(國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610000)

0 引 言

地基沉降指地面下沉的現(xiàn)象，是目前國內(nèi)各大變電站面臨的一個主要地質(zhì)問題。它可引起建筑物傾斜，基礎開裂，給生產(chǎn)和生活帶來很大影響，可能導致嚴重的財產(chǎn)損失。

近十年，隨著變電站的加速建設，已建變電站地基下沉的情況多有發(fā)生，這對變電設備的安全生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患，嚴重的將造成重大經(jīng)濟損失，如在《中國電網(wǎng)風險管理報告(一)》中就提及了“山西某220 kV變電站1998年發(fā)生地基沉陷，直接經(jīng)濟損失數(shù)百萬元[1]；甘肅某電廠2003年因地面突然下陷造成墻體開裂，直接經(jīng)濟損失約48萬元[2]；某500 kV變電站工程在投運前發(fā)現(xiàn)主變壓器基礎與散熱器基礎發(fā)生不均勻沉降導致設備受損”[3]。可見電網(wǎng)運行管理不僅要對電力設備本身的安全性進行專業(yè)維護管理，還要加強對設備所在地的地基環(huán)境等基礎設施進行嚴密的定期監(jiān)測。

地基沉降是一個復雜的環(huán)境地質(zhì)問題,一直受到各國學者的普遍關(guān)注。目前，國內(nèi)外監(jiān)測地基沉降的方法有很多種，主要采用全站儀、水準測量、雙曲線法和沉降差法，都是通過線性擬合來預測地基的沉降。盡管這4種方法線性擬合都很好，但相對費用高，后兩種誤差高達53%[4-5]，并且理論和監(jiān)測手段過于復雜，需要專業(yè)測量人員才能開展，不利于國網(wǎng)四川檢修公司所轄的藏區(qū)偏遠變電站地基沉降的跟蹤監(jiān)測。

下面提出的根據(jù)經(jīng)緯儀垂直角測量原理，采用的兩點對比觀測法簡單，不需要專業(yè)測量人員參與，可以由駐站運維人員經(jīng)過短時間的經(jīng)緯儀理論與實際操作強化訓練就可獨自開展，經(jīng)現(xiàn)場實踐驗證可行。對站址邊遠的藏區(qū)高海拔變電站具有極大的優(yōu)勢。同時針對地基沉降形成、發(fā)展過程進行了大量研究,分別從地面沉降成因、產(chǎn)生機理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和防治5個方面系統(tǒng)地介紹了丹巴變電站沉降研究現(xiàn)狀。這些工作為開展地基沉降的防治工作奠定了良好的基礎。

1 丹巴變電站地基沉降概述

丹巴變電站位于四川省甘孜州丹巴縣，海拔2158 m，于2013年10月投入運行，擔負著藏區(qū)水電送出的重要任務。然而，不均勻沉降導致的隱患正在嚴重威脅著該站的安全穩(wěn)定運行。

丹巴變電站設備場地由于采用了大量的回填土，回填土平均厚度5.85 m，基礎底標高-2.00 m，220 kV設備場地回填土厚度均大于10 m。由于回填土具有高含水量、高壓縮性、極低強度、欠固結(jié)等特點[6]，特別是夏季汛期地基易發(fā)生不均勻沉降[7]。

該站自2013年10月投運后不斷沉降，導致引線被繃直,如圖1所示；巡視道路高低不平且嚴重斷裂、設備基礎開裂，如圖2所示；設備傾斜、組合電氣設備SF6氣室氣體泄漏等一系列問題，該場區(qū)沉降差約18 mm，累計裂縫縫長600 mm，縫寬20 mm。

圖1 引線被繃緊

圖2 基礎開裂

2 采用經(jīng)緯儀的監(jiān)測方法

2.1 經(jīng)緯儀及其測量原理

2.1.1 經(jīng)緯儀

經(jīng)緯儀分為光學經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀。光學經(jīng)緯儀采用光學度盤，借助光學放大和光學測微器讀數(shù)的一種經(jīng)緯儀；電子經(jīng)緯儀與光學經(jīng)緯儀的根本區(qū)別在于用于微處理機控制的電子測角系統(tǒng)代替光學讀數(shù)系統(tǒng)，能自動顯示測量數(shù)據(jù)，主要用于平面控制測量、精密工程測量[7]，下面重點介紹光學經(jīng)緯儀。

光學經(jīng)緯儀總體可分為3部分：基座、水平度盤和照準部，如圖3所示。圖中：1為制動螺旋；2為望遠鏡物鏡；3為微動螺旋；4為水平制動螺旋；5為水平微動螺旋；7為豎盤水準管觀察鏡；8為豎盤水準管；9為瞄準器；10為物鏡調(diào)焦環(huán)；11為目鏡；12為度盤讀數(shù)鏡；14為光學對中器；17為垂直度盤；18為度盤照明鏡；19為平盤水準管。

圖3 光學經(jīng)緯儀

2.1.2 水平角測量原理

相交于一點的兩方向線在水平面上的垂直投影所形成的夾角，稱為水平角。一般用β表示，角值范圍為0°～360°，如圖4所示。

圖4中，A、B、O是地面上任意3個點，OA和OB是兩條方向線所夾的水平角，即為OA和OB垂直投影在水平面H上所構(gòu)成的夾角β?？稍贠點的上方任意高度處，水平安置一個帶有刻度的圓盤，圓盤中心在過O點的鉛垂線上；設這兩個鉛垂面在刻度盤上截取的讀數(shù)分別為a和b，則水平角β的角值為

β=a-b

(1)

儀器上的望遠鏡不僅可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，而且還能在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動。經(jīng)緯儀就是根據(jù)上述基本要求設計制造的測角儀器[8-10]。

圖4 水平角原理

2.1.3 垂直角測量原理

在同一鉛垂面內(nèi)，觀測視線與水平線之間的夾角，稱為垂直角，也稱傾角，用α表示，其角值的范圍為0°～±90°，如圖5所示。

圖5 垂直角測量原理

圖5中，望遠鏡瞄準目標的視線與水平線分別在豎直度盤上有對應讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為垂直角的角值。視線在水平線的上方，垂直角為仰角，符號為正(+α)；視線在水平線的下方，垂直角為俯角，符號為負(-α)。垂直角測量原理即度盤上兩個方向的讀數(shù)之差。

所以，測量垂直角時，只要瞄準目標讀出豎盤讀數(shù)，即可計算出垂直角。

2.2 采用經(jīng)緯儀的監(jiān)測方法探討

針對丹巴變電站投運后地質(zhì)沉降問題，選用光學經(jīng)緯儀每月跟蹤監(jiān)測分析的方法，相對于其他測量手段，該方法簡單、便捷，不需要專業(yè)測量人員參與，可以由駐站運維人員經(jīng)過短時間的強化培訓就可自行開展，對站址非常邊遠的藏區(qū)高海拔變電站具有極大的應用價值。

基于地質(zhì)沉降主要有豎直沉降和偏移，選取丹巴變電站220 kV場地3號獨立避雷針為其中一個主要監(jiān)測對象，選用經(jīng)緯儀進行監(jiān)測。

為了便于觀察比較及減少監(jiān)測誤差，采用經(jīng)緯儀選取同一設備不同高度觀測點作為監(jiān)測對象,如圖6所示。

圖6 經(jīng)緯儀測量原理

圖6是采用光學經(jīng)緯儀選取220 kV場地3號避雷針不同高度觀測點A、B 2個點作為監(jiān)測對象的原理圖，觀測線上的測試點設在固定地點，該點距離避雷針正下方的水平距離為L，A、B點與測量點的相對高度分別為H1、H2，根據(jù)垂直角原理，測得固定點與A、B點的夾角分別為Q1、Q2。因此，可以得出如下結(jié)論：測量角度Q隨避雷針高度H的變化而相應發(fā)生改變，只需要通過經(jīng)緯儀定時定點測量Q角就能反應出高度H的變化趨勢。根據(jù)圖6，存在式(2)：

H=L·tanQ

(2)

圖7為對同一個設備通過測量2個點位判別沉降類型的原理圖，通過經(jīng)緯儀對2個監(jiān)測點測量到的數(shù)據(jù)Q1、Q2，將監(jiān)測點前后2次的高度變化值ΔH

圖7 兩點法判別沉降和偏移原理

Q第1次第2次第3次第4次第5次第6次Q150°48'46″50°48'28″50°48'20″50°48'18″50°48'16″50°47'42″Q265°1'28″65°1'24″65°1'18″65°1'10″65°1'4"65°1'

表2 計算后的相對高度 單位：mm

進行比較，其值就是2個點在該段監(jiān)測時間內(nèi)的相對沉降值，不僅可以反映出地基下沉趨勢也可以反映出設備的偏移情況。

每個監(jiān)測點連續(xù)二次測量的高度變化量為ΔH。根據(jù)圖7可以得出以下結(jié)論：

1)以第1次監(jiān)測到的H1作為對照，得到相對沉降量為

ΔHn=H1-Hn

(3)

2)以每個監(jiān)測點連續(xù)2次測量的高度變化量差值得到偏移量為

ΔH′=ΔHb-ΔHa

(4)

ΔH′=0無偏移；ΔH′>0有偏移，且值越大偏移程度越大。

3 采用經(jīng)緯儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

經(jīng)過運維人員每月一次的定時跟蹤測量，測得數(shù)據(jù)記錄如表1所示。將表1數(shù)據(jù)代入式(2)中，計算出3號避雷針的相對高度如表2所示。將表2相鄰2次的高度值進行比較，得到ΔH如表3所示。

表3相對高度變化量(沉降量)ΔH

單位：mm

通過6次監(jiān)測分析結(jié)果見圖8和圖9。

由圖8可見，3號避雷針場地沉降不斷發(fā)展，既存在沉降，又存在偏移。隨著沉降量的增加，偏移程度呈現(xiàn)無規(guī)律變化，但是考慮到測量誤差的存在，橫向偏移可忽略不計[11]?？梢哉J為，3號避雷針基礎主要是豎直沉降。

由圖9可見，3號避雷針場地沉降時快時慢，呈現(xiàn)無規(guī)律變化，但逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8 利用經(jīng)緯儀測量變電站地基沉降量變化

圖9 采用經(jīng)緯儀測量變電站地基沉降偏移程度變化

4 沉降可能原因分析及管控措施

4.1 沉降可能原因分析

1)丹巴變電站站址區(qū)位于高山峽谷斜坡中下部緩坡臺地上，屬典型的高山峽谷地貌，地下以碎(塊)石地層為主，局部分布有含碎石粘性土透鏡體。主要基礎持力層為碎(塊)石土層，以中密為主，局部稍密或密實，主要成分為中等風化花崗巖，粒徑變化較大。此地質(zhì)特征易發(fā)生地質(zhì)沉降現(xiàn)象[12]。

2)回填土質(zhì)量差，固結(jié)變形尚未完成。由于地質(zhì)情況較為特殊，土質(zhì)較差，基本為中等風化花崗巖，粒徑變化較大，碎石粒徑一般20～170 mm，塊石粒徑一般250～2000 mm，碎(塊)石的含量可達65%～75%，缺少小顆粒?；靥钍┕だщy，回填密實度難以保證，影響了質(zhì)量，造成后期沉降較大。

3)填方區(qū)高差較大。原始地面坡度約30°，填土厚薄不均，約5～10 m，填土自身有一個自重作用下的固結(jié)變形過程，填土厚的地段沉降變形大，填土薄的地段沉降變形小?；靥钔梁癖〔痪斐刹町惓两担窃斐苫靥钔琳w向西側(cè)發(fā)生沉降變形及位移的重要原因。

4)沉降區(qū)域無排水措施，造成排水不暢，汛期的降雨又集中在沉降區(qū)域從而加劇不均勻沉降的進一步惡化[7]。

綜上所述，造成地基沉降的可能原因，既有內(nèi)在原因(回填土厚薄不均、質(zhì)量差，固結(jié)變形尚未完成等)，又有外在原因(沉降區(qū)域排水效果差等)，同時汛期大量降雨對內(nèi)外兩方面因素形成不利影響。總體而言，地質(zhì)環(huán)境脆弱、回填材料松散破碎、回填區(qū)域薄厚不均，是促使其變形的內(nèi)因和物質(zhì)基礎；而沉降區(qū)域排水效果較差，汛期的降雨又加劇了不均勻沉降的變化發(fā)展。

4.2 管控措施

1)采用新的技術(shù)手段來實時監(jiān)測場地沉降情況，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步制定相應的處理方案。

2)請專業(yè)測量人員定期到站對地基沉降進行定點測量，觀察其變化趨勢，分析運行風險，及時做好應對措施。

3)對駐站運維人員開展經(jīng)緯儀使用技能的培訓，駐站人員定期定點進行監(jiān)測，分析其變化趨勢，將結(jié)果匯報給專業(yè)人員，制定相應的處理方案。

5 結(jié) 語

變電站地質(zhì)沉降是山區(qū)變電站存在的普遍問題，已建變電站地基下沉的情況時常發(fā)生，這對變電設備的安全生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患，嚴重的將造成重大經(jīng)濟損失。針對丹巴變電站投運后地質(zhì)沉降觀測問題所提出的采用經(jīng)緯儀每月跟蹤監(jiān)測分析的方法，方法簡單、便捷，不需要專業(yè)測量人員參與，可以由駐站運維人員經(jīng)過簡單的儀器培訓就可自行開展，該方法特別是對站址非常邊遠的藏區(qū)變電站具有極大的優(yōu)勢。