一种降雨作用下高压输电杆塔基础滑坡物理模型试验方法与流程

本发明涉及岩土力学与工程地质领域，尤其涉及一种降雨作用下高压输电杆塔基础滑坡物理模型试验方法。

背景技术：

随着我国全面快速发展，对于电力的需求也不断加大，一些高压输电杆塔不可避免地架设在边坡土体上。大量输电杆塔的建设会对坡体稳定性造成影响，相反，滑坡的发生也会对输电杆塔基础形成威胁或破坏。在滑坡发生时，基础设施会被破坏，可能造成人员伤亡和经济损失。但是目前对于不同的复杂环境下滑坡地质灾害研究中，研究者针对的地质体大多都是特定的单体岩土体，很少研究输电杆塔基础和滑坡体的共同体，对于滑坡体和输电杆塔相互影响的机理认识不足。其次，在降雨条件下滑坡体的应力分布也复杂，降水对于土体的影响，土体在不同的降雨强度和时间状况下的作用模式，输电杆塔基础的变形也少有研究。此外，针对土体滑坡的现场试验研究实施难度大、成本高、环境影响大，且不易开展参数对比研究。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷与问题，提供一种降雨作用下高压输电杆塔基础滑坡物理模型试验方法，该方法考虑到实地试验的难度，按照等比边坡模型的方式进行试验，可以模拟在不同降雨条件下，通过监测滑坡的含水量、土压力、基质吸力、土体深部位移和输电杆塔基础位移，从而分析研究基于试验背景地区的地质特征和降雨特征的边坡失稳机制，以及降雨对输电杆塔基础变形、滑坡应力特征及其随降雨强度的演化规律。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种降雨作用下高压输电杆塔基础滑坡物理模型试验方法，所述方法包括以下步骤：

a、先根据试验边坡现场的地质条件和模型试验基本条件，确定相似模型几何比，再将实际滑坡体等比例缩小制成边坡模型箱，然后依托边坡现场所在地区的降雨特征设置人工降雨系统；

b、先根据相似模型几何比，采用量纲分析确定现场土体物理力学参数、降雨量、降雨持续时间和输电杆塔荷载的相似比，再根据相似材料模拟理论及现场土体物理力学参数的相似比，配制土体模型材料；

c、先用土体模型材料填充边坡模型箱，再在边坡模型箱中布置等比例缩小的输电杆塔，然后确定现场输电杆塔基础荷载，按输电杆塔荷载相似比计算模型试验中输电杆塔荷载，并进行施加；

d、安装边坡含水量、土压力、基质吸力、降雨量、土体变形和输电杆塔基础变形的监测设备；

e、在不同的降雨条件下进行模型试验，收集监测数据；

f、根据监测数据，分析基于边坡现场的地质条件和降雨特征的边坡失稳机制，以及降雨对输电杆塔基础变形、滑坡变形应力特征及其随降雨强度的演化规律。

步骤a中，所述边坡模型箱采用型钢作为支撑结构，采用透明有机玻璃作为围挡结构，并于边坡模型箱的顶部、坡脚所在面处开口。

步骤a中，所述人工降雨系统位于滑坡体顶部，雨水喷洒口均匀分布，并设置降雨量和降雨持续时间控制系统；

步骤b中，根据边坡现场所在地区的降雨特征，结合降雨量相似比与降雨持续时间相似比来确定模型试验中的降雨量及降雨持续时间。

步骤b中，所述现场土体物理力学参数包括密度、含水量、内摩擦角和粘聚力；

先对现场土体的物理力学特征进行试验，得到密度、含水量、内摩擦角和粘聚力参数，再按各参数相似比进行计算得到模型试验中土体的物理力学参数，然后采用江砂、滑体土、自来水和膨润土配制土体模型材料。

步骤c中，根据边坡现场输电杆塔的强度特性，按相似模型几何比和弹性模量相似比来制作输电杆塔模型，所述弹性模量相似比为1。

所述滑坡体与输电杆塔的相对位置关系有四种，即输电杆塔位于滑坡体内、输电杆塔位于滑坡体的下方、输电杆塔位于滑坡体边缘以及输电杆塔位于滑坡体范围以外。

步骤c中，所述现场输电杆塔基础荷载包括自重荷载或者自重荷载和风荷载或者自重荷载和雪荷载。

所述风荷载、雪荷载通过以下方法获得：

先根据边坡现场所在地区气象条件确定最大风速和最大雪压，再根据现场输电杆塔尺寸建立有限元分析模型，然后计算因风速引起的风荷载和因雪压引起的雪荷载。

所述步骤e具体包括以下两组模型试验：

一组为无降雨，监测指标包括输电杆塔基础位移、土体变形和土压力；

另一组为不同降雨量，施加的试验降雨强度均分为7个等级，最高等级降雨量通过边坡现场所在地区最大降雨量与降雨量相似比求得，监测指标包括含水量、土压力、基质吸力、降雨量、输电杆塔基础位移和土体变形。

步骤f中，在分析处理监测数据时，利用geostudio软件或flac3d软件分析验证。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

与目前工程中对滑坡与输电杆塔基础作用机理的分析研究方法相比，本发明考虑到实地试验的难度，利用模型试验的方法，可以模拟不同降雨条件下的相互作用机理，而且可以多次试验，节约了实验开支，最后分析数据、处理数据利用计算机进行数值模拟来验证实验的可靠性。因此，本发明对于开展不同降雨条件下的滑坡和输电杆塔稳定性分析以及研究滑坡与杆塔之间相互作用的机理有着重要指导意义，对于多山地区铺设高压输电杆塔有一定参考价值。

附图说明

图1是本发明的试验方法流程图。

图2是本发明的实施例中依托实际滑坡剖面示意图。

图3是本发明的实施例中模型试验边坡模型示意图。

图4是本发明的实施例中输电杆塔与滑坡体不同相对位置的示意图。

图5是本发明的实施例中传感器布置位置示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，一种降雨作用下高压输电杆塔基础滑坡物理模型试验方法，所述方法包括以下步骤：

a、先根据试验边坡现场的地质条件和模型试验基本条件，确定相似模型几何比，再将实际滑坡体等比例缩小制成边坡模型箱，然后依托边坡现场所在地区的降雨特征设置人工降雨系统；

b、先根据相似模型几何比，采用量纲分析确定现场土体物理力学参数、降雨量、降雨持续时间和输电杆塔荷载的相似比，再根据相似材料模拟理论及现场土体物理力学参数的相似比，配制土体模型材料；

c、先用土体模型材料填充边坡模型箱，再在边坡模型箱中布置等比例缩小的输电杆塔，然后确定现场输电杆塔基础荷载，按输电杆塔荷载相似比计算模型试验中输电杆塔荷载，并进行施加；

d、安装边坡含水量、土压力、基质吸力、降雨量、土体变形和输电杆塔基础变形的监测设备；

e、在不同的降雨条件下进行模型试验，收集监测数据；

f、根据监测数据，分析基于边坡现场的地质条件和降雨特征的边坡失稳机制，以及降雨对输电杆塔基础变形、滑坡变形应力特征及其随降雨强度的演化规律。

步骤a中，所述边坡模型箱采用型钢作为支撑结构，采用透明有机玻璃作为围挡结构，并于边坡模型箱的顶部、坡脚所在面处开口。

步骤a中，所述人工降雨系统位于滑坡体顶部，雨水喷洒口均匀分布，并设置降雨量和降雨持续时间控制系统；

步骤b中，根据边坡现场所在地区的降雨特征，结合降雨量相似比与降雨持续时间相似比来确定模型试验中的降雨量及降雨持续时间。

步骤b中，所述现场土体物理力学参数包括密度、含水量、内摩擦角和粘聚力；

先对现场土体的物理力学特征进行试验，得到密度、含水量、内摩擦角和粘聚力参数，再按各参数相似比进行计算得到模型试验中土体的物理力学参数，然后采用江砂、滑体土、自来水和膨润土配制土体模型材料。

步骤c中，根据边坡现场输电杆塔的强度特性，按相似模型几何比和弹性模量相似比来制作输电杆塔模型，所述弹性模量相似比为1。

所述滑坡体与输电杆塔的相对位置关系有四种，即输电杆塔位于滑坡体内、输电杆塔位于滑坡体的下方、输电杆塔位于滑坡体边缘以及输电杆塔位于滑坡体范围以外。

步骤c中，所述现场输电杆塔基础荷载包括自重荷载或者自重荷载和风荷载或者自重荷载和雪荷载。

所述风荷载、雪荷载通过以下方法获得：

先根据边坡现场所在地区气象条件确定最大风速和最大雪压，再根据现场输电杆塔尺寸建立有限元分析模型，然后计算因风速引起的风荷载和因雪压引起的雪荷载。

所述步骤e具体包括以下两组模型试验：

一组为无降雨，监测指标包括输电杆塔基础位移、土体变形和土压力；

另一组为不同降雨量，施加的试验降雨强度均分为7个等级，最高等级降雨量通过边坡现场所在地区最大降雨量与降雨量相似比求得，监测指标包括含水量、土压力、基质吸力、降雨量、输电杆塔基础位移和土体变形。

步骤f中，在分析处理监测数据时，利用geostudio软件或flac3d软件分析验证。

本发明的原理说明如下：

模型试验中需要根据地质条件来保证几何尺寸成比例对应，保证模型土体物理力学特性与实际土体物理力学特性满足各参数的相似比即可。水文条件主要是作为参考，仅判断土体中的地下水位位置，在土体物理力学特性分析时对于地下水位以下的土体会充分考虑含水量对各参数的影响，测定相应参数，进而配制对应的模型土即可。

各参数的相似比可以采用量纲分析来确定，包括几何相似比、物理相似比和力学相似比，量纲分析法是一种常见的模型试验相似分析方法，已较为成熟地应用于岩体工程模型试验中。降雨量、降雨持续时间的相似比也可按量纲分析法来确定，本设计中降雨强度和降雨持续时间的相似比与几何相似比呈0.5次方关系。

模型土的配置是需要经过多次反复试验配置而成，使得模型土与实际土的物理特性和力学特性满足相似比的要求即可。

对于一般建筑物，基础所承受的最大荷载主要是由自身重力引起，而杆塔不同，由于其属于高耸结构，受风、雪荷载影响较大，所以在考虑输电杆塔基础对边坡作用力时，不只是考虑杆塔自身重力，还需等效计算风、雪荷载所引起的力。计算时，一般根据当地气象统计资料，确定最大风速或最大雪压，按实际杆塔结构特性建立有限元计算模型，通过模型计算由风、雪荷载所引起的杆塔基础荷载。

本设计以物理模型试验为研究方法，按照等比边坡模型的方式，通过模型箱建立、等效荷载处理、模拟降雨施加、监测指标及测定方法等一系列措施的实施，提出了一种分析土质滑坡对高压输电杆塔基础影响的物理模型试验方法，该方法可能克服实地试验的难度，模拟不同降雨条件下，输电杆塔作用下的边坡地质特征和失稳机制，以及降雨对杆塔基础变形、滑坡应力特征及其随降雨强度的演化规律；可为多山地区临近边坡输电杆塔建设和安全防护提供参考。

实施例：

参见图1，本实施例提供一种降雨作用下高压输电杆塔基础滑坡物理模型试验方法，以研究选用湖北省巴东县燕子滑坡实际工程为依托，包括以下步骤：

a、先根据试验边坡现场的地质条件和模型试验基本条件，确定相似模型几何比，再将实际滑坡体等比例缩小制成边坡模型箱，然后依托边坡现场所在地区的降雨特征设置人工降雨系统；

参见图2，试验边坡现场的地质条件如下：燕子滑坡为一老滑坡，滑坡区平面上呈长舌形，后缘具圈椅状地形，剖面上呈阶状；滑坡区地形坡度前陡后缓，后缘坡度15°～25°，居民多将缓坡地带改造为耕地，前缘稍陡，坡度25°～40°；主滑方向310°；滑坡体纵长约400m，横宽约150m，厚度9.0m～12.0m，平均厚度按11.0m计，体积约60.0×10⁴m³；目前的滑坡变形区前缘位于下方绕城线k1+8-50m段路基一带，其高程为300m～302m；变形区后缘位于高压线缆铁塔处，其高程为352m；变形区南西侧以走向315°的沟谷为界；北东侧以走向325°沟谷及裂缝为界；

假定实际滑坡体与边坡模型比例关系为200：1，即相似模型几何比为200：1，按该几何比进行缩小，设计边坡模型箱，如图3所示，边坡模型箱尺寸设计为3m×1.5m×1.2m，边坡长度设置为1.5m，边坡倾角为20°左右；所述边坡模型箱采用型钢作为支撑结构，采用透明有机玻璃作为围挡结构，便于观察箱内情况，模型箱四面封闭两面开口，分别于边坡模型箱的顶部、坡脚所在面处开口；

所述人工降雨系统位于滑坡体顶部，雨水喷洒口均匀分布，并设置降雨量和降雨持续时间控制系统；

b、先根据相似模型几何比，采用量纲分析确定现场土体物理力学参数、降雨量、降雨持续时间和输电杆塔荷载的相似比，所述现场土体物理力学参数包括密度、含水量、内摩擦角和粘聚力，具体参数结果见表1；

表1相似模型基本参数表

再根据相似材料模拟理论及现场土体物理力学参数的相似比，配制土体模型材料；先对现场土体的物理力学特征进行试验，得到密度、含水量、内摩擦角和粘聚力参数，再按各参数相似比进行计算得到模型试验中土体的物理力学参数，然后采用江砂(过2mm筛分)、滑体土(过2mm筛分)、自来水和膨润土配制土体模型材料；制作滑坡体模型，滑体材料以江砂、滑体土、膨胀土组成，其中，江砂主要用来增加内摩擦角和渗透系数，对水起到很好的吸附作用，易于滑体成型；滑体土则用来增加黏聚力、减小渗透系数；膨润土起到减小内摩擦角和变形模量的作用；滑带的黏聚力和内摩擦角相比滑体要小，采用玻璃珠(过4mm筛分)来模拟滑带，该材料既能模拟出滑带的透水性质，又能模拟滑带较弱的抗剪强度，符合滑带的基本物理力学性质；

然后根据边坡现场所在地区的降雨特征，结合降雨量相似比与降雨持续时间相似比来确定模型试验中的降雨量及降雨持续时间；

巴东县内四季分明，雨量集中，处于鄂西暴雨中心范围内，多年平均降雨量为1098.21mm(1953年～1990年)，最大降雨量为1522.4mm(1954年)，最小降雨量为694.8mm(1960年)，降雨量具有连续集中的特点，5月～9月为雨季，其中降雨量占年降雨量的60％～70％，暴雨一小时最大降雨量为75.2mm(1991年8月6日)，一日最大降雨量达到193.3mm(1962年7月15日)，7日最大降雨量为237.5mm(1991年8月7日～1991年8月14日)；

因此，根据上述的实际工程区水文数据，可根据暴雨一小时最大降雨量75.2mm计算设置人工降雨系统的降雨强度和时间；

c、先用土体模型材料填充边坡模型箱，再在边坡模型箱中布置等比例缩小的输电杆塔，包括埋深与位置，然后确定现场输电杆塔基础荷载，按输电杆塔荷载相似比计算模型试验中输电杆塔荷载，并进行施加；

根据边坡现场输电杆塔的强度特性，按相似模型几何比和弹性模量相似比来制作输电杆塔模型，所述弹性模量相似比为1；

所述滑坡体与输电杆塔的相对位置关系有四种，即输电杆塔位于滑坡体内、输电杆塔位于滑坡体的下方、输电杆塔位于滑坡体边缘以及输电杆塔位于滑坡体范围以外，具体如图4所示：

a)当输电杆塔位于滑坡体内，滑坡的变形和破坏会直接影响输电杆塔的稳定；b)当输电杆塔位于滑坡的下方时，输电杆塔基础是否会遭遇到破坏，与滑坡的下滑位移及滑坡堆积体的堆积范围有关；当输电杆塔位于滑坡前缘外侧时，滑坡对输电杆塔无影响，否则，输电杆塔会受到滑坡的影响；c)当输电杆塔位于滑坡的边缘时，不论输电杆塔位于滑坡两侧还是后缘，都需要对滑坡的性质和发展趋势进行分析、预测和必要的监测，判断滑坡对输电杆塔稳定性的影响；d)当输电杆塔位于滑坡影响范围以外时，滑坡对输电杆塔稳定性无影响；

根据输电杆塔实际指标，经过相似计算，确定输电杆塔尺寸；在滑坡区域埋设模拟输电杆塔试验桩桩长50cm，埋深段为40cm，出露段为10cm，截面为直径为0.5cm，考虑到截面直径太小，不方便施加荷载，设定截面为直径为5cm；弹性模量相似比为1，试验桩桩身采用c20混凝土；

所述现场输电杆塔基础荷载包括自重荷载或者自重荷载和风荷载或者自重荷载和雪荷载，所述风荷载、雪荷载通过以下方法获得：先根据边坡现场所在地区气象条件确定最大风速和最大雪压，再根据现场输电杆塔尺寸建立有限元分析模型，然后计算因风速引起的风荷载和因雪压引起的雪荷载；

d、安装边坡含水量、土压力、基质吸力、降雨量、土体变形和输电杆塔基础变形的监测设备；

由于室内试验考虑到试验次数较多，试验条件相对较好，故室内试验选择基于驻波比(swr)法的swr型土壤水分传感器测定含水量；采用英国druck公司开发生产的pdcr-81微型孔隙探头测基质吸力；采用山东大学研制的一种微型高精度光纤布拉格光栅(fbg)土压力传感器监测土压力；采用双阀容栅式雨量计监测降雨量；采用中国水利水电科学研究院研制的直线式位移传感器监测杆塔基础位移变化情况；采用中科院武汉岩土所研制的三维激光扫描测量系统监测边坡土体变形情况；

传感器布置位置如图5所示，(a)为竖直方向布置，(b)为水平布置；土压力盒在水平方向和竖直方向均匀分布，以测得整个边坡体内的应力，便于后期分析应力场变化；位移传感器布置于输电杆塔基础作用点处，重点记录输电杆塔基础的位移变化情况；含水量监测传感器和基质吸力传感器可布置在一起(或采用集成功能的孔隙水压传感器)，分布在输电杆塔基础附近，重点监测输电杆塔基础附近土的相应参数变化情况；传感器间距的选取根据试验条件及监测精度而定，但不宜过于密集，传感器布置太密集会影响到土体本身的力学特性以及土体中水的渗流路径；不同型号传感器的使用应遵循该类传感器使用要求；

e、在不同的降雨条件(包括降雨时间和强度)下进行模型试验，收集监测数据；

根据滑坡体和输电杆塔基础相对位置关系、降雨模式的分析，设计了降雨作用下输电杆塔基础滑坡试验方案，见表2；

表2输电杆塔基础滑坡试验方案

按照上述试验设计方案分别进行以下两组试验：

一组为无降雨，监测指标包括输电杆塔基础位移、土体变形和土压力；试验时无需布置孔隙水压力传感器；

另一组为不同降雨量，施加的试验降雨强度均分为7个等级，最高等级降雨量通过边坡现场所在地区最大降雨量与降雨量相似比求得，监测指标包括含水量、土压力、基质吸力、降雨量、输电杆塔基础位移和土体变形；

在实验中不同实验组的监测设备的布置位置也随实验变化，一般根据试验目的确定；分别采用含水量监测设备、基质吸力监测设备、土压力监测设备、降雨监测设备、变形监测设备等仪器同时对不同工况下的含水量、土压力、基质吸力、降雨量、土体和杆塔基础变形进行实时监测，且通过采集仪记录数据；模拟降雨期间，需要时刻关注监测数据的异常，降雨试验结束后，收集数据，以便后期处理；

f、根据监测数据，分析基于边坡现场的地质条件和降雨特征的边坡失稳机制，以及降雨对输电杆塔基础变形、滑坡变形应力特征及其随降雨强度的演化规律；

在分析处理监测数据时，利用geostudio软件或flac3d软件分析验证。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。