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分布式光纤传感技术应用变电站地基沉降监测解决方案

为了解决某些建设在地势低洼地区变电站的地基沉降问题,利用分布式光纤传感技术,提出了一种变电站地基沉降监测方案。在先容分布式光纤传感技术的基础上,研究了抗干扰能力强的应力光缆作为感应元件。分别先容了地表变形监测光缆、深部变形监测光缆、基桩沉降监测光缆和连接光缆的布设方式。最后以两种类型的变电站作为试点应用对象,对监测结果分析表明,由监测定位图中的波峰和波谷位置可以判断光缆松弛程度,进而确定应变方向和幅值,提出的监测方案可以很好地满足变电站地基沉降监测的需要。可以为变电站地基沉降防治技术的进步提供参考和辅助。

变电站是电力网络的重要枢纽。随着经济社会的快速发展,土地资源日益紧缺,为保证高集中性电力负荷区域的正常供电,变电站有时被迫需要建设在某些特殊地质的地区。广东省珠江三角洲地区地质地基含水量高,软土层深厚,因城市发展变迁,某些软土层和河道冲积土壤层上兴建的变电站,存在地基沉降的问题。南方亚热带多雨气候加强了变电站的地质冲刷渗透,还容易导致地面建筑发生开裂倾倒等次生灾害,对变电站设备运行造成了潜在威胁。

要预防和治理变电站地基沉降问题,在落实各地变电站选址、建设施工和监理的同时,还需要重视变电站沉降问题的监测、预警和治理。目前变电站地质沉降监测手段主要有人工巡检、视频监控、地质位移监测等,存在实时性较差,无法及时发现和消除隐患,或者精度不足,现象特征不明显时较难判断等缺陷。近年来,分布式光纤传感技术由于其技术经济性好、监测距离远、可测量广域空间位置上的信号等优势,而得到推广应用。分布式光纤传感器技术基于光纤中的瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等效应。基于瑞利散射的光时域反射测量传感距离和精度有限,基于拉曼散射的技术返回信号较弱,因此,这几年国内对基于布里渊散射光纤传感技术的研究较多鉴于变电站地基沉降监测的迫切需求,利用分布式光传感技术对变电站地基沉降展开监测的装置系统。该套装置系统可以降低变电站沉降灾害预防难度,掌握地质地基沉降对变电站设备的影响规律,为变电站防治地基沉降提供辅助决策和效果评估手段。

分布式光传感技术由于光纤材料本身的不均匀性,当光在光纤中传播时,会在除原始方向之外的其他方向上传播,这就是光在光纤中传播的散射现象。在各种散射现象中,存在一种布里渊散射,它是进入光纤中传播的光波和光纤内部存在的声波耦合作用的结果,最终导致散射光的频率相较于初始入射光产生了变化,二者之间差值的影响因素包括散射光的散射角度和声波特性等。

国内外的研究发现,光纤中布里渊散射光频率的变化量(频移量)与光纤轴向应变和环境温度呈现线性变化关系,在温度恒定条件下,光纤受到的拉伸应变量可由布里渊频移直接反映。

在设置温度参考的情况下消除温度的影响,就可以得到布里渊频移值与光纤中轴向应变之间单一的线性关系,通过感应元件测量得到在整个光纤中各个位置的频移值,即可推算出相应位置应变量的改变量,进而可以应用在相关的应力测 量 领 域 。 这 就 是 布 里 渊 光 纤 传 感 技 术]。工作过程可以简单描述为:利用窄带激光器产生初始光源,将其分成两路,一路光被调制成光脉冲,放大后沿传感光纤传输,用于产生反向的布里渊散射光信号进行检测;窄带激光器产生的另外一路光被制作成为频移光,并与布里渊散射光进行相干,将相干处理之后的信号输入到计算机进行分析,就可以得到温度或应变测量结果。BOTDA 系统是一个双端输入系统,传感光纤主要传导来自泵浦光和探测光之间布里渊频移携带的能量,如果泵浦光和探测光的频移值与布里渊频移值越接近,则传感光纤传导的能量值越大。在实际测量中,需要按照设定的特定数值逐步调节泵浦光和探测光之间的频率差值,一般采用扫频的方式,最终得到频谱图中各个频率值下面离散的点,进行拟合即可得到反映各位置频移值的完整的布里渊散射谱,最后根据线性关系通过计算转化成温度或应变值。

监测光缆

考虑到变电站基础沉降监测的监测对监测手段的精度要求很高,同时入地布设的监测单元要具有很强的抗干扰能力,而传统光纤较为敏感和脆弱,不能满足要求。为了施工和监测方便,本文研究设计出具有定点功能的应力光缆。该光缆具有分段标识功能,实际安装中,工作人员只需针对固定长度,通过特制卡具,将光缆与监测对象的主要节点依据现场房屋开裂情况进行连续布置,即可实现光缆与监测对象的充分耦合。通过分段固定光缆,可以实现监测区段的有效测量,为应变点定位和数据分析,尤其是变形量换算等提供方便。同时此种光缆可根据工程情况加入加强筋,保证光纤韧性,因此具有良好的机械性能和抗拉抗压性能,便于特殊条件施工,能抵御各种恶劣工况环境。

光缆布设方案

应力光缆作为传感单元具有无源、抗腐蚀、抗老化、抗辐射等优点,可塑性强,适合野外复杂地形地貌的部署,同时本文布设方案中采用的光缆既是传感光缆又是传输光缆,方便实现监测区及变电站机房内的监控主机的连接。根据现场安装调试情况,BOTDA 监测仪采用 0.5 m 的空间采样间隔,为了很好的识别出地表变形监测、深部变形监测和基桩沉降监测得出的微小变形结果,在施工中测量方式变化时都预留出至少2 m 的光缆,完成空间分辨率的识别及温度的校准。具体的光缆布设方案包括地表变形监测光缆布设、深部变形监测光缆布设、基桩沉降监测光缆布设和连接光缆布设。

地表变形监测

光缆布设

地表变形监测光缆可以监测滑坡水平方向变形情况,监测光缆采用 2 m 定点应力光缆铺设。

地表变形监测光缆布设方式

铺设光缆时,先沿设计光缆走向挖宽 17 cm深 10 cm 的沟槽,再将应力光缆铺设在地沟内,将铠装光缆铺设于沟槽内,并处于拉直的状态,在光缆定点处使用角铁和金属夹具将光缆与地层耦合,定点之间穿过 PVC 管保护;用原状土回填并压紧光缆,回填时用 BOTDA 监测仪测量光缆的应变量,以光缆产生小于 500 微应变(微应变:机械尺寸相对于原尺寸改变量的百万分之一)为佳;记录光缆的实际走向及标记,光缆铺设完成后,再将沟槽回填。

深部变形监测光缆布设

为了对缓变型、突发型基础沉降进行早期预警,本布设方案中现场采样深孔内沉降监测的方法,提早测量出变形区变形情况。

深部变形监测光缆布设方式

在布设深部变形监测光缆时,用钻机在选定位置钻一个直径 200 mm 的裸孔;采用重锤及钢管加压的办法将光纤放入 15 m 的孔底;为了增大测量范围,在布设光缆时选择布设 1 条 2 m 定点光缆和 1 条 10 m 定点光缆,并通过 BOTDA监测仪监测光缆的应变情况;之后回填钻孔,回填钻孔时需要计算好只在光缆节点位置填充 20cm 的粘土球,其余位置采用原状土回填,这样确保光缆节点与地层很好的耦合,同时需不断地调节光缆的松紧程度,使光缆产生的应变不大于500 微应变为佳。

基桩沉降监测

光缆布设基桩沉降监测的基本原理是先用钻机钻一个达到基岩的孔,再制作基准装,将监测光缆分别布设于基准装和待监测基桩之间,由于基准桩不产生沉降变化,通过 BOTDA 监测仪器监测光缆的应变变化,可以确定基桩的沉降变化。基准桩的制作方法是首先在距离高压设备 6 m 的安全位置用钻机钻一个到基岩的孔,深度约 19m,再用直径 160 mm 的钢管焊接后放入此处,在钢管内灌入混凝土,钢管距离地表的高度约 3m。基桩沉降监测光缆的布设方式在布设时,将角铁与基准桩的钢管焊接,角铁打孔后用螺丝固定好不锈钢滑轮;用不锈钢钢丝的一端吊上长 0.5 m 的水泥桩重物,另外一端与钢板连接,钢板与监测桩连接;将监测光缆的节点与监测桩的钢板通过金属夹具固定;将监测光缆的另一节点通过金属夹具与基准桩的角铁固定;基准装与监测桩之间的光缆用 PVC 管保护,PVC 管与钢丝之间固定;在BOTDA 监测仪监测的情况下调节拉紧装置,使得光纤产生的应变达到满量程的 1/20 为佳;最后依次固定其余 4 根监测桩与基准桩之间的监测光缆即可。

连接光缆布设

由于 BOTDA 监测仪器放置在机房内,沉降隐患监测区与机房之间有一定距离,故需安装布设监测光缆与监测仪器之间的连接光缆,连接光缆布设方式如图 6 所示。将应力光缆采用水平埋设的方式敷设于变电站内重点监测区域,部分光纤不适合埋入地下,需要在光纤表面熔接跳线,并添加一定的保护措施,一般在外嵌套一层金属软管或铠装金属波纹管均可。

连接光缆布设方式试点应用数据分析

110 kV 变电站基础沉降监测

110 kV 变电站位于工业区周边。110 kV 变电站由于沉降等原因,引起墙体有明显裂痕、裂缝产生,为了监测建筑物墙体变形情况,在建筑物墙体表面采用夹具固定的方式布设监测光缆;为了监测变电站外塔基沉降变形,布设基桩沉降监测光缆。通过BOTDA 采集数据,共有 1 541 个采样点,除监测光缆起始端和监测光缆末端外,将监测定位图分为塔基变形监测段、站内地面变形监测段和墙体变形监测段三个部分。

塔基变形监测段定位图中共有四个波峰,分别与布设的四段光缆相对应,三个波谷位置为预留的余缆,可以作为温度参考光缆。

站内地面变形监测段均处于不同程度的受拉状态,地表变形会引起此两段光缆的受拉程度发生改变,布里渊频移值产生会相应变化,通过其与应变的线性关系可以判断地表变形的方向和量值。

墙体变形监测段由张紧光缆段和松弛光缆段组成,张紧光缆为监测墙面变形的两端固定的光缆,数据体现为监测定位图中的局部峰值位置,松弛光缆为两固定光缆中间的连接光缆,可以作为温度参考光缆。墙面产生裂缝后光缆的松紧程度会变化,进而导致布里渊频移值变化从而推断出应变程度,由此可以判断墙面是否产生裂缝。

堤岸 220 k V 变电站基础沉降监测

供电局 220 kV 堤岸站位于铝材厂东南侧。站区地貌为山地及已平整土地。站址除东北角少量地段为地势起伏较大的丘陵外,其他地段为地形较平缓的丘间洼地,站内场地第四系覆盖层多为冲积、淤积成因,以粘性土、淤泥质土及砂为主,下伏基岩为白垩统砂岩。站区西南部所在位置原为鱼塘,建站时已被回填整平,目前该区域 220 kV 母线支柱的沉降较为严重,两根落差多有 10 cm 左右,20~30 m地面沉降显著,边缘围墙因沉降破损,围墙棱缘水平线上呈现波浪状。变电站外围边坡高度7~9 m,目前因边坡基础不稳固,没有修排水沟,植入的 PVC 排水管已出现明显变形与破损。为了在变电站内采用分布式无源光传感技术监测变电站地质基础沉降灾害,实现变电站地质基础沉降灾害在线监测,通过 BOTDA 采集数据,共有 2 031 个采样点。除监测光缆起始端和监测光缆末端外,将监测定位图分为基桩变形监测段、深部变形监测段和地表变形监测段三个部分。基桩沉降监测段共设置有 5 个基桩,它们的监测数据特征相同,为两个波峰中夹一个波谷,波谷位置为监测桩基顶部预留的余缆,可以作为温度参考光缆。

深部变形监测段的波峰位置为地面以上光缆的悬挂点,该悬挂点待回填土完成自然沉降后放松,此段的光缆均处于不同程度的受拉状态,深部沉降会引起受拉程度逐渐降低。

地表变形监测段的波谷位置为靠近围墙的松弛段,松弛段两侧为两条沟槽内的监测光缆,此两段的光缆均处于不同程度的受拉状态,地表变形会引起此两段光缆的受拉程度发生改变,由此可以判断地表变形的方向和量值。

提出了一种利用分布式光纤传感技术,利用布里渊散射光的频率值与应力变化的线性关系,对变电站的基础沉降进行监测。为了提升光纤的抗干扰能力并满足精度要求,设计了一种具有分段标识功能的应力光缆作为感应元件。分别先容了地表变形监测光缆、深部变形监测光缆、基桩沉降监测光缆和连接光缆四种光缆的布设方式,并通过在两种变电站环境下的试点应用结果,验证了分布式光纤传感技术在变电站基础沉降监测中具有良好的效果,为提升变电站基础沉降故障监测能力提供了新的方案。

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光纤联系

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