川西地区输变电工程地质环境质量评价

范荣全, 董 斌, 李源亮, 刘 腾 , 乔云池, 罗 宁

(1.国网四川省电力公司, 成都 610041；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家生点实验室，成都 610059；3.国网四川省电力公司经济技术研究院，成都 610041)

随着中国经济快速发展以及西部水电大开发，电网规模日益壮大，输变电工程建设也面临新的发展难题，输变电工程由于其布线长、跨度广的特点，极易受到地质环境的影响，据统计[1]，每年由于地质灾害引起的电网损毁非常之多。因此，输变电工程建设需要对工程区域进行地质环境评价。根据区域地质环境对输变电工程的影响机理及范围等来选择合适的输电线路及变电站建设场地，并且采取相应的工程防范措施。然而目前尚未系统的开展输变电工程地质环境评价的研究，相较于地下水、土壤、矿山等方面的地质环境评价，输变电工程地质环境评价还缺乏统一的方法于标准[2]，中国关于地质环境质量评价的研究起于20世纪80年代末，刘厚健和张旭红[3]针对750 kV官亭—兰州东输电线路主要地质问题，归纳总结了相应输电工程地质环境评价方法；马良荣等[4]基于750 kV 银川东—兰州东输电线路的岩土工程地质勘察，对该线路工程地质环境进行了评价；张舒尧[2]根据国网公司有关地质环境因素造成输变电工程线路和变电站损害的调研结果，详细分析了影响输变电工程建设和安全运行的地质环境因素，建立了输变电工程地质环境评价体系，并应用于工程实践中；国外的研究中更关注的是电磁效应对环境的影响问题，Masud[5]、Roseland[6]、Bond[7]做了大量的研究，并建立了输变电工程环境评价模型。在综合评价的方法选取上，大多采用AHP(GI)法、模糊评价法、灰色相关度法和人工神经网络法等。

川西地区是中国最主要的水电建设基地之一，金沙江、雅砻江等河流上兴建或规划了一大批水电站，输变电线路作为电力输送通道不可避免的要经过众多复杂地貌、地质单元等。由于川西地区具有山高谷深、强烈构造活动，复杂地质构造背景等特点，致使川西地区输变电工程地质环境质量、场地适宜性良莠不齐。因此依托国家电网科技项目，详细分析影响输变电工程建设和安全运行的地质环境因素，建立输变电工程地质环境质量评价体系，开展川西地区输变电工程地质环境质量评价研究，对研究区输变电工程地质环境质量的整体认识及区域规划具有重要意义。

1 研究区概况

川西地区指以广元、绵阳、德阳、成都、雅安、乐山为界的四川西部地区。该区地处松潘甘孜地槽褶皱系和扬子准地台边缘的台凹地带，发育鲜水河断裂、龙门山断裂、安宁河断裂以及金沙江断裂等深大断裂带，区内地质构造极为复杂；地势起伏大，最高峰大雪山主峰贡嘎山海拔7 556 m，地貌类型复杂多样，以高原和山地为主；河流众多，水电可开发资源占全省85%，其中金沙江、雅砻江、大渡河等大河多发育于川西一带的高原及高山峡谷区。区内地质灾害损毁输变电工程案例屡见不鲜，2016年丹巴变电站进场道路边坡发生滑坡，严重威胁着500 kV变电站安全及稳定运营；2012年锦屏一级电站-西昌换流站500 kV线路1002#塔、1006#塔、1102#塔、1219#塔、1422#塔、1431#塔边坡出现了不同规模的崩塌或滑坡，危及塔位安全等(图1)。

图1 1006#塔滑坡全貌

2 输变电工程地质环境质量评价

输变电工程地质环境质量评价是一项复杂的系统工程。首先通过野外调查、实地收集地质环境资料，分析影响输变电工程建设和安全运行的地质环境因素，然后选取相应评价指标，采用层次分析法计算各个指标的权重，最后利用模糊综合评判法建立了输变电工程地质环境质量评价体系。

2.1 指标选取及分级

输变电工程包括输电线路工程和变电站工程，所以地质环境影响因素可以分为输电线路工程的影响因素及变电站工程的影响因素，这些影响因素的重要程度，根据所处地质环境特点的不同具有很强的地域性差异。据国网公司有关地质灾害造成输电线路杆塔基础和地基破坏情况调研工作表明，地质环境变化引发的地质灾害对输变电工程的影响最为严重。综上，结合川西地区地质、工程环境特点，参考相关规范、研究文献[8-10]初步提出输变电工程地质环境的评价指标体系(表1)，其包括6大类11项。

对于上述指标很难找到统一公认的分级标准值，因此，分级标准值的制订主要参考相关规范文献等综合确定(表2)。海拔高程及地势起伏度分级标准值参照中科院地理研究所的地貌划分标准、结合研究区输变电工程建设环境特点进行适当调整；坡度分级标准参照《地质灾害危险性评估技术规范》(DZ/T 0286—2015)及《电力工程地质灾害危险性评估导则》(Q/DG 1-G002—2009)适当调整；断层距离分级标准值参照《变电所岩土工程勘测技术规程》以及相关研究指定；断层密度、灾害密度、人口数量、公路密度分级标准值的制定则主要依据自然间断点法进行分类。而工程地质岩组、冻土以及地震动等离散型变量隶属度值的确定不能用隶属度函数刻画，其分级标准应该根据统计、专家经验进行综合确定(表2)，工程地质岩组分级基于不同岩组内地质灾害密度统计；冻土隶属度值是在综合分析冻土区地质环境的基础上采用专家经验确定的；地震动分类及隶属度值参照《地质灾害危险性评估技术规范》《500 kV架空送电线路勘测技术规程》并结合专家经验综合确定。

表1 评价指标及其权重

表2 工程地质环境评价连续型变量指标分级标准值

2.2 AHP法确定指标权重

采用AHP法确定每个指标的权重，对评价指标体系的各个二级指标两两进行比较，构造判断矩阵[11]，计算的各项指标权重见表1。

2.3 输变电工程地质环境质量模糊评价

2.3.1 构建单因素模糊矩阵

对研究区工程地质环境质量级别采用“优良”“中等”“较差”“差”4级划分方案。设某单评价因素u对这4个质量级别的隶属度分别记为：ru1、ru2、ru3、ru4，则所有评价因素对4个质量级别的隶属度构成了一个矩阵R[式(1)]，R即是所有单因素隶属度构建的模糊矩阵。

(1)

2.3.2 模糊综合评价

单因素模糊矩阵反映了单个影响因子对工程地质环境质量级别的影响，但工程地质环境的系统性、复杂性决定了环境质量级别受多个因素共同制约和影响，综合评价的目是考虑不同因素的共同作用对环境质量级别进行综合评价。前面通过层次分析法构建了评价因素的权向量A(表1)，记因素u的权重为au，如坡度权重表示为a坡度。利用M(·,+)算子进行模糊合成，则有式(2)所示矩阵，式(2)中：b1、b2、b3、b4即多因素模糊综合评价对质量级别“优良”“中等”“较差”“差”的隶属度值[12]。基于Arc GIS平台计算得到研究区不同级别综合隶属度，计算结果如图2～图5所示。

表3 工程地质环境质量评价离散型变量指标分级标准值

注：表中岩组代号及其对应的岩组：1为松散岩类；2为较坚硬-坚硬中-厚层砂岩、板岩岩组；3为软硬相间砂、泥岩互层岩组；4为软弱的薄层状泥、页岩岩组；5为较坚硬中-厚层状灰岩及白云岩岩组；6为软硬相间层状灰岩、白云岩夹砂泥岩、千枚岩及板岩岩组；7为软硬相间薄-中厚层状板岩、千枚岩与变质砂岩互层岩组；8为较坚硬-坚硬层状板岩夹砂岩、泥质灰岩岩组；9为软弱-较坚硬薄-中厚层状千枚岩、片岩夹灰岩、碎屑岩岩组；10为坚硬的块状玄武岩为主岩组；11为软硬相间块状为主英安斑岩夹火山碎屑岩岩组；12为坚硬的整体块状花岗岩为主岩组。g为重力加速度。

B=AR=[a坡度a高程·a公路]·

(2)

图2 “优良”级别的综合隶属度

图3 “中等”级别的综合隶属度

图4 “较差”级别的综合隶属度

图5 “差”级别的综合隶属度

2.3.3 隶属判定及评价结果

对任意一个评价单元而言都具有4个综合隶属度z优良、z中等、z较差、z差，这4个值分别指示了评价单元隶属于4个不同工程地质环境级别的可能性。所谓“最大隶属度”原则就是将其中最大隶属度值对应的那个级别判定为该单元的工程地质环境质量级别；例如某个评价单元对4个级别的隶属度值分别为z优良=0.1，z中等=0.2，z较差=0.6，z差=0.3，则该单元对应的工程地质环境质量级别为“较差”。值得注意的是，上述“最大隶属度”判定质量级别的原理极为简单，针对少量的评价单元可以人工逐一比较确定隶属级别，但是针对上万个评价单元而言，试图通过人工逐个判定显然是不可能的，针对传统研究的上述不足，创造性的提出“逐次作差+条件赋值”的解决思路，其基本原理是通过对栅格数据逐次做差，以差值数据的正负作为条件限定语进行归属判定和提取相对较大值，然后根据该思路利用Python语言开发工具进行批量处理，得到研究区输变电工程地质环境质量评价结果如图6所示。

图6 输变电工程地质环境质量分级图

2.3.4 评价结果分析

输变电工程地质环境质量既表现了工程地质条件对工程建设的适宜性，也反映了工程地质环境对工程活动影响的敏感性，根据川西地区输变电工程地质环境质量评价结果分析可知：

(1)川西北若尔盖、红原、石渠，川西甘孜县南部、理塘南部，川南的盐源盆地、安宁河河谷等地区工程地质环境质量属“优良”级别，具有较好的地形条件、较优良的工程地质岩组，地质灾害总体危险性小。

(2)工程地质环境质量属“中等”级别地区广泛分布于攀西地区东南部、石渠—甘孜一线的鲜水河河谷及附近区域、若尔盖及红原东南区域。这些地区地质条件并不优越，人口及交通条件较好，地质灾害较发育，在输变电工程——特别是变电站、开关站等大型工程建设中要做好场地地质灾害评估工作、勘察工作，采取必要的工程处置措施保障场地安全。

(3)工程地质环境“较差”级别地区，主要位于泸定、石棉、汉源一带的大渡河河谷，西昌东北的喜德、美姑一带，凉山州南部的普格、宁南、德昌一带，丹巴以北大渡河河谷、马尔康，龙门山断裂上的平武、青川一带分布相对较集中。其适应大型工程(变电站或开关站)建设的地质条件较差，必须得采取特定的工程措施、适宜的铁塔基础才能满足工程建设安全。

(4)工程地质环境“差”级别地区主要分布于丹巴、康定的大渡河及其支流河谷区域，龙门山断裂上的茂县、汶川、庐山一带，西部金沙江、雅砻江河谷区域亦有分布。其适应大型工程(变电站或开关站)建设的工程地质条件差，工程处置措施难度极大、投资高；而对于输电铁塔建设来说，地质环境复杂，线路勘察、施工难度大、工程建设投资大，选择合适的铁塔基础形式、对地基采取足够的工程处置措施可基本满足建设需要。

3 变电站场区地质环境质量评价

基于上述川西地区输变电工程地质环境质量评价结果，对研究区具有代表性的部分变电站站址进行地质环境质量评价，验证上述评价体系的合理性。

(1)甘泉500 kV变电站。地处攀枝花市，金沙江右岸，场地海拔约1 420 m，位于单面山山脊附近的缓坡面上，站址附近区域地势起伏度250 m；场地基岩为闪长岩；地质灾害易发程度中等；附近无区域性断裂发育；地震动0.15g；附近人口密度较大，交通便利；整体工程地质环境质量优良(图7)。

图7 甘泉500 kV变电站地质环境评价结果

(2)石板箐500 kV变电站。站址地处攀枝花市、金沙江右岸斜坡上，海拔约1 300 m，附近地势起伏度544 m；场地地基土为含碎块石粉质黏土；场区附近无区域性活动断裂，地震动0.15g；附近人类工程活动较强烈，修路、建房切坡及鱼塘水入渗等均有诱发土质滑坡的可能；总体而言站址及附近区域工程地质环境质量中等(图8)。

图8 石板箐500 kV变电站地质环境评价结果

(3)丹巴500 kV变电站。站址海拔约2 150 m，附近地势起伏度920 m，山高谷深，地势险峻；场区出露第四系残坡积、崩坡积物；场区附近无区域性的大断裂，地震动0.15g；地质环境脆弱，人类工程活动较强烈，历来地质灾害频发，如丹巴县城后山滑坡、变电站进场道路滑坡、红军桥崩塌等；站址区总体工程地质环境质量中等—较差(图9)。

图9 丹巴500 kV变电站地质环境评价结果

4 结论

(1)根据研究区地质环境条件，结合输变电工程特点，从工程地质环境的稳定性、安全性、建设难度方面入手，选取了坡度、高程、起伏度、工程地质岩组、断层密度、断层距离、地震动峰值加速度、地灾密度、冻土、人口密度以及路网密度作为评价指标，利用层次分析法计算各指标权重，采用模糊综合评价的方法构建工程地质环境质量评价体系，最终得到研究区输变电工程地质环境质量分级图。

(2)针对传统研究中“最大隶属度判定”存在的不足，充分利用、挖掘GIS技术的潜力，创造性的提出“逐次作差+条件赋值”的隶属度判定方法，利用Python语言编制批处理工具，实现了基于GIS平台的海量栅格数据模糊综合评价的自动化。

(3)输变电工程地质环境质量既表现了工程地质条件对工程建设的适宜性，也反映了工程地质环境对工程活动影响的敏感性，根据评价结果可为研究区拟建的输变电线路规划选线提供重要的依据，具有理论与实践意义。