CN111581836B - 一种输电线路滑坡体稳定性计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电线路滑坡体稳定性计算方法，包括采用激光三维扫描输电线路区域，获取被测滑坡体表面信息的点云数据并进行点云简化滤波处理；建立滑坡体的三维地质模型，对滑坡体进行天然、暴雨工况下的数值模拟和稳定性计算，利用强度折减法计算出安全系数，并通过滑坡体的安全系数得到应力、应变和位移等多种云图和曲线图，综合评价线路区域内单体滑坡的状态。本发明通过结合激光扫描点云数据和有限元分析选取滑坡体截断面计算稳定性系数的平均值来评估线路区域单体滑坡的安全稳定性，判断结果可以作为线路灾害安全防治参考依据，对以后的输电线通道设计和施工提供更有力的技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及电力线路灾害安全领域，具体地说，是涉及一种输电线路滑坡体稳定性计算方法。
背景技术
滑坡是指大量的山体物质在重力作用下，沿着其内部的一个滑动面，突然向下滑动的自然现象，它由多种外界因素刺激发生，如地震、火山、河流冲刷、融雪降雨及人类活动等。尤其是大型滑坡所引起的其他次生灾害的破坏力甚至远远超过它的直接破坏力。
对于滑坡体滑坡的稳定性的监测，一般依赖于位置传感器的性能，包括位置传感器的精度、测量范围、数据读取形式等。但是，在进行位置测量过程中，受到环境的干扰以及仪器精度的限制，导致测试结果的准确度不高，不能更为及时有效的预测山体滑坡地质灾害的发生。在电力领域输电线路地质灾害安全防治方面，目前没有评估和判断线路行经区域单体滑坡安全稳定性的有效方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输电线路滑坡体稳定性计算方法，
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明包括以下步骤：
A扫描输电线路区域，获取被测滑坡体表面信息的点云数据；B通过所述点云数据建立滑坡体的三维地质模型，对滑坡体进行天然、暴雨工况下的数值模拟和稳定性计算，利用强度折减法计算出安全系数通过滑坡体的所述安全系数得到应力、应变和位移对应云图和曲线图，以判断输电线路滑坡体稳定性。
进一步地，所述三维地质模型的建立包括在三维坐标系统中，完成点云坐标的三维变换，旋转点云的法向量与xy平面垂直，并且选取点云任意边界的任意两个点连成直线，使直线与x轴平行且点云一边界与x轴平行，再利用xy平面坐标完成二维网格划分；然后采用半径搜索法和最小二乘法，得到滑坡体的点云有序代表点；最后以每四个代表点为一组构成四边形网格，输出需要的网格格式，并输入到有限元分析软件中进行约束和位移加载，得到滑坡体数据。
进一步地，所述云图的建立包括采用机载激光三维扫描输电线路区域滑坡体表面，以得到点云原始数据，各原始图像具有m×n个包含有亮度信息的数据点，通过建立参数对比表，并定义每一组原始图像数据中的每行或每列中具有最大亮度的数据点及计算该数据点对应的参数计算值，选取出参数对比表中对应的类比参数，并利用选取出的类比参数建立滑坡体的彩色三维点云图像。
进一步地，所述强度折减法的方法步骤为
(1)建立边坡的有限元分析模型，赋予坡体各种材料采用不同的单元材料属性，计算边坡的初始应力场，初步分析重力作用下，边坡的应力、应变和位移变化；
(2)按一定的步长逐渐增加边坡的安全系数K，将折减后的强度参数赋给计算模型，重新计算；
(3)重复第(2)步，如前所述，不断增加k的值，降低坡体的材料参数，直至计算不收敛，边坡发生失稳破坏，则计算发散前一步的K值就是边坡的安全系数。
进一步地，所述安全系数的计算定义为沿滑动面的抗剪强度与滑移面上的实际剪应力的比值,算式如下所示：
τ＝c+σntanφ (2)
τf＝cf+σntanφf (3)
其中：τ为抗剪强度，τf为滑动面上的剪应力。
一种输电线路滑坡体稳定性的计算设备，包括：
滑坡数据获取模块，用于扫描输电线路区域，获取被测滑坡体表面信息的点云数据；
确定模块，用于通过所述点云数据建立滑坡体的三维地质模型，对滑坡体进行天然、暴雨工况下的数值模拟和稳定性计算，利用强度折减法计算出安全系数以判断输电线路滑坡体稳定性。
进一步地，所述确定模块具体用于所述三维地质模型的建立包括在三维坐标系统中，完成点云坐标的三维变换，旋转点云的法向量与xy平面垂直，并且选取点云任意边界的任意两个点连成直线，使直线与x轴平行且点云一边界与x轴平行，再利用xy平面坐标完成二维网格划分；然后采用半径搜索法和最小二乘法，得到滑坡体的点云有序代表点；最后以每四个代表点为一组构成四边形网格，输出需要的网格格式，并输入到有限元分析软件中进行约束和位移加载，得到滑坡体数据。8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述确定模块具体用于所述云图的建立包括采用机载激光三维扫描输电线路区域滑坡体表面，以得到点云原始数据，各原始图像具有m×n个包含有亮度信息的数据点，通过建立参数对比表，并定义每一组原始图像数据中的每行或每列中具有最大亮度的数据点及计算该数据点对应的参数计算值，选取出参数对比表中对应的类比参数，并利用选取出的类比参数建立滑坡体的彩色三维点云图像。.
进一步地，所述确定模块具体用于所述强度折减法的方法，其步骤为
(1)建立边坡的有限元分析模型，赋予坡体各种材料采用不同的单元材料属性，计算边坡的初始应力场，初步分析重力作用下，边坡的应力、应变和位移变化；
(2)按一定的步长逐渐增加边坡的安全系数K，将折减后的强度参数赋给计算模型，重新计算；
(3)重复第(2)步，如前所述，不断增加k的值，降低坡体的材料参数，直至计算不收敛，边坡发生失稳破坏，则计算发散前一步的K值就是边坡的安全系数。
进一步地，所述确定模块具体用于所述强安全系数的计算，
所述安全系数的计算定义为沿滑动面的抗剪强度与滑移面上的实际剪应力的比值,算式如下所示：
τ＝c+σntanφ (2)
τf＝cf+σntanφf (3)
其中：τ为抗剪强度，τf为滑动面上的剪应力。
一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现所述的输电线路滑坡体稳定性的计算。
一种处理装置，包括处理器，适于执行各条程序；以及存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现所述的输电线路滑坡体稳定性的计算方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过结合激光扫描点云数据和有限元分析选取滑坡体截断面计算稳定性系数的平均值来评估滑坡体的稳定性，进而评价输电线路段的安全性，判断结果可以作为参考，对以后的输电线通道设计和施工提供更有力的技术支撑。
附图说明
图1为输电线路滑坡体稳定性计算方法的流程示意图；
图2为有限元模型建立流程图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1和2所示，本发明包括以下步骤：
A采用直升机机载激光三维扫描输电线路区域，获取被测滑坡体表面信息的点云数据；
B建立滑坡体的三维地质模型，对滑坡体进行天然、暴雨工况下的数值模拟和稳定性计算，利用强度折减法计算出安全系数通过滑坡体的安全系数得到应力、应变和位移等多种云图和曲线图，综合评价线路区域内单体滑坡的状态。
所述三维地质模型的建立包括在三维坐标系统中，完成点云坐标的三维变换，旋转点云的法向量与xy平面垂直，并且选取点云任意边界的任意两个点连成直线，使直线与x轴平行且点云一边界与x轴平行，再利用xy平面坐标完成二维网格划分；然后采用半径搜索法和最小二乘法，得到滑坡体的点云有序代表点；最后以每四个代表点为一组构成四边形网格，输出需要的网格格式，并输入到有限元分析软件中进行约束和位移加载，得到滑坡体数据。
所述云图的建立包括采用机载激光三维扫描输电线路区域滑坡体表面，以得到点云原始数据，各原始图像具有m×n个包含有亮度信息的数据点，通过建立参数对比表，并定义每一组原始图像数据中的每行或每列中具有最大亮度的数据点及计算该数据点对应的参数计算值，选取出参数对比表中对应的类比参数，并利用选取出的类比参数建立滑坡体的彩色三维点云图像。
所述强度折减法的方法步骤为
(1)建立边坡的有限元分析模型，赋予坡体各种材料采用不同的单元材料属性，计算边坡的初始应力场。初步分析重力作用下，边坡的应力、应变和位移变化；
(2)按一定的步长逐渐增加边坡的安全系数(即土体抗剪强度的折减系数)K，将折减后的强度参数赋给计算模型，重新计算；
(3)重复第(2)步，如前所述，不断增加k的值，降低坡体的材料参数，直至计算不收敛，边坡发生失稳破坏。则计算发散前一步的K值就是边坡的安全系数。
所述安全系数的计算即稳定安全系数定义为沿滑动面的抗剪强度与滑移面上的实际剪应力的比值。
τ＝c+σntanφ (2)
τf＝cf+σntanφf (3)
其中：τ为抗剪强度，τf为滑动面上的剪应力。
对于边坡本来就不稳定，第(1)步计算就不收敛的情况，在第(2)步和第(3)步计算时，安全系数应该逐渐减小，直至计算收敛，边坡获得稳定；对于初始稳定的边坡则不断增大安全系数，使岩土体的强度参数降低，达到极限状态后，得到边坡稳定安全系数。
强度折减法通过数值离散，可将复杂的速度场或应力场在各单元内被简化为低阶分布形式(如线性分布)，很容易通过建立单元变量和节点变量的约束方程来保证速度场的机动许可条件和应力场的静力许可条件，进而克服了传统极限分析中机动速度场或应力场难以构造的困难；将上、下限定理转化为相应的数学规划模型，可以采用计算机自动搜索出岩土极限状态下的速度场或应力场，避免了传统极限分析中需要预先假定破坏机构或破坏面的问题，借助有限单元法，可以很方便地模拟复杂荷载条件、复杂几何边界条件、非线性破坏准则、非均质材料等问题，极大地拓宽了极限分析法在岩土稳定性分析中的应用范围。
在本实施例中，选择三条线路A/B/C按照之前设定好的参数，进行稳定性系数的计算，并对稳定性系数进行汇总只考虑重力作用，忽略其他所有作用；土体参数：重度y、粘聚力c、内摩擦角Φ，均按天然状态选取。降雨会降低土体抗剪强度，相应的土体参数：重度y、粘聚力c、内摩擦角Φ，均按饱和状态选取；弹性模量E、泊松比μ不变。
计算得到的各条线路两种工况的稳定性系数汇总如下:
位移、应力及应变云图、潜在滑面位置汇总如下：
线路A云图极值汇总表
线路B云图极值汇总表
线路C云图极值汇总表
在天然工况下，滑坡体处于稳定状态。一旦遇到强降雨，土体含水量增高，土体饱和，大量的降水不但降低土体的抗剪强度，减小内摩擦角，还会提高岩土体重量，自重荷载增加，滑坡体的稳定性系数急剧下降，导致位移、应力和应变等参数都会相应的增大。
根据位移云图显示，位移的突出部分集中在滑坡的中上层，从天然工况到暴雨工况，滑坡中上部总位移值增大，且增量较大，范围扩大。在这里需要解释的是，所计算的位移是岩土体强度指标折减后的位移，也就是滑坡体破坏时候的最大位移，并不是真实位移。根据位移云图可以看到滑坡体变形后的形状。
根据应力云图显示，最大应力主要集中在坡底位置，从坡底到坡面逐渐减小。但是两种工况下最大应力变化幅度不大，不作为控制条件。
根据应变云图显示，最大应变主要集中在坡脚位置，从天然工况到暴雨工况，滑坡体应变整体增大，且幅度较大。通过两种工况下的计算云图发现，可以发现明显的贯通带，会成为滑坡体破坏时的潜在滑面。
本次计算通过对三条输电线路所在位置的坡体进行了稳定性分析，得到了各条线路两种工况下的稳定性系数。通过对比发现，天然工况下的稳定性系数较大，滑坡体处于稳定状态，虽然暴雨工况下滑坡体稳定性系数急剧下降，但是仍处于较稳定状态。通过云图的对比，相较于天然工况下的位移、应力和应变，明显暴雨工况下的三种计算结果值明显增大，滑坡体处于较危险状态。其中云图是通过对典型断面扩展而来的，可以近似的反应滑坡体的状况。且是对线路选取了两个较危险截面形状的断面进行计算，取其稳定性系数的平均值来评估滑坡危险性的，判断结果可以作为整条线路的安全性评价参考，对以后的输电线通道设计和施工提供更有力的技术支撑。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种输电线路滑坡体稳定性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：A扫描输电线路区域，获取被测滑坡体表面信息的点云数据；B通过所述点云数据，利用如下步骤建立滑坡体的三维地质模型：采用机载激光三维扫描输电线路区域滑坡体表面，以得到点云原始数据，各原始图像具有m×n个包含有亮度信息的数据点，通过建立参数对比表，并定义每一组原始图像数据中的每行或每列中具有最大亮度的数据点及计算该数据点对应的参数计算值，选取出参数对比表中对应的类比参数，并利用选取出的类比参数建立滑坡体的彩色三维点云图像，在三维坐标系统中，完成点云坐标的三维变换，旋转点云的法向量与xy平面垂直，并且选取点云任意边界的任意两个点连成直线，使直线与x轴平行且点云一边界与x轴平行，再利用xy平面坐标完成二维网格划分；然后采用半径搜索法和最小二乘法，得到滑坡体的点云有序代表点；最后以每四个代表点为一组构成四边形网格，输出需要的网格格式，并输入到有限元分析软件中进行约束和位移加载，得到滑坡体数据；
对滑坡体进行天然、暴雨工况下的数值模拟和稳定性计算，其中天然工况对应的土体参数包括天然状态下的重度、粘聚力和内摩擦角，暴雨工况对应的土体参数包括饱和状态下的重度、粘聚力和内摩擦角，利用如下步骤计算滑坡体的安全系数：
(1)建立边坡的有限元分析模型，赋予坡体各种材料采用不同的单元材料属性，计算边坡的初始应力场，初步分析重力作用下，边坡的应力、应变和位移变化；
(2)按一定的步长逐渐增加边坡的安全系数K，将折减后的强度参数赋给计算模型，重新计算；
(3)重复第(2)步，如前所述，不断增加k的值，降低坡体的材料参数，直至计算不收敛，边坡发生失稳破坏，则计算发散前一步的K值就是边坡的安全系数；
通过滑坡体的所述安全系数得到应力、应变和位移对应云图和曲线图，以判断输电线路滑坡体稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种输电线路滑坡体稳定性计算方法，其特征在于，所述安全系数的计算定义为沿滑动面的抗剪强度与滑移面上的实际剪应力的比值，算式如下所示：
τ＝c+σntanφ (2)
τf＝cf+σntanφf (3)
其中：τ为抗剪强度，τf为滑动面上的剪应力。
3.一种输电线路滑坡体稳定性的计算设备，其特征在于，包括：
滑坡数据获取模块，用于扫描输电线路区域，获取被测滑坡体表面信息的点云数据；
确定模块，用于通过所述点云数据，利用如下步骤建立滑坡体的三维地质模型：采用机载激光三维扫描输电线路区域滑坡体表面，以得到点云原始数据，各原始图像具有m×n个包含有亮度信息的数据点，通过建立参数对比表，并定义每一组原始图像数据中的每行或每列中具有最大亮度的数据点及计算该数据点对应的参数计算值，选取出参数对比表中对应的类比参数，并利用选取出的类比参数建立滑坡体的彩色三维点云图像，在三维坐标系统中，完成点云坐标的三维变换，旋转点云的法向量与xy平面垂直，并且选取点云任意边界的任意两个点连成直线，使直线与x轴平行且点云一边界与x轴平行，再利用xy平面坐标完成二维网格划分；然后采用半径搜索法和最小二乘法，得到滑坡体的点云有序代表点；最后以每四个代表点为一组构成四边形网格，输出需要的网格格式，并输入到有限元分析软件中进行约束和位移加载，得到滑坡体数据；
对滑坡体进行天然、暴雨工况下的数值模拟和稳定性计算，其中天然工况对应的土体参数包括天然状态下的重度、粘聚力和内摩擦角，暴雨工况对应的土体参数包括饱和状态下的重度、粘聚力和内摩擦角，利用如下步骤计算滑坡体的安全系数：
(1)建立边坡的有限元分析模型，赋予坡体各种材料采用不同的单元材料属性，计算边坡的初始应力场，初步分析重力作用下，边坡的应力、应变和位移变化；
(2)按一定的步长逐渐增加边坡的安全系数K，将折减后的强度参数赋给计算模型，重新计算；
(3)重复第(2)步，如前所述，不断增加k的值，降低坡体的材料参数，直至计算不收敛，边坡发生失稳破坏，则计算发散前一步的K值就是边坡的安全系数；
通过滑坡体的所述安全系数得到应力、应变和位移对应云图和曲线图，以判断输电线路滑坡体稳定性。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述确定模块具体用于所述安全系数的计算，
所述安全系数的计算定义为沿滑动面的抗剪强度与滑移面上的实际剪应力的比值，算式如下所示：
τ＝c+σntanφ (2)
τf＝cf+σntanφf (3)
其中：τ为抗剪强度，τf为滑动面上的剪应力。
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| CN105133667A (zh) * | 2015-07-29 | 2015-12-09 | 同济大学 | 一种降雨条件下土质边坡安全性态的时空动态评价方法 |
| CN105224704A (zh) * | 2014-06-25 | 2016-01-06 | 中国科学院海洋研究所 | 一种海底不稳定性的评价方法 |
| CN105761301A (zh) * | 2014-12-16 | 2016-07-13 | 财团法人金属工业研究发展中心 | 三维激光扫描系统及其彩色点云图像建立方法 |
| CN105912753A (zh) * | 2016-04-01 | 2016-08-31 | 国家海洋局第二海洋研究所 | 基于强度折减法的海底边坡三维稳定性分析方法 |
| CN107169271A (zh) * | 2017-04-26 | 2017-09-15 | 中国地质大学（武汉） | 一种应变软化边坡的稳定性动态评价方法 |
-
2020
- 2020-05-14 CN CN202010407447.6A patent/CN111581836B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于有限元强度折减法的路堑高边坡稳定性分析;郭昊天等;《公路》;第27-31页 * |
| 郭昊天等.基于有限元强度折减法的路堑高边坡稳定性分析.《公路》.2019,(第第11期期),第27-31页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111581836A (zh) | 2020-08-25 |
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