電網(wǎng)滑坡隱患多域早期識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用

卜祥航，曹永興，吳 馳

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

國際能源電力設(shè)施互聯(lián)互通的合作進(jìn)程，促進(jìn)了電力工程建設(shè)發(fā)展。輸電線路穿越地理環(huán)境多樣、地質(zhì)條件惡劣等區(qū)域，面臨著崩滑等地質(zhì)災(zāi)害分布廣、防范難度大等挑戰(zhàn)[1]。以四川省為例，電網(wǎng)滑坡分布特征為：1)輸電線路長約70 000 km，走廊空間地形地質(zhì)環(huán)境脆弱，滑坡點(diǎn)多面廣，植被覆蓋隱蔽性強(qiáng)，已建立臺(tái)賬地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)近4000處；2)汶川地震后，“崩滑-碎屑流-堰塞湖-潰決”鏈?zhǔn)綖?zāi)害突顯，如2018年“10·10”金沙江白格大滑坡堰塞體泄洪和2018年“12·9”敘永大滑坡不同程度地造成多條10 kV線路停運(yùn)、斷線，共9000余戶停電；3)四川省地跨中國二、三級(jí)地形臺(tái)階，地形高差懸殊，輸電線路穿越高海拔、高寒或無人區(qū)(人不能至)的滑坡點(diǎn)難以觀測。針對(duì)架空輸電線路滑坡空間發(fā)育分布的不確定性和和隱蔽性，傳統(tǒng)的人工排查顯得勢單力薄，傳統(tǒng)手段很難提前發(fā)現(xiàn)此類災(zāi)害隱患。推進(jìn)架空輸電線路滑坡隱患期識(shí)別，是防范化解重特大地質(zhì)災(zāi)害安全風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。

國際上已利用不同類型傳感器，搭載不同信息獲取平臺(tái)對(duì)滑坡識(shí)別及監(jiān)測預(yù)警，國內(nèi)也多次提出“從注重災(zāi)后救助向注重災(zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變”，多次強(qiáng)調(diào)“發(fā)現(xiàn)隱患、監(jiān)測隱患”。在地質(zhì)領(lǐng)域，國內(nèi)外研究人員結(jié)合衛(wèi)星遙感、無人機(jī)等技術(shù)，開展了地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別及變形特征分析[2-8]，但合成孔徑雷達(dá)干涉測量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技術(shù)在獲取區(qū)域地表形變時(shí)間維上的演化情況具有局限性，無人機(jī)攝影測量技術(shù)與機(jī)載激光雷達(dá)(light detection and ranging,LiDAR)技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)大范圍連續(xù)跟蹤微小形變特征。在電力領(lǐng)域，文獻(xiàn)[9]利用3S技術(shù)集成分析了丹巴、康定輸電走廊地質(zhì)災(zāi)害遙感特征及預(yù)警對(duì)策；文獻(xiàn)[10]利用光纖傳感器和GPRS分析了四川某輸電走廊滑坡的變形特征。然而所運(yùn)用的手段較為單一，無法滿足山區(qū)電網(wǎng)大范圍滑坡隱患識(shí)別、滑坡變形分析的要求和精度，亟需可靠有效的地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識(shí)別、調(diào)查和監(jiān)測預(yù)警方法。

衛(wèi)星遙感覆蓋范圍廣，重復(fù)觀測能力強(qiáng)，適合對(duì)大范圍災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境開展全天時(shí)全天候的大范圍普查識(shí)別；空基遙感機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，分辨率高，適合對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行變形特征詳查識(shí)別；地面調(diào)查適合采集重點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)特征因素。下面以衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感和地面調(diào)查為載體，利用多域立體識(shí)別手段，構(gòu)建“大范圍普查”“重點(diǎn)詳查”“地面核查”技術(shù)體系(以下簡稱“三查”技術(shù)體系)，對(duì)電網(wǎng)滑坡隱患開展全方位、全鏈條的早期識(shí)別。

1 “三查”技術(shù)體系構(gòu)建

“三查”技術(shù)體系總體思路是：利用多域立體式隱患識(shí)別技術(shù)手段，對(duì)電網(wǎng)目標(biāo)區(qū)域和點(diǎn)位進(jìn)行持續(xù)普查和詳查；通過地面調(diào)查隱患點(diǎn)的特征等的分析和驗(yàn)證，提出相應(yīng)的措施及建議，獲得區(qū)域尺度、場地尺度兼具的電網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識(shí)別技術(shù)手段。多域“三查”技術(shù)體系及空間維度如圖1所示。

圖1 多域“三查”技術(shù)體系及空間維度

不同空間維度技術(shù)手段需要相互配合?，F(xiàn)有的衛(wèi)星系統(tǒng)可以縮短重訪周期，雖覆蓋范圍廣，可以監(jiān)測孕災(zāi)環(huán)境、地表覆被變化等，但如果不與低空和地面?zhèn)鞲衅飨嗷ヅ浜鲜褂?，難以發(fā)現(xiàn)重大滑坡災(zāi)害發(fā)生過程中相互關(guān)聯(lián)的各種因素的精細(xì)內(nèi)容，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素眾多、快速變化的災(zāi)害只能觀測到結(jié)果，而不能有效地分析成因，難以跟蹤事件的過程從而造成真實(shí)性檢驗(yàn)和預(yù)測變化趨勢的缺失?；谏鲜鲆蛩兀沙浞掷锰旎b感、空基和地面調(diào)查的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合隱患對(duì)象的空間維度，構(gòu)建基于“三查”技術(shù)體系的立體式隱患識(shí)別方法。

2 “三查”體系內(nèi)容及應(yīng)用

2.1 電網(wǎng)大范圍滑坡隱患普查

基于衛(wèi)星遙感技術(shù)，建立電網(wǎng)滑坡地質(zhì)災(zāi)害判別準(zhǔn)則，探測電網(wǎng)大范圍地表形變，給出大范圍滑坡隱患普查和趨勢預(yù)警，篩選出變形重點(diǎn)區(qū)域。

所提方法利用衛(wèi)星差分合成孔徑雷達(dá)干涉測量(differential interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)技術(shù)，通過某500 kV架空輸電線路昭覺區(qū)域不同時(shí)相的升降軌雷達(dá)影像消除幾何畸變引起的探測盲點(diǎn)，利用重復(fù)軌道觀測獲取的多時(shí)相雷達(dá)數(shù)據(jù)，時(shí)序差分干涉測量高精度提取可疑地質(zhì)災(zāi)害形變信息，反演可疑地質(zhì)災(zāi)害地表形變平均速率和時(shí)間序列形變信息。訂購了加拿大的Radarsat-2衛(wèi)星SAR圖像5幅，全極化模式，分辨率為4 m×5 m，覆蓋范圍為25 km×25 km，時(shí)間為某年5月25日至8月26日，每隔24天一幅，共5幅。

昭覺區(qū)域地形形變提取結(jié)果如圖2—圖5所示。

圖2 SAR圖像上觀測區(qū)域處位置

圖3 高精度光學(xué)圖像

圖4 5月25日—8月29日地表垂直形變速率

圖5 5月25日—8月29日地表水平形變速率

根據(jù)觀測區(qū)域的形變結(jié)果以及輸電鐵塔經(jīng)緯度，可以判斷282號(hào)、275號(hào)和355號(hào)鐵塔周邊也存在兩處滑坡隱患點(diǎn)，但距離較遠(yuǎn)對(duì)鐵塔未構(gòu)成威脅。313號(hào)鐵塔所在區(qū)域在5月22日至8月26日期間地表形變速率為-0.3 cm(負(fù)號(hào)代表地形下降)，因此可估算出從5月至9月313號(hào)鐵塔區(qū)域地表下降約為-1.2 cm。最后，鎖定313號(hào)鐵塔滑坡隱患點(diǎn)為重點(diǎn)分析對(duì)象。

2.2 電網(wǎng)重點(diǎn)滑坡隱患點(diǎn)詳查

基于無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量、機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行災(zāi)害體形變特征的早期識(shí)別與成災(zāi)前兆信息的快速捕獲等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)機(jī)載LiDAR影像和無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量，進(jìn)行重點(diǎn)疑似區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害隱患詳查，初步確定地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)。若研究區(qū)域植被較少，可僅開展無人機(jī)低空攝影測量，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)實(shí)景三維模型的解譯；若植被茂密、遮擋嚴(yán)重，則采用機(jī)載LiDAR剔除植被覆蓋，開展地表微形變信息的定量提取，如體積方量幾何尺寸測量、地質(zhì)分區(qū)、形變特征等。

研究區(qū)滑坡特征如下：313號(hào)—314號(hào)鐵塔位滑坡位于昭覺縣解放溝鄉(xiāng)，坐標(biāo)位置為N 27°52′26″、E 102°33′51″，地貌單元為中山地貌，以構(gòu)造作用為主。出露地層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°?；潞缶夁吔绯省叭σ巍睜?，滑坡壁坡角為52°左右，地表坡度為20°～40°，上緩下陡，主滑方向?yàn)?2°，縱向長約 52 m，前緣寬約 70 m，后緣與前緣高差約18 m，堆積厚度為4.0～8.0 m，堆積方量約 (1.5～3.0)×104m3。

利用無人飛機(jī)航測技術(shù)采集313號(hào)鐵塔滑坡隱患點(diǎn)的三維影像，可見313號(hào)鐵塔下方滑坡邊界較清晰，滑坡變形跡象明顯，局部變形強(qiáng)烈，可以初步判定該滑坡目前正處于蠕滑變形階段，滑坡特征分析如圖6所示,對(duì)313號(hào)鐵塔的安全運(yùn)營有直接威脅。從影像上可以看出，在313號(hào)鐵塔下方已經(jīng)修建布設(shè)擋墻和斜坡下部構(gòu)錨索，在坡腳位置沿公路已修建抗滑擋土墻。利用無人機(jī)遙感技術(shù)，初步識(shí)別出313號(hào)鐵塔滑坡邊界特征及變形跡象，驗(yàn)證了鎖定架空輸電線路滑坡隱患重點(diǎn)點(diǎn)位的準(zhǔn)確性。

圖6 313號(hào)鐵塔滑坡區(qū)域無人機(jī)三維影像

2.3 電網(wǎng)重點(diǎn)滑坡隱患地面調(diào)查

對(duì)重點(diǎn)滑坡區(qū)域開展地面調(diào)查，如利用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，緊密結(jié)合現(xiàn)代遙感觀測解譯成果，掌握地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、形成機(jī)制、變形特征及穩(wěn)定性狀態(tài)等精細(xì)化識(shí)別。

所提方法利用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)和人工現(xiàn)場勘查，結(jié)合現(xiàn)代遙感解譯成果，掌握313號(hào)鐵塔滑坡變形特征、破壞原因，提出相應(yīng)的防治措施。從而最后驗(yàn)證“三查”早期識(shí)別技術(shù)體系的可行性。

根據(jù)野外調(diào)查，坡體周邊地下水出露，313號(hào)鐵塔滑坡體上部有次級(jí)滑坡發(fā)育，上部擋土墻有較大的貫穿裂縫發(fā)育，整個(gè)擋墻裂縫發(fā)育且貫穿，裂縫寬度較大。其主要原因是墻后次級(jí)滑坡沿主滑方向下滑，擠壓擋土墻，產(chǎn)生墻體不均勻沉降裂縫及下部的橫向擠壓裂縫。

利用地質(zhì)雷達(dá)探測313號(hào)鐵塔滑坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)及滑坡范圍，如圖7所示。探測結(jié)果顯示地層基覆交界面清晰，已滑動(dòng)區(qū)域部分地下存在大量的拉張裂縫，部分區(qū)域可以探測到滑面，地下水存在局部富集之處。根據(jù)探測結(jié)果， 確定了滑坡性質(zhì)為牽引式滑坡，下方坡腳的開挖帶來上方坡體的失穩(wěn)并逐級(jí)上傳。

圖7 313號(hào)鐵塔基滑坡地質(zhì)雷達(dá)探測剖面與解釋圖

根據(jù)上述研究成果，利用光纖傳感技術(shù)，目前已在該滑坡體上布設(shè)15個(gè)光纖傳感器，包括裂縫、傾斜、降雨量等傳感器，對(duì)313號(hào)鐵塔傾斜、坡體變形和降雨量進(jìn)行在線監(jiān)測。

3 結(jié) 論

國際能源電力設(shè)施互聯(lián)互通的合作進(jìn)程，促進(jìn)了電力工程的建設(shè)發(fā)展，輸電線路勢必穿越地理環(huán)境多樣、地質(zhì)條件惡劣等區(qū)域。所提方法分析了四川電網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害分布特點(diǎn)，引進(jìn)了先進(jìn)遙感技術(shù)，擬重點(diǎn)解決“如何從源頭上識(shí)別電網(wǎng)滑坡隱患”這個(gè)難點(diǎn)，并得出以下認(rèn)識(shí)及思考：

1)四川電網(wǎng)輸電線路線性分布廣泛且穿越高山、高寒、地震帶等地質(zhì)脆弱區(qū)域，四川電網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害分布呈現(xiàn)出點(diǎn)多面廣、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，且鏈?zhǔn)綖?zāi)害對(duì)輸電線路的影響突顯。

2)衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害隱患的識(shí)別中，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在對(duì)電網(wǎng)區(qū)域大范圍掃描普查，但光學(xué)遙感易受天氣影響，而InSAR受復(fù)雜地質(zhì)和植被影響較大，且機(jī)動(dòng)性都不強(qiáng)。電網(wǎng)災(zāi)害識(shí)別需要全方位的信息，需配合空基遙感使用，提高識(shí)別對(duì)象的分辨率和時(shí)效性，建立電網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識(shí)別“三查”技術(shù)多域協(xié)同指揮模式。

3)利用“三查”技術(shù)，可發(fā)現(xiàn)人不能至或其他原因未列入臺(tái)賬的電網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，同時(shí)對(duì)列入臺(tái)賬的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)能夠進(jìn)行及時(shí)跟蹤監(jiān)測，提高汛期前電網(wǎng)地質(zhì)隱患點(diǎn)排查的精度和效率，鎖定重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。仍需在電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)中進(jìn)一步推廣，逐步建立全省至全國范圍內(nèi)電網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害標(biāo)志庫。

4)“三查”技術(shù)也可運(yùn)用到電網(wǎng)規(guī)劃選址、施工階段。遙感技術(shù)是電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)重要技術(shù)手段，探求新的遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將人工智能引入遙感地質(zhì)數(shù)據(jù)分析中，為構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)中電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。