沿海城區(qū)電力電纜隧道運營期的數(shù)字化防災(zāi)研究*

周 源 陳孝湘 賀 雷

(1.中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福建 福州 350003;2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 102401)

1 概述

作為電力電纜通道最為重要的形式之一，電纜隧道內(nèi)通常敷設(shè)了回路數(shù)較多的高壓電力電纜線路或者重要性較高的電纜線路[1]，是城市生命線工程中最為基礎(chǔ)和最為關(guān)鍵的通道工程，其災(zāi)害期間的可靠性和受損后的供電恢復(fù)及時性將直接關(guān)系到受災(zāi)地區(qū)社會財產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全[2]。

電纜隧道的防災(zāi)包括了建設(shè)期間和運行期間的防災(zāi)。對于建設(shè)期間的防災(zāi)，目前已有大量關(guān)鍵技術(shù)成果，其與隧道的建設(shè)工法、地層地質(zhì)條件、周邊環(huán)境控制要求等息息相關(guān)[4]；而運營期間的防災(zāi)則與災(zāi)害類型、隧道結(jié)構(gòu)自身的建設(shè)水平、地質(zhì)條件關(guān)系密切，尤其是災(zāi)害類型[3]，決定了運營期間的防災(zāi)策略。

自從煤礦行業(yè)探討數(shù)字化防災(zāi)與救援體系及應(yīng)用研究以來[4]，作為數(shù)字化技術(shù)建設(shè)先行區(qū)的福建，也已先將數(shù)字化技術(shù)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急管理事業(yè)[5-9]，并取得了較多經(jīng)驗，使得應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進行沿海城區(qū)電力電纜隧道的防災(zāi)具有堅實、可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

本文在分析沿海城區(qū)電纜隧道常見自然災(zāi)害的基礎(chǔ)上，研究臺風(fēng)暴雨、地震、隧道內(nèi)火災(zāi)等隧道運營期間常見災(zāi)害下的數(shù)字化防災(zāi)技術(shù)需求和典型技術(shù)路線，為提升沿海城區(qū)電纜隧道運營期的防災(zāi)能力提供支撐。

2 城區(qū)電纜隧道運營期的災(zāi)害類型及其影響分析

電纜隧道的災(zāi)害類型包括了各類自然災(zāi)害和人類活動災(zāi)害，常見的有地震、臺風(fēng)暴雨、隧道內(nèi)火災(zāi)、不均勻沉降、臨近工程施工、外力直接破壞等，這些災(zāi)害的發(fā)生過程和對隧道結(jié)構(gòu)的影響機理各不相同，研究相應(yīng)的數(shù)字化防災(zāi)技術(shù)路線，需要分析不同災(zāi)害類型對隧道結(jié)構(gòu)的作用過程，根據(jù)影響規(guī)律的不同，制定相應(yīng)的防災(zāi)技術(shù)路線。由于地震、臺風(fēng)暴雨和火災(zāi)發(fā)生時，隧道內(nèi)受災(zāi)影響的范圍較大，災(zāi)害導(dǎo)致破壞后的修復(fù)難度大、費用高，采用數(shù)字化防災(zāi)的效益更為明顯，本文主要針對這三類運營期的災(zāi)害進行分析。

2.1 地震

根據(jù)近代以來大量城市附近地震災(zāi)害的調(diào)查，地震對電纜隧道等中淺層地下構(gòu)筑物的破壞主要源于地表變形和地面運動，其中地表變形包括了斷層錯動、土壤液化、河岸滑坡、地表塌陷等，而地面運動主要是指地震波的傳播效應(yīng)，行進中的波可能會導(dǎo)致隧道的變形過大而破壞。電纜隧道呈現(xiàn)出局部加整體的破壞形態(tài)。

關(guān)于電纜隧道的地震防災(zāi)，除了在工程設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，根據(jù)巖土工程勘察的結(jié)果做好地基處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計之外，對運營期間最為重要的影響就是由于地震帶動地層運動而導(dǎo)致各類隧道(明挖現(xiàn)澆、明挖預(yù)制、頂管、盾構(gòu)等)的變形，由于不均勻變形而導(dǎo)致的隧道接口擠壓產(chǎn)生裂隙、張開量過大，導(dǎo)致接口各類構(gòu)造破壞進而產(chǎn)生滲漏或泥沙涌入。

2.2 臺風(fēng)暴雨

對于以上海、浙江、福建和廣東為代表的沿海省份，臺風(fēng)是最常見、影響最大的自然災(zāi)害。2015年的“蘇迪羅”、2016年的“莫蘭蒂”等臺風(fēng)，就造成了福建省沿海主要城市電網(wǎng)的巨大損失。

從以往臺風(fēng)暴雨天氣發(fā)生時電纜隧道的受災(zāi)調(diào)查來看，除了大風(fēng)刮倒的樹木或者構(gòu)筑物倒塌在隧道露出地面設(shè)施造成毀壞外，臺風(fēng)和暴雨本身對隧道結(jié)構(gòu)不會造成大的影響，主要致災(zāi)原因是暴雨造成的洪澇水位超過電纜隧道各類預(yù)留孔口而引發(fā)的倒灌。倒灌發(fā)生后，隧道內(nèi)將涌入大量夾帶泥沙和垃圾的洪澇水，進而造成隧道內(nèi)部的水位上漲，各類附屬設(shè)施(通風(fēng)、排水、照明、供電、監(jiān)測、通信、消防等)遇水后受損，長期浸泡也可能危及高壓電力電纜的安全運行。水位上升后，隧道內(nèi)的水泵會因長時間抽取洪澇水損壞，進一步加劇了隧道內(nèi)部水位的上升。當(dāng)洪澇過后，即使隧道內(nèi)的水被抽干，在隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面、高壓電纜本體及隧道內(nèi)的其他附屬設(shè)施的不同部位，會淤積大量的泥沙和垃圾，清理不及時也將影響隧道的安全。臺風(fēng)暴雨災(zāi)害下的電纜隧道災(zāi)害以整體受災(zāi)為主。

2.3 隧道內(nèi)火災(zāi)

隧道內(nèi)的火災(zāi)大部分屬于運行期間的機械性外破或電纜線路事故導(dǎo)致的災(zāi)害，不屬于自然災(zāi)害，也并非沿海城區(qū)電力電纜隧道運營期間特有的災(zāi)害，但是由于其發(fā)生的概率較大、事故后果嚴(yán)重，災(zāi)害一旦發(fā)生，將影響整個區(qū)段的通道安全，故也需要開展針對性的數(shù)字化防災(zāi)研究。

當(dāng)隧道內(nèi)的火災(zāi)發(fā)生時，由于事故點臨近兩側(cè)隧道內(nèi)的空氣補給，在一定時間內(nèi)燃燒的條件充分，如若采用的不是阻燃電纜或者耐火電纜，則火災(zāi)可能在較大范圍內(nèi)延燃，直至隧道內(nèi)的氧氣被耗盡為止。

隧道內(nèi)火災(zāi)對隧道結(jié)構(gòu)的影響較大，一旦發(fā)生，則隧道的修復(fù)難度大，一般情況下無法從地面開挖，只能優(yōu)先考慮洞內(nèi)修復(fù)。根據(jù)隧道內(nèi)火災(zāi)的試驗和模擬，隧道火災(zāi)發(fā)生后，隧道周邊的溫升規(guī)律為頂板最高、側(cè)壁次之，最后是底板。

等了許久，屋里靜悄悄的，沒一個人出門，也聽不到一點聲響。甲洛洛開始吸煙，一根、兩根、三根……當(dāng)抽到第七根的時候，嘎絨出門了，后面一個人也沒有，懷里的東西也不見了。

3 不同災(zāi)害下的數(shù)字化防災(zāi)

防災(zāi)技術(shù)路線的制定需要考慮不同的災(zāi)害類型，也需要結(jié)合不同災(zāi)害類型作用下的隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的受損特性，但首先分析典型災(zāi)害類型作用下的隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)字化防災(zāi)需求。

3.1 地震

地震對電纜隧道結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)地震波行進中帶動隧道及其周邊土體作往復(fù)運動，或者隧道地基土的破壞性變形導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生不均的變形，進而造成隧道結(jié)構(gòu)的開裂或者防水措施的失效，導(dǎo)致泥沙涌入等，對于隧道結(jié)構(gòu)的受損評估和災(zāi)后的修復(fù)，主要需要考慮的是隧道結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害作用下的結(jié)構(gòu)變形量、短時鋼筋或混凝土應(yīng)力的增幅等。

對于運營期的防災(zāi)，主要以結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測和滲漏監(jiān)測為主，在數(shù)字化的防災(zāi)信息采集方面，除了地震本身的信息外，應(yīng)該注重隧道結(jié)構(gòu)的變形和接縫處滲漏水量的數(shù)字化監(jiān)測。

3.2 臺風(fēng)暴雨

對于運營期的隧道而言，地面建(構(gòu))筑物受臺風(fēng)作用倒塌直接毀壞隧道出露地面各類孔口的概率較小，即使發(fā)生該類型破壞，不僅不影響隧道內(nèi)的電纜線路安全，而且其災(zāi)后可以快速修復(fù)，因此，除了加強結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要冗余之外，不需要進行特殊防災(zāi)。

臺風(fēng)暴雨對電纜隧道的主要影響在于降雨發(fā)生的積水短時內(nèi)無法通過城市的排水系統(tǒng)排出，導(dǎo)致內(nèi)澇，當(dāng)內(nèi)澇水位超過電纜隧道出露地面的各類孔口，而孔口又未能及時做好臨時的防水封堵，就會發(fā)生大量洪澇積水倒灌，此類災(zāi)害是臺風(fēng)暴雨條件下沿海城區(qū)電纜隧道的主要災(zāi)害。

面對以洪澇水位為主的倒灌風(fēng)險，需要在電纜隧道出露地面的各類孔口布設(shè)不同的水位監(jiān)測設(shè)施，用以監(jiān)測預(yù)留孔口高程以下一定高度范圍內(nèi)(如10cm～50cm)的水位，同時輔以隧道內(nèi)集水井等部位的水位監(jiān)測，當(dāng)?shù)孛娴目卓诎l(fā)生倒灌時，進一步掌握隧道內(nèi)水位的上升過程，便于隧道內(nèi)各類設(shè)施的災(zāi)后隱患排查。

3.3 隧道內(nèi)火災(zāi)

隧道內(nèi)的火災(zāi)將直接導(dǎo)致相關(guān)電纜線路停電，并損壞溫升超過一定幅度的隧道區(qū)段內(nèi)的附屬設(shè)施，而隧道的頂板、兩側(cè)壁受溫升的影響，也將導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載性能劣化，進而影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

針對火災(zāi)對隧道結(jié)構(gòu)的安全影響，運營期間的數(shù)字化防災(zāi)技術(shù)措施，除了各類電纜本體的在線監(jiān)測裝置和在危險區(qū)域配備的各類消防設(shè)備外，還需要監(jiān)測隧道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)上的溫度，尤其是火災(zāi)發(fā)生過程中，溫度會急劇變化的隧道頂板及隧道側(cè)壁的上半部分。

3.4 電纜隧道數(shù)字化防災(zāi)的技術(shù)需求分析

3.4.1 感知信息的準(zhǔn)確性

3.4.2 傳輸?shù)募皶r性

由于隧道災(zāi)害發(fā)生時，電力運行檢修部門和政府的應(yīng)急管理部門需要在第一時間響應(yīng)并根據(jù)預(yù)案階段所制定的防災(zāi)策略共同開展搶險救災(zāi)活動，故對于災(zāi)害影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)及時有效。

3.4.3 傳輸?shù)陌踩?/p>

根據(jù)現(xiàn)有的運行管理模式，分散在城區(qū)各處的電纜隧道結(jié)構(gòu)采集得到的各類災(zāi)害及隧道結(jié)構(gòu)的受災(zāi)信息，通過專用或者公用的網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)分析決策端，數(shù)據(jù)傳輸過程的網(wǎng)絡(luò)安全是防災(zāi)技術(shù)的安全性保障。

3.4.4 分析決策的可靠性

無論是災(zāi)害未發(fā)生時，還是發(fā)生過程中，隧道的防災(zāi)感知層都將采集到大量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)向存儲端、分析端傳輸，數(shù)據(jù)的分析決策端都需要采用可靠的數(shù)字化技術(shù)對海量的數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果及時響應(yīng)，故分析決策的可靠性是數(shù)字化防災(zāi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.4.5 感知精度的科學(xué)性

沿海城區(qū)電力電纜隧道受災(zāi)發(fā)生的各種通道整體或者結(jié)構(gòu)局部的監(jiān)測要求，包含了變形、應(yīng)力及應(yīng)變、水量、水位、溫度等，在制定感知方案并確定設(shè)備精度時，需要根據(jù)建構(gòu)筑物及通道本身的受災(zāi)響應(yīng)特點，確定響應(yīng)精度的感知設(shè)備量測單位，避免過精細或過大而導(dǎo)致各類誤報，造成不必要的搶險救災(zāi)資源浪費。

3.4.6 預(yù)警機制

當(dāng)大量的現(xiàn)場感知數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)綌?shù)據(jù)的存儲分析端，通過可靠的數(shù)字化分析技術(shù)，對災(zāi)害的類別、影響大小和救災(zāi)的可行性進行全面分析后，需要制定及時、可行和可靠的預(yù)警機制及防災(zāi)方案，并根據(jù)預(yù)設(shè)的搶險救災(zāi)方案，及時將救災(zāi)需求傳遞至協(xié)作部門，共同在第一時間開展搶險救災(zāi)工作，將災(zāi)害引發(fā)的損失降至最低。

3.5 適用于電纜隧道防災(zāi)的數(shù)字化技術(shù)

隨著數(shù)字福建的不斷推進，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到生產(chǎn)、生活的方方面面，并且又進一步推動了數(shù)字技術(shù)的進步。從現(xiàn)有的主流技術(shù)來看，隧道的數(shù)字孿生技術(shù)、工程現(xiàn)場狀態(tài)感知技術(shù)、北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、5G傳輸技術(shù)、AI智能分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等，都適用于電纜隧道的數(shù)字化防災(zāi)體系的建設(shè)。

圖1為采用現(xiàn)場感知設(shè)備(含位置、變形、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、水位、水量等)、北斗定位、隧道局部相對定位、無線傳輸、5G專用電力切片、大容量數(shù)據(jù)存儲和分析、邊緣計算、AI人工智能等數(shù)字化技術(shù)建立起的電纜隧道數(shù)字化防災(zāi)體系及其應(yīng)用技術(shù)框架。

圖1 電纜隧道的數(shù)字化防災(zāi)體系及其應(yīng)用技術(shù)

4 結(jié)束語

我國沿海主要城市的核心城區(qū)都向著輸配電線路入地纜化的方向邁進，城區(qū)內(nèi)將有越來越多的電纜隧道工程投入運營，而如何做好運營期間的隧道防災(zāi)將成為智能電網(wǎng)安全運行的主要挑戰(zhàn)之一。數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展將改變?nèi)祟惿鐣a(chǎn)、生活的方方面面，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)提升甚至是重塑沿海城區(qū)電力電纜隧道的防災(zāi)減災(zāi)能力，符合新時代技術(shù)發(fā)展的方向，也是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的有力保障。