采用北斗精確定位技術監測輸電線路桿塔基礎位移

馮志強，胡丹暉，姚 堯，周學明，張耀東，汪 濤

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

湖北省具有地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地、平原和湖區兼備的特點，地質條件復雜、降雨豐沛、人類工程活動強烈等因素，造成地質災害發生種類多、分布廣、頻率高、災情重，是我國地質災害多發省份之一。其中崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷（包括巖溶地面塌陷、采空地面沉陷）災害發生最為頻繁，對輸電線路的破壞性最強，極易導致輸電線路桿塔及基礎的傾斜、變形、沉降，嚴重威脅輸電線路的安全穩定運行[1-2]。

目前，輸電線路地質災害監測主要是在汛前加強地質災害隱患排查，汛中加強線路運維巡視，訊后加強災后治理。而在地質災害發生前通常存在一個緩慢而微弱的發育過程，一般難以被人為察覺。這種運維工作方式往往不能在災害發生前及時發現地質隱患，提前發出災害預警，為災害治理搶修提供充足的反應時間。在災害出現發育跡象時，不能對災害發育程度進行評估[3]。因此，亟需一種對地質災害發育過程、發育程度進行實時精準監測的手段，以便評估地質災害的風險等級，為線路運維決策分析提供支持。

2017年4月10日，湖北地區某500 kV輸電線路桿塔受地質影響而出現滑移，導致桿塔主材變形、傾斜度增加，橫隔面交叉材向上彎曲拱起。本文采用北斗精確定位系統對桿塔基礎，進行毫米級精度的全天候不間斷在線監測，2個多月的監測結果反映出該基桿塔朝下坡向累計發生14.8 mm的滑移，為線路運維搶修提供了直接參考依據。北斗精確定位系統采用載波相位差分技術可以實現毫米級精度的定位[4-5]，其雙差模型可以消除衛星鐘差和接收機種差的影響；消弱衛星星歷誤差的影響；消弱對流層和電離層折射誤差的影響，大大提高定位的精度，滿足輸電線路地質災害監測預警的應用需求。

1 事故概況

1.1 基本情況

事故桿塔為500 kV同塔雙回的耐張轉角塔，桿塔型號為SJ3A-24，轉角度數為左30°44′。導線型號為4×LGJ-630/55鋼芯鋁絞線，線路左側采用GJ-80鍍鋅鋼絞線地線，右側采用OPGW-130-24通信光纜。桿塔基礎為巖石嵌固型原狀土基礎，底部擴底，基礎深度10 m，直徑2 m。

該塔位于高山體中部，屬于滑坡不良地質發育區，如圖1所示。1～4號，3～4號塔基側5～10 m為坡度 40°～50°的陡坡，局部植被發育，以雜草、灌木為主。塔位上坡向為玉米地，坡度為13°～30°。該塔的地質情況為：

0～1.8 m：含碎石粉質粘土，褐黃色，碎石含量70%，為頁巖風化碎塊，松散稍密；

1.8～3.4 m：頁巖，淺黃，灰黃色，巖石呈片狀，節理裂縫極發育，強風化；

3.4～11.6 m：頁巖，綠黃色，節理裂縫發育，中等風化。

圖1 故障桿塔周圍地質情況Fig.1 Geological situation around the abnormal tower

1.2 故障情況

2017年4月，線路運維人員在例行巡視中發現該塔塔基護坡與塔基之間出現裂縫。隨后，調查人員經過現場勘察測量發現，該塔出現多種不同程度的故障特征（見圖2），主要表現為：

1號腿、3號腿、4號腿基礎與護面之間均有裂縫，最大達9.7 cm，2號腿基礎與護面之間未見明顯裂縫；

第一、第二橫隔面交叉材向上部彎曲拱起，最大達32 cm；

2號腿主材明顯變形，其他腿第一段主材輕微變形，各腿主斜材均有不同程度變形；

2號腿與4號腿第一橫隔面對角距離比1號腿與3號腿第一橫隔面對角距離小11 cm，中心樁偏移約23 cm。

圖2 桿塔的故障情況Fig.2 Fault situation of the tower

根據勘察測量結果，調查人員分析認為：在地表10 m以下的深層地質長期蠕動作用下，1號、3號、4號腿基礎發生位移，造成塔材彎曲變形，但是塔基位移方向、位移量難以確定。由于該塔位耐張轉角塔，塔基位移造成桿塔抗扭能力急劇下降，已不能抵御大暴雨等惡劣天氣、其他極端工況及地質災害加劇，情況比較危急。

2 塔基位移沉降監測

2.1 北斗監測裝置安裝

經過現場勘察后，由于1號腿、4號腿位于山坡的下坡側，發生位移的可能性較大。并且1號、4號腿朝南有利于衛星天線搜星，多徑向干擾較小，因此確定將北斗監測裝置安裝在1號腿、4號腿的基礎上，并采用膨脹螺栓將監測站觀測桿固定在塔基上，連接處澆筑保護帽，保證監測站與塔基連接牢固沒有相對位移。北斗觀測天線對中固定在觀測桿上，如圖3所示。

為了提高監測站的定位精度，基準站以就近原則安裝在監測站附近的居民樓樓頂。居民樓遠離滑坡區，基礎穩定，距離監測站200 m左右。

圖3 北斗監測系統安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of Beidou monitoring system

2.2 北斗精確定位系統原理

北斗精確定位系統由北斗地面監測站、基準站和數據解算中心構成。北斗監測站安裝在監測對象上，反映監測對象的運動情況；基準站安裝在位置穩定的基礎上，為監測站提供相對參考位置，相對距離小于10 km即可。兩者同時對北斗衛星進行連續觀測，并將觀測數據通過無線傳輸實時地發送給數據解算中心。數據解算中心通過靜態算法得到精確監測數據。北斗監測站/基準站由GNSS天線，GNSS接收機，供電系統和通信設備構成，如圖4所示。GNSS天線采用新型扼流圈型天線，以抑制電磁干擾[6-7]。監測站與基準站均采用市電加蓄電池供電。

圖4 北斗精確定位系統結構圖Fig.4 Structure diagram of Beidou monitoring system

北斗衛星播發的信號包括載波信號、測距信號和導航電文，測距碼和導航電文正交調制在載波上。通過對“測距碼和導航電文”進行測碼偽距的數據解算，可以實現米級精度的實時定位。而對于輸電線路地質災害的緩慢微弱的發育過程進行監測，為了提高定位的精度，本文采用載波相位差分技術（RTK）進行數據解算[8]，這是北斗定位精度最高的一種方法。其雙差模型[9]可以消除衛星鐘差和接收機鐘差的影響，削弱衛星星歷誤差的影響，削弱對流層和電離層折射誤差的影響，在短距離的情況下幾乎可以完全消除其影響[10]。在監測站與基站距離較近時（小于10 km），可以達到毫米級精度。

北斗監測數據偏移量分析原則如下：

確定基準坐標：監測系統解算出監測數據24 h后，將24 h內的坐標數據取平均值，作為基準坐標。

偏移量：確定基準坐標后，將解算得到的位置坐標減去基準坐標，得到監測點的X、Y、H方向的偏移量。

位移趨勢：將長期監測得到的偏移量繪制偏移曲線。當偏移曲線持續呈單調變化的趨勢（單增或單減趨勢），可以判定該監測點出現偏移；當偏移曲線持續往返波動，則該監測點沒有出現偏移。

位移量：在監測數據出現位移趨勢的前提下，考慮到監測數據的誤差，X、Y方向累計發生6 mm的偏移（水平方向累計發生9 mm的偏移），H方向累計發生10 mm的位移，可以判定該點發生位移，核定該點的位移量。

從4月16日至6月15日，經過為期2個月的持續不間斷監測，1號腿、4號腿在水平X、Y方向均出現持續的單調變化趨勢，確定存在位移趨勢；在垂直方向呈往返波動，沒有出現偏移。5月14日（第28 d），1號腿在水平X、Y方向偏移量達到9.4 mm，超過測量誤差。但是，4號腿位移量始終小于9 mm，位于誤差范圍內。按照上述判定原則，截至6月15日，該塔的位移沉降觀測結果為：

1號腿垂直方向累計無偏移，水平方向朝東偏南44°累計偏移14.8 mm，如圖5所示。

4號腿垂直方向累計無偏移，水平方向存在位移趨勢，位移量位于誤差范圍內。

圖5 北斗監測系統監測數據Fig.5 Monitoring data of Beidou monitoring system

3 監測數據分析

根據設計單位出具的線路走向圖紙，故障桿塔小號側與大號側線路方向的夾角為150°，其角平分線為該塔橫擔的方向，據此可以確定18號塔4個塔腿在線路走向圖上的相對位置，如圖6所示。設計圖紙正上方為北，可以估算出1號腿指向4號腿的方向為北偏東64°。同時，現場采用指南針分別測量1號腿、4號腿主材（平行于1～4號腿連線的主材）的方向均為北偏東64°。綜上，可以確定1號腿指向4號腿的方向為北偏東64°（東偏北26°）。

圖6 線路走向與桿塔朝向分析Fig.6 Analysis of line direction and tower orientation

北斗監測結果表明該塔1號腿水平位移方向為東偏南44°，而1號腿指向4號腿的方向為東偏北26°（北偏東64°），可以得出1號腿位移方向與1～4號腿連線（1號腿指向4號腿）夾角α為70°，累計偏移量Δd達14.8 mm，如圖7所示。由于故障桿塔1～4號側面向下坡方向，北斗監測結果表明該塔主要朝下坡方向滑移，這與山體滑坡方向一致。

圖7 桿塔1號腿位移方向分析Fig.7 Analysis of displacement direction of 1st leg of tower

4 結論

根據現場勘察結果，事故桿塔主材出現不同程度彎曲，橫隔面交叉材向上部彎曲拱起，1號腿、3號腿、4號腿塔基與護面之間出現裂縫，表明該塔基礎出現滑移，造成桿塔抗扭能力急劇下降，已不能抵御大暴雨等惡劣天氣、其他極端工況及地質災害加劇，情況比較危急。

為了能夠精準測量塔基的位移量與位移方向，本文采用北斗精確定位系統對該塔1號、4號腿進行了為期兩個多月的不間斷在線監測。監測結果反映出1號腿水平方向朝東偏南44°累計偏移14.8 mm，垂直方向累計無偏移。4號腿水平方向存在位移趨勢，位移量位于誤差范圍內，垂直方向累計無偏移。

結合線路的走向圖與北斗觀測結果，該塔1號腿水平位移方向與1～4號腿連線（1號腿指向4號腿）夾角為70°，累計偏移量為14.8 mm，與山體滑坡方向一致。

（References）

[1]王海,譚瑞山,王星運,等.湖北電網安全運營的地質災害調查研究[J].綠色科技,2014(2):220-222.WANG Hai，TAN Ruishan，WANG Xingyun,et al.Investigation of geological disasters for safe operation of Hubei power grid[J].Journal of Green Science and Technology,2014(2):220-222.

[2]朱家良.輸電線路地質災害危險性評估的基本特點與認識[J].電力勘測設計,2006(4):9-12.ZHU Jialiang.Basic character and cognition on fatalness evaluation of geo-disaster for transmission line[J]．Electric Power Survey and Design,2006(4):9-12.

[3]甘丹,沈平,羅世應,等.輸電線路地質災害預警決策模型研究[J].陜西電力,2016,44(5):1-4.GAN Dan,SHEN Ping,LUO Shiying，et al.Study on decision-making model of transmission line geological hazard warning[J].Shaanxi Electric Power,2016,44(5):1-4.

[4]楊成濤,周正煉,楊根甜,等.基于北斗精確定位的CORS系統在電網安全運維作業方面的研究及應用[J].信息通信,2017(1):42-43.YANG Chengtao,ZHOU Zhenglian,YANG Gentian,et al.Research and application of cors system based on beidou precise positioning in power grid security operation and maintenance[J].Information and Communications,2017(1):42-43.

[5]馬文忠,李林歡,江麗麗,等.基于載波相位差分的北斗／GPS雙模定位系統研究[J].測繪工程,2015,24(9):25-30.MA Wenzhong,LI Linhuan,JIANG Lili,et al.Research on COMPASS/GPS dual-modepositioning system based on carrier phase difference[J].Engineering of Surveying and Mapping,2015,24(9):25-30.

[6]王春華,吳文平,王曉輝,等.3D扼流圈天線設計[J].數字通信世界,2014(8):15-18.WANG Chunhua,WU Wenping,WANG Xiaohui,et al.Design of dualband 3D choke ring antenna[J].Digital Communication World,2014(8):15-18.

[7]馮曉超,金國平,范建軍,等.GNSS接收機偽距測量中的多徑效應試驗分析[J].現代電子技術,2013(5):77-81.FENG Xiaochao,JIN Guoping,FAN Jianjun,et al.Experimentation and analysis of multipath effect in pseudo-range measurementofGNSS receiver[J].Modern Electronics Technique,2013(5):77-81.

[8]楊秋實，徐愛功，祝會忠，等．BDS單參考站載波相位差分定位方法[J]．導航定位學報，2016，4(4)：59-64.YANG Qiushi,XU Aigong,ZHU Huizhong,et al.Method of carrier phase difference positioning of single reference station of BDS[J].Journal of Navigation and Positioning,2016,4(4):59-64.

[9]劉偉平，郝金明，田英國，等．北斗衛星導航系統雙差動力法精密定軌及其精度分析[J]．測繪學報，2016，45(2)：131-139．LIU Weiping，HAO Jinming，TIAN Yingguo，et al．Solution method and precision analysis ofdouble-difference dynamic precise orbit determination of BeiDou navigation satellite system[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2016，45(2)：131-1390.

[10]張明，顧曉雪．北斗接收機定位誤差分析[J]．電子與封裝，2015，15(9)：40-43．ZHANG Ming，GU Xiaoxue.Error analysis in Beidou receiver positioning[J].Electronics and Packaging，2015，15(9)：40-43．