川西地區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價

范榮全, 董 斌, 李源亮, 劉 騰 , 喬云池, 羅 寧

(1.國網(wǎng)四川省電力公司, 成都 610041；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家生點實驗室，成都 610059；3.國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，成都 610041)

隨著中國經(jīng)濟快速發(fā)展以及西部水電大開發(fā)，電網(wǎng)規(guī)模日益壯大，輸變電工程建設(shè)也面臨新的發(fā)展難題，輸變電工程由于其布線長、跨度廣的特點，極易受到地質(zhì)環(huán)境的影響，據(jù)統(tǒng)計[1]，每年由于地質(zhì)災(zāi)害引起的電網(wǎng)損毀非常之多。因此，輸變電工程建設(shè)需要對工程區(qū)域進行地質(zhì)環(huán)境評價。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境對輸變電工程的影響機理及范圍等來選擇合適的輸電線路及變電站建設(shè)場地，并且采取相應(yīng)的工程防范措施。然而目前尚未系統(tǒng)的開展輸變電工程地質(zhì)環(huán)境評價的研究，相較于地下水、土壤、礦山等方面的地質(zhì)環(huán)境評價，輸變電工程地質(zhì)環(huán)境評價還缺乏統(tǒng)一的方法于標(biāo)準(zhǔn)[2]，中國關(guān)于地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價的研究起于20世紀(jì)80年代末，劉厚健和張旭紅[3]針對750 kV官亭—蘭州東輸電線路主要地質(zhì)問題，歸納總結(jié)了相應(yīng)輸電工程地質(zhì)環(huán)境評價方法；馬良榮等[4]基于750 kV 銀川東—蘭州東輸電線路的巖土工程地質(zhì)勘察，對該線路工程地質(zhì)環(huán)境進行了評價；張舒堯[2]根據(jù)國網(wǎng)公司有關(guān)地質(zhì)環(huán)境因素造成輸變電工程線路和變電站損害的調(diào)研結(jié)果，詳細(xì)分析了影響輸變電工程建設(shè)和安全運行的地質(zhì)環(huán)境因素，建立了輸變電工程地質(zhì)環(huán)境評價體系，并應(yīng)用于工程實踐中；國外的研究中更關(guān)注的是電磁效應(yīng)對環(huán)境的影響問題，Masud[5]、Roseland[6]、Bond[7]做了大量的研究，并建立了輸變電工程環(huán)境評價模型。在綜合評價的方法選取上，大多采用AHP(GI)法、模糊評價法、灰色相關(guān)度法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

川西地區(qū)是中國最主要的水電建設(shè)基地之一，金沙江、雅礱江等河流上興建或規(guī)劃了一大批水電站，輸變電線路作為電力輸送通道不可避免的要經(jīng)過眾多復(fù)雜地貌、地質(zhì)單元等。由于川西地區(qū)具有山高谷深、強烈構(gòu)造活動，復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造背景等特點，致使川西地區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量、場地適宜性良莠不齊。因此依托國家電網(wǎng)科技項目，詳細(xì)分析影響輸變電工程建設(shè)和安全運行的地質(zhì)環(huán)境因素，建立輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價體系，開展川西地區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價研究，對研究區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的整體認(rèn)識及區(qū)域規(guī)劃具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

川西地區(qū)指以廣元、綿陽、德陽、成都、雅安、樂山為界的四川西部地區(qū)。該區(qū)地處松潘甘孜地槽褶皺系和揚子準(zhǔn)地臺邊緣的臺凹地帶，發(fā)育鮮水河斷裂、龍門山斷裂、安寧河斷裂以及金沙江斷裂等深大斷裂帶，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜；地勢起伏大，最高峰大雪山主峰貢嘎山海拔7 556 m，地貌類型復(fù)雜多樣，以高原和山地為主；河流眾多，水電可開發(fā)資源占全省85%，其中金沙江、雅礱江、大渡河等大河多發(fā)育于川西一帶的高原及高山峽谷區(qū)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害損毀輸變電工程案例屢見不鮮，2016年丹巴變電站進場道路邊坡發(fā)生滑坡，嚴(yán)重威脅著500 kV變電站安全及穩(wěn)定運營；2012年錦屏一級電站-西昌換流站500 kV線路1002#塔、1006#塔、1102#塔、1219#塔、1422#塔、1431#塔邊坡出現(xiàn)了不同規(guī)模的崩塌或滑坡，危及塔位安全等(圖1)。

圖1 1006#塔滑坡全貌

2 輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價

輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。首先通過野外調(diào)查、實地收集地質(zhì)環(huán)境資料，分析影響輸變電工程建設(shè)和安全運行的地質(zhì)環(huán)境因素，然后選取相應(yīng)評價指標(biāo)，采用層次分析法計算各個指標(biāo)的權(quán)重，最后利用模糊綜合評判法建立了輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價體系。

2.1 指標(biāo)選取及分級

輸變電工程包括輸電線路工程和變電站工程，所以地質(zhì)環(huán)境影響因素可以分為輸電線路工程的影響因素及變電站工程的影響因素，這些影響因素的重要程度，根據(jù)所處地質(zhì)環(huán)境特點的不同具有很強的地域性差異。據(jù)國網(wǎng)公司有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害造成輸電線路桿塔基礎(chǔ)和地基破壞情況調(diào)研工作表明，地質(zhì)環(huán)境變化引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害對輸變電工程的影響最為嚴(yán)重。綜上，結(jié)合川西地區(qū)地質(zhì)、工程環(huán)境特點，參考相關(guān)規(guī)范、研究文獻(xiàn)[8-10]初步提出輸變電工程地質(zhì)環(huán)境的評價指標(biāo)體系(表1)，其包括6大類11項。

對于上述指標(biāo)很難找到統(tǒng)一公認(rèn)的分級標(biāo)準(zhǔn)值，因此，分級標(biāo)準(zhǔn)值的制訂主要參考相關(guān)規(guī)范文獻(xiàn)等綜合確定(表2)。海拔高程及地勢起伏度分級標(biāo)準(zhǔn)值參照中科院地理研究所的地貌劃分標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)合研究區(qū)輸變電工程建設(shè)環(huán)境特點進行適當(dāng)調(diào)整；坡度分級標(biāo)準(zhǔn)參照《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0286—2015)及《電力工程地質(zhì)災(zāi)害危險性評估導(dǎo)則》(Q/DG 1-G002—2009)適當(dāng)調(diào)整；斷層距離分級標(biāo)準(zhǔn)值參照《變電所巖土工程勘測技術(shù)規(guī)程》以及相關(guān)研究指定；斷層密度、災(zāi)害密度、人口數(shù)量、公路密度分級標(biāo)準(zhǔn)值的制定則主要依據(jù)自然間斷點法進行分類。而工程地質(zhì)巖組、凍土以及地震動等離散型變量隸屬度值的確定不能用隸屬度函數(shù)刻畫，其分級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該根據(jù)統(tǒng)計、專家經(jīng)驗進行綜合確定(表2)，工程地質(zhì)巖組分級基于不同巖組內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害密度統(tǒng)計；凍土隸屬度值是在綜合分析凍土區(qū)地質(zhì)環(huán)境的基礎(chǔ)上采用專家經(jīng)驗確定的；地震動分類及隸屬度值參照《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)規(guī)范》《500 kV架空送電線路勘測技術(shù)規(guī)程》并結(jié)合專家經(jīng)驗綜合確定。

表1 評價指標(biāo)及其權(quán)重

表2 工程地質(zhì)環(huán)境評價連續(xù)型變量指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值

2.2 AHP法確定指標(biāo)權(quán)重

采用AHP法確定每個指標(biāo)的權(quán)重，對評價指標(biāo)體系的各個二級指標(biāo)兩兩進行比較，構(gòu)造判斷矩陣[11]，計算的各項指標(biāo)權(quán)重見表1。

2.3 輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量模糊評價

2.3.1 構(gòu)建單因素模糊矩陣

對研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級別采用“優(yōu)良”“中等”“較差”“差”4級劃分方案。設(shè)某單評價因素u對這4個質(zhì)量級別的隸屬度分別記為：ru1、ru2、ru3、ru4，則所有評價因素對4個質(zhì)量級別的隸屬度構(gòu)成了一個矩陣R[式(1)]，R即是所有單因素隸屬度構(gòu)建的模糊矩陣。

(1)

2.3.2 模糊綜合評價

單因素模糊矩陣反映了單個影響因子對工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級別的影響，但工程地質(zhì)環(huán)境的系統(tǒng)性、復(fù)雜性決定了環(huán)境質(zhì)量級別受多個因素共同制約和影響，綜合評價的目是考慮不同因素的共同作用對環(huán)境質(zhì)量級別進行綜合評價。前面通過層次分析法構(gòu)建了評價因素的權(quán)向量A(表1)，記因素u的權(quán)重為au，如坡度權(quán)重表示為a坡度。利用M(·,+)算子進行模糊合成，則有式(2)所示矩陣，式(2)中：b1、b2、b3、b4即多因素模糊綜合評價對質(zhì)量級別“優(yōu)良”“中等”“較差”“差”的隸屬度值[12]?；贏rc GIS平臺計算得到研究區(qū)不同級別綜合隸屬度，計算結(jié)果如圖2～圖5所示。

表3 工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價離散型變量指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值

注：表中巖組代號及其對應(yīng)的巖組：1為松散巖類；2為較堅硬-堅硬中-厚層砂巖、板巖巖組；3為軟硬相間砂、泥巖互層巖組；4為軟弱的薄層狀泥、頁巖巖組；5為較堅硬中-厚層狀灰?guī)r及白云巖巖組；6為軟硬相間層狀灰?guī)r、白云巖夾砂泥巖、千枚巖及板巖巖組；7為軟硬相間薄-中厚層狀板巖、千枚巖與變質(zhì)砂巖互層巖組；8為較堅硬-堅硬層狀板巖夾砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r巖組；9為軟弱-較堅硬薄-中厚層狀千枚巖、片巖夾灰?guī)r、碎屑巖巖組；10為堅硬的塊狀玄武巖為主巖組；11為軟硬相間塊狀為主英安斑巖夾火山碎屑巖巖組；12為堅硬的整體塊狀花崗巖為主巖組。g為重力加速度。

B=AR=[a坡度a高程·a公路]·

(2)

圖2 “優(yōu)良”級別的綜合隸屬度

圖3 “中等”級別的綜合隸屬度

圖4 “較差”級別的綜合隸屬度

圖5 “差”級別的綜合隸屬度

2.3.3 隸屬判定及評價結(jié)果

對任意一個評價單元而言都具有4個綜合隸屬度z優(yōu)良、z中等、z較差、z差，這4個值分別指示了評價單元隸屬于4個不同工程地質(zhì)環(huán)境級別的可能性。所謂“最大隸屬度”原則就是將其中最大隸屬度值對應(yīng)的那個級別判定為該單元的工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級別；例如某個評價單元對4個級別的隸屬度值分別為z優(yōu)良=0.1，z中等=0.2，z較差=0.6，z差=0.3，則該單元對應(yīng)的工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級別為“較差”。值得注意的是，上述“最大隸屬度”判定質(zhì)量級別的原理極為簡單，針對少量的評價單元可以人工逐一比較確定隸屬級別，但是針對上萬個評價單元而言，試圖通過人工逐個判定顯然是不可能的，針對傳統(tǒng)研究的上述不足，創(chuàng)造性的提出“逐次作差+條件賦值”的解決思路，其基本原理是通過對柵格數(shù)據(jù)逐次做差，以差值數(shù)據(jù)的正負(fù)作為條件限定語進行歸屬判定和提取相對較大值，然后根據(jù)該思路利用Python語言開發(fā)工具進行批量處理，得到研究區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果如圖6所示。

圖6 輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分級圖

2.3.4 評價結(jié)果分析

輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量既表現(xiàn)了工程地質(zhì)條件對工程建設(shè)的適宜性，也反映了工程地質(zhì)環(huán)境對工程活動影響的敏感性，根據(jù)川西地區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果分析可知：

(1)川西北若爾蓋、紅原、石渠，川西甘孜縣南部、理塘南部，川南的鹽源盆地、安寧河河谷等地區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬“優(yōu)良”級別，具有較好的地形條件、較優(yōu)良的工程地質(zhì)巖組，地質(zhì)災(zāi)害總體危險性小。

(2)工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬“中等”級別地區(qū)廣泛分布于攀西地區(qū)東南部、石渠—甘孜一線的鮮水河河谷及附近區(qū)域、若爾蓋及紅原東南區(qū)域。這些地區(qū)地質(zhì)條件并不優(yōu)越，人口及交通條件較好，地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，在輸變電工程——特別是變電站、開關(guān)站等大型工程建設(shè)中要做好場地地質(zhì)災(zāi)害評估工作、勘察工作，采取必要的工程處置措施保障場地安全。

(3)工程地質(zhì)環(huán)境“較差”級別地區(qū)，主要位于瀘定、石棉、漢源一帶的大渡河河谷，西昌東北的喜德、美姑一帶，涼山州南部的普格、寧南、德昌一帶，丹巴以北大渡河河谷、馬爾康，龍門山斷裂上的平武、青川一帶分布相對較集中。其適應(yīng)大型工程(變電站或開關(guān)站)建設(shè)的地質(zhì)條件較差，必須得采取特定的工程措施、適宜的鐵塔基礎(chǔ)才能滿足工程建設(shè)安全。

(4)工程地質(zhì)環(huán)境“差”級別地區(qū)主要分布于丹巴、康定的大渡河及其支流河谷區(qū)域，龍門山斷裂上的茂縣、汶川、廬山一帶，西部金沙江、雅礱江河谷區(qū)域亦有分布。其適應(yīng)大型工程(變電站或開關(guān)站)建設(shè)的工程地質(zhì)條件差，工程處置措施難度極大、投資高；而對于輸電鐵塔建設(shè)來說，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，線路勘察、施工難度大、工程建設(shè)投資大，選擇合適的鐵塔基礎(chǔ)形式、對地基采取足夠的工程處置措施可基本滿足建設(shè)需要。

3 變電站場區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價

基于上述川西地區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果，對研究區(qū)具有代表性的部分變電站站址進行地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價，驗證上述評價體系的合理性。

(1)甘泉500 kV變電站。地處攀枝花市，金沙江右岸，場地海拔約1 420 m，位于單面山山脊附近的緩坡面上，站址附近區(qū)域地勢起伏度250 m；場地基巖為閃長巖；地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度中等；附近無區(qū)域性斷裂發(fā)育；地震動0.15g；附近人口密度較大，交通便利；整體工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良(圖7)。

圖7 甘泉500 kV變電站地質(zhì)環(huán)境評價結(jié)果

(2)石板箐500 kV變電站。站址地處攀枝花市、金沙江右岸斜坡上，海拔約1 300 m，附近地勢起伏度544 m；場地地基土為含碎塊石粉質(zhì)黏土；場區(qū)附近無區(qū)域性活動斷裂，地震動0.15g；附近人類工程活動較強烈，修路、建房切坡及魚塘水入滲等均有誘發(fā)土質(zhì)滑坡的可能；總體而言站址及附近區(qū)域工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量中等(圖8)。

圖8 石板箐500 kV變電站地質(zhì)環(huán)境評價結(jié)果

(3)丹巴500 kV變電站。站址海拔約2 150 m，附近地勢起伏度920 m，山高谷深，地勢險峻；場區(qū)出露第四系殘坡積、崩坡積物；場區(qū)附近無區(qū)域性的大斷裂，地震動0.15g；地質(zhì)環(huán)境脆弱，人類工程活動較強烈，歷來地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，如丹巴縣城后山滑坡、變電站進場道路滑坡、紅軍橋崩塌等；站址區(qū)總體工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量中等—較差(圖9)。

圖9 丹巴500 kV變電站地質(zhì)環(huán)境評價結(jié)果

4 結(jié)論

(1)根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，結(jié)合輸變電工程特點，從工程地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性、安全性、建設(shè)難度方面入手，選取了坡度、高程、起伏度、工程地質(zhì)巖組、斷層密度、斷層距離、地震動峰值加速度、地災(zāi)密度、凍土、人口密度以及路網(wǎng)密度作為評價指標(biāo)，利用層次分析法計算各指標(biāo)權(quán)重，采用模糊綜合評價的方法構(gòu)建工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價體系，最終得到研究區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分級圖。

(2)針對傳統(tǒng)研究中“最大隸屬度判定”存在的不足，充分利用、挖掘GIS技術(shù)的潛力，創(chuàng)造性的提出“逐次作差+條件賦值”的隸屬度判定方法，利用Python語言編制批處理工具，實現(xiàn)了基于GIS平臺的海量柵格數(shù)據(jù)模糊綜合評價的自動化。

(3)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量既表現(xiàn)了工程地質(zhì)條件對工程建設(shè)的適宜性，也反映了工程地質(zhì)環(huán)境對工程活動影響的敏感性，根據(jù)評價結(jié)果可為研究區(qū)擬建的輸變電線路規(guī)劃選線提供重要的依據(jù)，具有理論與實踐意義。