金寨500KV變電站變形監測方案設計數據分析

谷玉寶 萬磊 王旭東

(國網安徽省電力有限公司建設分公司 安徽合肥 230022)

0 引言

隨著我國基礎設施規模不斷擴大，變電站的修建已經成為電力建設的重要環節。變電站的修建必然產生邊坡變形，邊坡的形成常伴隨著位移變形[1]。溫度、降雨、地質條件以及變電站的荷載等作用，容易使變電站產生較大的沉降變形[2]。盡管變電站在設計過程已經充分考慮了可能產生的變形程度，但范圍內的變形過大、過快或相對不均勻的變形，也會影響變電站設備的相對位置，甚至影響變電站的正常運行。因此，加強變電站工程的沉降變形監測，既是不斷提升變電站工程質量和管理水平的要求，也是確保電網能夠安全穩定運行的基本要求和重要保障。

邊坡監測，主要是使用己有的技術手段，安裝埋設相關的儀器設備，對邊坡巖土體的實際狀況及其穩定性進行動態監測的過程[1]。邊坡監測的意義在于提供邊坡位移和變形等變化規律，判斷邊坡的穩定性，預測邊坡變形發展趨勢，當出現異常時及時采取加固措施，以確保邊坡安全[3]。利用精密大地測量方法，選擇合理的監測點位，是進行邊坡變形監測工作的前提條件。點位的選址，不僅要考慮變形監測設備儀器的觀測方式，還要能夠反映邊坡變形的特征與趨勢[4]。目前已經有學者在該方面進行了相關的研究，如：趙志峰[5]在邊坡穩定性分析的基礎上，提出結合現場的地質條件在潛在失穩部位設置變形監測點的布點方法；鄧賢國[6]通過分析監測點的位移與強度折減系數變化規律，提出了根據灰色關聯度來優化布設監測點的方法。

本文擬通過現場地形現狀，根據精度要求以及工程本身的需要，對站區內的監測點進行布設，制定監測方案，為保障變電站安全運營提供技術支持。

1 工程概況

1.1 監測范圍

本次監測對象為安徽六安金寨500千伏變電站，其位于安徽省六安市金寨縣油坊店鄉何沖村，S209省道東側約0.5km處。該區域地貌屬大別山低山帶與江淮丘陵帶交接地區，微地貌為崗地和部分崗間洼地，地形起伏較大，總體地勢為西北角與南側低，為崗間洼地，東北側以及中部均為起伏的崗地(山地)，地表以茶園、竹林以及少部分菜地為主。東南側有一水塘，地勢稍低，水塘水深1.0m～1.8m，塘內淤泥厚度約0.5m，據調查該水塘為沖溝攔壩形成。站址一次性征地，平坡式豎向布置，總體朝向為北偏西35°，總用地面積4.35hm2，圍墻內占地面積2.92hm2，地面高程為155.20m～192.80m，站址設計標高為171.50m。

1.2 地質條件

根據現場勘察結果，該區域淺部巖土體以第四系上更新統沖積、殘積成因的粉質粘土、砂質粘性土等為主，下伏為青白口紀的閃長巖。場地地層從上至下依次如下：

①粉質粘土(Q4al)：稍濕，可塑偏軟，局部含少量礫石，淺部地表有厚度約0.3m的耕土，主要分布在站址區域地勢較低的半山坡和洼地處，厚度不均。

②砂質粘性土(Q4dl)：灰黃、褐黃色，稍密，濕，含少量石英顆粒，淺部含大量植物根系，孔隙發育，結構松散，沖溝及低洼地帶分布廣泛，山坡上較薄，厚度不均。

③層閃長巖(K)：棕黃、褐黃色，全風化，局部可見原巖構造，多數風化成致密砂、土狀，局部可見層狀及片狀結構，站址內廣泛分布。

④層閃長巖(K)：棕黃、褐黃色，強風化，中粒結構，可見層狀及片狀結構，裂隙發育，巖節理面可見次生礦物，由粘性土填充，站址內廣泛分布。

⑤層閃長巖(K)：深灰、青灰色，強～中風化，裂隙發育，可見石英巖脈，巖芯呈短柱、柱狀，錘擊聲脆，屬硬質巖。

2 監測方案設計

2.1 監測內容及技術設計依據

本文監測的主要對象為金寨縣500kV變電站的邊坡及其周圍的擋土墻，旨在通過對邊坡進行變形監測，為防止邊坡可能產生的滑動和蠕動變形提供技術依據，通過變形數據分析邊坡的位移和沉降的變形規律，從而判斷邊坡的穩定性。基此，根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013)中邊坡工程的安全等級、地質環境、邊坡類型、支護結構和變形控制要求，選擇監測項目以及項目的技術指標，如表1～表2所示。

表1 監測內容

表2 監測報警值一覽表

2.2 監測周期

該工程邊坡監測，根據邊坡建設、施工以及竣工后運營等各個時期的不同特點，基于不同的階段采用不同的周期，不同的變形量采用不同的周期：前期變形量大、周期短，后期變形量小、周期長的原則。監測周期采用以下方式：

(1)邊坡施工階段：挖、填方邊坡監測，待邊坡基本成型，監測點埋設完成后具備監測條件時開始；擋土墻墻頂水平位移監測，待擋土墻施工成型，監測點埋設完成后具備監測條件時開始；施工初期，第一周每天監測一次；如果邊坡基本穩定，一周后改為每周監測一次。

(2)邊坡及擋土墻竣工后至樁基施工期間：按每周監測一次；若連續監測一個月后發現邊坡變形很小時，延長至每兩周監測一次。

(3)樁基施工完成至建筑物竣工期間：按每個月監測一次。

(4)邊坡及建筑物竣工項目投入運營后：按每個月監測一次；若連續3次監測變形結果很小時，延長至每3個月監測一次，直至觀測時間達到2年時，停止觀測。

(5)觀測期間，如果邊坡出現異常情況則加密觀測。

2.3 邊坡變形監測預警

根據規范要求，邊坡工程施工過程及監測期間遇到下列情況時及時報警，并采取相應的應急措施：

(1)有軟弱外傾結構面的巖土邊坡和支護結構坡頂有水平位移跡象，或支護結構受力裂縫有擴展現象；無外傾結構面的巖質邊坡或支護結構的最大裂縫寬度達到國家現行相關標準的允許值；土質邊坡支護結構坡頂的最大水平位移已大于邊坡開挖深度的1/500或20mm，以及其水平位移速度已連續3d大于2mm/d。

(2)土質邊坡坡頂鄰近建筑物的累計沉降、不均勻沉降或整體傾斜已大于現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》GB50007規定[7]允許值的80%。

(3)坡頂鄰近建筑物出現新裂縫、原有裂縫有新發展。

(4)支護結構中有重要構件出現應力驟增、壓屈、斷裂、松弛或破壞的跡象。

(5)邊坡底部或周圍巖土體已出現可能導致邊坡剪切破壞的跡象或其他可能影響安全的征兆。

(6)根據當地工程經驗，判斷已出現其他必須報警的情況。

2.4 監測點布設及要求

鑒于基準網由基準點和工作點組成，考慮到邊坡監測點比較分散，為使用方便，水平位移監測基準網和垂直位移監測基準網同點位，即在同一個觀測墩上，也可以根據現場情況單獨埋設。因此，監測點布設時，在嚴格按照相關規范要求的同時，綜合考慮項目區的地質條件及周邊環境等要素的影響，對該工程的監測點布設要求如下：

(1)將控制點布設在地質條件穩定且便于與其他監測點進行觀測的相關區域。

(2)根據前期的布點勘測情況，對各監測點之間的距離進行彈性設計，例如在易出現大變形量的區域增加監測點的數目。

(3)在保證各監測點之間不受外界因素干擾的同時，對控制點和監測點進行相應保護。

(4)針對監測區內的不同地質條件，均勻地布設監測點，以滿足各類地質條件下均有監測點存在。

考慮到該工程邊坡南側和東側的施工建設情況，為了便于監測，在邊坡東側和南側穩定位置布設兩個基準點(圖1中K003)。為了后續監測方便，在邊坡進口道路附近穩定區域再布設一個基準點(圖1中K002)。每次觀測前，先對K002與其他兩個基準點進行觀測，檢核K002穩點性，保證每次監測的可靠性。

圖1 監測點分布圖

其次，鑒于擋土墻所在區域地質條件較為穩定，僅有少數擋土墻附近存在施工建設情況，結合該工程針對邊坡的監測要求，在施工建設區域布設水平位移監測點，不再進行垂直沉降觀測，共布設18個水平位移監測點(如圖1中南側JC23、JC24、JC27、JC30等)。

考慮到邊坡的變形特征以及該工程現場地形、施工等現狀，尤其是東側和南側部分，在邊坡走向方向布設監測點，并與邊坡的擋土墻上的水平監測點共同組成同對監測點(圖1中JC25、JC26和JC27)，以方便監測并分析邊坡的變形情況。邊坡上的監測點需要同時觀測水平位移和垂直沉降觀測，共布設監測點26個。

另外，如邊坡施工中發現其他情況再進行調整(現場根據實際情況監測點坐標可能有局部調整)。位移監測點采用強制對中觀測墩(圖2)，按設計要求埋設，統一編號，保證監測點下土質堅硬不變形。

圖2 觀測樁材料及規格

2.5 監測方法及設備

根據規范《建筑變形測量規范》(JGJ8-2016)[8]中對邊坡監測的精度要求，并結合現場環境條件等因素，采用的監測方法及設備如下：

(1)監測方法

邊坡坡頂平面位移監測采用GPS靜態觀測法與全站儀極坐標法，沉降監測采用幾何水準測量方式。地表裂縫監測采用簡易觀測法，通過人工巡視進行觀測。當出現地裂縫時，在地裂縫處進行設樁觀測。

(2)監測設備

監測設備的品牌型號以及精度等信息如表3所示。

表3 監測儀器設備

3 監測數據分析

本次監測始于2018年6月7日，截止于2019年10月7日，共觀測16個月，累計觀測34期測量數據。表4為所得監測數據統計得到的水平位移和高程累計變化量(表4)，△X、 △Y為各個變形監測點的水平位移量，△H為各個變形監測點的沉降量。

表4 監測點水平位移和高程累計變化量 mm

根據表4各項監測數據可知，水平位移監測累計變化量中，變化量最大的△X是JC41點，達到-13.9mm；變化量最大的△Y是JC18點，達到-13.8mm。垂直位移監測累計變化量中，變化量最大的△H是JC21點，達到8.6mm，最大沉降速率為0.17mm/d。從邊坡的水平位移累計變化量和垂直累計沉降變化量數據可以看出，各監測點水平位移和高程變化較小。對比表2中的技術指標，說明該工程邊坡變化趨勢均處于一個平穩的趨勢，由此可以判斷監測點附近的地表處于穩定的狀態。

為了進一步分析邊坡在走向上的變形規律，對邊坡監測點繪制了沉降曲線(圖3)。從圖3中可以看出：

①在同對監測點上的變化趨勢幾乎一致，比如進站道路JC01與JC02，說明在邊坡走向上的變化規律一致；

② 在同側邊坡的同一水平上監測點變化規律也保持一致，比如JC11-JC15；

③在變化趨勢顯得差點較大的東側和南側邊坡，以在JC18、JC21、JC25、JC28、JC31以及JC34組成的同一水平為例，由于2019年2月10日前在JC25和JC31附近進行了挖填工作，相比之下JC25和JC31產生了較大的沉降變化，但它們的同對監測點JC26和JC31處于下邊坡上，相較于上邊坡較為穩定，并且與同一水平的JC22、JC29以及JC32的變化趨勢一致，說明邊坡變形規律保持一致。相類似的還有東側邊坡的變化也滿足此變形規律。

綜上所述，該邊坡整個監測期內各地表位移監測點累計位移及沉降值較小,且變形趨勢趨于穩定，偶見數據波動或因邊坡施工建設以及并不能排除觀測誤差的干擾。另外，在監測期內未發現邊坡有明顯裂縫，可以判斷此邊坡現階段已處于穩定狀態。

(a)進站道路監測點 時間-沉降 曲線圖

(b)東側挖、填方邊坡監測點 時間-沉降 曲線圖

(c)南側填方邊坡監測點 時間-沉降 曲線圖

(d)西側填方邊坡監測點 時間-沉降 曲線圖

(e)北側填方邊坡監測點 時間-沉降 曲線圖

4 結語

該工程根據監測的精度要求，監測方法采用GPS靜態觀測法與全站儀極坐標法邊坡應用于水平位移監測，采用幾何水準測量方式應用于沉降監測，地表裂縫監測則采用人工巡視進行觀測。采用儀器監測和人工巡視的作業方式簡單便于實施，且在保證監測精度的情況下極大地減少了工程成本。

另外，為了更好地分析邊坡的變形規律，該工程采用了同對觀測布設監測點的方法，可以從多個角度分析邊坡的變形規律，比如同一水平的變形趨勢或者邊坡同一走向的變形趨勢。因此，建議在邊坡變形監測方面采用此種布點方法。通過分析監測數據，可以得到各個監測點的水平位移和豎直位移均在安全變形范圍內，邊坡穩定性良好，為保障變電站安全運行提供了有效技術支持。

本文主要的工作對變形大小以及規律進行了研究，并沒有根據觀測數據進行變形預測，因此在后面的工作中將針對邊坡變形預測的方法方面展開研究。