架空铁塔边坡状态监测技术的研究

1 引言

深圳市位于广东中南部沿海，低山、丘陵地貌在深圳约占48.89%，加上高台地面积超过一半。随着城市规模不断扩大，城市土地需求增大，城市建设不可避免地向山前地带发展。尤其是“插花地”的无序开发，开挖山体形成高陡坡。从目前深圳地区边坡治理的资料可以得出，坡度偏陡、坡体岩土较软弱是引发边坡灾害的内在因素。而工程活动切方形成高陡边坡是其主要原因，强降雨则是发生边坡灾害的诱发因素，分布于这些地区的架空铁塔因此受到的这种危害也越来越大。作为电网的重要组成部分，输电线路的安全稳定运行直接影响到电网的稳定性和供电的可靠性。因此输电线路塔基边坡状态防护是保证输电线路安生稳定运行的一项重要工作。

本文介绍了一种输电线路边坡状态监测系统，用于监测输电线路塔基边坡的状态变化，预防塔基位移造成的倾斜、倒塔等事故。本系统将监测点深入到铁基的内部，对塔基的状态变化进行实时监控，可以有效地发现缓慢性的，不易发现的地质灾变体，并结合历史数据获取其变形趋势，并在事故发生之前提前作出预警，提示供电部门及时做出补救措施，做到防患于未然。

2 系统总体方案

铁塔边坡监测系统由现场监测终端、边坡监测仪、雨量传感器、太阳能供电单元、通讯单元、VPN无线专网以及后台监控中心组成。系统组成示意图如图1所示。现场监测终端是现场仪器的主控中心，需要完成监测仪、雨量传感器等数据采集，还需要对其进行预处理、暂存等，最后通过通讯单元连接VPN专网将监测数据传回后台监控中心。后台监控中心配置中心服务器，可以实现对各个现场监测终端进行远程管理，还可完成数据的存储、分析、成果输出等工作。

3 边坡监测仪工作原理

3.1仪器组成

监测仪由探头、专用连接杆、专用电缆三部分组成。

探头用以测量深部位移的变化量，采用高精度的MEMS石英挠性加速度计，具有测量精度高、稳定性好的特点。专用连接杆由测头连接端、轮座连接端、轮架组件、连接杆和杆间接头组成。其作用是为探头提供支撑和定位。专用电缆用于井下测头之间、井下测头与地面设备之间的连接，是测头组件供电和信号输出的通路。

3.2设备安装

在设备安装前，需要事先在塔基的边坡位置钻孔（孔径大于90mm），钻井深度一般要大于塔基深度4m以上，以便测量塔基结构内部的倾斜状态。钻井完成之后在孔内放置直径70mm的测斜管，测斜管连接处涂抹玻璃胶和橡皮泥进行防水。完成之后按照下列步骤进行监测仪的安装。安装示意图如图2所示。

1）安装轮座。将井底最下端测头插入轮座，并通过销钉定位，使轮座上的活动轮与测头上的销钉方位一致。2）将电缆下端连接头与测头的上部相连，如图3示。3）安装连接杆组件。4）将设备缓慢放入测斜管孔内。5）继续安装剩下的连接杆、轮座、测头；6）最后将测斜仪电缆穿过吊环上的孔，拉住钢丝绳将仪器慢慢下放，最后将吊环卡在测斜管的井口，如图4。

3.3位移计算方法

在地层滑动监测中，有偏移和移动这两个物理量。偏移是某一深度点相对于一固定点的位移，这里为每一个深度点相对于孔底的位移，记为Si，偏移值是一个累积值，通过偏移值的变化情况可以发现缓慢性的、不易发现的位移变化。

移动是某一深度点相对于时间的位移，记为Mi。移动值描述的是单位时间的位移值，即位移速度，通过该值可以发现突发性的地质灾害。每测量段的位移记为Bi。对于一个测孔，各测试段的水平位移Bi可由下式求出。图5为位移计算示意图。

Bi=Li* sinq 其中：i为测头编号（i=0，1，2，3）。

1）偏移值

2）移动值

Di深度点的移动值Mi（单位：mm）为：

其中：为基准时间测得的深度点的偏移值；为n时刻测得的深度点的偏移值。

固定测斜仪配置好深度后，现场监测终端即会定期向测斜仪发送位移测量命令，返回的数值为各深度点测试时间段的水平位移。一般情况下采样周期为大于或等于30分钟。

4 雨量传感器

山体滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害的发生常常伴随着强降雨，因此降雨强度大是山体滑坡的主要诱因之一。为此，本边坡状态监测系统还提供了雨量监测功能，实时地对监测点的降雨量进行采集，当采集到强降雨时，系统则会输出预警信号，提醒工作人员重点监视。本系统采用的是翻斗式的雨量传感器。

5 现场监测终端

现场监测终端作为主控中心，其内部含有智能处理器、实时时钟、非易失性存储器、A/D转换器、硬件看门狗等。主要实现系统的自检、测量与控制、数据存储与处理、数据发送与接收、电源管理等工作。

6 后台监控中心

后台监控中心采用Win Server 2008操作系统、流行的Oracle 11g数据库平台和J2EE开发平台，并用友好的WEB界面呈现。主要实现档案管理、权限管理、远程配置、数据存储、数据分析、成果呈现等功能。

此外后台监控中心还有监测预警功能，当采集到的数值大于预警值时，后台监控中心即马上向相关人员的手机上发送预警短信，提示其及时做出相应防护措施，避免事故的发生。

结合《110kV～500kV架空电力线路施工及验收规范》中5.2.11项关于塔基允许偏差尺寸以及6.18项针杆塔组立及架线后允许位移偏差要求，本监测系统设置了三级预警方案，预警值以及防护措施如下：

1级预警：偏移值>30mm或移动值>5mm；需要派人重点监视，完善坡顶、坡面、排水系统，并辅之以绿化。2级预警：偏移值>50mm或移动值>10mm；需要采用放坡及锚杆（索格）构梁进行加固治理以及塔基修正。3级预警：偏移值>80mm或移动值>15mm；需要委托专业资质单位进行边坡勘察，设计，对铁塔重新评估。

7 实施案例

本监测系统于2013年11月底成功在深圳龙岗区龙岗大道与丰田路交汇处的富龙山建设场。铁塔位于山体最高点。由于开挖已在铁塔基础周围形成了一个高20m，坡度85°的人工边坡，如图6所示。该边坡虽然采用了挂网喷砼及土钉进行临时加固，但其高度大，坡度较陡，在长期雨水及外应力地作用下易发生整体崩塌及滑坡地质灾害。

本监测系统从坡顶竖直向下钻10m的深孔，然后在孔内安装边坡监测仪，如图7所示。用于监测塔基内部位移的变化情况；此外还在地面安装雨量传感器对实时的降雨进行监测。

结语

将边坡监测系统应用在输电线路中，可以实时监测架空输电塔基的位移变化情况，通过对监测数据的分析，可以在危害发生之前发出预警，从而保护了架空输电线路的安全，具有很高的应用价值。

参考文献

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[2] 殷跃平. 中国地质灾害减灾战略初步研究[J].中国地质灾害与防治学报，2004（06）.

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