金寨500KV变电站变形监测方案设计数据分析

谷玉宝 万磊 王旭东

(国网安徽省电力有限公司建设分公司 安徽合肥 230022)

0 引言

随着我国基础设施规模不断扩大，变电站的修建已经成为电力建设的重要环节。变电站的修建必然产生边坡变形，边坡的形成常伴随着位移变形[1]。温度、降雨、地质条件以及变电站的荷载等作用，容易使变电站产生较大的沉降变形[2]。尽管变电站在设计过程已经充分考虑了可能产生的变形程度，但范围内的变形过大、过快或相对不均匀的变形，也会影响变电站设备的相对位置，甚至影响变电站的正常运行。因此，加强变电站工程的沉降变形监测，既是不断提升变电站工程质量和管理水平的要求，也是确保电网能够安全稳定运行的基本要求和重要保障。

边坡监测，主要是使用己有的技术手段，安装埋设相关的仪器设备，对边坡岩土体的实际状况及其稳定性进行动态监测的过程[1]。边坡监测的意义在于提供边坡位移和变形等变化规律，判断边坡的稳定性，预测边坡变形发展趋势，当出现异常时及时采取加固措施，以确保边坡安全[3]。利用精密大地测量方法，选择合理的监测点位，是进行边坡变形监测工作的前提条件。点位的选址，不仅要考虑变形监测设备仪器的观测方式，还要能够反映边坡变形的特征与趋势[4]。目前已经有学者在该方面进行了相关的研究，如：赵志峰[5]在边坡稳定性分析的基础上，提出结合现场的地质条件在潜在失稳部位设置变形监测点的布点方法；邓贤国[6]通过分析监测点的位移与强度折减系数变化规律，提出了根据灰色关联度来优化布设监测点的方法。

本文拟通过现场地形现状，根据精度要求以及工程本身的需要，对站区内的监测点进行布设，制定监测方案，为保障变电站安全运营提供技术支持。

1 工程概况

1.1 监测范围

本次监测对象为安徽六安金寨500千伏变电站，其位于安徽省六安市金寨县油坊店乡何冲村，S209省道东侧约0.5km处。该区域地貌属大别山低山带与江淮丘陵带交接地区，微地貌为岗地和部分岗间洼地，地形起伏较大，总体地势为西北角与南侧低，为岗间洼地，东北侧以及中部均为起伏的岗地(山地)，地表以茶园、竹林以及少部分菜地为主。东南侧有一水塘，地势稍低，水塘水深1.0m～1.8m，塘内淤泥厚度约0.5m，据调查该水塘为冲沟拦坝形成。站址一次性征地，平坡式竖向布置，总体朝向为北偏西35°，总用地面积4.35hm2，围墙内占地面积2.92hm2，地面高程为155.20m～192.80m，站址设计标高为171.50m。

1.2 地质条件

根据现场勘察结果，该区域浅部岩土体以第四系上更新统冲积、残积成因的粉质粘土、砂质粘性土等为主，下伏为青白口纪的闪长岩。场地地层从上至下依次如下：

①粉质粘土(Q4al)：稍湿，可塑偏软，局部含少量砾石，浅部地表有厚度约0.3m的耕土，主要分布在站址区域地势较低的半山坡和洼地处，厚度不均。

②砂质粘性土(Q4dl)：灰黄、褐黄色，稍密，湿，含少量石英颗粒，浅部含大量植物根系，孔隙发育，结构松散，冲沟及低洼地带分布广泛，山坡上较薄，厚度不均。

③层闪长岩(K)：棕黄、褐黄色，全风化，局部可见原岩构造，多数风化成致密砂、土状，局部可见层状及片状结构，站址内广泛分布。

④层闪长岩(K)：棕黄、褐黄色，强风化，中粒结构，可见层状及片状结构，裂隙发育，岩节理面可见次生矿物，由粘性土填充，站址内广泛分布。

⑤层闪长岩(K)：深灰、青灰色，强～中风化，裂隙发育，可见石英岩脉，岩芯呈短柱、柱状，锤击声脆，属硬质岩。

2 监测方案设计

2.1 监测内容及技术设计依据

本文监测的主要对象为金寨县500kV变电站的边坡及其周围的挡土墙，旨在通过对边坡进行变形监测，为防止边坡可能产生的滑动和蠕动变形提供技术依据，通过变形数据分析边坡的位移和沉降的变形规律，从而判断边坡的稳定性。基此，根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)中边坡工程的安全等级、地质环境、边坡类型、支护结构和变形控制要求，选择监测项目以及项目的技术指标，如表1～表2所示。

表1 监测内容

表2 监测报警值一览表

2.2 监测周期

该工程边坡监测，根据边坡建设、施工以及竣工后运营等各个时期的不同特点，基于不同的阶段采用不同的周期，不同的变形量采用不同的周期：前期变形量大、周期短，后期变形量小、周期长的原则。监测周期采用以下方式：

(1)边坡施工阶段：挖、填方边坡监测，待边坡基本成型，监测点埋设完成后具备监测条件时开始；挡土墙墙顶水平位移监测，待挡土墙施工成型，监测点埋设完成后具备监测条件时开始；施工初期，第一周每天监测一次；如果边坡基本稳定，一周后改为每周监测一次。

(2)边坡及挡土墙竣工后至桩基施工期间：按每周监测一次；若连续监测一个月后发现边坡变形很小时，延长至每两周监测一次。

(3)桩基施工完成至建筑物竣工期间：按每个月监测一次。

(4)边坡及建筑物竣工项目投入运营后：按每个月监测一次；若连续3次监测变形结果很小时，延长至每3个月监测一次，直至观测时间达到2年时，停止观测。

(5)观测期间，如果边坡出现异常情况则加密观测。

2.3 边坡变形监测预警

根据规范要求，边坡工程施工过程及监测期间遇到下列情况时及时报警，并采取相应的应急措施：

(1)有软弱外倾结构面的岩土边坡和支护结构坡顶有水平位移迹象，或支护结构受力裂缝有扩展现象；无外倾结构面的岩质边坡或支护结构的最大裂缝宽度达到国家现行相关标准的允许值；土质边坡支护结构坡顶的最大水平位移已大于边坡开挖深度的1/500或20mm，以及其水平位移速度已连续3d大于2mm/d。

(2)土质边坡坡顶邻近建筑物的累计沉降、不均匀沉降或整体倾斜已大于现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007规定[7]允许值的80%。

(3)坡顶邻近建筑物出现新裂缝、原有裂缝有新发展。

(4)支护结构中有重要构件出现应力骤增、压屈、断裂、松弛或破坏的迹象。

(5)边坡底部或周围岩土体已出现可能导致边坡剪切破坏的迹象或其他可能影响安全的征兆。

(6)根据当地工程经验，判断已出现其他必须报警的情况。

2.4 监测点布设及要求

鉴于基准网由基准点和工作点组成，考虑到边坡监测点比较分散，为使用方便，水平位移监测基准网和垂直位移监测基准网同点位，即在同一个观测墩上，也可以根据现场情况单独埋设。因此，监测点布设时，在严格按照相关规范要求的同时，综合考虑项目区的地质条件及周边环境等要素的影响，对该工程的监测点布设要求如下：

(1)将控制点布设在地质条件稳定且便于与其他监测点进行观测的相关区域。

(2)根据前期的布点勘测情况，对各监测点之间的距离进行弹性设计，例如在易出现大变形量的区域增加监测点的数目。

(3)在保证各监测点之间不受外界因素干扰的同时，对控制点和监测点进行相应保护。

(4)针对监测区内的不同地质条件，均匀地布设监测点，以满足各类地质条件下均有监测点存在。

考虑到该工程边坡南侧和东侧的施工建设情况，为了便于监测，在边坡东侧和南侧稳定位置布设两个基准点(图1中K003)。为了后续监测方便，在边坡进口道路附近稳定区域再布设一个基准点(图1中K002)。每次观测前，先对K002与其他两个基准点进行观测，检核K002稳点性，保证每次监测的可靠性。

图1 监测点分布图

其次，鉴于挡土墙所在区域地质条件较为稳定，仅有少数挡土墙附近存在施工建设情况，结合该工程针对边坡的监测要求，在施工建设区域布设水平位移监测点，不再进行垂直沉降观测，共布设18个水平位移监测点(如图1中南侧JC23、JC24、JC27、JC30等)。

考虑到边坡的变形特征以及该工程现场地形、施工等现状，尤其是东侧和南侧部分，在边坡走向方向布设监测点，并与边坡的挡土墙上的水平监测点共同组成同对监测点(图1中JC25、JC26和JC27)，以方便监测并分析边坡的变形情况。边坡上的监测点需要同时观测水平位移和垂直沉降观测，共布设监测点26个。

另外，如边坡施工中发现其他情况再进行调整(现场根据实际情况监测点坐标可能有局部调整)。位移监测点采用强制对中观测墩(图2)，按设计要求埋设，统一编号，保证监测点下土质坚硬不变形。

图2 观测桩材料及规格

2.5 监测方法及设备

根据规范《建筑变形测量规范》(JGJ8-2016)[8]中对边坡监测的精度要求，并结合现场环境条件等因素，采用的监测方法及设备如下：

(1)监测方法

边坡坡顶平面位移监测采用GPS静态观测法与全站仪极坐标法，沉降监测采用几何水准测量方式。地表裂缝监测采用简易观测法，通过人工巡视进行观测。当出现地裂缝时，在地裂缝处进行设桩观测。

(2)监测设备

监测设备的品牌型号以及精度等信息如表3所示。

表3 监测仪器设备

3 监测数据分析

本次监测始于2018年6月7日，截止于2019年10月7日，共观测16个月，累计观测34期测量数据。表4为所得监测数据统计得到的水平位移和高程累计变化量(表4)，△X、 △Y为各个变形监测点的水平位移量，△H为各个变形监测点的沉降量。

根据表4各项监测数据可知，水平位移监测累计变化量中，变化量最大的△X是JC41点，达到-13.9mm；变化量最大的△Y是JC18点，达到-13.8mm。垂直位移监测累计变化量中，变化量最大的△H是JC21点，达到8.6mm，最大沉降速率为0.17mm/d。从边坡的水平位移累计变化量和垂直累计沉降变化量数据可以看出，各监测点水平位移和高程变化较小。对比表2中的技术指标，说明该工程边坡变化趋势均处于一个平稳的趋势，由此可以判断监测点附近的地表处于稳定的状态。

为了进一步分析边坡在走向上的变形规律，对边坡监测点绘制了沉降曲线(图3)。从图3中可以看出：

①在同对监测点上的变化趋势几乎一致，比如进站道路JC01与JC02，说明在边坡走向上的变化规律一致；

② 在同侧边坡的同一水平上监测点变化规律也保持一致，比如JC11-JC15；

③在变化趋势显得差点较大的东侧和南侧边坡，以在JC18、JC21、JC25、JC28、JC31以及JC34组成的同一水平为例，由于2019年2月10日前在JC25和JC31附近进行了挖填工作，相比之下JC25和JC31产生了较大的沉降变化，但它们的同对监测点JC26和JC31处于下边坡上，相较于上边坡较为稳定，并且与同一水平的JC22、JC29以及JC32的变化趋势一致，说明边坡变形规律保持一致。相类似的还有东侧边坡的变化也满足此变形规律。

综上所述，该边坡整个监测期内各地表位移监测点累计位移及沉降值较小,且变形趋势趋于稳定，偶见数据波动或因边坡施工建设以及并不能排除观测误差的干扰。另外，在监测期内未发现边坡有明显裂缝，可以判断此边坡现阶段已处于稳定状态。

(a)进站道路监测点 时间-沉降 曲线图

(b)东侧挖、填方边坡监测点 时间-沉降 曲线图

(c)南侧填方边坡监测点 时间-沉降 曲线图

(d)西侧填方边坡监测点 时间-沉降 曲线图

(e)北侧填方边坡监测点 时间-沉降 曲线图

4 结语

该工程根据监测的精度要求，监测方法采用GPS静态观测法与全站仪极坐标法边坡应用于水平位移监测，采用几何水准测量方式应用于沉降监测，地表裂缝监测则采用人工巡视进行观测。采用仪器监测和人工巡视的作业方式简单便于实施，且在保证监测精度的情况下极大地减少了工程成本。

另外，为了更好地分析边坡的变形规律，该工程采用了同对观测布设监测点的方法，可以从多个角度分析边坡的变形规律，比如同一水平的变形趋势或者边坡同一走向的变形趋势。因此，建议在边坡变形监测方面采用此种布点方法。通过分析监测数据，可以得到各个监测点的水平位移和竖直位移均在安全变形范围内，边坡稳定性良好，为保障变电站安全运行提供了有效技术支持。

本文主要的工作对变形大小以及规律进行了研究，并没有根据观测数据进行变形预测，因此在后面的工作中将针对边坡变形预测的方法方面展开研究。