電力建筑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析方法研究

張潤(rùn)賢 張道輕

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.河南省征地儲(chǔ)備中心，河南 鄭州 450016）

1 引言

電力工業(yè)為各行各業(yè)提供能源，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)行業(yè)。電力安全監(jiān)督是保障電力安全生產(chǎn)的有效措施，國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)對(duì)其都非常重視[1]。針對(duì)電力安全監(jiān)督工作中地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高的重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)建筑物、輸電線路桿塔及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠科學(xué)、準(zhǔn)確、及時(shí)地分析和預(yù)報(bào)建筑物、輸電線路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，為及時(shí)采取防治措施和災(zāi)后應(yīng)急處置提供技術(shù)依據(jù)，對(duì)保障輸電線路安全運(yùn)行和輸電線路防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

隨著變形監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的日益豐富，除了水準(zhǔn)儀、全站儀等傳統(tǒng)儀器和方法外，激光掃描儀、攝影測(cè)量、衛(wèi)星遙感等新設(shè)備新技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[2-3]，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的類型也變得更加復(fù)雜多樣，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性、權(quán)威性和不同處理系統(tǒng)的通用性提出了更高要求。本文以華測(cè)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在重慶某電力建筑物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用為例進(jìn)行分析，結(jié)合電力建筑變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)踐數(shù)據(jù)，分析了電力建筑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中有關(guān)數(shù)據(jù)管理和處理分析的方法，并通過(guò)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 華測(cè)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

基于北斗衛(wèi)星高精度差分定位技術(shù)（如圖1 所示），華測(cè)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)區(qū)域組網(wǎng)的模式，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)統(tǒng)一，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行位移、變形沉降、裂縫等地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。采用的GNSS 地表變形高精度監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括GNSS 雙頻接收機(jī)、GNSS 天線、防雷模塊、一體化機(jī)箱，集數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信傳輸、智能供電及防雷功能于一體，滿足各種應(yīng)用需求。系統(tǒng)設(shè)備安裝如圖2 所示。

圖1 北斗衛(wèi)星差分示意圖

圖2 華測(cè)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備安裝

基于GNSS 地表沉降、變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，管理人員可實(shí)時(shí)掌握地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)表面變化量，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期連續(xù)跟蹤觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，基于北斗地基增強(qiáng)技術(shù)，結(jié)合北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)與起算坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高精度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，最終得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以及毫米級(jí)的高精度形變量，可有效提高地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)能力，為防災(zāi)減災(zāi)提供實(shí)時(shí)信息服務(wù)，為政府部門提供決策支持、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及處置方案評(píng)估服務(wù)。

3 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于重慶，目前使用的特高壓±800 千伏復(fù)奉直流、錦蘇直流，±500 千伏張長(zhǎng)、張隆、張恩直流輸電線路主網(wǎng)架輸電線路遍布重慶全境。線路途經(jīng)綦江、南川、涪陵、彭水、黔江等地，處于渝東南川鄂湘黔隆褶帶的武陵山大山脈。環(huán)境惡劣、地質(zhì)地形復(fù)雜、氣候多變，山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害種類較多，極易導(dǎo)致輸電線路桿塔及基礎(chǔ)的傾斜、變形、沉降，嚴(yán)重威脅輸電線路安全運(yùn)行，且災(zāi)后工程治理難度和成本巨大。

通過(guò)華測(cè)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目區(qū)域的建筑物、輸電線路桿塔進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①在電力塔周邊的滑坡表面建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立較完整的監(jiān)測(cè)剖面和監(jiān)測(cè)網(wǎng)，使之成為系統(tǒng)化、立體化的形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。②及時(shí)快速地對(duì)滑坡表部形變現(xiàn)狀做出評(píng)價(jià)分析，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息。③建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電力塔周邊的滑坡地形進(jìn)行長(zhǎng)期的分析研究，為同類工程積累經(jīng)驗(yàn)。

4 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

處理變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)論是沉降還是水平位移計(jì)算，都是利用平差軟件生成平差報(bào)告，根據(jù)獲得的高程和坐標(biāo)進(jìn)行變形量的計(jì)算分析。當(dāng)前平差軟件較多，如南方平差2002、2005 以及科傻平差、清華三維平差軟件等。不同軟件生成的報(bào)告文件內(nèi)容排版有所差別，文件類型不一，在數(shù)據(jù)處理前需人工提取數(shù)據(jù)，不僅浪費(fèi)人力，還極易出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，研究一種將多類數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式的方法很有必要。

4.1 科傻文件格式轉(zhuǎn)換

科傻平差報(bào)告文件為標(biāo)準(zhǔn)的ASCII 碼文件，可以使用任何文本編輯器進(jìn)行編輯。根據(jù)控制網(wǎng)類型，將水準(zhǔn)網(wǎng)平差報(bào)告文件后綴設(shè)置為.oul，平面網(wǎng)平差報(bào)告文件后綴設(shè)置為.ou2?？蓱?yīng)用StreamReader 逐行讀取報(bào)告文件信息，直到當(dāng)前行含有“ADJUSTED HEIGHT”或“平差坐標(biāo)及其精度”關(guān)鍵詞，跳過(guò)空白行和空格，讀取點(diǎn)號(hào)、高程或坐標(biāo)，并賦值給定義好的變量，再按格式寫入記事本文件。

4.2 平差易文件格式轉(zhuǎn)換

平差易報(bào)告文件為標(biāo)準(zhǔn)的Word 文件，平差結(jié)果以表格形式存儲(chǔ)。使用Microsoft.Office.Interop.Word 類庫(kù)打開Word 文件，將平差結(jié)果表格賦值給定義好的Table 類變量，從單元格獲取點(diǎn)號(hào)、高程或坐標(biāo)，再按格式寫入記事本文件。作業(yè)流程如圖3 所示。

圖3 平差易軟件作業(yè)流程

4.3 CAD 轉(zhuǎn)換成GIS 數(shù)據(jù)格式

當(dāng)前，電力工程設(shè)計(jì)圖格式多為CAD圖，是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，但存在屬性信息少、沒(méi)有管理圖形間的拓?fù)潢P(guān)系、不便分析統(tǒng)計(jì)等問(wèn)題，系統(tǒng)建設(shè)時(shí)需將CAD 圖轉(zhuǎn)換成GIS 數(shù)據(jù)。應(yīng)用ArcObjects、SuperObject 等組件開發(fā)模型，實(shí)現(xiàn)由CAD 格式DWG 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為ShapeFile、Geodatabase 等GIS 格式[4]。

5 電力建筑變形監(jiān)測(cè)分析

5.1 基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性分析

變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的穩(wěn)定與否直接決定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和變形分析的可靠性，基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性分析是變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的重要內(nèi)容。本文將穩(wěn)定性分析分為三個(gè)步驟，首先要進(jìn)行秩虧自由網(wǎng)平差求得控制點(diǎn)兩期平差坐標(biāo)，再經(jīng)過(guò)平均間隙法和單點(diǎn)檢驗(yàn)法來(lái)判斷每個(gè)控制點(diǎn)的穩(wěn)定性[5]。

5.1.1 秩虧自由網(wǎng)平差

電力建筑變形監(jiān)測(cè)精度要求高，周圍控制點(diǎn)易受電力設(shè)備運(yùn)行影響，無(wú)法事先判斷變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)中每個(gè)控制點(diǎn)的穩(wěn)定性，因此在處理基準(zhǔn)網(wǎng)變形監(jiān)測(cè)各周期的測(cè)量成果時(shí)，不能事先給出已知數(shù)據(jù)，平差計(jì)算時(shí)必須采用自由網(wǎng)平差方法，即秩虧自由網(wǎng)平差。根據(jù)基準(zhǔn)條件在分析中采用基于重心基準(zhǔn)的秩虧自由網(wǎng)平差。

5.1.2 平均間隙法

平均間隙法主要用于監(jiān)測(cè)網(wǎng)中不穩(wěn)定點(diǎn)的檢驗(yàn)與識(shí)別：先對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行兩周期圖形整體檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)通過(guò)，則確認(rèn)所有基準(zhǔn)點(diǎn)是穩(wěn)定的 ；否則，需找出不穩(wěn)定的點(diǎn)。經(jīng)檢驗(yàn)若平均點(diǎn)位偏移量顯著，則要具體判斷哪些點(diǎn)是穩(wěn)定點(diǎn)，哪些點(diǎn)是移動(dòng)點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行單點(diǎn)檢驗(yàn)。

5.1.3 單點(diǎn)檢驗(yàn)法

假設(shè)兩期觀測(cè)精度相同，則可用t 檢驗(yàn)法逐點(diǎn)進(jìn)行位移顯著性檢驗(yàn)。設(shè)某點(diǎn)兩期坐標(biāo)差為：

5.2 電力建筑變形分析

變形量計(jì)算分析是變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的核心內(nèi)容，主要包括沉降量分析、位移量分析、傾斜撓度分析、預(yù)測(cè)分析。

5.2.1 沉降量分析

①監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降分析：根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)兩期或多期高程數(shù)據(jù)進(jìn)行求差，計(jì)算出沉降量和累計(jì)沉降量后對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)繪制沉降過(guò)程曲線。②建筑物整體沉降分析：建筑物的整體穩(wěn)定性是確保建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的必要條件，其局部不均勻沉降可能造成建筑物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在分析時(shí)以沉降量為標(biāo)準(zhǔn)，生成等值線，便于判斷建筑物在某一位置的沉降量大小，觀察各處的沉降量差值會(huì)不會(huì)危及建筑物安全。③建筑物間沉降差分析：電力工程建筑物之間通常存在銜接體，尤其是電力塔等設(shè)備，需要以連廊、管道、電纜等銜接體與其他建筑物連接，如果建筑物之間的沉降差值過(guò)大，將導(dǎo)致建筑物之間的銜接體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，嚴(yán)重影響其安全和使用[4]。為此，在計(jì)算完監(jiān)測(cè)點(diǎn)和建筑物的沉降量后，需要進(jìn)一步對(duì)建筑物之間的沉降差進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)對(duì)銜接點(diǎn)進(jìn)行高程觀測(cè)，可計(jì)算銜接點(diǎn)的沉降差。

5.2.2 位移量分析

同沉降監(jiān)測(cè)一樣，在計(jì)算出建筑物各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移量后，選定日期和建筑物，繪制各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移曲線圖。另外，為更加直觀地顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移方向和大小，可繪制各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移矢量圖。

5.2.3 傾斜撓度分析

對(duì)于空冷塔等高聳的電力建筑物，傾斜撓度是影響其安全的最主要因素。在分析時(shí)，以高度為縱軸、撓度值為橫軸繪制曲線圖，同時(shí)繪出建筑物整體傾斜方向和各層高度的傾斜方向。

5.2.4 預(yù)測(cè)分析

變形體的發(fā)展趨勢(shì)和最終的變形量穩(wěn)定分析，可為下一步施工決策和施工方法的調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。在工程前期，由于變形觀測(cè)數(shù)據(jù)量少，應(yīng)選擇灰色系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析[7-8]。當(dāng)變形發(fā)展到后期，樣本數(shù)據(jù)較多，且影響變形的多種因素已發(fā)展成時(shí)間變量單一因素，采用回歸分析的方法解求變形與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，推出將來(lái)時(shí)刻的變形量。通過(guò)繪制變形量曲線圖和預(yù)測(cè)模型曲線圖，可直觀判斷所選用模型的預(yù)測(cè)效果。

5.3 建筑變形監(jiān)測(cè)周期

根據(jù)觀測(cè)周期建筑物變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析變形結(jié)果，是電力建筑物安全的重要保障。在變形觀測(cè)過(guò)程中，觀測(cè)間隔時(shí)間是一個(gè)周期，需結(jié)合電力建筑的特點(diǎn)、變形規(guī)律、工程所在地條件以及影響建筑物變形的諸多自然因素（溫度和風(fēng)荷載），科學(xué)布局，合理監(jiān)測(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

建筑物的變形狀況直接影響電力的安全生產(chǎn)，進(jìn)行建筑物變形監(jiān)測(cè)是電力安全生產(chǎn)的重要保障。本文討論了電力建筑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析方法，包括基準(zhǔn)網(wǎng)穩(wěn)定性分析、建筑變形分析、預(yù)測(cè)分析以及監(jiān)測(cè)周期分析。結(jié)合工程實(shí)例和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件，驗(yàn)證了所述方法的可行性，對(duì)以后電力行業(yè)及相關(guān)行業(yè)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析有很好的參考意義。