本發(fā)明涉及災害風險評價研究，特別是一種基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國已建成了跨越大區(qū)域的超長電網(wǎng)，沿途不可避免地需穿越地質(zhì)條件復雜的地區(qū)。輸電桿塔作為輸電網(wǎng)絡的重要組成部分，需盡可能避免與其他人類活動相互影響，故多建立在人煙稀少的山體陡坡處，大大增加了輸電桿塔受到崩滑流地質(zhì)災害的可能性。

2、滑坡是山區(qū)最常見的地質(zhì)災害，也是山區(qū)電網(wǎng)設施的主要威脅之一。由滑坡引起的輸電桿塔傾斜、斷線及跳閘等電網(wǎng)事故頻發(fā)，給國家的經(jīng)濟建設和人們的日常生活帶來了不利影響。

3、目前單體滑坡風險評價主要包括三個方面：滑坡危險性評價，承災體易損性評價，滑坡風險性評價?；挛ｋU性評價中，對于變形階段通常以滑坡失穩(wěn)概率或滑坡年失穩(wěn)概率來表示滑坡發(fā)生的可能性，對于破壞階段的滑坡可以結(jié)合滑坡的致災范圍，共同完成滑坡危險性評價；承災體易損性評價常采用選取易損性評價指標的方法，構(gòu)建易損性評價模型，同時結(jié)合承災體的價值完成易損性評價，最終采用“風險性＝危險性×易損性×經(jīng)濟價值”模型，完成輸電桿塔滑坡風險評價。

4、貴州省盤州市地處烏蒙山區(qū)，屬于典型的喀斯特地貌，山高坡陡谷深，自然環(huán)境易遭受破壞，地質(zhì)災害頻發(fā)，滑坡地質(zhì)災害最為發(fā)育，且輸電線路呈網(wǎng)狀分布，分布密集，輸電桿塔不可避免地會建立在陡坡、山脊、滑坡等地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)。為有效提升電網(wǎng)地質(zhì)災害風險管理水平，減小地質(zhì)災害造成的損失，對電網(wǎng)設施中的核心組成部分輸電桿塔進行滑坡地質(zhì)災害的風險評價研究意義重大。已有的單體滑坡風險評價方法中缺乏對滑坡地質(zhì)體與輸電桿塔承災體之間變化關(guān)系的考量，因此，建立基于輸電桿塔失效模型的滑坡風險評價方法是目前急需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明所要解決的問題在于已有的單體滑坡風險評價方法中缺乏對滑坡地質(zhì)體與輸電桿塔承災體之間變化關(guān)系的考量的問題。

3、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

4、第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價方法，其包括，對滑坡區(qū)進行詳細勘察，查明滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件、滑坡變形特征、輸電桿塔變形特征，得出滑坡變形破壞模式與變形階段，獲取輸電桿塔與地表之間的變形關(guān)系；

5、對滑坡區(qū)進行勘察，通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗獲取巖土體物理力學參數(shù)；利用flac3d和anays數(shù)值模擬軟件獲取滑坡滑動作用下輸電桿塔的變形失效模型和機理，并用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證；

6、采用flac3d-monte?carlo法計算不同降雨工況的滑坡失穩(wěn)概率，計算得到相應工況的滑坡年失穩(wěn)概率，以滑坡年失穩(wěn)概率表示滑坡的危險性；

7、基于輸電桿塔的失效模型建立滑坡作用下輸電桿塔的易損性評價模型；

8、基于滑坡危險性評價和輸電桿塔易損性評價，采用“風險性＝危險性×易損性×經(jīng)濟價值”模型，完成輸電桿塔滑坡風險評價。

9、作為本發(fā)明所述基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述對滑坡區(qū)進行勘察，查明滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件、滑坡變形特征、輸電桿塔變形特征可具體采用如下步驟：

10、對滑坡區(qū)進行勘察，查明滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件、滑坡變形特征、輸電桿塔變形特征，并得到近期輸電桿塔和地表的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)；

11、根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和降雨數(shù)據(jù)，得出降雨為主要誘發(fā)因素；

12、根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出滑坡變形破壞模式與變形階段；

13、根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取輸電桿塔與地表之間的變形關(guān)系。

14、作為本發(fā)明所述基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價方法的一種優(yōu)選方案，其中所述采用flac3d-monte?carlo法計算不同降雨工況的滑坡失穩(wěn)概率，計算得到相應工況的滑坡年失穩(wěn)概率，以滑坡年失穩(wěn)概率表示滑坡的危險性，可具體采用如下步驟：

15、對滑坡區(qū)進行勘察，通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗獲取巖土體物理力學參數(shù)，構(gòu)建滑坡三維地質(zhì)模型及數(shù)值模型，基于flac3d數(shù)值模擬軟件完成滑坡變形數(shù)值模擬；

16、收集輸電桿塔的設計資料，得到桿件材料參數(shù)，構(gòu)建輸電桿塔數(shù)值模型，基于ansys數(shù)值模擬軟件完成輸電桿塔變形失效數(shù)值模擬；

17、分析ansys數(shù)值模擬結(jié)果，獲取滑坡作用下輸電桿塔的變形失效模型和機理；

18、其中，所述對滑坡區(qū)進行勘察，通過現(xiàn)場試驗及室內(nèi)試驗獲取巖土體物理力學參數(shù)，其包括如下步驟：

19、現(xiàn)場試驗的步驟可采取如下步驟：

20、在現(xiàn)場調(diào)查利用無人機三維傾斜攝影技術(shù)得到現(xiàn)場的遙感影像數(shù)據(jù)，通過pix4dmapper生成點云數(shù)據(jù)及初步等高線；

21、將生成點云數(shù)據(jù)及初步等高線在global?mapper中進行處理，得到處理后的等高線；

22、將處理后的等高線帶入rhino軟件建立三維地質(zhì)體模型，根據(jù)滑坡發(fā)育特征建立滑坡三維數(shù)值模型；

23、選取天然工況和極端降雨工況作為計算工況，其中天然工況用于與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證，極端降雨工況用于得到滑坡滑動作用下輸電桿塔變形失效全過程；

24、根據(jù)《中國城市新一代暴雨強度公式》中的暴雨強度公式計算不同重現(xiàn)期下的降雨強度，以此確定計算工況中不同重現(xiàn)期的降雨強度，其計算公式如下表達式：

25、

26、其中：i為降雨強度；t為降雨重現(xiàn)期；t為降雨歷時；該表達式適用于貴州省盤州市地區(qū)；

27、本次選用的修正green-ampt模型，其修正green-ampt模型假設條件為：入滲前土體不同深度具有相同的初始含水率，入滲時，土層存在濕潤鋒，將土體分為飽和區(qū)域和非飽和區(qū)域，根據(jù)修正green-ampt模型確定計算工況中不同降雨強度對應的入滲深度，其非積水入滲部分公式表達式：

28、

29、其中：y為入滲深度；t為降雨歷時；q為降雨強度；為斜坡坡度，為飽和含水率；為初始含水率；

30、分別監(jiān)測輸電桿塔四個塔腳在地表投影處的位移，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析構(gòu)建滑坡穩(wěn)定性劃分，模擬得到監(jiān)測點的位移，所述監(jiān)測點的位移作為桿塔塔腳位移，并作為后續(xù)輸電桿塔數(shù)值模擬的輸入條件。

31、作為本發(fā)明所述基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述收集輸電桿塔的設計資料，得到桿件材料參數(shù)，構(gòu)建輸電桿塔數(shù)值模型，基于ansys數(shù)值模擬軟件完成輸電桿塔變形失效數(shù)值模擬，具體可采用如下步驟：

32、建立輸電桿塔的失效準則，定義塔腳最大相對位移，所述塔腳最大相對位移表征為將最大塔腳位移和最小塔腳位移在x和z兩個方向上求出對應方向上的相對位移，隨后將x和z方向上的相對位移進行矢量合成，塔腳最大相對位移計算公式如下：

33、

34、式中：δx為塔腳最大相對位移(mm)；x1為位移最大的塔腳在x方向上的位移值；x2為位移最小的塔腳在x方向上的位移值；z1為位移最大的塔腳在z方向上的位移值；z2為位移最小的塔腳在z方向上的位移值；

35、滑坡變形得到塔腳最大相對位移增大，塔腳最大相對位移增大引起桿件內(nèi)力增加和桿塔整體變形，根據(jù)桿件屈服程度和桿塔整體傾斜程度兩個方面分別選取合適的輸電桿塔失效指標，所述輸電桿塔的失效指標為等效應力和塔頂中心位移；

36、所述輸電桿塔角鋼為塑性材料，所述桿件屈服程度表征為桿件處于應力狀態(tài)下，桿件畸變能密度達到塑性材料單向拉伸屈服時的畸變能密度，桿件發(fā)生屈服破壞，該強度理論稱為von?mises準則，相應強度判斷計算式為；

37、

38、式中：σeq為von?mises等效應力(mpa)；σ1、σ2、σ3分別為第一主應力、第二主應力、第三主應力(mpa)；σ為材料的許用應力(mpa)，本次研究中取桿件材料的屈服應力，隨桿件內(nèi)力增加，當?shù)刃Τ^桿件屈服應力，即桿件失效；

39、具體失效準則如下：

40、主材或斜材發(fā)生全截面屈服，等效應力達到主材或斜材的屈服強度，主材和斜材的屈服強度分別為345mpa和235mpa，主材或斜材任一種達到屈服即可認為輸電桿塔失效；

41、根據(jù)規(guī)范《dlt?741-2019架空輸電線路運行規(guī)程》中第5.1.4條規(guī)定，50m以下高度的輸電桿塔傾斜度必須小于1％塔高；

42、利用現(xiàn)場調(diào)查和輸電桿塔設計資料建立輸電桿塔數(shù)值模型，在ansys中完成輸電桿塔數(shù)值模擬；

43、ansys中坐標系與flac3d中保持一致，將flac3d中的輸出結(jié)果作為ansys各塔腳的輸入結(jié)果；

44、其中，所述分析ansys數(shù)值模擬結(jié)果，獲取滑坡作用下輸電桿塔的變形失效模型和機理，具體可采用如下步驟：

45、分析輸電桿塔內(nèi)力云圖、位移云圖、等效應力云圖、失效指標，所述輸電桿塔內(nèi)力云圖表征為軸力、剪切力、彎矩和扭矩；

46、通過對比兩個失效指標與塔腳最大相對位移之間的關(guān)系，獲取輸電桿塔實際變形失效與失效準則的對應關(guān)系，即得到輸電桿塔的失效機理。

47、作為本發(fā)明所述基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述采用flac3d-monte?carlo法計算不同降雨工況的滑坡失穩(wěn)概率，可采用如下步驟：

48、采用flac3d-monte?carlo法計算滑坡失穩(wěn)概率，計算出滑坡年失穩(wěn)概率；

49、根據(jù)滑坡失穩(wěn)概率與滑坡年失穩(wěn)概率的換算公式計算出滑坡年失穩(wěn)概率；

50、其中，所述采用flac3d-monte?carlo法計算滑坡失穩(wěn)概率，計算出滑坡年失穩(wěn)概率的具體可包括如下步驟：

51、flac3d-monte?carlo法表征將monte?carlo隨機數(shù)融入flac3d數(shù)值計算模型中的方法其計算步驟如下；

52、隨機變量的選取及處理：在影響滑坡穩(wěn)定的各巖土參數(shù)中，選取對可靠度分析結(jié)果影響最大參數(shù)，一般為土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，故選取粘聚力、內(nèi)摩擦角作為隨機變量，在計算機語言中產(chǎn)生n組隨機數(shù)；

53、根據(jù)flac3d求解流程及構(gòu)建的三維地質(zhì)體數(shù)值模型求出初始地應力場；

54、將隨機變量的選取及處理中的n組隨機數(shù)粘聚力、內(nèi)摩擦角代入得到對應的n組安全系數(shù)；

55、對n組安全系數(shù)進行統(tǒng)計和分析，計算出邊坡的失效概率；

56、基于flac3d建立的三維地質(zhì)體數(shù)值模型，改變工況條件和巖土體參數(shù)，其他參數(shù)均保持不變，求出不同重現(xiàn)期下的降雨強度和入滲深度，其中降雨強度和入滲深度根據(jù)上文給出的公式求出，代入得出不同降雨工況下的滑坡失穩(wěn)概率；

57、其中，所述根據(jù)滑坡失穩(wěn)概率與滑坡年失穩(wěn)概率的換算公式計算出滑坡年失穩(wěn)概率具體可包括如下步驟：

58、不同工況下的滑坡發(fā)生失穩(wěn)包括滑坡自身發(fā)生滑動概率、誘發(fā)因素的隨機性和不確定性，滑坡年失穩(wěn)概率的確定由兩者共同發(fā)生的可能性決定；

59、當降雨為誘發(fā)因素時，將極端降雨事件當作事件a、把滑坡失穩(wěn)當作事件b，則滑坡年失穩(wěn)概率表達式為：

60、p＝p[a]p[b/a]

61、式中：p為滑坡年失穩(wěn)概率；p[a]為極端降雨事件發(fā)生的概率；p[b/a]為極端降雨工況下滑坡失穩(wěn)概率；

62、極端降雨工況下滑坡失穩(wěn)概率由flac3d-monte?carlo法計算得出；極端降雨事件發(fā)生的概率為極端降雨的重現(xiàn)期的倒數(shù)，則極端降雨下滑坡年失穩(wěn)概率表達式為：

63、p＝p[b/a]/t

64、式中：p為滑坡年失穩(wěn)概率；p[b/a]為極端降雨工況下滑坡失穩(wěn)概率；t為降雨重現(xiàn)期(a)；

65、將得到的滑坡失穩(wěn)概率換算成對應工況的滑坡年失穩(wěn)概率。

66、作為本發(fā)明所述基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述基于輸電桿塔的失效模型建立滑坡作用下輸電桿塔的易損性評價模型，其具體包括如下步驟：

67、根據(jù)上述數(shù)值模擬找到符合輸電桿塔的唯一失效準則，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果判斷輸電桿塔失效模式，輸電桿塔失效模式包括斜材失效、主材失效、整體傾斜失效；

68、基于輸電桿塔失效模型提出輸電桿塔易損性評價模型；

69、得到不同降雨工況下輸電桿塔的易損性值；

70、其中，所述基于輸電桿塔失效模型提出輸電桿塔易損性評價模型，具體可包括如下步驟：

71、根據(jù)輸電桿塔失效模式，得到對應的失效閾值和對應的塔腳最大相對位移閾值；

72、根據(jù)實際塔腳最大相對位移與塔腳最大相對位移之間的關(guān)系建立輸電桿塔易損性評價模型表達式如下：

73、

74、式中：v為易損性值；δx實際為塔腳最大相對位移(mm)，為x向塔腳最大相對位移與z向最大相對位移的合成位移，其計算公式見塔腳最大相對位移計算公式；

75、當δx實際小于最大允許值δx閾值時，易損性值為其實際值與最大允許值的比值；

76、當δx實際大于或等于最大允許值δx閾值時，為桿塔已完全失效，

77、因此，此時易損性值為1。

78、作為本發(fā)明所述基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述基于滑坡危險性評價和輸電桿塔易損性評價，其具體包括如下步驟：

79、風險表征為一定條件、一定時段內(nèi)，各類承災體遭遇災害發(fā)生過程造成的經(jīng)濟損失、生命損失及環(huán)境破壞損失，即為風險度＝危險度×易損度；

80、根據(jù)風險基本定義，得出風險包括危險性、滑坡災害承災體易損性、承災體數(shù)量、輸電桿塔的價值；風險的具體計算表達式為；

81、r＝h×v×e

82、式中r為滑坡災害風險；h為滑坡災害危險性，以滑坡年失穩(wěn)概率表示；v為輸電桿塔易損性；e為輸電桿塔的價值；

83、根據(jù)輸電桿塔的設計資料得到輸電桿塔的價值；

84、得到不同降雨工況下輸電桿塔滑坡年風險值。

85、第二方面，本發(fā)明實施例提供了基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價系統(tǒng)，其包括獲取模塊，對滑坡區(qū)進行詳細勘察，查明滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件、滑坡變形特征、輸電桿塔變形特征，得出滑坡變形破壞模式與變形階段，獲取輸電桿塔與地表之間的變形關(guān)系；

86、驗證模塊，對滑坡區(qū)進行勘察，通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗獲取巖土體物理力學參數(shù)；利用flac3d和anays數(shù)值模擬軟件獲取滑坡滑動作用下輸電桿塔的變形失效模型和機理，并用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證；

87、計算模塊，采用flac3d-monte?carlo法計算不同降雨工況的滑坡失穩(wěn)概率，計算得到相應工況的滑坡年失穩(wěn)概率，以滑坡年失穩(wěn)概率表示滑坡的危險性；

88、構(gòu)建模塊，基于輸電桿塔的失效模型建立滑坡作用下輸電桿塔的易損性評價模型；

89、評價模塊，基于滑坡危險性評價和輸電桿塔易損性評價，采用“風險性＝危險性×易損性×經(jīng)濟價值”模型，完成輸電桿塔滑坡風險評價。

90、第三方面，本發(fā)明實施例提供了一種計算機設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，其中：所述計算機程序指令被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如本發(fā)明第一方面所述的基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價方法的步驟。

91、第四方面，本發(fā)明實施例提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，其中：所述計算機程序指令被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如本發(fā)明第一方面所述的基于輸電桿塔失效模型的滑坡災害風險評價方法的步驟。

92、本發(fā)明有益效果為：本發(fā)明建立在單體滑坡風險評價、基于降雨入滲水文模型、邊坡穩(wěn)定性計算模型及flac3d-monte?carlo法的滑坡破壞概率計算等成果之上，獲取輸電桿塔變形失效全過程，以此提出適用于輸電桿塔的滑坡風險評價方法。

93、本發(fā)明所采用的滑坡及輸電桿塔數(shù)值模擬、滑坡年破壞概率的計算模型與關(guān)鍵技術(shù)的可行性和合理性得到了驗證，實現(xiàn)了基于輸電桿塔失效模型的滑坡風險評價，豐富了針對輸電桿塔滑坡風險評價研究方法的種類。

94、本發(fā)明構(gòu)思合理，操作流程簡單，基于輸電桿塔失效模型的滑坡風險評價成果可為山區(qū)電網(wǎng)設施的地質(zhì)災害風險管控提供理論和方法支撐。