输电杆塔基础的灾变监测与预警系统研发

王年孝

（中山供电局，广东 中山528400）

0 引言

输电杆塔基础是输电线路的重要组成部分，受到输电线路走廊气候和地形地貌多样性、区域地质构造条件差异性、岩土体类型变化性以及地下水复杂性的影响，杆塔基础容易产生不良风雨荷载作用下的灾变损伤及环境岩土工程问题，甚至发生倒塔事故。本文针对中山地区气候与地质特点，采用多学科交叉方法，采用现代电子和通信技术，建立塔基滑坡远程监测系统，有效提高了中山输电线路基础体对强风雨极端气候条件的处置能力，实现了强风雨荷载作用下输电塔杆基础的安全监控与预警，为输电线路长期安全运行和应对极端气候灾害风险提供了参考，有利于为救灾抢险制定技术方案。

1 中山地区强风雨特征与典型滑坡工程地质特征研究

收集中山地区地质条件、气象资料及降雨诱发边坡地质灾害相关资料，建立如图1所示输电线路杆塔基础地质资料数据库，为输电线路杆塔分析诱发滑坡的降雨量、持续时间、降雨日、降水强度及其时空分布，研究降雨特征与统计临界降雨强度的时空相关性提供支撑；以中山地区滑坡分布规律为基础，针对中山地区不同降雨强度特征滑坡选取典型滑坡，研究滑坡体的地质成因、结构特性和环境效应。

图1 输电线路杆塔基础地质资料数据库

2 强风雨荷载作用下输电塔—线体系的灾变特点和规律分析方法

通过强风荷载、强降雨荷载的实测，进行输电塔—线体系强风雨荷载的统计特点及规律研究，建立上部输电塔—线体系的风雨激励动力分析模型，根据不同强度风雨荷载作用下塔—线体系稳定性特点和规律，得出塔—线体系应力分布特点和规律，最终得出输电杆塔灾变损伤模式。以降雨特征与统计临界降雨强度及渗流特性为基础，建立典型塔基滑坡岩土体饱和与非饱和非稳定渗流数学模型，分析不同降雨过程下典型塔基滑坡体内渗流场分布特征与演变规律；以岩土体力学特性和渗透特性研究为基础，建立降雨条件下塔基滑坡岩土体渗流—应力耦合分析模型，分析降雨条件下典型塔基滑坡岩土体的变形特征及其演变规律。针对典型塔基滑坡，通过试验研究、反演分析、工程类比方法，系统研究饱和与非饱和条件下岩土体非线性力学与渗透特性，特别是在非饱和条件下的降雨入渗参数、土水特征曲线和强度准则。以渗流—应力耦合分析模型为基础，对不同降雨强度、降雨时程、岩土体力学和渗透特性进行组合，研究典型塔基滑坡体内应力、变形和孔隙水压的分布规律，通过塑性区的分布特征与演变规律探讨降雨条件下典型塔基滑坡可能的失稳机理。

3 强风雨荷载下中山塔基滑坡灾害监测系统

根据现场勘查与失稳机理研究成果，确立监测变量和监测布置原则；以拉索位移计、容栅式雨量计、固定式测斜仪等设备为基本单元开展监测，采用建设周期短、网络覆盖范围广的传输技术建立监测预警数据中心与多个塔基边坡单体监测子站的不间断联系，通过因特网建立管理部门（救灾防灾中心）与监测预警数据中心的联系通道，由此形成适用于塔基边坡地质灾害的简明、自动、经济、高效的远程监测系统。图2为输电线路塔基滑坡监测系统示意图。

图2 输电线路塔基滑坡监测系统示意图

4 强风雨荷载下塔基滑坡地质灾害预警模型

通过详细调查中山地区降雨诱发地质灾害的历史资料，统计分析该地区滑坡发生与降雨特征的关系，提出降雨区域预警的指标。采用饱和与非饱和渗流有限元对中山地区典型滑坡体进行降雨入渗模拟，研究降雨强度、降雨持时和降雨类型对边坡渗流和稳定的影响，验证和改进有效降雨量经验模型。将改进后考虑降雨入渗规律的有效降雨量模型与滑坡发生的历史概率曲线相结合，得到中山地区滑坡地质灾害区域降雨预警模型，建立相应的风险防御措施。针对所监测的单体边坡，设计不同的风雨荷载量和岩土体参数组合，采用饱和与非饱和渗流有限元计算对应的滑坡安全系数Fs和监测点的位移u，可以作出相应的滑坡安全系数与监测点位移的关系曲线，以此为依据来确定该边坡监测点位移的阶段预警值。

5 基于网络技术的灾变监测与预警系统

采用网络编程技术和数据库技术，通过ASP.NET 开发三层B/S结构模式的监测数据实时发布和地质灾害监测预警系统，建立塔基边坡监测信息数据库，实现对监测数据的远程实时接收和可视化管理分析，为管理部门及时了解现场监测结果和快速决策提供了强有力的平台支持。针对边坡变形破坏模式复杂多样，集成多种时间预测模型，形成了变形预测模型库，采用可视化的图形工具，可以为不同类型和不同演化阶段的边坡选取合适的预报模型，使边坡变形预测更具针对性和可靠性。基于边坡地质灾害统计分析和边坡失稳力学机理分析，建立基于降雨量和位移的综合预警模型。同时基于GSM 网络数据终端，开发短信预警发送功能，根据设定的变形和有效降雨量预警指标，自动向特定人群实时发送预警短信，提高了信息发布的实效性和自动化水平，为防灾减灾提供了最新的决策支持。

6 结语

本文介绍了建立和研发输电杆塔基础在风雨荷载作用下安全预警系统的方法与实现的技术手段，所开发的中山塔基边坡远程监测预警系统具有简明、自动、实时、远程、经济、高效的特点，可实时获取监测点的位移和降雨量信息，进行变形预测分析，并结合区域降雨量预警模型和位移预警模型进行实时预警及网络和手机信息发布，适合在南方多雨地区电网塔基监测预警中推广，具有较为显著的社会效益和经济效益。

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