降雨条件下斜坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法

1.本发明涉及降雨条件下边坡输电塔基础的安全评估技术领域，具体涉及一种降雨条件下斜坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法。


背景技术：

2.输电杆塔作为电力输送设施的重要组成部分，其安全性直接关系到供电的可靠性，在我国降雨频发的山区建设有大量的输电杆塔。降雨是诱发山地滑坡的重要因素，降雨诱发的山地滑坡至今已造成输电杆塔等众多基础设施的破坏，如何对降雨诱发的滑坡进行预警及合理评估其对各类基础设施的影响一直是滑坡研究领域的热点问题。如何有效评估降雨条件诱发的滑坡对输电塔稳定性的影响对保证电网正常运行具有重要意义。
3.目前，国内外许多学者在研究降雨型诱导滑坡时，统筹考虑了边坡地形地貌、降雨信息、卫星定位等信息进而提出相应的滑坡预警方法。有研究人员采用降雨预报信息，通过韦布尔分布建立的统计模型得到降雨引发的岩土滑坡概率密度，基于滑坡体导致杆塔变形的理论模型，得到作用于输电杆塔的等效冲击力和输电杆塔顶端的挠度，将滑坡概率密度与滑坡导致输电塔变形的概率密度相乘得出输电线路损毁概率。有研究人员融合了北斗卫星定位、数值天气预报、杆塔结构参数等信息，分别构建滑坡体位移和滑坡体冲击的导致损毁概率模型，对影响因子进行量化。有研究人员提出一种输电塔基础稳定性实时监测设备来保证输电线路的安全运行，这些监测设备一般要求一个月两次的常规巡检，因此极大地增加了监测与巡查所需的工作量，此外，监测设备也存在铺设线路成本和维护成本高等问题。有研究人员提出建立输电塔-线-基础耦合体系的有限元模型，但这种方法具有建模复杂和计算效率低等问题，也因此并不适用于大面积的推广。


技术实现要素：

4.现有研究通过理论模型、现场监测、详细的数值模型等方法来分析输电线路抵抗滑坡灾害的能力，但往往存在预测精度不足、经济成本较高、计算效率难以提升等缺点。本发明在获取降雨信息、边坡及输电塔参数的情况下，综合利用这些信息对降雨条件下输电塔基础的抗滑稳定性进行准确和快速的评价。结合现有理论模型与数值分析方法找出一种更加快捷且有效的适用于降雨条件下边坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法，从而可为斜坡上输电塔的正常运营提供有效的参考依据。
5.为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
6.一种降雨条件下斜坡上输电塔基础抗滑稳定性的评价方法，包括如下步骤：
7.步骤1：根据降雨信息和地质勘察资料，基于经验公式和室内试验方法建立降雨时间与边坡岩土体抗剪强度关系式；
8.步骤2：根据某降雨时间对应的岩土体参数和边坡尺寸信息，建立边坡的数值计算模型，开展数值分析以判断边坡的稳定性并获得滑坡体的下滑力；
9.步骤3：对于基础底部支撑在土体上的基础，将整个基础视为winkler弹性地基梁
来处理，基础底端的支撑条件简化为铰支撑，假定基础侧面与土之间关系用一系列独立的弹簧代替，采用m法确定基床系数，得到基础在滑坡体作用下的转角和位移；
10.步骤4：对于嵌岩基础，将基础滑动面以上部分简化为一悬臂梁，滑动面以下基础部分视为winkler弹性地基梁，根据步骤3计算得到基础产生的转角；
11.步骤5：将上述步骤中计算的基础转角和位移与相关规范中(如《架空输电线路运行规程》)规定的限制进行比较，判断输电杆塔基础的抗滑稳定性。
12.进一步的，所述的步骤1具体包括：
13.非饱和土的含水量对抗剪强度的影响主要通过有效黏聚力、内摩擦角和基质吸力来体现，通过经验公式确定抗剪强度参数与含水量之间的关系；
14.非饱和土的抗剪强度公式为
[0015][0016][0017]
式中，τf为非饱和土抗剪强度，单位为pa；c为总黏聚力，单位为pa；σ
′
为有效应力，单位为pa；为土体内摩擦角，单位为
°
；c
′
为有效黏聚力，单位为pa；μs为土体的基质吸力，单位为pa；为随基质吸力变化的内摩擦角，单位为
°
。
[0018]
非饱和土抗剪强度与基质吸力和含水量之间关系拟合曲线表达为
[0019][0020][0021][0022]
式中：c为降雨历时t后土体的粘聚力，pa；w1为降雨历时t后土体含水量；为降雨历时t后土体的内摩擦角；a、b、e、f、g和i为待定系数。
[0023]
假定含水量与入渗强度和降雨持续时间之间的关系如下
[0024]
w1＝ηet+w0[0025]
式中w0为土体初始含水量；η为待定参数，mm-1
；e为降雨入渗强度，mm/s；t为降雨持续时间，s；
[0026]
进一步的，所述的步骤2具体包括：
[0027]
根据实际地质条件建立边坡模型，输入降雨历时t后土体参数，设置边界条件，通过观察塑性区的变化来确定边坡的稳定状态；若塑性区从坡脚贯穿至坡顶平台则说明边坡失稳。
[0028]
滑坡体的下滑力是根据基础上游坡体基础宽度内部每个单元在降雨时间t时的水平加速度与单元质量相乘再求和，即
[0029][0030]
式中：b，l0分别为基础宽度和滑动面以上基础的埋设深度，单位为m；mi和ai分别为影响范围内滑坡体中第i个单元的质量和加速度，单位分别为kg和m/s2；f和q分别为基础所受的冲击力和冲击压力，单位分别为n和n/m2，其中假定冲击压力沿埋深方向呈均匀分布形式。
[0031]
进一步的，所述的步骤3具体包括：
[0032]
水平方向上，桩土之间关系采用winkler地基梁模型来描述，该方法假定基础与土之间采用一系列弹簧代替；基础在受到滑体下滑力f和土体水平抗力p作用下产生挠曲，其挠曲微分方程表示为：
[0033][0034]
式中，w为基础的挠度；e为基础材料的弹性模量；i为基础的截面惯性矩；
[0035]
按winkler假定，地基土作用在基础的抗力p用下式表示：
[0036]
p＝kw
[0037]
式中：k为基床系数，单位为n/m3[0038]
通常假设基础侧水平抗力系数k＝mxn，本发明采用m法求解基础的挠度，m法中k＝mx，按jgj 94-2008《建筑桩基技术规范》推荐对m进行取值
[0039]
则根据m法，挠曲微分方程表示为
[0040][0041]
令则上式表示为a为水平变形系数，单位为m-1
[0042]
利用幂级数积分后得到基础各截面位移和转角的简捷表达式如下：
[0043][0044][0045]
式中：w
x
为基础位移；为基础转角；a
x
、b
x
为基础的位移系数，为基础的转角系数，按jgj 94-2008《建筑桩基技术规范》推荐进行取值；
[0046]
进一步的，所述的步骤4具体包括：
[0047]
考虑基础底部为固定端时，将边界条件代入基于m法得到的挠曲微分方程中，查规范的转角系数
[0048][0049]
式中：为基础转角；为基础的转角系数；l0为滑面以上基础长度，单位为m；
[0050]
进一步的，所述的步骤5具体包括：
[0051]
相关规范包括《架空输电线路运行规程》，根据《架空输电线路运行规程》中规定的输电杆塔倾斜最大允许值，判断输电杆塔的稳定性。
[0052]
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0053]
1)将降雨诱发滑坡输电塔基础的稳定性问题分解为降雨条件下边坡的稳定性问题和滑坡体滑动对输电塔基础的作用效应问题，综合利用了理论分析和数值分析方法的优点，实现了对复杂问题的解耦，具有分析过程简单、分析方法适用性强等特点。
[0054]
2)利用数值方法判断边坡在降雨过程中的稳定状态，实时监控边坡塑性区的发展过程，并可利用简化分析方法计算下滑体对输电塔基础的作用效应，相较于基于输电塔基
础-边坡的整体计算模型具有显著的计算效率。
[0055]
3)传统监测方法中需要开展实时监测和对大量监测数据进行传输和综合分析，也因此带来了较大经济和分析成本，本发明通过经验公式、数值模拟和理论模型相结合的方式，融合了天气预报、杆塔基础参数、边坡土体参数等信息，实现了对降雨条件下边坡上输电塔基础的稳定性进行快捷评价。
附图说明
[0056]
图1为本发明的流程图；
[0057]
图2为基于winkler梁模型基础，将基础底部视为铰接，采用地基系数法的基础受力示意图；
[0058]
图3为基于winkler梁模型基础，将基础底部视为固定约束，采用地基系数法的基础受力示意图；
[0059]
图4是在不同降雨时间下边坡的塑性区变化图；
[0060]
图5是杆塔基础数值计算云图，其中图5a是1#杆塔基础数值方法计算结果水平方向位移云图，图5b是2#杆塔基础数值方法计算结果水平方向位移云图。
具体实施方式
[0061]
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知一种降雨条件下斜坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
[0062]
如图1-3所示，本发明提供一种降雨条件下斜坡上输电塔基础抗滑稳定性的快捷评价方法，包括如下步骤：
[0063]
步骤1：根据降雨信息和地质勘察资料，基于经验公式和室内试验方法建立降雨时间与边坡岩土体抗剪强度关系式；
[0064]
步骤2：根据某降雨时间对应的岩土体参数和边坡尺寸信息，建立边坡的数值计算模型，开展数值分析以判断边坡的稳定性并获得滑坡体的下滑力；
[0065]
步骤3：对于基础底部支撑在土体上的基础，将整个基础视为winkler弹性地基梁来处理，基础底端的支撑条件简化为铰支撑，假定基础侧面与土之间关系用一系列独立的弹簧代替，采用m法确定基床系数，得出基础在滑坡体作用下的转角和位移。
[0066]
步骤4：对于嵌岩基础，将基础滑动面以上部分简化为一悬臂梁，滑动面以下基础部分视为winkler弹性地基梁，根据结步骤3所得到的挠曲微分方程计算得到基础产生的转角。
[0067]
步骤5：将上述步骤中计算的基础转角和位移与相关规范中(如《架空输电线路运行规程》)规定的限制进行比较，判断输电杆塔基础的抗滑稳定性。
[0068]
进一步的，所述的步骤1具体包括：
[0069]
非饱和土的含水量对抗剪强度的影响主要通过有效黏聚力、内摩擦角和基质吸力
来体现，通过经验公式确定抗剪强度参数与含水量之间的关系；
[0070]
非饱和土的抗剪强度公式为
[0071][0072][0073]
式中，τf为非饱和土抗剪强度，单位为pa；c为总黏聚力，单位为pa；σ
′
为有效应力，单位为pa；为土体内摩擦角，单位为
°
；c
′
为有效黏聚力，单位为pa；μs为土体的基质吸力，单位为pa；为随基质吸力变化的内摩擦角，单位为
°
。
[0074]
非饱和土抗剪强度与基质吸力和含水量之间关系拟合曲线表达为
[0075][0076][0077][0078]
式中：c为降雨历时t后土体的粘聚力，pa；w1为降雨历时t后土体含水量；为降雨历时t后土体的内摩擦角；a、b、e、f、g和i为待定系数。
[0079]
假定含水量与入渗强度和降雨持续时间之间的关系如下
[0080]
w1＝ηet+w0[0081]
式中w0为土体初始含水量；η为待定参数，mm-1
；e为降雨入渗强度，mm/s；t为降雨持续时间，s。
[0082]
进一步的，所述的步骤2具体包括：
[0083]
根据实际地质条件建立边坡模型，输入降雨历时t后土体参数，设置边界条件，通过观察塑性区的变化来确定边坡的稳定状态；若塑性区从坡脚贯穿至坡顶平台则说明边坡失稳。
[0084]
滑坡体的下滑力是根据基础上游坡体基础宽度内部每个单元在降雨时间t时的水平加速度与单元质量相乘再求和，即
[0085][0086]
式中：b，l0分别为基础宽度和滑动面以上基础的埋设深度，单位为m；mi和ai分别为影响范围内滑坡体中第i个单元的质量和加速度，单位分别为kg和m/s2；f和q分别为基础所受的冲击力和冲击压力，单位分别为n和n/m2，其中假定冲击压力沿埋深方向呈均匀分布形式。
[0087]
进一步的，所述的步骤3具体包括：
[0088]
水平方向上，桩土之间关系采用winkler地基梁模型来描述，该方法假定基础与土之间采用一系列弹簧代替；基础在受到滑体下滑力f和土体水平抗力p作用下产生挠曲，其挠曲微分方程表示为
[0089][0090]
式中，w为基础的挠度；e为基础材料的弹性模量；i为基础的截面惯性矩；
[0091]
按winkler假定，地基土作用在基础的抗力p用下式表示：
[0092]
p＝kw
[0093]
式中：k为基床系数，单位为n/m3[0094]
通常假设基础侧水平抗力系数k＝mxn，本发明采用m法求解基础的挠度，m法中k＝mx，按jgj 94-2008《建筑桩基技术规范》推荐对m进行取值；
[0095]
则根据m法，挠曲微分方程表示为
[0096][0097]
令则上式表示为a为水平变形系数，单位为m-1
[0098]
利用幂级数积分后得到基础各截面位移和转角的简捷表达式如下：
[0099][0100][0101]
式中：w
x
为基础位移；为基础转角；a
x
、b
x
为基础的位移系数，为基础的转角系数，按jgj 94-2008《建筑桩基技术规范》推荐进行取值。
[0102]
进一步的，所述的步骤4具体包括：
[0103]
考虑基础底部为固定端时，将边界条件代入基于m法得到的挠曲微分方程中，查规范的转角系数
[0104][0105]
式中：为基础转角；为基础的转角系数；l0为滑面以上基础长度，单位为m。
[0106]
进一步的，所述的步骤5具体包括：
[0107]
将步骤3和4中计算的基础顶部的转角与《架空输电线路运行规程》所规定的最大倾斜度进行比较：50m及以上高度铁塔最大倾斜度为0.5％，50m以下高度铁塔最大倾斜度为1.0％。
[0108]
下面结合附图4-5和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
[0109]
采用本发明公开的方法对某地的输电塔的稳定性进行评价测试，该地区位于亚热带多雨地区，基础类型为桩基础，输电杆塔周围地表参数如下表1所示
[0110]
表1
[0111][0112]
基础底部岩石参数如下表2所示：
[0113]
表2
[0114]
γ/(kn/m3)e/(gpa)ν30000300.2
[0115]
输电塔基础埋深范围内土体主要为可塑状粘性土，液限在50％左右，1#杆塔基础
底部位于土体之上，2#杆塔其嵌岩基础，基本参数如下表3所示：
[0116]
表3
[0117][0118]
在持续小强度降雨之后，土体吸湿之后抗剪强度降低，边坡产生潜在的滑动面，基础部分位于潜在滑动面之下且基础下部土体未发生变化。
[0119]
通过上表参数建立降雨时间t与土体抗剪强度之间关系式：
[0120]
w1＝1.5
×
10-7
t+0.21
[0121]
c＝-18.4w1+448.4
[0122][0123]
表4为边坡受降雨影响土体抗剪强度
[0124][0125]
如图4所示，塑性区随着降雨持续时间的增长从底部往顶部平台延伸，并在降雨时间至33h时塑性区完全贯通，其次可观察坡顶位移随时间步的变化趋势，在降雨时间为33h时，坡顶位移处于非稳定状态。
[0126]
对于基础上游坡体基础宽度内土体部分等效荷载f为1507kn，对于表2的1#杆塔来说，基础为开挖回填型基础，基础周围和底部土体主要以碎石类土为主，根据jgj 94-2008《建筑桩基技术规范》可知，地基土水平抗力系数m值可取8mn/m4。
[0127]
基础的水平变形系数
[0128]
1#杆塔基础的转角
[0129][0130]
2#杆塔基础的转角
[0131][0132]
根据《架空输电线路运行规程》中杆塔与基础运行标准，50m及以上角钢塔直线杆塔的倾斜度最大允许值为0.5％，50m以下倾斜度最大允许值为1％。
[0133]
由此可见，在此降雨条件下，1#和2#杆塔基础倾斜度超出规范允许值，电网运维人员应关注电塔周围滑坡险情，掌握该区域滑坡状态变化。
[0134]
为验证本发明在计算降雨斜坡上输电塔基础产生转角的准确性，通过abaqus建立边坡输电塔基础模型对理论计算结果进行验算，分别计算了1#和2#杆塔基础在降雨作用下
的转角。结果如下表5所示，杆塔基础数值计算云图如图5所示。
[0135]
表5
[0136][0137]
综上所述，本发明公开了一种降雨型诱导滑坡条件下输电塔基础抗滑稳定性的快捷评价方法，把降雨诱发滑坡条件下输电塔基础的稳定性评价问题分解为若干个子问题：首先，获取边坡的基本参数及气象台发布的未来降雨信息，确定经过降雨时间t后边坡土体的抗剪强度参数，根据以上参数信息采用数值方法判断边坡的稳定性状态；若边坡失稳则首先判断基础与潜在滑动面的相对位置，若基础位于潜在滑动面之上则输电杆塔发生破坏；若基础部分位于潜在滑动面之下则根据基础底部土质条件，计算基础的转角。根据《架空输电线路运行规程》中规定的输电杆塔倾斜最大允许值，判断输电杆塔的稳定性。
[0138]
以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还做出若干修改、补充或改用类似的方法替代，这些也应视作本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种降雨条件下斜坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法，其特征在于，包括：步骤1、根据降雨信息和地质勘察资料，基于经验公式和室内试验方法建立降雨时间与边坡岩土体抗剪强度关系式；步骤2、根据降雨时间对应的岩土体参数和边坡尺寸信息，建立边坡的数值计算模型，开展数值分析以判断边坡的稳定性并获得滑坡体的下滑力；步骤3、对于基础底部支撑在土体上的基础，将整个基础视为winkler弹性地基梁来处理，基础底端的支撑条件简化为铰支撑，假定基础侧面与土之间关系用一系列独立的弹簧代替，采用m法确定基床系数，得到基础在滑坡体作用下的转角和位移；步骤4、对于嵌岩基础，将基础滑动面以上部分简化为一悬臂梁，滑动面以下基础部分视为winkler弹性地基梁，根据步骤3计算得到基础产生的转角；步骤5、将上述步骤中计算的基础转角和位移与相关规范中规定的限制进行比较，判断输电杆塔基础的抗滑稳定性。2.根据权利要求1所述的降雨条件下斜坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法，其特征在于：步骤1中，非饱和土的含水量对抗剪强度的影响主要通过有效黏聚力、内摩擦角和基质吸力来体现，通过经验公式确定抗剪强度参数与含水量之间的关系；非饱和土的抗剪强度公式为：非饱和土的抗剪强度公式为：式中，τ
f
为非饱和土抗剪强度，单位为pa；c为总黏聚力，单位为pa；σ
′
为有效应力，单位为pa；为土体内摩擦角，单位为
°
；c
′
为有效黏聚力，单位为pa；μ
s
为土体的基质吸力，单位为pa；为随基质吸力变化的内摩擦角，单位为
°
；非饱和土抗剪强度与基质吸力和含水量之间关系拟合曲线表达为：非饱和土抗剪强度与基质吸力和含水量之间关系拟合曲线表达为：非饱和土抗剪强度与基质吸力和含水量之间关系拟合曲线表达为：式中：c为降雨历时t后土体的粘聚力，pa；w1为降雨历时t后土体含水量；为降雨历时t后土体的内摩擦角；a、b、e、f、g和i为待定系数；假定含水量与入渗强度和降雨持续时间之间的关系如下：w1＝ηet+w0式中w0为土体初始含水量；η为待定参数，单位为mm-1
；e为降雨入渗强度，单位为mm/s；t为降雨持续时间，单位为s。3.根据权利要求1所述的降雨条件下斜坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法，其特征在于：步骤2中，根据实际地质条件建立边坡模型，输入降雨历时t后土体参数，设置边界条件，通过观察塑性区的变化来确定边坡的稳定状态；若塑性区从坡脚贯穿至坡顶平台则说明边坡失稳；滑坡体的下滑力是根据基础上游坡体基础宽度内部每个单元在降雨时间t时的水平加速度与单元质量相乘再求和，即：
式中：b，l0分别为基础宽度和滑动面以上基础的埋设深度，单位为m；m
i
和a
i
分别为影响范围内滑坡体中第i个单元的质量和加速度，单位分别为kg和m/s2；f和q分别为基础所受的冲击力和冲击压力，单位分别为n和n/m2，其中假定冲击压力沿埋深方向呈均匀分布形式。4.根据权利要求1所述的降雨条件下斜坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法，其特征在于：步骤3中，水平方向上，桩土之间关系采用winkler地基梁模型来描述，该方法假定基础与土之间采用一系列弹簧代替；基础在受到滑体下滑力f和土体水平抗力p作用下产生挠曲，其挠曲微分方程表示为：式中，w为基础的挠度；e为基础材料的弹性模量；i为基础的截面惯性矩；按winkler假定，地基土作用在基础的抗力p用下式表示：p＝kw式中：k为基床系数，单位为n/m3；采用m法求解基础的挠度，m法中k＝mx，按jgj 94-2008《建筑桩基技术规范》推荐对m进行取值，则根据m法，挠曲微分方程表示为：令则上式表示为a为水平变形系数，单位为m-1
；利用幂级数积分后得到基础各截面位移和转角的简捷表达式如下：利用幂级数积分后得到基础各截面位移和转角的简捷表达式如下：式中：w
x
为基础位移；为基础转角；a
x
、b
x
为基础的位移系数，为基础的转角系数，按jgj 94-2008《建筑桩基技术规范》推荐进行取值。5.根据权利要求1所述的降雨条件下斜坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法，其特征在于：步骤4中，考虑基础底部为固定端时，将边界条件代入基于m法得到的挠曲微分方程中，查规范的转角系数：式中：为基础转角；为基础的转角系数；l0为滑面以上基础长度，单位为m。6.根据权利要求1所述的降雨条件下斜坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法，其特征在于：步骤5中，相关规范包括《架空输电线路运行规程》，根据《架空输电线路运行规程》中规定的输电杆塔倾斜最大允许值，判断输电杆塔的稳定性。

技术总结
本发明公开一种降雨条件下斜坡上输电塔桩基抗滑稳定性的评价方法，把降雨诱发滑坡条件下输电塔基础的稳定性评价问题分解为若干个子问题：首先，获取边坡的基本参数及气象台发布的未来降雨信息，确定经过降雨时间t后边坡土体的抗剪强度参数，根据以上参数信息采用数值方法判断边坡的稳定性状态；若边坡失稳则首先判断基础与潜在滑动面的相对位置，若基础位于潜在滑动面之上则输电杆塔发生破坏；若基础部分位于潜在滑动面之下则根据基础底部土质条件，计算基础的转角。根据《架空输电线路运行规程》中规定的输电杆塔倾斜最大允许值，判断输电杆塔的稳定性。断输电杆塔的稳定性。断输电杆塔的稳定性。


技术研发人员：张磊 许标 汪大海 张盼盼
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/8/1