采用北斗精确定位技术监测输电线路杆塔基础位移

冯志强，胡丹晖，姚 尧，周学明，张耀东，汪 涛

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

湖北省具有地貌类型多样，山地、丘陵、岗地、平原和湖区兼备的特点，地质条件复杂、降雨丰沛、人类工程活动强烈等因素，造成地质灾害发生种类多、分布广、频率高、灾情重，是我国地质灾害多发省份之一。其中崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷（包括岩溶地面塌陷、采空地面沉陷）灾害发生最为频繁，对输电线路的破坏性最强，极易导致输电线路杆塔及基础的倾斜、变形、沉降，严重威胁输电线路的安全稳定运行[1-2]。

目前，输电线路地质灾害监测主要是在汛前加强地质灾害隐患排查，汛中加强线路运维巡视，讯后加强灾后治理。而在地质灾害发生前通常存在一个缓慢而微弱的发育过程，一般难以被人为察觉。这种运维工作方式往往不能在灾害发生前及时发现地质隐患，提前发出灾害预警，为灾害治理抢修提供充足的反应时间。在灾害出现发育迹象时，不能对灾害发育程度进行评估[3]。因此，亟需一种对地质灾害发育过程、发育程度进行实时精准监测的手段，以便评估地质灾害的风险等级，为线路运维决策分析提供支持。

2017年4月10日，湖北地区某500 kV输电线路杆塔受地质影响而出现滑移，导致杆塔主材变形、倾斜度增加，横隔面交叉材向上弯曲拱起。本文采用北斗精确定位系统对杆塔基础，进行毫米级精度的全天候不间断在线监测，2个多月的监测结果反映出该基杆塔朝下坡向累计发生14.8 mm的滑移，为线路运维抢修提供了直接参考依据。北斗精确定位系统采用载波相位差分技术可以实现毫米级精度的定位[4-5]，其双差模型可以消除卫星钟差和接收机种差的影响；消弱卫星星历误差的影响；消弱对流层和电离层折射误差的影响，大大提高定位的精度，满足输电线路地质灾害监测预警的应用需求。

1 事故概况

1.1 基本情况

事故杆塔为500 kV同塔双回的耐张转角塔，杆塔型号为SJ3A-24，转角度数为左30°44′。导线型号为4×LGJ-630/55钢芯铝绞线，线路左侧采用GJ-80镀锌钢绞线地线，右侧采用OPGW-130-24通信光缆。杆塔基础为岩石嵌固型原状土基础，底部扩底，基础深度10 m，直径2 m。

该塔位于高山体中部，属于滑坡不良地质发育区，如图1所示。1～4号，3～4号塔基侧5～10 m为坡度 40°～50°的陡坡，局部植被发育，以杂草、灌木为主。塔位上坡向为玉米地，坡度为13°～30°。该塔的地质情况为：

0～1.8 m：含碎石粉质粘土，褐黄色，碎石含量70%，为页岩风化碎块，松散稍密；

1.8～3.4 m：页岩，浅黄，灰黄色，岩石呈片状，节理裂缝极发育，强风化；

3.4～11.6 m：页岩，绿黄色，节理裂缝发育，中等风化。

图1 故障杆塔周围地质情况Fig.1 Geological situation around the abnormal tower

1.2 故障情况

2017年4月，线路运维人员在例行巡视中发现该塔塔基护坡与塔基之间出现裂缝。随后，调查人员经过现场勘察测量发现，该塔出现多种不同程度的故障特征（见图2），主要表现为：

1号腿、3号腿、4号腿基础与护面之间均有裂缝，最大达9.7 cm，2号腿基础与护面之间未见明显裂缝；

第一、第二横隔面交叉材向上部弯曲拱起，最大达32 cm；

2号腿主材明显变形，其他腿第一段主材轻微变形，各腿主斜材均有不同程度变形；

2号腿与4号腿第一横隔面对角距离比1号腿与3号腿第一横隔面对角距离小11 cm，中心桩偏移约23 cm。

图2 杆塔的故障情况Fig.2 Fault situation of the tower

根据勘察测量结果，调查人员分析认为：在地表10 m以下的深层地质长期蠕动作用下，1号、3号、4号腿基础发生位移，造成塔材弯曲变形，但是塔基位移方向、位移量难以确定。由于该塔位耐张转角塔，塔基位移造成杆塔抗扭能力急剧下降，已不能抵御大暴雨等恶劣天气、其他极端工况及地质灾害加剧，情况比较危急。

2 塔基位移沉降监测

2.1 北斗监测装置安装

经过现场勘察后，由于1号腿、4号腿位于山坡的下坡侧，发生位移的可能性较大。并且1号、4号腿朝南有利于卫星天线搜星，多径向干扰较小，因此确定将北斗监测装置安装在1号腿、4号腿的基础上，并采用膨胀螺栓将监测站观测杆固定在塔基上，连接处浇筑保护帽，保证监测站与塔基连接牢固没有相对位移。北斗观测天线对中固定在观测杆上，如图3所示。

为了提高监测站的定位精度，基准站以就近原则安装在监测站附近的居民楼楼顶。居民楼远离滑坡区，基础稳定，距离监测站200 m左右。

图3 北斗监测系统安装示意图Fig.3 Installation diagram of Beidou monitoring system

2.2 北斗精确定位系统原理

北斗精确定位系统由北斗地面监测站、基准站和数据解算中心构成。北斗监测站安装在监测对象上，反映监测对象的运动情况；基准站安装在位置稳定的基础上，为监测站提供相对参考位置，相对距离小于10 km即可。两者同时对北斗卫星进行连续观测，并将观测数据通过无线传输实时地发送给数据解算中心。数据解算中心通过静态算法得到精确监测数据。北斗监测站/基准站由GNSS天线，GNSS接收机，供电系统和通信设备构成，如图4所示。GNSS天线采用新型扼流圈型天线，以抑制电磁干扰[6-7]。监测站与基准站均采用市电加蓄电池供电。

图4 北斗精确定位系统结构图Fig.4 Structure diagram of Beidou monitoring system

北斗卫星播发的信号包括载波信号、测距信号和导航电文，测距码和导航电文正交调制在载波上。通过对“测距码和导航电文”进行测码伪距的数据解算，可以实现米级精度的实时定位。而对于输电线路地质灾害的缓慢微弱的发育过程进行监测，为了提高定位的精度，本文采用载波相位差分技术（RTK）进行数据解算[8]，这是北斗定位精度最高的一种方法。其双差模型[9]可以消除卫星钟差和接收机钟差的影响，削弱卫星星历误差的影响，削弱对流层和电离层折射误差的影响，在短距离的情况下几乎可以完全消除其影响[10]。在监测站与基站距离较近时（小于10 km），可以达到毫米级精度。

北斗监测数据偏移量分析原则如下：

确定基准坐标：监测系统解算出监测数据24 h后，将24 h内的坐标数据取平均值，作为基准坐标。

偏移量：确定基准坐标后，将解算得到的位置坐标减去基准坐标，得到监测点的X、Y、H方向的偏移量。

位移趋势：将长期监测得到的偏移量绘制偏移曲线。当偏移曲线持续呈单调变化的趋势（单增或单减趋势），可以判定该监测点出现偏移；当偏移曲线持续往返波动，则该监测点没有出现偏移。

位移量：在监测数据出现位移趋势的前提下，考虑到监测数据的误差，X、Y方向累计发生6 mm的偏移（水平方向累计发生9 mm的偏移），H方向累计发生10 mm的位移，可以判定该点发生位移，核定该点的位移量。

从4月16日至6月15日，经过为期2个月的持续不间断监测，1号腿、4号腿在水平X、Y方向均出现持续的单调变化趋势，确定存在位移趋势；在垂直方向呈往返波动，没有出现偏移。5月14日（第28 d），1号腿在水平X、Y方向偏移量达到9.4 mm，超过测量误差。但是，4号腿位移量始终小于9 mm，位于误差范围内。按照上述判定原则，截至6月15日，该塔的位移沉降观测结果为：

1号腿垂直方向累计无偏移，水平方向朝东偏南44°累计偏移14.8 mm，如图5所示。

4号腿垂直方向累计无偏移，水平方向存在位移趋势，位移量位于误差范围内。

图5 北斗监测系统监测数据Fig.5 Monitoring data of Beidou monitoring system

3 监测数据分析

根据设计单位出具的线路走向图纸，故障杆塔小号侧与大号侧线路方向的夹角为150°，其角平分线为该塔横担的方向，据此可以确定18号塔4个塔腿在线路走向图上的相对位置，如图6所示。设计图纸正上方为北，可以估算出1号腿指向4号腿的方向为北偏东64°。同时，现场采用指南针分别测量1号腿、4号腿主材（平行于1～4号腿连线的主材）的方向均为北偏东64°。综上，可以确定1号腿指向4号腿的方向为北偏东64°（东偏北26°）。

图6 线路走向与杆塔朝向分析Fig.6 Analysis of line direction and tower orientation

北斗监测结果表明该塔1号腿水平位移方向为东偏南44°，而1号腿指向4号腿的方向为东偏北26°（北偏东64°），可以得出1号腿位移方向与1～4号腿连线（1号腿指向4号腿）夹角α为70°，累计偏移量Δd达14.8 mm，如图7所示。由于故障杆塔1～4号侧面向下坡方向，北斗监测结果表明该塔主要朝下坡方向滑移，这与山体滑坡方向一致。

图7 杆塔1号腿位移方向分析Fig.7 Analysis of displacement direction of 1st leg of tower

4 结论

根据现场勘察结果，事故杆塔主材出现不同程度弯曲，横隔面交叉材向上部弯曲拱起，1号腿、3号腿、4号腿塔基与护面之间出现裂缝，表明该塔基础出现滑移，造成杆塔抗扭能力急剧下降，已不能抵御大暴雨等恶劣天气、其他极端工况及地质灾害加剧，情况比较危急。

为了能够精准测量塔基的位移量与位移方向，本文采用北斗精确定位系统对该塔1号、4号腿进行了为期两个多月的不间断在线监测。监测结果反映出1号腿水平方向朝东偏南44°累计偏移14.8 mm，垂直方向累计无偏移。4号腿水平方向存在位移趋势，位移量位于误差范围内，垂直方向累计无偏移。

结合线路的走向图与北斗观测结果，该塔1号腿水平位移方向与1～4号腿连线（1号腿指向4号腿）夹角为70°，累计偏移量为14.8 mm，与山体滑坡方向一致。

（References）

[1]王海,谭瑞山,王星运,等.湖北电网安全运营的地质灾害调查研究[J].绿色科技,2014(2):220-222.WANG Hai，TAN Ruishan，WANG Xingyun,et al.Investigation of geological disasters for safe operation of Hubei power grid[J].Journal of Green Science and Technology,2014(2):220-222.

[2]朱家良.输电线路地质灾害危险性评估的基本特点与认识[J].电力勘测设计,2006(4):9-12.ZHU Jialiang.Basic character and cognition on fatalness evaluation of geo-disaster for transmission line[J]．Electric Power Survey and Design,2006(4):9-12.

[3]甘丹,沈平,罗世应,等.输电线路地质灾害预警决策模型研究[J].陕西电力,2016,44(5):1-4.GAN Dan,SHEN Ping,LUO Shiying，et al.Study on decision-making model of transmission line geological hazard warning[J].Shaanxi Electric Power,2016,44(5):1-4.

[4]杨成涛,周正炼,杨根甜,等.基于北斗精确定位的CORS系统在电网安全运维作业方面的研究及应用[J].信息通信,2017(1):42-43.YANG Chengtao,ZHOU Zhenglian,YANG Gentian,et al.Research and application of cors system based on beidou precise positioning in power grid security operation and maintenance[J].Information and Communications,2017(1):42-43.

[5]马文忠,李林欢,江丽丽,等.基于载波相位差分的北斗／GPS双模定位系统研究[J].测绘工程,2015,24(9):25-30.MA Wenzhong,LI Linhuan,JIANG Lili,et al.Research on COMPASS/GPS dual-modepositioning system based on carrier phase difference[J].Engineering of Surveying and Mapping,2015,24(9):25-30.

[6]王春华,吴文平,王晓辉,等.3D扼流圈天线设计[J].数字通信世界,2014(8):15-18.WANG Chunhua,WU Wenping,WANG Xiaohui,et al.Design of dualband 3D choke ring antenna[J].Digital Communication World,2014(8):15-18.

[7]冯晓超,金国平,范建军,等.GNSS接收机伪距测量中的多径效应试验分析[J].现代电子技术,2013(5):77-81.FENG Xiaochao,JIN Guoping,FAN Jianjun,et al.Experimentation and analysis of multipath effect in pseudo-range measurementofGNSS receiver[J].Modern Electronics Technique,2013(5):77-81.

[8]杨秋实，徐爱功，祝会忠，等．BDS单参考站载波相位差分定位方法[J]．导航定位学报，2016，4(4)：59-64.YANG Qiushi,XU Aigong,ZHU Huizhong,et al.Method of carrier phase difference positioning of single reference station of BDS[J].Journal of Navigation and Positioning,2016,4(4):59-64.

[9]刘伟平，郝金明，田英国，等．北斗卫星导航系统双差动力法精密定轨及其精度分析[J]．测绘学报，2016，45(2)：131-139．LIU Weiping，HAO Jinming，TIAN Yingguo，et al．Solution method and precision analysis ofdouble-difference dynamic precise orbit determination of BeiDou navigation satellite system[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2016，45(2)：131-1390.

[10]张明，顾晓雪．北斗接收机定位误差分析[J]．电子与封装，2015，15(9)：40-43．ZHANG Ming，GU Xiaoxue.Error analysis in Beidou receiver positioning[J].Electronics and Packaging，2015，15(9)：40-43．