線在水平線的下方，垂直角為俯角，符號為負(-α)。垂直角測量原理即度盤上兩個方向的讀數之差。

所以，測量垂直角時，只要瞄準目標讀出豎盤讀數，即可計算出垂直角。

2.2 采用經緯儀的監測方法探討

針對丹巴變電站投運后地質沉降問題，選用光學經緯儀每月跟蹤監測分析的方法，相對于其他測量手段，該方法簡單、便捷，不需要專業測量人員參與，可以由駐站運維人員經過短時間的強化培訓就可自行開展，對站址非常邊遠的藏區高海拔變電站具有極大的應用價值。

基于地質沉降主要有豎直沉降和偏移，選取丹巴變電站220 kV場地3號獨立避雷針為其中一個主要監測對象，選用經緯儀進行監測。

為了便于觀察比較及減少監測誤差，采用經緯儀選取同一設備不同高度觀測點作為監測對象,如圖6所示。

圖6 經緯儀測量原理

圖6是采用光學經緯儀選取220 kV場地3號避雷針不同高度觀測點A、B 2個點作為監測對象的原理圖，觀測線上的測試點設在固定地點，該點距離避雷針正下方的水平距離為L，A、B點與測量點的相對高度分別為H1、H2，根據垂直角原理，測得固定點與A、B點的夾角分別為Q1、Q2。因此，可以得出如下結論：測量角度Q隨避雷針高度H的變化而相應發生改變，只需要通過經緯儀定時定點測量Q角就能反應出高度H的變化趨勢。根據圖6，存在式(2)：

H=L·tanQ

(2)

圖7為對同一個設備通過測量2個點位判別沉降類型的原理圖，通過經緯儀對2個監測點測量到的數據Q1、Q2，將監測點前后2次的高度變化值ΔH

圖7 兩點法判別沉降和偏移原理

Q第1次第2次第3次第4次第5次第6次Q150°48'46″50°48'28″50°48'20″50°48'18″50°48'16″50°47'42″Q265°1'28″65°1'24″65°1'18″65°1'10″65°1'4"65°1'

表2 計算后的相對高度 單位：mm

進行比較，其值就是2個點在該段監測時間內的相對沉降值，不僅可以反映出地基下沉趨勢也可以反映出設備的偏移情況。

每個監測點連續二次測量的高度變化量為ΔH。根據圖7可以得出以下結論：

1)以第1次監測到的H1作為對照，得到相對沉降量為

ΔHn=H1-Hn

(3)

2)以每個監測點連續2次測量的高度變化量差值得到偏移量為

ΔH′=ΔHb-ΔHa

(4)

ΔH′=0無偏移；ΔH′>0有偏移，且值越大偏移程度越大。

3 采用經緯儀的監測數據及結果分析

經過運維人員每月一次的定時跟蹤測量，測得數據記錄如表1所示。將表1數據代入式(2)中，計算出3號避雷針的相對高度如表2所示。將表2相鄰2次的高度值進行比較，得到ΔH如表3所示。

表3相對高度變化量(沉降量)ΔH

單位：mm

通過6次監測分析結果見圖8和圖9。

由圖8可見，3號避雷針場地沉降不斷發展，既存在沉降，又存在偏移。隨著沉降量的增加，偏移程度呈現無規律變化，但是考慮到測量誤差的存在，橫向偏移可忽略不計[11]。可以認為，3號避雷針基礎主要是豎直沉降。

由圖9可見，3號避雷針場地沉降時快時慢，呈現無規律變化，但逐漸趨于穩定。

圖8 利用經緯儀測量變電站地基沉降量變化

圖9 采用經緯儀測量變電站地基沉降偏移程度變化

4 沉降可能原因分析及管控措施

4.1 沉降可能原因分析

1)丹巴變電站站址區位于高山峽谷斜坡中下部緩坡臺地上，屬典型的高山峽谷地貌，地下以碎(塊)石地層為主，局部分布有含碎石粘性土透鏡體。主要基礎持力層為碎(塊)石土層，以中密為主，局部稍密或密實，主要成分為中等風化花崗巖，粒徑變化較大。此地質特征易發生地質沉降現象[12]。

2)回填土質量差，固結變形尚未完成。由于地質情況較為特殊，土質較差，基本為中等風化花崗巖，粒徑變化較大，碎石粒徑一般20～170 mm，塊石粒徑一般250～2000 mm，碎(塊)石的含量可達65%～75%，缺少小顆粒。回填施工困難，回填密實度難以保證，影響了質量，造成后期沉降較大。

3)填方區高差較大。原始地面坡度約30°，填土厚薄不均，約5～10 m，填土自身有一個自重作用下的固結變形過程，填土厚的地段沉降變形大，填土薄的地段沉降變形小。回填土厚薄不均造成差異沉降，是造成回填土整體向西側發生沉降變形及位移的重要原因。

4)沉降區域無排水措施，造成排水不暢，汛期的降雨又集中在沉降區域從而加劇不均勻沉降的進一步惡化[7]。

綜上所述，造成地基沉降的可能原因，既有內在原因(回填土厚薄不均、質量差，固結變形尚未完成等)，又有外在原因(沉降區域排水效果差等)，同時汛期大量降雨對內外兩方面因素形成不利影響。總體而言，地質環境脆弱、回填材料松散破碎、回填區域薄厚不均，是促使其變形的內因和物質基礎；而沉降區域排水效果較差，汛期的降雨又加劇了不均勻沉降的變化發展。

4.2 管控措施

1)采用新的技術手段來實時監測場地沉降情況，根據監測數據進一步制定相應的處理方案。

2)請專業測量人員定期到站對地基沉降進行定點測量，觀察其變化趨勢，分析運行風險，及時做好應對措施。

3)對駐站運維人員開展經緯儀使用技能的培訓，駐站人員定期定點進行監測，分析其變化趨勢，將結果匯報給專業人員，制定相應的處理方案。

5 結 語

變電站地質沉降是山區變電站存在的普遍問題，已建變電站地基下沉的情況時常發生，這對變電設備的安全生產帶來巨大的安全隱患，嚴重的將造成重大經濟損失。針對丹巴變電站投運后地質沉降觀測問題所提出的采用經緯儀每月跟蹤監測分析的方法，方法簡單、便捷，不需要專業測量人員參與，可以由駐站運維人員經過簡單的儀器培訓就可自行開展，該方法特別是對站址非常邊遠的藏區變電站具有極大的優勢。