基于SPH‑FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析
Dynamic Response of Transmission Tower Foundation Impacted by Debris Flow Using Coupled SPH‑FEM Method
- 防灾减灾工程学报 2024年44卷第1期 页码：68-78
- 作者机构：
1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650214
2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070
3.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510663
- 作者简介：
于虹（1978—），女，教授级高工，博士。主要从事输电线路防灾减灾研究。E-mail:yuhong2388245@163.com
张磊（1983—），男，副教授，博导，博士。主要从事岩土工程防灾减灾方面的教学与研究。E‑mail: zhangleigeo@whut.edu.cn
- 基金信息：云南电网科技项目(YNKJXM20210181)
DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20220824003
中图分类号： TV312收稿：2022-08-24，
修回：2022-12-02，
纸质出版：2024-02-15
- 稿件说明：
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于虹,李昊,许标等.基于SPH‑FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析[J].防灾减灾工程学报,2024,44(01):68-78.
YU Hong,LI Hao,XU Biao,et al.Dynamic Response of Transmission Tower Foundation Impacted by Debris Flow Using Coupled SPH‑FEM Method[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2024,44(01):68-78.
于虹,李昊,许标等.基于SPH‑FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析[J].防灾减灾工程学报,2024,44(01):68-78. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20220824003.
YU Hong,LI Hao,XU Biao,et al.Dynamic Response of Transmission Tower Foundation Impacted by Debris Flow Using Coupled SPH‑FEM Method[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2024,44(01):68-78. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20220824003.
摘要
泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。首先采用光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics，简称SPH）方法和有限元方法（finite element method，简称FEM）相耦合的三维数值方法模拟了泥石流对杆塔基础的冲击作用；在与相关模型试验结果验证的基础上，开展了不同泥石流密度、黏度系数及初始速度条件下对输电塔基础的冲击力作用的参数分析；研究结果表明：随着泥石流初始速度的增加，冲击力峰值会随之增大；前排基础的冲击力峰值均大于后排基础；泥石流冲击过程特性受到泥石流密度和黏度系数影响。与稀性泥石流相比：黏性泥石流冲击基础后，基础下游真空区相对要小；此外，将数值模拟结果与Kwan冲击力公式及铁二院推荐的冲击压力设计公式预测值进行对比分析可以发现：Kwan冲击力公式能较好地预测出基础所受泥石流冲击力的平均趋势，最大预测误差低于30%，铁二院公式预测的稀性和黏性泥石流的冲击压力平均偏低分别约17%和28%。相关研究结果有望为泥石流频发区域输电塔基础的设计和风险评估提供一定的参考依据。
Abstract
In southwest China， there are numerous transmission lines built in mountainous areas with frequent debris flows. The transmission towers hit by debris flows may tilt or even collapse. After being validated by relevant experimental results， a series of three-dimensional numerical analyses are performed on the dynamic response of transmission tower foundations impacted by debris flows using the coupled smoothed particle hydrodynamics （SPH） and finite element method （FEM）. The parameters analyses including debris flow density， viscosity coefficient and initial velocity are considered. For all the scenarios considered， the frontal foundation experiences comparatively larger impact forces than the rear foundation. The peak impact force tends to gradually increase with the increasing initial velocity while the debris flow process is mainly affected by density and viscosity coefficient. The impact processes caused by low-viscosity and high-viscosity debris flows are different. Low-viscosity debris flows produce a smaller vacuum area in the downstream flow path of the foundation. In addition， the numerical simulation results are compared with the predictions of Kwan's formula for impact force and code-recommended formula for impact pressure. It is found that the Kwan’s formula can well predict the average trend of the impact force of the debris flow on the foundation， and the maximum prediction error is less than 30%. The average impact pressure of low-viscosity and high-viscosity debris flows predicted by the code-recommended formula are about 17% and 28% lower， respectively. The relevant investigation results can likely provide a useful reference for the design and risk assessment of transmission tower foundations in areas where debris flows are frequently observed.
关键词
Keywords
references
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