分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用變電站地基沉降監(jiān)測解決方案

為了解決某些建設(shè)在地勢低洼地區(qū)變電站的地基沉降問題，利用分布式光纖傳感技術(shù)，提出了一種變電站地基沉降監(jiān)測方案。在介紹分布式光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了抗干擾能力強的應(yīng)力光纜作為感應(yīng)元件。分別介紹了地表變形監(jiān)測光纜、深部變形監(jiān)測光纜、基樁沉降監(jiān)測光纜和連接光纜的布設(shè)方式。最后以兩種類型的變電站作為試點應(yīng)用對象，對監(jiān)測結(jié)果分析表明，由監(jiān)測定位圖中的波峰和波谷位置可以判斷光纜松弛程度，進(jìn)而確定應(yīng)變方向和幅值，提出的監(jiān)測方案可以很好地滿足變電站地基沉降監(jiān)測的需要?？梢詾樽冸娬镜鼗两捣乐渭夹g(shù)的進(jìn)步提供參考和輔助。

變電站是電力網(wǎng)絡(luò)的重要樞紐。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，土地資源日益緊缺，為保證高集中性電力負(fù)荷區(qū)域的正常供電，變電站有時被迫需要建設(shè)在某些特殊地質(zhì)的地區(qū)。廣東省珠江三角洲地區(qū)地質(zhì)地基含水量高，軟土層深厚，因城市發(fā)展變遷，某些軟土層和河道沖積土壤層上興建的變電站，存在地基沉降的問題。南方亞熱帶多雨氣候加強了變電站的地質(zhì)沖刷滲透，還容易導(dǎo)致地面建筑發(fā)生開裂傾倒等次生災(zāi)害，對變電站設(shè)備運行造成了潛在威脅。

要預(yù)防和治理變電站地基沉降問題，在落實各地變電站選址、建設(shè)施工和監(jiān)理的同時，還需要重視變電站沉降問題的監(jiān)測、預(yù)警和治理。目前變電站地質(zhì)沉降監(jiān)測手段主要有人工巡檢、視頻監(jiān)控、地質(zhì)位移監(jiān)測等，存在實時性較差，無法及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，或者精度不足，現(xiàn)象特征不明顯時較難判斷等缺陷。近年來，分布式光纖傳感技術(shù)由于其技術(shù)經(jīng)濟性好、監(jiān)測距離遠(yuǎn)、可測量廣域空間位置上的信號等優(yōu)勢，而得到推廣應(yīng)用。分布式光纖傳感器技術(shù)基于光纖中的瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射等效應(yīng)?；谌鹄⑸涞墓鈺r域反射測量傳感距離和精度有限，基于拉曼散射的技術(shù)返回信號較弱，因此，這幾年國內(nèi)對基于布里淵散射光纖傳感技術(shù)的研究較多鑒于變電站地基沉降監(jiān)測的迫切需求，利用分布式光傳感技術(shù)對變電站地基沉降展開監(jiān)測的裝置系統(tǒng)。該套裝置系統(tǒng)可以降低變電站沉降災(zāi)害預(yù)防難度，掌握地質(zhì)地基沉降對變電站設(shè)備的影響規(guī)律，為變電站防治地基沉降提供輔助決策和效果評估手段。

分布式光傳感技術(shù)由于光纖材料本身的不均勻性，當(dāng)光在光纖中傳播時，會在除原始方向之外的其他方向上傳播，這就是光在光纖中傳播的散射現(xiàn)象。在各種散射現(xiàn)象中，存在一種布里淵散射，它是進(jìn)入光纖中傳播的光波和光纖內(nèi)部存在的聲波耦合作用的結(jié)果，最終導(dǎo)致散射光的頻率相較于初始入射光產(chǎn)生了變化，二者之間差值的影響因素包括散射光的散射角度和聲波特性等。

國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，光纖中布里淵散射光頻率的變化量（頻移量）與光纖軸向應(yīng)變和環(huán)境溫度呈現(xiàn)線性變化關(guān)系，在溫度恒定條件下，光纖受到的拉伸應(yīng)變量可由布里淵頻移直接反映。

在設(shè)置溫度參考的情況下消除溫度的影響，就可以得到布里淵頻移值與光纖中軸向應(yīng)變之間單一的線性關(guān)系，通過感應(yīng)元件測量得到在整個光纖中各個位置的頻移值，即可推算出相應(yīng)位置應(yīng)變量的改變量，進(jìn)而可以應(yīng)用在相關(guān)的應(yīng)力測 量 領(lǐng) 域 。 這 就 是 布 里 淵 光 纖 傳 感 技 術(shù)］。工作過程可以簡單描述為：利用窄帶激光器產(chǎn)生初始光源，將其分成兩路，一路光被調(diào)制成光脈沖，放大后沿傳感光纖傳輸，用于產(chǎn)生反向的布里淵散射光信號進(jìn)行檢測；窄帶激光器產(chǎn)生的另外一路光被制作成為頻移光，并與布里淵散射光進(jìn)行相干，將相干處理之后的信號輸入到計算機進(jìn)行分析，就可以得到溫度或應(yīng)變測量結(jié)果。BOTDA 系統(tǒng)是一個雙端輸入系統(tǒng)，傳感光纖主要傳導(dǎo)來自泵浦光和探測光之間布里淵頻移攜帶的能量，如果泵浦光和探測光的頻移值與布里淵頻移值越接近，則傳感光纖傳導(dǎo)的能量值越大。在實際測量中，需要按照設(shè)定的特定數(shù)值逐步調(diào)節(jié)泵浦光和探測光之間的頻率差值，一般采用掃頻的方式，最終得到頻譜圖中各個頻率值下面離散的點，進(jìn)行擬合即可得到反映各位置頻移值的完整的布里淵散射譜，最后根據(jù)線性關(guān)系通過計算轉(zhuǎn)化成溫度或應(yīng)變值。

監(jiān)測光纜

考慮到變電站基礎(chǔ)沉降監(jiān)測的監(jiān)測對監(jiān)測手段的精度要求很高，同時入地布設(shè)的監(jiān)測單元要具有很強的抗干擾能力，而傳統(tǒng)光纖較為敏感和脆弱，不能滿足要求。為了施工和監(jiān)測方便，本文研究設(shè)計出具有定點功能的應(yīng)力光纜。該光纜具有分段標(biāo)識功能，實際安裝中，工作人員只需針對固定長度，通過特制卡具，將光纜與監(jiān)測對象的主要節(jié)點依據(jù)現(xiàn)場房屋開裂情況進(jìn)行連續(xù)布置，即可實現(xiàn)光纜與監(jiān)測對象的充分耦合。通過分段固定光纜，可以實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)段的有效測量，為應(yīng)變點定位和數(shù)據(jù)分析，尤其是變形量換算等提供方便。同時此種光纜可根據(jù)工程情況加入加強筋，保證光纖韌性，因此具有良好的機械性能和抗拉抗壓性能，便于特殊條件施工，能抵御各種惡劣工況環(huán)境。

光纜布設(shè)方案

應(yīng)力光纜作為傳感單元具有無源、抗腐蝕、抗老化、抗輻射等優(yōu)點，可塑性強，適合野外復(fù)雜地形地貌的部署，同時本文布設(shè)方案中采用的光纜既是傳感光纜又是傳輸光纜，方便實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)及變電站機房內(nèi)的監(jiān)控主機的連接。根據(jù)現(xiàn)場安裝調(diào)試情況，BOTDA 監(jiān)測儀采用 0.5 m 的空間采樣間隔，為了很好的識別出地表變形監(jiān)測、深部變形監(jiān)測和基樁沉降監(jiān)測得出的微小變形結(jié)果，在施工中測量方式變化時都預(yù)留出至少2 m 的光纜，完成空間分辨率的識別及溫度的校準(zhǔn)。具體的光纜布設(shè)方案包括地表變形監(jiān)測光纜布設(shè)、深部變形監(jiān)測光纜布設(shè)、基樁沉降監(jiān)測光纜布設(shè)和連接光纜布設(shè)。

地表變形監(jiān)測

光纜布設(shè)

地表變形監(jiān)測光纜可以監(jiān)測滑坡水平方向變形情況，監(jiān)測光纜采用 2 m 定點應(yīng)力光纜鋪設(shè)。

地表變形監(jiān)測光纜布設(shè)方式

鋪設(shè)光纜時，先沿設(shè)計光纜走向挖寬 17 cm深 10 cm 的溝槽，再將應(yīng)力光纜鋪設(shè)在地溝內(nèi)，將鎧裝光纜鋪設(shè)于溝槽內(nèi)，并處于拉直的狀態(tài)，在光纜定點處使用角鐵和金屬夾具將光纜與地層耦合，定點之間穿過 PVC 管保護；用原狀土回填并壓緊光纜，回填時用 BOTDA 監(jiān)測儀測量光纜的應(yīng)變量，以光纜產(chǎn)生小于 500 微應(yīng)變（微應(yīng)變：機械尺寸相對于原尺寸改變量的百萬分之一）為佳；記錄光纜的實際走向及標(biāo)記，光纜鋪設(shè)完成后，再將溝槽回填。

深部變形監(jiān)測光纜布設(shè)

為了對緩變型、突發(fā)型基礎(chǔ)沉降進(jìn)行早期預(yù)警，本布設(shè)方案中現(xiàn)場采樣深孔內(nèi)沉降監(jiān)測的方法，提早測量出變形區(qū)變形情況。

深部變形監(jiān)測光纜布設(shè)方式

在布設(shè)深部變形監(jiān)測光纜時，用鉆機在選定位置鉆一個直徑 200 mm 的裸孔；采用重錘及鋼管加壓的辦法將光纖放入 15 m 的孔底；為了增大測量范圍，在布設(shè)光纜時選擇布設(shè) 1 條 2 m 定點光纜和 1 條 10 m 定點光纜，并通過 BOTDA監(jiān)測儀監(jiān)測光纜的應(yīng)變情況；之后回填鉆孔，回填鉆孔時需要計算好只在光纜節(jié)點位置填充 20cm 的粘土球，其余位置采用原狀土回填，這樣確保光纜節(jié)點與地層很好的耦合，同時需不斷地調(diào)節(jié)光纜的松緊程度，使光纜產(chǎn)生的應(yīng)變不大于500 微應(yīng)變?yōu)榧选?/p>

基樁沉降監(jiān)測

光纜布設(shè)基樁沉降監(jiān)測的基本原理是先用鉆機鉆一個達(dá)到基巖的孔，再制作基準(zhǔn)裝，將監(jiān)測光纜分別布設(shè)于基準(zhǔn)裝和待監(jiān)測基樁之間，由于基準(zhǔn)樁不產(chǎn)生沉降變化，通過 BOTDA 監(jiān)測儀器監(jiān)測光纜的應(yīng)變變化，可以確定基樁的沉降變化?；鶞?zhǔn)樁的制作方法是首先在距離高壓設(shè)備 6 m 的安全位置用鉆機鉆一個到基巖的孔，深度約 19m，再用直徑 160 mm 的鋼管焊接后放入此處，在鋼管內(nèi)灌入混凝土，鋼管距離地表的高度約 3m。基樁沉降監(jiān)測光纜的布設(shè)方式在布設(shè)時，將角鐵與基準(zhǔn)樁的鋼管焊接，角鐵打孔后用螺絲固定好不銹鋼滑輪；用不銹鋼鋼絲的一端吊上長 0.5 m 的水泥樁重物，另外一端與鋼板連接，鋼板與監(jiān)測樁連接；將監(jiān)測光纜的節(jié)點與監(jiān)測樁的鋼板通過金屬夾具固定；將監(jiān)測光纜的另一節(jié)點通過金屬夾具與基準(zhǔn)樁的角鐵固定；基準(zhǔn)裝與監(jiān)測樁之間的光纜用 PVC 管保護，PVC 管與鋼絲之間固定；在BOTDA 監(jiān)測儀監(jiān)測的情況下調(diào)節(jié)拉緊裝置，使得光纖產(chǎn)生的應(yīng)變達(dá)到滿量程的 1/20 為佳；最后依次固定其余 4 根監(jiān)測樁與基準(zhǔn)樁之間的監(jiān)測光纜即可。

連接光纜布設(shè)

由于 BOTDA 監(jiān)測儀器放置在機房內(nèi)，沉降隱患監(jiān)測區(qū)與機房之間有一定距離，故需安裝布設(shè)監(jiān)測光纜與監(jiān)測儀器之間的連接光纜，連接光纜布設(shè)方式如圖 6 所示。將應(yīng)力光纜采用水平埋設(shè)的方式敷設(shè)于變電站內(nèi)重點監(jiān)測區(qū)域，部分光纖不適合埋入地下，需要在光纖表面熔接跳線，并添加一定的保護措施，一般在外嵌套一層金屬軟管或鎧裝金屬波紋管均可。

連接光纜布設(shè)方式試點應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

110 kV 變電站基礎(chǔ)沉降監(jiān)測

110 kV 變電站位于工業(yè)區(qū)周邊。110 kV 變電站由于沉降等原因，引起墻體有明顯裂痕、裂縫產(chǎn)生，為了監(jiān)測建筑物墻體變形情況，在建筑物墻體表面采用夾具固定的方式布設(shè)監(jiān)測光纜；為了監(jiān)測變電站外塔基沉降變形，布設(shè)基樁沉降監(jiān)測光纜。通過BOTDA 采集數(shù)據(jù)，共有 1 541 個采樣點，除監(jiān)測光纜起始端和監(jiān)測光纜末端外，將監(jiān)測定位圖分為塔基變形監(jiān)測段、站內(nèi)地面變形監(jiān)測段和墻體變形監(jiān)測段三個部分。

塔基變形監(jiān)測段定位圖中共有四個波峰，分別與布設(shè)的四段光纜相對應(yīng)，三個波谷位置為預(yù)留的余纜，可以作為溫度參考光纜。

站內(nèi)地面變形監(jiān)測段均處于不同程度的受拉狀態(tài)，地表變形會引起此兩段光纜的受拉程度發(fā)生改變，布里淵頻移值產(chǎn)生會相應(yīng)變化，通過其與應(yīng)變的線性關(guān)系可以判斷地表變形的方向和量值。

墻體變形監(jiān)測段由張緊光纜段和松弛光纜段組成，張緊光纜為監(jiān)測墻面變形的兩端固定的光纜，數(shù)據(jù)體現(xiàn)為監(jiān)測定位圖中的局部峰值位置，松弛光纜為兩固定光纜中間的連接光纜，可以作為溫度參考光纜。墻面產(chǎn)生裂縫后光纜的松緊程度會變化，進(jìn)而導(dǎo)致布里淵頻移值變化從而推斷出應(yīng)變程度，由此可以判斷墻面是否產(chǎn)生裂縫。

堤岸 220 k V 變電站基礎(chǔ)沉降監(jiān)測

供電局 220 kV 堤岸站位于鋁材廠東南側(cè)。站區(qū)地貌為山地及已平整土地。站址除東北角少量地段為地勢起伏較大的丘陵外，其他地段為地形較平緩的丘間洼地，站內(nèi)場地第四系覆蓋層多為沖積、淤積成因，以粘性土、淤泥質(zhì)土及砂為主，下伏基巖為白堊統(tǒng)砂巖。站區(qū)西南部所在位置原為魚塘，建站時已被回填整平，目前該區(qū)域 220 kV 母線支柱的沉降較為嚴(yán)重，兩根落差多有 10 cm 左右，20～30 m地面沉降顯著，邊緣圍墻因沉降破損，圍墻棱緣水平線上呈現(xiàn)波浪狀。變電站外圍邊坡高度7～9 m，目前因邊坡基礎(chǔ)不穩(wěn)固，沒有修排水溝，植入的 PVC 排水管已出現(xiàn)明顯變形與破損。為了在變電站內(nèi)采用分布式無源光傳感技術(shù)監(jiān)測變電站地質(zhì)基礎(chǔ)沉降災(zāi)害，實現(xiàn)變電站地質(zhì)基礎(chǔ)沉降災(zāi)害在線監(jiān)測，通過 BOTDA 采集數(shù)據(jù)，共有 2 031 個采樣點。除監(jiān)測光纜起始端和監(jiān)測光纜末端外，將監(jiān)測定位圖分為基樁變形監(jiān)測段、深部變形監(jiān)測段和地表變形監(jiān)測段三個部分。基樁沉降監(jiān)測段共設(shè)置有 5 個基樁，它們的監(jiān)測數(shù)據(jù)特征相同，為兩個波峰中夾一個波谷，波谷位置為監(jiān)測樁基頂部預(yù)留的余纜，可以作為溫度參考光纜。

深部變形監(jiān)測段的波峰位置為地面以上光纜的懸掛點，該懸掛點待回填土完成自然沉降后放松，此段的光纜均處于不同程度的受拉狀態(tài)，深部沉降會引起受拉程度逐漸降低。

地表變形監(jiān)測段的波谷位置為靠近圍墻的松弛段，松弛段兩側(cè)為兩條溝槽內(nèi)的監(jiān)測光纜，此兩段的光纜均處于不同程度的受拉狀態(tài)，地表變形會引起此兩段光纜的受拉程度發(fā)生改變，由此可以判斷地表變形的方向和量值。

提出了一種利用分布式光纖傳感技術(shù)，利用布里淵散射光的頻率值與應(yīng)力變化的線性關(guān)系，對變電站的基礎(chǔ)沉降進(jìn)行監(jiān)測。為了提升光纖的抗干擾能力并滿足精度要求，設(shè)計了一種具有分段標(biāo)識功能的應(yīng)力光纜作為感應(yīng)元件。分別介紹了地表變形監(jiān)測光纜、深部變形監(jiān)測光纜、基樁沉降監(jiān)測光纜和連接光纜四種光纜的布設(shè)方式，并通過在兩種變電站環(huán)境下的試點應(yīng)用結(jié)果，驗證了分布式光纖傳感技術(shù)在變電站基礎(chǔ)沉降監(jiān)測中具有良好的效果，為提升變電站基礎(chǔ)沉降故障監(jiān)測能力提供了新的方案。