輸電桿塔基礎的災變監測與預警系統研發

王年孝

（中山供電局，廣東 中山528400）

0 引言

輸電桿塔基礎是輸電線路的重要組成部分，受到輸電線路走廊氣候和地形地貌多樣性、區域地質構造條件差異性、巖土體類型變化性以及地下水復雜性的影響，桿塔基礎容易產生不良風雨荷載作用下的災變損傷及環境巖土工程問題，甚至發生倒塔事故。本文針對中山地區氣候與地質特點，采用多學科交叉方法，采用現代電子和通信技術，建立塔基滑坡遠程監測系統，有效提高了中山輸電線路基礎體對強風雨極端氣候條件的處置能力，實現了強風雨荷載作用下輸電塔桿基礎的安全監控與預警，為輸電線路長期安全運行和應對極端氣候災害風險提供了參考，有利于為救災搶險制定技術方案。

1 中山地區強風雨特征與典型滑坡工程地質特征研究

收集中山地區地質條件、氣象資料及降雨誘發邊坡地質災害相關資料，建立如圖1所示輸電線路桿塔基礎地質資料數據庫，為輸電線路桿塔分析誘發滑坡的降雨量、持續時間、降雨日、降水強度及其時空分布，研究降雨特征與統計臨界降雨強度的時空相關性提供支撐；以中山地區滑坡分布規律為基礎，針對中山地區不同降雨強度特征滑坡選取典型滑坡，研究滑坡體的地質成因、結構特性和環境效應。

圖1 輸電線路桿塔基礎地質資料數據庫

2 強風雨荷載作用下輸電塔—線體系的災變特點和規律分析方法

通過強風荷載、強降雨荷載的實測，進行輸電塔—線體系強風雨荷載的統計特點及規律研究，建立上部輸電塔—線體系的風雨激勵動力分析模型，根據不同強度風雨荷載作用下塔—線體系穩定性特點和規律，得出塔—線體系應力分布特點和規律，最終得出輸電桿塔災變損傷模式。以降雨特征與統計臨界降雨強度及滲流特性為基礎，建立典型塔基滑坡巖土體飽和與非飽和非穩定滲流數學模型，分析不同降雨過程下典型塔基滑坡體內滲流場分布特征與演變規律；以巖土體力學特性和滲透特性研究為基礎，建立降雨條件下塔基滑坡巖土體滲流—應力耦合分析模型，分析降雨條件下典型塔基滑坡巖土體的變形特征及其演變規律。針對典型塔基滑坡，通過試驗研究、反演分析、工程類比方法，系統研究飽和與非飽和條件下巖土體非線性力學與滲透特性，特別是在非飽和條件下的降雨入滲參數、土水特征曲線和強度準則。以滲流—應力耦合分析模型為基礎，對不同降雨強度、降雨時程、巖土體力學和滲透特性進行組合，研究典型塔基滑坡體內應力、變形和孔隙水壓的分布規律，通過塑性區的分布特征與演變規律探討降雨條件下典型塔基滑坡可能的失穩機理。

3 強風雨荷載下中山塔基滑坡災害監測系統

根據現場勘查與失穩機理研究成果，確立監測變量和監測布置原則；以拉索位移計、容柵式雨量計、固定式測斜儀等設備為基本單元開展監測，采用建設周期短、網絡覆蓋范圍廣的傳輸技術建立監測預警數據中心與多個塔基邊坡單體監測子站的不間斷聯系，通過因特網建立管理部門（救災防災中心）與監測預警數據中心的聯系通道，由此形成適用于塔基邊坡地質災害的簡明、自動、經濟、高效的遠程監測系統。圖2為輸電線路塔基滑坡監測系統示意圖。

圖2 輸電線路塔基滑坡監測系統示意圖

4 強風雨荷載下塔基滑坡地質災害預警模型

通過詳細調查中山地區降雨誘發地質災害的歷史資料，統計分析該地區滑坡發生與降雨特征的關系，提出降雨區域預警的指標。采用飽和與非飽和滲流有限元對中山地區典型滑坡體進行降雨入滲模擬，研究降雨強度、降雨持時和降雨類型對邊坡滲流和穩定的影響，驗證和改進有效降雨量經驗模型。將改進后考慮降雨入滲規律的有效降雨量模型與滑坡發生的歷史概率曲線相結合，得到中山地區滑坡地質災害區域降雨預警模型，建立相應的風險防御措施。針對所監測的單體邊坡，設計不同的風雨荷載量和巖土體參數組合，采用飽和與非飽和滲流有限元計算對應的滑坡安全系數Fs和監測點的位移u，可以作出相應的滑坡安全系數與監測點位移的關系曲線，以此為依據來確定該邊坡監測點位移的階段預警值。

5 基于網絡技術的災變監測與預警系統

采用網絡編程技術和數據庫技術，通過ASP.NET 開發三層B/S結構模式的監測數據實時發布和地質災害監測預警系統，建立塔基邊坡監測信息數據庫，實現對監測數據的遠程實時接收和可視化管理分析，為管理部門及時了解現場監測結果和快速決策提供了強有力的平臺支持。針對邊坡變形破壞模式復雜多樣，集成多種時間預測模型，形成了變形預測模型庫，采用可視化的圖形工具，可以為不同類型和不同演化階段的邊坡選取合適的預報模型，使邊坡變形預測更具針對性和可靠性。基于邊坡地質災害統計分析和邊坡失穩力學機理分析，建立基于降雨量和位移的綜合預警模型。同時基于GSM 網絡數據終端，開發短信預警發送功能，根據設定的變形和有效降雨量預警指標，自動向特定人群實時發送預警短信，提高了信息發布的實效性和自動化水平，為防災減災提供了最新的決策支持。

6 結語

本文介紹了建立和研發輸電桿塔基礎在風雨荷載作用下安全預警系統的方法與實現的技術手段，所開發的中山塔基邊坡遠程監測預警系統具有簡明、自動、實時、遠程、經濟、高效的特點，可實時獲取監測點的位移和降雨量信息，進行變形預測分析，并結合區域降雨量預警模型和位移預警模型進行實時預警及網絡和手機信息發布，適合在南方多雨地區電網塔基監測預警中推廣，具有較為顯著的社會效益和經濟效益。

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