分布式光纖傳感技術應用變電站地基沉降監測解決方案

為了解決某些建設在地勢低洼地區變電站的地基沉降問題，利用分布式光纖傳感技術，提出了一種變電站地基沉降監測方案。在介紹分布式光纖傳感技術的基礎上，研究了抗干擾能力強的應力光纜作為感應元件。分別介紹了地表變形監測光纜、深部變形監測光纜、基樁沉降監測光纜和連接光纜的布設方式。最后以兩種類型的變電站作為試點應用對象，對監測結果分析表明，由監測定位圖中的波峰和波谷位置可以判斷光纜松弛程度，進而確定應變方向和幅值，提出的監測方案可以很好地滿足變電站地基沉降監測的需要。可以為變電站地基沉降防治技術的進步提供參考和輔助。

變電站是電力網絡的重要樞紐。隨著經濟社會的快速發展，土地資源日益緊缺，為保證高集中性電力負荷區域的正常供電，變電站有時被迫需要建設在某些特殊地質的地區。廣東省珠江三角洲地區地質地基含水量高，軟土層深厚，因城市發展變遷，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沖刷滲透，還容易導致地面建筑發生開裂傾倒等次生災害，對變電站設備運行造成了潛在威脅。

要預防和治理變電站地基沉降問題，在落實各地變電站選址、建設施工和監理的同時，還需要重視變電站沉降問題的監測、預警和治理。目前變電站地質沉降監測手段主要有人工巡檢、視頻監控、地質位移監測等，存在實時性較差，無法及時發現和消除隱患，或者精度不足，現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由于其技術經濟性好、監測距離遠、可測量廣域空間位置上的信號等優勢，而得到推廣應用。分布式光纖傳感器技術基于光纖中的瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射等效應?；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返回信號較弱，因此，這幾年國內對基于布里淵散射光纖傳感技術的研究較多鑒于變電站地基沉降監測的迫切需求，利用分布式光傳感技術對變電站地基沉降展開監測的裝置系統。該套裝置系統可以降低變電站沉降災害預防難度，掌握地質地基沉降對變電站設備的影響規律，為變電站防治地基沉降提供輔助決策和效果評估手段。

分布式光傳感技術由于光纖材料本身的不均勻性，當光在光纖中傳播時，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象。在各種散射現象中，存在一種布里淵散射，它是進入光纖中傳播的光波和光纖內部存在的聲波耦合作用的結果，最終導致散射光的頻率相較于初始入射光產生了變化，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。

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

在設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變之間單一的線性關系，通過感應元件測量得到在整個光纖中各個位置的頻移值，即可推算出相應位置應變量的改變量，進而可以應用在相關的應力測 量 領 域 。 這 就 是 布 里 淵 光 纖 傳 感 技 術］。工作過程可以簡單描述為：利用窄帶激光器產生初始光源，將其分成兩路，一路光被調制成光脈沖，放大后沿傳感光纖傳輸，用于產生反向的布里淵散射光信號進行檢測；窄帶激光器產生的另外一路光被制作成為頻移光，并與布里淵散射光進行相干，將相干處理之后的信號輸入到計算機進行分析，就可以得到溫度或應變測量結果。BOTDA 系統是一個雙端輸入系統，傳感光纖主要傳導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，則傳感光纖傳導的能量值越大。在實際測量中，需要按照設定的特定數值逐步調節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，最后根據線性關系通過計算轉化成溫度或應變值。

監測光纜

考慮到變電站基礎沉降監測的監測對監測手段的精度要求很高，同時入地布設的監測單元要具有很強的抗干擾能力，而傳統光纖較為敏感和脆弱，不能滿足要求。為了施工和監測方便，本文研究設計出具有定點功能的應力光纜。該光纜具有分段標識功能，實際安裝中，工作人員只需針對固定長度，通過特制卡具，將光纜與監測對象的主要節點依據現場房屋開裂情況進行連續布置，即可實現光纜與監測對象的充分耦合。通過分段固定光纜，可以實現監測區段的有效測量，為應變點定位和數據分析，尤其是變形量換算等提供方便。同時此種光纜可根據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境。

光纜布設方案

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

地表變形監測

光纜布設

地表變形監測光纜可以監測滑坡水平方向變形情況，監測光纜采用 2 m 定點應力光纜鋪設。

地表變形監測光纜布設方式

鋪設光纜時，先沿設計光纜走向挖寬 17 cm深 10 cm 的溝槽，再將應力光纜鋪設在地溝內，將鎧裝光纜鋪設于溝槽內，并處于拉直的狀態，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 監測儀測量光纜的應變量，以光纜產生小于 500 微應變（微應變：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記，光纜鋪設完成后，再將溝槽回填。

深部變形監測光纜布設

為了對緩變型、突發型基礎沉降進行早期預警，本布設方案中現場采樣深孔內沉降監測的方法，提早測量出變形區變形情況。

深部變形監測光纜布設方式

在布設深部變形監測光纜時，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，在布設光纜時選擇布設 1 條 2 m 定點光纜和 1 條 10 m 定點光纜，并通過 BOTDA監測儀監測光纜的應變情況；之后回填鉆孔，回填鉆孔時需要計算好只在光纜節點位置填充 20cm 的粘土球，其余位置采用原狀土回填，這樣確保光纜節點與地層很好的耦合，同時需不斷地調節光纜的松緊程度，使光纜產生的應變不大于500 微應變為佳。

基樁沉降監測

光纜布設基樁沉降監測的基本原理是先用鉆機鉆一個達到基巖的孔，再制作基準裝，將監測光纜分別布設于基準裝和待監測基樁之間，由于基準樁不產生沉降變化，通過 BOTDA 監測儀器監測光纜的應變變化，可以確定基樁的沉降變化?；鶞蕵兜闹谱鞣椒ㄊ鞘紫仍诰嚯x高壓設備 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，在鋼管內灌入混凝土，鋼管距離地表的高度約 3m。基樁沉降監測光纜的布設方式在布設時，將角鐵與基準樁的鋼管焊接，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，鋼板與監測樁連接；將監測光纜的節點與監測樁的鋼板通過金屬夾具固定；將監測光纜的另一節點通過金屬夾具與基準樁的角鐵固定；基準裝與監測樁之間的光纜用 PVC 管保護，PVC 管與鋼絲之間固定；在BOTDA 監測儀監測的情況下調節拉緊裝置，使得光纖產生的應變達到滿量程的 1/20 為佳；最后依次固定其余 4 根監測樁與基準樁之間的監測光纜即可。

連接光纜布設

由于 BOTDA 監測儀器放置在機房內，沉降隱患監測區與機房之間有一定距離，故需安裝布設監測光纜與監測儀器之間的連接光纜，連接光纜布設方式如圖 6 所示。將應力光纜采用水平埋設的方式敷設于變電站內重點監測區域，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。

連接光纜布設方式試點應用數據分析

110 kV 變電站基礎沉降監測

110 kV 變電站位于工業區周邊。110 kV 變電站由于沉降等原因，引起墻體有明顯裂痕、裂縫產生，為了監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監測光纜；為了監測變電站外塔基沉降變形，布設基樁沉降監測光纜。通過BOTDA 采集數據，共有 1 541 個采樣點，除監測光纜起始端和監測光纜末端外，將監測定位圖分為塔基變形監測段、站內地面變形監測段和墻體變形監測段三個部分。

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

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

墻體變形監測段由張緊光纜段和松弛光纜段組成，張緊光纜為監測墻面變形的兩端固定的光纜，數據體現為監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。墻面產生裂縫后光纜的松緊程度會變化，進而導致布里淵頻移值變化從而推斷出應變程度，由此可以判斷墻面是否產生裂縫。

堤岸 220 k V 變電站基礎沉降監測

供電局 220 kV 堤岸站位于鋁材廠東南側。站區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，站內場地第四系覆蓋層多為沖積、淤積成因，以粘性土、淤泥質土及砂為主，下伏基巖為白堊統砂巖。站區西南部所在位置原為魚塘，建站時已被回填整平，目前該區域 220 kV 母線支柱的沉降較為嚴重，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波浪狀。變電站外圍邊坡高度7～9 m，目前因邊坡基礎不穩固，沒有修排水溝，植入的 PVC 排水管已出現明顯變形與破損。為了在變電站內采用分布式無源光傳感技術監測變電站地質基礎沉降災害，實現變電站地質基礎沉降災害在線監測，通過 BOTDA 采集數據，共有 2 031 個采樣點。除監測光纜起始端和監測光纜末端外，將監測定位圖分為基樁變形監測段、深部變形監測段和地表變形監測段三個部分。基樁沉降監測段共設置有 5 個基樁，它們的監測數據特征相同，為兩個波峰中夾一個波谷，波谷位置為監測樁基頂部預留的余纜，可以作為溫度參考光纜。

深部變形監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，深部沉降會引起受拉程度逐漸降低。

地表變形監測段的波谷位置為靠近圍墻的松弛段，松弛段兩側為兩條溝槽內的監測光纜，此兩段的光纜均處于不同程度的受拉狀態，地表變形會引起此兩段光纜的受拉程度發生改變，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，利用布里淵散射光的頻率值與應力變化的線性關系，對變電站的基礎沉降進行監測。為了提升光纖的抗干擾能力并滿足精度要求，設計了一種具有分段標識功能的應力光纜作為感應元件。分別介紹了地表變形監測光纜、深部變形監測光纜、基樁沉降監測光纜和連接光纜四種光纜的布設方式，并通過在兩種變電站環境下的試點應用結果，驗證了分布式光纖傳感技術在變電站基礎沉降監測中具有良好的效果，為提升變電站基礎沉降故障監測能力提供了新的方案。