光學傳感技術在輸電走廊滑坡在線監(jiān)測中的研究及應用

劉 勇，薛志航

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

光學傳感技術在輸電走廊滑坡在線監(jiān)測中的研究及應用

劉 勇1，薛志航2

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

為提升電網(wǎng)對地質(zhì)災害的監(jiān)測及防護水平，對基于光學傳感技術的輸電走廊滑坡在線監(jiān)測方法進行了研究，并在某500kV輸電線路313號和314號塔進行了現(xiàn)場應用。根據(jù)大量現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)，針對性地制定了科學有效的監(jiān)測方案，搭建了一套基于光纖傳感網(wǎng)絡的在線監(jiān)測平臺，并且分析了降雨量、傾斜角和表面裂縫與滑坡體狀態(tài)的關聯(lián)；最后依據(jù)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)對某500kV輸電線路313號和314號塔進行了診斷，診斷結(jié)果表明其具有較高的實時性和準確性。

光纖傳感；滑坡；降雨量；傾斜角；表面裂縫；診斷

0 引 言

隨著人類社會經(jīng)濟與科學技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)的正常運行，直接關系到社會穩(wěn)定、經(jīng)濟發(fā)展和人民正常生活。但是，由于山區(qū)輸電線路常常受到山地災害的威脅，特別是汶川地震以后，地質(zhì)環(huán)境找到嚴重破壞，對電網(wǎng)的安全提出了嚴竣的挑戰(zhàn)，電網(wǎng)安全生產(chǎn)問題引起了社會的高度關注。由于中國70%屬于山地環(huán)境，地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造條件非常復雜，泥石流、滑坡、崩塌等各種山地災害時有發(fā)生，對電網(wǎng)系統(tǒng)造成的破壞較為突出，地質(zhì)災害導致的電網(wǎng)大面積停電風險始終存在，這給當?shù)厣鐣凹敖?jīng)濟繁榮造成很大的威脅。

根據(jù)統(tǒng)計，四川省的輸電通道主要受到滑坡災害的影響。比如500kV跨區(qū)電網(wǎng)二灘—自貢輸電線路自投運以來十幾年中，幾乎每年都會發(fā)生因滑坡引起的輸電線路設備損壞事件并使線路被迫停運改造。其中2000年7月，西昌地區(qū)發(fā)生滑坡造成二普III線 N205鐵塔倒塌，并將相鄰鐵塔折斷，共造成倒塔6基，鐵塔損壞3基。在該耐張段內(nèi)的導線、絕緣子及金具全部損壞，在后期治理過程中，地質(zhì)滑坡又造成該段鐵塔移位1次，改線2次，經(jīng)濟損失巨大。

目前電力系統(tǒng)針對地質(zhì)災害的頻發(fā)，也采取了一些監(jiān)測和應對手段，并在部分存在災害隱患的桿塔搭建了在線監(jiān)測平臺；但由于鐵塔所在自然環(huán)境惡劣，長期出現(xiàn)雨雪天氣，且電磁干擾嚴重，經(jīng)常導致傳統(tǒng)電學傳感器失效，數(shù)據(jù)無法及時回傳，監(jiān)測效果并不理想。

這里介紹了一種基于光纖傳感技術的鐵塔滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，解決了惡劣自然環(huán)境和強電磁干擾下數(shù)據(jù)監(jiān)測的穩(wěn)定性和可靠性，并針對存在滑坡隱患的某500kV輸電線路313號和314號塔進行了現(xiàn)場應用，以改善目前電網(wǎng)對地質(zhì)災害的監(jiān)測及防護水平。

1 光纖監(jiān)測技術原理簡介

由于現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境惡劣且電磁干擾嚴重，項目采用光纖傳感器進行監(jiān)測，與電測量原理的傳統(tǒng)傳感器相比，光纖光柵傳感器有以下優(yōu)點[1]：

1)不受潮濕環(huán)境影響，能避免電磁場的干擾，電絕緣性好，耐腐蝕，耐高溫，能夠有效地防止雷擊、電磁干擾等；

2)耐久性好，具有抵抗包括高溫在內(nèi)的惡劣環(huán)境及化學侵蝕的能力；

3)質(zhì)量輕，體積小，對結(jié)構(gòu)影響小，易于布置，容易加工；

4)既可以實現(xiàn)點測量，也可以實現(xiàn)分布式測量，組成復用系統(tǒng)，便于成網(wǎng)。

圖1 光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖

光纖傳感器通常由光源、傳輸光纖、傳感元件或調(diào)制區(qū)、光檢測等部分組成。其工作原理是基于光纖的光調(diào)制效應，即光纖在外界環(huán)境因素(如溫度、壓力、電場、磁場等)發(fā)生改變時，其傳光特性(如相位與光強)會發(fā)生變化的現(xiàn)象。也就是說，如果能測出通過光纖的光相位和光強的變化特點，就可以知道被測物理量的變化過程[2]。光纖Bragg光柵是指單模摻鍺光纖經(jīng)紫外光照射成柵技術而形成的全新光纖型Bragg光柵。成柵后的光纖纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋并產(chǎn)生Bragg光柵效應。對于光纖Bragg光柵，當寬帶光在FBG中傳輸時，將產(chǎn)生模式耦合，滿足Bragg條件的一個窄帶光譜將被反射回來。Bragg條件為

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB為Bragg波長；neff為光纖芯區(qū)的有效折射率； Λ為光纖Bragg柵格周期。

當光纖光柵測量的參數(shù)發(fā)生改變時，會導致光纖光柵neff或Λ 的改變，從而引起光纖光柵反射波長λB的變化：因此通過測量光纖光柵的中心反射波長的變化，即可獲得待測物理量的變化情況。中心波長的獲取及工作原理如圖2所示。

圖2 光纖光柵傳感原理圖

寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器入射到光纖光柵傳感器陣列，被各光纖光柵反射，經(jīng)過耦合器后傳輸?shù)紽P(Fabry Perot)濾波器。當探測器探測到光信號時，濾波器的透射波長即為光纖光柵的反射波長。

當FBG同時受到變化的監(jiān)測量和變化的溫度作用時，光纖Bragg光柵的波長變化量為ΔλB，則

(2)

式中：Pc為有效的光彈性系數(shù)；Δεf為FBG變化的環(huán)境量；αs為光纖的熱膨脹系數(shù);ζs為熱光系數(shù);Δt為溫度變化量。且有

(3)

式中：v為纖芯材料的泊松比;P11和P12為光彈性張量的普克耳系數(shù)。

傳感器的中心波長是通過光纖光柵傳感分析儀進行解調(diào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其工作原理如下：

圖3 光纖解調(diào)儀中心頻率變化實例

系統(tǒng)工作時，光纖光柵傳感分析儀內(nèi)部光源發(fā)出連續(xù)的寬帶光，經(jīng)光纜傳輸?shù)奖O(jiān)測現(xiàn)場布設的光纖光柵傳感器，這些傳感器內(nèi)部的測量敏感元件——光纖光柵對該寬帶光有選擇地反射回相應的一個窄帶光，經(jīng)同一傳輸光纜返回到光纖光柵傳感分析儀內(nèi)部探測器來測定出各個傳感器所返回的不同窄帶光的中心波長，從而解析出各監(jiān)測點的值，如圖3所示。由于多個傳感器所返回的窄帶光信號中心波長范圍不同，所以可以將這些傳感器串接組網(wǎng)實現(xiàn)多點同時測量，大大簡化了傳感器及引出線的布設，避免了以往逐點測量的不便。

2 某500kV輸電線路313號和314號塔滑坡情況

2.1 滑坡塔位概況

某500kV輸電線路 313號和314號塔位位于昭覺縣解放溝鄉(xiāng)，于1998年7月20日正式投入運行。

由于省道307線西昌川興至昭覺縣城段改建公路的坡腳開挖、持續(xù)強降雨等因素，導致313號塔位下方坡體變形和314號塔位下方坡體變形滑動，威脅斜坡體后緣的313號、314號塔鐵安全。

2.2 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

314號塔位滑坡和313號塔位變形體位于昭覺縣解放溝鄉(xiāng)，坐標位置：N 27°52′26″,E 102°33′51″。滑坡位置位于西昌川興至昭覺縣城段改建公路樁號K46+470至K46+620處，如圖4所示?；滤幍牡孛矄卧獮橹猩降孛?，以構(gòu)造作用為主，受到強烈的剝蝕作用和局部的冰雪作用；出露地層巖性為白堊系下統(tǒng)阜新組(K1f)，巖性以褐灰色紫色礫巖為主，夾有灰色、灰黑色砂巖、泥巖，局部含薄煤層和炭質(zhì)泥巖，基巖產(chǎn)狀近水平93°∠3°～8°；構(gòu)造上受安寧河斷裂帶及其支斷裂影響，巖層結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育：因此，該區(qū)域山地災害的易發(fā)性較強，易發(fā)生小到中等規(guī)模的基覆交界面堆積層滑坡災害。

圖4 塔位變形體遙感示意圖

2.3 314號塔位變形體特征

314號塔位滑坡發(fā)生于2015年8月28日?；潞缶壓０胃叨燃s3 020 m，滑坡主滑方向約NE 72°，滑坡剪出口位于前方公路附近，海拔高度約3 000 m，滑坡相對高差約20 m。314號塔位于山脊末端臨近公路，山體坡度約30°～40°，塔腿距公路邊界最近距離42 m，滑坡后B腿距滑坡體邊緣4.7 m。

據(jù)調(diào)查，滑坡已經(jīng)發(fā)生整體滑動，滑坡后壁、側(cè)壁明顯，在滑坡中部和后部有大量拉張裂縫，裂縫寬度約0.1～0.3 m，長約10～20 m，深度約0.2～0.5 m，走向基本垂直于主滑方向，約NW 10°～15°(見圖5)。

圖5 314號塔位滑坡體上的拉張裂縫

2.4 313號塔位變形體特征

313號塔位距離原K46+575至K46+620 滑坡后緣約50 m。由于下方滑坡導致313號塔位斜坡穩(wěn)定性下降，產(chǎn)生牽引，在后緣形成明顯的拉裂縫。據(jù)調(diào)查，位于313號塔位下方約5 m處的山體出現(xiàn)拉張裂縫。目前裂縫長約20～30 m，寬約10～20 cm，深50 cm(見圖6)。調(diào)查人員根據(jù)裂縫走向開展調(diào)查，裂縫走向從約NW 330°逐步變化為約NE 50°，發(fā)現(xiàn)潛在變形體的后緣和側(cè)緣的裂縫已經(jīng)基本貫通，且裂縫正在持續(xù)變形階段。

圖6 313#塔位變形體后緣拉裂縫

變形體的組成物質(zhì)為碎石土，其地層巖性和物質(zhì)組成與314號塔位滑坡一致。根據(jù)目前變形體所在山體的地形特征和變形特征，初步估計變形體長約100 m，平均寬50 m，厚度約6～10 m。推測整個變形體的規(guī)模約為(2～5)×104m3。

3 監(jiān)測手段及實施方法

3.1 監(jiān)測因素

由于314號和313號塔變形體和滑坡體是牽引式滑坡，且主要危害對象是塔基：因此，方案設計中主要考慮降雨量、桿塔傾斜和地表裂縫的監(jiān)測。原因如下：

1)地表裂縫監(jiān)測

地表裂縫監(jiān)測可以了解滑坡所處的變形范圍發(fā)展階段。滑坡最明顯的特征為滑動，需要監(jiān)測的是滑動及其特征(包括大小和速率)和滑動時地面動態(tài)與變形，因此，滑坡的地表變形觀測歷來受到重視。

2)降雨量

降雨作用下雨水可能從邊緣以及縫隙等滲入坡體內(nèi)，從而增加滑體自重，軟化滑動帶土體，降低滑帶土體的抗剪強度，影響坡體穩(wěn)定性。目前在滑坡后緣邊界附近分布有若干條拉張裂縫，雨水可直接沿裂縫進入滑體或至滑帶，并對滑體產(chǎn)生動水壓力和浮托力，對坡體穩(wěn)定性能產(chǎn)生較大影響。

3)桿塔傾斜

桿塔傾斜角度是滑坡、下沉、塌陷等典型地質(zhì)災害的直接表現(xiàn)，也是監(jiān)測地表緩慢變形的直觀特征。由于監(jiān)測滑坡屬于蠕變型滑坡，所以傾斜角度監(jiān)測是重要且必要的。

3.2 監(jiān)測方案

如圖7所示，整個檢測系統(tǒng)分為前端采集模塊、控制模塊、供電模塊和傳輸模塊4個部分[3]。

前端采集模塊包含3類傳感器，分別包含雨量計、表面裂縫計和桿塔傾斜儀，主要用來監(jiān)測影響桿塔穩(wěn)定的狀態(tài)量。

控制模塊包含光纖光柵解調(diào)電路、MCU控制電路，主要用于提供光纖傳感器的檢測光源并對反射回來的光信號進行處理，從而得出被測量滑坡體位移、地下水位、表面裂縫、溫度等的變化值。

供電模塊包含蓄電池、太陽能電池板、電源管理模塊，主要用于保證系統(tǒng)正常供電，確保系統(tǒng)在遭遇連續(xù)陰雨天時能夠持續(xù)工作20天以上。

傳輸模塊包含GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸模塊，后臺數(shù)據(jù)接收模塊，主要用于開展間斷的，突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，同時能夠完成短時大數(shù)據(jù)量傳輸。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)測方案

在兩基桿塔位置，各布置傾斜儀1臺，直接測量桿塔變形；沿滑坡體中軸滑動方向，從上至下各布置傾斜儀2臺和3臺，直接測量坡體的滑動情況。在滑坡體上方的裂縫處，各布置大量程的傳感器2個，用于監(jiān)測地表裂縫情況。在313號和314號桿塔之間空曠無遮擋處安置雨量計1臺。在313號和314號桿塔高處，各布置數(shù)據(jù)采集儀1臺，用于采集測斜計、裂縫計數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)回后方的數(shù)據(jù)處理中心[4-5]。

圖8 系統(tǒng)布點方案

表1 塔位監(jiān)測設備統(tǒng)計表

監(jiān)測裝置監(jiān)測位置設備數(shù)量型號規(guī)格、主要技術指標測斜計313、314號塔7桿塔部分2個：量程±10°，精度0．01°滑坡體部分5個：量程±10°，精度0．01°數(shù)據(jù)采集儀313、314號塔較高的位置2支持GPRS無線通信收發(fā)模塊，供電能夠滿足30d無太陽保證雨量計313、314號塔附近空曠無遮擋位置1測量范圍為0～8mm/min，分辨率為0．2mm地表裂縫計313號塔下2量程250～300mm，精度為1mm

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 地表裂縫計數(shù)據(jù)分析

自儀器安裝調(diào)試結(jié)束之日起至2016年7月，現(xiàn)場313號塔位變形體區(qū)域變形顯著。6月15日的強降雨導致裂縫計發(fā)生突變，當天的變化量高達10 mm，隨后變形體進入加速蠕變階段，應變速度約為4.37 mm/d，總變形量約為61 mm。

4.2 雨量計數(shù)據(jù)分析

根據(jù)某500kV輸電線路313號和314號塔位雨量站的2016年6月監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示表明: 昭覺縣313號和314號塔位滑坡區(qū)降雨量在6月15日達到最大值為47.5 mm。6月19日降雨量為38 mm，如圖9所示。

圖9 313號和314號塔位滑坡區(qū)降雨數(shù)據(jù)(2016年6月)

圖9監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示， 6月的降雨強度不大，最強的一次降雨在6月10日凌晨3點，強度為9.5 mm/h。6月降雨量超過大雨等級的次數(shù)為4次，分別為14日、15日、19日和21日。

4.3 傾斜儀數(shù)據(jù)分析

測斜儀(4個)分別布設于313號塔位塔頂、塔身、塔下?lián)鯄八缕麦w，用于監(jiān)測塔位及滑坡體地表變形量，編號01～04。

圖10給出了313號塔位變形體測斜儀(01～04)監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中，測斜儀01和02數(shù)據(jù)基本保持不變。由于測斜儀01和02分別布設于輸電塔頂及塔身，因此，初步判定313號塔處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 313號塔身傾斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)(01～04)

測斜儀03監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：6月3日開始監(jiān)測點持續(xù)變形，至28日 x軸累積變形量約為0.04°，變形速率約為0.001 5°/d(如圖10(c)所示)。由于，變形速率緩慢，且從現(xiàn)場反饋信息判斷，313號塔基下部擋土墻未出現(xiàn)較大變形破壞，綜合分析判斷擋土墻基本處于穩(wěn)定狀態(tài).但進入蠕變初級階段(勻速變形階段)。

測斜儀04監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：6月10日-14日，313號塔位變形體中下部斜坡進入穩(wěn)定變形階段，巖土體變形大致以等速發(fā)展，曲線近似一傾斜直線的應變速率發(fā)展，累計變形量約為0.02°，變形速率大體不變約為0.004°/d。6月15日，監(jiān)測數(shù)據(jù)有一突變，其中00:00～08：00時x-軸累積變形量達到0.06°，y-軸累積變形量到達0.04°，變形速率約為0.18°/d，斜坡進入加速蠕變階段。

4.4 數(shù)據(jù)綜合分析

綜合分析313號塔位變形體雨量計、裂縫計和測斜儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，只有313號塔左側(cè)裂縫計和測斜儀04監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大，因此僅分析這兩臺設備監(jiān)測數(shù)據(jù)與降雨量之間的關系，如圖11所示。

圖11 313號塔位監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析

圖11顯示6月9日-11日3天累計降雨量高達53.5 mm，313號塔位變形體中下部測斜儀04點監(jiān)測區(qū)域進入蠕變初級階段(勻速變形階段)。6月14日-15日的中轉(zhuǎn)大雨，兩日累計降雨量高達72.5 mm，裂縫計數(shù)值發(fā)生突變，當天的變化量高達10 mm，隨后變形體進入加速蠕變階段，應變速度約為4.37 mm/d，總變形量約為61 mm。測斜儀04監(jiān)測數(shù)據(jù)有一突變，其中00:00～08：00時，x-軸累積變形量達到0.06°，y-軸累積變形量到達0.04°，變形速率約為0.18°/d，斜坡進入加速蠕變階段。這與現(xiàn)場調(diào)查反饋資料完全一致，見圖12。

圖12 313號塔基在建擋墻右下側(cè)新增裂縫

5 結(jié) 語

在大量現(xiàn)場查勘和試驗的基礎上，研究了一種基于光纖傳感器技術的滑坡在線監(jiān)測平臺，解決了現(xiàn)有技術中監(jiān)測系統(tǒng)存在的監(jiān)測裝置實時性和有效性較低、成本高、效率和準確率低以及可靠性較低的技術問題，監(jiān)測系統(tǒng)能夠高效準確實時地進行監(jiān)測，具有良好的可靠性和較高的性價比。

對傳統(tǒng)監(jiān)測平臺進行了改進，將光纖傳感器、光調(diào)制解調(diào)儀、太陽能及蓄電池供能單元和無線通信裝置等集成在一起，最大化地減小了工程量，提高了系統(tǒng)工作的可靠性；同時由于無需利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡，便于成果大規(guī)模地推廣應用。

研究成果在某500kV輸電線路313號和314號塔進行了現(xiàn)場應用，對獲取的降雨量、表面裂縫和傾斜量進行了特征分析及關聯(lián)分析；對滑坡體所處的狀態(tài)進行綜合診斷，并開展了比較驗證工作，實現(xiàn)了對鐵塔安全狀態(tài)有效而全面的評估。

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In order to improve the monitoring and protection level of geological disasters in power grid, online landslide monitoring method is studied for transmission line corridor based on fiber optic sensing technology, and the research results is applied to No. 313 and No. 314 tower of a 500kV transmission line. According to plenty of site survey data, a scientific monitoring program is developed, an online monitoring system is set up and the relationship between rainfall, tilt angle, crack and landslide status is analyzed. At last, No. 313 and No. 314 tower of a 500kV transmission line are diagnosed according to the monitoring data, and the results show that the system is more timely and accurately.

fiber optic sensing; landslide; rainfall; tilt angle; crack; diagnosis

TM726

A

1003-6954(2017)02-0041-05

2017-03-03)

劉 勇(1968)，高級工程師，國網(wǎng)四川省電力公司副總經(jīng)理；

薛志航(1987)，工程師，主要從事電力系統(tǒng)帶電檢測及故障診斷技術。