变电站地基沉降简易观测系统的研究

冯 洋，陆 强

（台州电业局， 台州 317000）

变电站是电力能源传输与变换的重要枢纽。过去变电站通常选址在地势较高的地带，以减少填方量。随着经济社会的发展，土地资源日益减少，越来越多的平原、滩涂、低洼地带被开发利用，变电站也不得不建在这些不宜建站的地区。随之而来的是变电站地基沉降问题日益突出，给变电站的安全稳定运行带来了极大影响[1-2]。以台州地区为例，由于地处沿海软弱地基区域，近十年来共发生变电站地基沉降案例20余起。因此，加强变电站地基沉降监测，及时发现地基沉降隐患，减少因地基沉降造成的变电设施损坏，确保电力系统安全稳定运行，已成为当前迫切需要解决的问题。

1 研究现状

地基沉降是土力学的主要研究课题之一。早期的沉降监测方法主要有水准测量或沉降板法，采用定期测量、统计与预测，但是存在没有完善的地面沉降动态监测网络等问题，不利于长期监测，而且价格昂贵、工作繁重、信息滞后。近年来随着GPS技术的日趋成熟以及干涉合成孔径雷达（inSAR）技术的兴起，沉降测量技术有了新进展[3]，但是这些技术的发展仍不够成熟，不容易获取数据，成本也较高[4]。

本文针对变电站地基沉降的实际情况，提出了一种基于激光照射技术的变电站地基沉降简易观测系统，能够有效测量出变电站设备的不均匀沉降差，实现对变电站地基沉降的监测。

2 系统结构

2.1 测量目标及要求

建筑物地基沉降根据其特点可分为均匀沉降和不均匀沉降两大类。一般来说，地基产生均匀沉降，对建筑物本身不会引起附加内应力，不会造成大的危害，但对地基不均匀沉降则应引起足够重视。当不均匀沉降超过建筑物承受限度时，便会产生开裂、倾斜甚至倒塌，影响建筑使用，危及安全[5]。因此，目前关于地基沉降的研究大多是围绕地基的不均匀沉降展开的。

针对地基沉降检测的特点，根据《建筑变形测量规范》[6]等行业规范，可确定变电站地基沉降的测量目标是选定区域内各点之间的相对沉降差（差异沉降，differential settlement），即不均匀沉降差。此外，根据该规范要求，建筑物沉降测量误差分4个级别：特级、一级、二级、三级，其精度指标分别为0.1 mm，0.3 mm，1 mm和3 mm[6]。根据变电站的建筑分类特点，考虑到在施工时已留有较大的沉降裕度，因此对变电站地基沉降测量只需满足三级精度要求即可。

2.2 系统设计思想

系统采用激光技术，利用激光特性对选定位置的标尺进行照射，并读取数据。由于变电站地基沉降测量的是不均匀沉降，即相邻各点之间的相对沉降差，因此本系统的设计思想为：在变电站的重要节点（重要且易发生沉降处）取几点作为一个区域，将激光发射器放在地基较稳定处，水平转动照射测量点处的标尺，读出并记录各点的读数，再经过相应算法计算出不均匀沉降差。

2.3 算法思想

测量类课题的数据算法与数据的获取同样重要，优秀的算法能有效降低测量误差，滤除测量中难以避免的干扰。沉降测量中常用差值算法，即该点两次测量之差。但是在本课题的测量过程中，最大难点就是在同一区域前后两次测量中无法保证基准点处于同一高度、同一位置，因此差值算法便无法得到准确的测量数据。

因此，本系统采用了一种新的算法思想，称之为差值的差值算法。以2点测量为例，第一次测量时记录2点各自的读数，第二次测量时再分别记录2点的读数，将2点各自的2次差值进行比较，其差值就是2个点在该段时间内的相对沉降差（即不均匀沉降差）。该算法原理如图1所示。

图1 算法原理图示

相对沉降差计算如下：

由此可见，差值的差值算法可有效消除测量基准点不一致产生的误差，从而正确反映测量点的相对沉降差。

2.4 激光发射器及测量仪器支架选择

系统的激光源采用变电站标配的红外测温仪上的激光束，该仪器发出的激光束的激光品质虽较专业激光发射仪略低，但经实测验证，距10 m远处光点直径为2.0 mm时，可以满足本课题的精度需求。此外，该红外测温仪为变电站标准配置之一，无需额外购置，并具有配套的底座及螺母，使用方便、成本低廉。

测量仪器支架采用专业单反相机三脚架，其底座与红外测温仪之间连接紧密，没有轴向可动缝隙，有效保证了测量数据的准确性，操作也极为方便。三脚架可固定为只能水平旋转，确保平台整体移动。三脚架上的水平调节气泡类似水平仪，可确保测量时激光束始终保持水平照射。

测量前，用其他水平尺从各个方向测试三脚架上端底座的位置，将其调至水平。测量过程中，通过观察气泡保持三脚架在水平位置。

确保三脚架及其上端底座均始终保持水平后，再将激光发射仪器安装到三脚架上进行照射测量，可保证每次测量时都保持水平的状态。测量仪器制作安装过程如图2所示。

图2 沉降观测仪器制作安装流程

3 地基沉降实测

测量时，选择较为稳定的过道为基准点，对选定点进行测量。每个区域取2个点进行测量，激光照射在标尺上，并选择激光点中心为基准进行读数。

每个测量点第一次测量时在选定的区域立柱上标定2个基准点，以保证下一次测量时标尺的位置不发生偏移。在同一个区域进行测量时，对测量点来回平移3次，取3次读数的平均值为测量读数以减少方差，从而获得更高的精度。

3.1 测量误差检验

为检验本系统的测量误差，选取某个测量区域由10名值班人员依次进行试验。测量点与测量仪之间的最大距离为11 m。每一次测量内容包括系统组装、水平调试和读取数据，以判断测量结果的误差是否满足要求。按照此步骤，得到测量数据见表1。

由表1可见，10组测量数据的最大误差为2.5 mm，最小误差为1 mm，平均误差为1.8 mm，满足三级精度3.0 mm的要求。

3.2 测量结果分析

从2011年7月起，采用本系统对台州电业局500 kV柏树变电站每月进行1次测量，其中4个区域7-9月份的测量数据见表2，区域1为220 kV正母Ⅰ段TV、区域4为220 kV副母Ⅱ段TV、区域5为35 kVⅡ段母线、区域8为500 kV第1串。

经差值的差值算法计算之后，得出各测量点的地基不均匀沉降差如表3所示。

通过对测量结果的分析比较，发现区域8在7-9月间的不均匀沉降差只有3 mm，而区域4已达到14 mm，这是由两处地基情况不同造成的，区域8为HGIS设备整体地基，较为坚实；而区域4的地基在建站前为鱼塘，后经填土而成，由于填土不均匀造成相对沉降差比其他区域大，说明测量结果符合客观事实。此外，区域4处的不均匀沉降差已接近《柏树500 kV变电站地基沉降测量管理规范（试行）》中界定的Ⅲ级沉降，在日常巡视和沉降测量中应作为重点区域处理。

表1 误差测量表 mm

表2 测量结果表（7-9月） mm

表3 测量结果分析表 mm

4 结语

本文介绍的变电站地基沉降简易观测系统，为变电站地基沉降观测提供了切实可行且成本低廉的新方法，能够有效测量出设备的不均匀沉降差，并且可以随时对所需区域进行测量，改善了目前变电站地基沉降测量时间间隔长、成本高、信息滞后等现状，可确保及时掌握沉降情况，避免因变电站地基沉降而造成计划外停电事故的发生。本系统已应用于浙江省台州电业局500 kV变电站地基沉降监测工作中，并获得2011年浙江省电力公司QC成果一等奖和浙江省质量协会QC成果一等奖。

[1]徐林海．软弱地基变电站沉降问题的分析与处理[J]．浙江电力，2006（5）:35-39.

[2]向海清．如何处理变电站软弱地基的沉降问题[J]．广东科技，2009（18）:173-174.

[3]IKENHARA M E.Measuring land subsidence with global positioning system surveying Sacramento valley.California[C].Hyatt Regency,Sacramento,California:AEG.GRA 1995 Annual Meeting.1995.

[4]刘毅．地面沉降研究的新进展与面临的新问题[J]．地学前缘，2001（2）:273-277.

[5]席永慧，陈建峰．土力学与基础工程[M]．上海：同济大学出版社，2006．

[6]JGJ8-2007建筑变形测量规范[S]．北京：中国建设工业出版社，2007．