500kV变电站地表缓慢沉降监测技术研究及应用

韩晓言，卜祥航

(1.国网四川省电力公司，四川 成都 610041；2.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072)

500kV变电站地表缓慢沉降监测技术研究及应用

韩晓言1，卜祥航2

(1.国网四川省电力公司，四川 成都 610041；2.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072)

为实现多模式地表缓慢沉降监测技术并提高监测预警的成功率，论述了基于INSAR遥感监测、光纤传感监测和地质雷达地表无损监测等监测技术的研究及应用。以四川省甘孜州某500kV变电站地面沉降为例，结合实地野外调查，对空间监测数据进行效果分析，验证了此监测方法的可行性和准确性。

地面沉降；光纤传感；空间监测数据; 地质雷达

0 引 言

四川地区作为中国重要的清洁能源送出基地，且地质活动频繁，大量的水电送出通道、特高压通道都不可避免地穿越脆弱的地质环境。因此地质灾害对输电通道和电网基础设施的威胁日益加剧，对电网应对地质灾害提出了极大的挑战[1-3]。

基于地质灾害的突发性和复杂性，其监测预警研究目前仍是国际热点[4-6]。国外采用遥感、GPS卫星定位技术、气象雷达及微震技术等监测手段对滑坡和地形形变等地质灾害进行监测，以实现地质灾害的长期、中期和短期的预报[7-8]。国内虽起步较晚，但是现代测量技术、信息技术、计算机技术，特别是3S技术集成及其他相关领域的高速发展为地质灾害监测预警系统提供了先进的技术支撑[7-11]，同样也运用到四川电网的防灾减灾预警工作中。文献[7]利用3S技术集成分析了丹巴康定输电走廊地质灾害遥感特征及预警对策；文献[12]利用光纤传感器和GPRS分析了四川某输电走廊滑坡的变形特征。然而前人的研究中监测数据种类单一，无法实现监测数据的相互验证，从而无法获得经济性与准确性兼具的输电走廊地质灾害监测技术手段。

下面以某500kV变电站地面沉降灾害作为案例分析，通过野外实地调查，结合INSAR遥感监测、光纤传感器传感监测和地质雷达的地表无损监测技术，实现对目标区域和点位全面立体的持续监测。根据多种监测数据综合判断、互相验证，提高地质灾害的预警成功率，对地表缓慢沉降监测进行有效的早期预警，从而对电网的安全可靠运行及社会经济的稳定发展提供巨大的保障。

2 地表缓慢沉降空间监测系统

2.1 INSAR遥感监测技术

利用监测区域的高分辨率光学和INSAR遥感影像，实现SAR图像滑坡和地形形变信息提取：1)利用SAR图像和极化分解方法提取输电通道以及附近区域的植被覆盖变化信息[13]，给出植被分布图，以此为基础再利用多极化SAR图像提取大规模滑坡信息，见图1；2)利用SAR图像和D-INSAR技术[14]，提取输电通道缓慢地形形变信息，给出地形形变速率，从而判断发生地质灾害的可能性以及对输电设施的危害性，见图2。

图1 大规模快速滑坡信息提取流程

图2 缓慢滑坡信息提取流程

2.2 地质雷达监测技术

地质雷达利用宽频带短脉冲电磁波，由天线发射器发送至地下，经目标体或电性界面反射后由雷达天线器接收，并以电磁反射波时域曲线形式成像。通过对所接收的雷达信号进行处理和图像解译，达到探测异常的目的，如图3所示。利用地质雷达完成电网不同类型地质灾害特征勘查与原因分析，突破了以往地质灾害单纯依靠地面测量为主的技术缺陷。

2.3 光纤传感器监测技术

靠近变压器等强电磁场的附近，光纤类的方案能够抵御强烈的电磁干扰。各个传感器之间用通信光缆连接起来构成光信息传输通道，最终传输给杆塔上光纤调制解调仪器。后者从中获取信息后，通过电力部门专用的信号或者采用无线的方式，将数据传回控制中心，传感监测系统流程图见图4。

图3 地质雷达探测原理示意图

图4 光纤传感器监测技术示意图

3 监测系统实例分析

某500kV变电站地面高程约1 900 m，后缘高程2 100 m左右，相对高差约200 m，属侵蚀剥蚀中高山峡谷。变电站所在区域处亚热带高原季风气候区，具有高原型气候的特点，主要受高空西风和西南季风影响，干湿季节分明。变电站位于一古滑坡堆积体上，堆积体前缘较陡约35°～45°，后缘为较为平缓约15°～30°。堆积体下游侧基岩露头已形成陡崖地形。变电站位置见图5。变电站承担着该地区多数中小型电站电力电量输出的任务，对于当地国民经济发展具有重要的意义。由于变电站位于一古滑坡堆积体上，虽然修建时在前缘进行了大面积填方，但从2015年7月开始变电站内部出现了多处沉降变形，导致地面裂缝、墙体开裂和杆塔倾斜。变电站光纤传感器布置图见图6。

3.1 变电站地裂缝发育特征及趋势分析

通过对500kV变电站实地调查，结合卫星影像图，发现共发育6处沉降裂缝，其变形位置分布在电站环形路面的正北、北东、北西方向，裂缝分布见图7。

野外调查的裂缝详细信息如下：

图5 变电站位置图

图6 变电站沉降观测布点图

图7 500kV变电站沉降裂缝点位置卫星影像图

1号裂缝，2014年7月至8月发现，2015年7月至8月扩大到1 cm，至今无明显形变，宽度为1 cm、长度为4.5 m的东西向开裂。仅出现拉张裂缝，无明显沉降变形，裂缝旱季变形量较小，但雨季随着降雨产生的地表水渗入，有进一步变形的可能性。

2号裂缝，2013年12月发现(已封填)，成南北向展布，长度为2.5 m，宽度为0.5 cm，有分支，分支角度30°。封填后无新的沉降变形，经过长期监测后，如果仍无变形，可以确定为稳定状态。

3号裂缝，2015年7月发现(已封填)，裂缝与垂直方向成30°角，宽度约为0.5 cm，长度为2 m贯穿。封填后无新的沉降变形，过长期监测后，如果仍无变形，可以确定为稳定状态。

4号裂缝，2015年7月发现墙体微裂，裂缝呈45°，宽度约为0.3 cm,长度为3 m，基本贯通。沉降变形不明显，有进一步变形的可能性。

5—1号、5—2号、5—3号裂缝，2015年7月发现，至2015年8月汛期以来不断扩展，均沉降变形严重。5号裂缝是目前全变电站规模最大、分布范围最广、变形量最大、变形速度最快的裂缝。未来，已出现的宽口裂缝极易使地表水入渗，裂缝加剧发展变形的可能性很大，裂缝规模见表1。

6号裂缝，2015年12月发现，挤出裂缝位移最大处为5 cm，自上而下长为2.5 m。挤压变形严重，存在牵引破坏的可能。

表1 500kV变电站地基5号裂缝规模统计

通过野外调查分析可知， 500kV变电站内沉降裂缝较为发育，在持续强降雨条件下，有可能会进一步发生沉降变形。

3.2 地质雷达监测效果分析

根据地质雷达探测解释成果(图8)可知：变电站由于是填方地基，下方地层结构较杂乱，无明显基岩界面，存在多外地下水富集区。推测变电站地面沉降的主因是填方导致的不均匀沉降，其中地下水的异常分布是最直接的诱因，如图9所示。

图8 地质雷达探测现象解释

图9 变电站地下水分布示意图

3.3 于极化分解技术的大规模滑坡提取效果分析

所选两幅SAR图像为Radarsat-2全极化数据，分辨率为5.2 m×7.6 m，获取时间分别为2016年5月25日和2015年6月18日。中心经纬度为101°50’31”E、30°52’36”N。其范围为左上角101°40’21”E、31°1’51”N；右上角102°0’40”E、31°1’51”N；左下角101°40’21”E、30°43’23”N；右下角102°0’40”E、30°43’23”N。

本算法中图像经过了7×7多视处理以及地形校正，根据初始像素点分辨率，因此一个像素点大约为49 m×49 m。为了便于显示，选择VV极化强度值作为背景灰度图。另外，由于变电站标记于图上为一个像素点，肉眼不宜区分，因此将变电站及其周围3×3像素点标记为圆形白点(图中方框内)，白点中心像素代表变电站所处位置；其余白色区域为实际提取结果，是5月份至6月份在变电站附近可能发生的滑坡分布。根据图10可以看出，变电站远离滑坡区域，2016年5月25日至2015年6月18日期间发生的滑坡对变电站不会构成危害。

图10 监测区域提取结果图

3.4 变电站区域缓慢形变信息提取效果分析

基于DINSAR技术利用多幅全极化数据对变电站附近区域地表形变信息进行了初步提取，采用的图像与大规模滑坡信息提取的图像相同。

变电站区域：-2 cm(符号为正，代表地表上升，反之则下降)。

根据缓慢形变提取结果可知，该区域都有不同程度的地形形变，但是形变量较小，铁塔和变电站都比较安全，如果有强降水，则会导致形变速度加快，需要关注。

综上所述，500kV变电站地表缓慢沉降监测技术，确定了地面沉降的主要诱发因素是丰富的地下水，并提取了变电站区域地形形变参数和周边滑坡信息，建议在强降雨条件下，加强对变电站的监测预警工作。

4 结 论

地表缓慢沉降监测技术包括野外实地调查、INSAR遥感监测技术、光纤传感器传感监测和地质雷达地表无损监测技术。主要解决的问题在于可根据多种监测数据综合判断、互相验证，而获得经济性与准确性兼具的监测系统。

以某500kV变电站地面沉降为例，通过地质雷达监测技术，发现地面沉降的主要诱发因素是异常丰富的地下水。在强降雨条件下，地面沉降会有继续变形的可能性，这在野外调查和利用SAR影像提取的地形形变参数得到了验证。而周边地质环境对变电站的影响，通过基于极化分解技术的大规模滑坡信息提取，可知2016年5月25日至2015年6月18日期间发生的滑坡对变电站不会构成危害。上述案例分析，充分证明了地表缓慢沉降监测技术的可用性与可靠性。

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In order to realize the multi-mode monitoring technologies for transmission channel land subsidence and improve the success rate of monitoring and early warning, the space monitoring system is established, including INSAR remote sensing, optical fiber sensing and non-destructive surface monitoring with geological radar. Based on the ground subsidence of a 500kV substation in Sichuan province, the feasibility and accuracy of the proposed monitoring system are verified by field investigation and the effect of monitoring system.

surface subsidence; fiber sensing; space monitoring data; geological radar

TM835

A

1003-6954(2017)02-0046-05

2017-03-03)

韩晓言(1965)，博士，高级工程师，研究方向为电力系统运行和控制，智能电网技术。

卜祥航(1987)，博士，主要从事输电线路地震地质灾害与抗震减灾技术研究。