边坡临界滑动场计算软件开发

蒋泽锋，张慧君，朱大勇，石杰

（1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310000；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310000；3.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315000；4.江苏三恒科技股份有限公司，江苏 常州 213000；）

1 引言

边坡失稳破坏是岩土工程中最常遇到的问题之一，其所造成的危害与损失均相当巨大。要减少生命、财产损失，就必须对边坡工程进行稳定性计算。在边坡稳定性分析体系中，极限平衡理论经过几十年的发展和完善，目前已较为成熟[1-3]。伴随计算机技术的迅猛发展，边坡稳定计算方法已由早期的图解和手算发展到如今的商业软件。目前国外边坡稳定分析软件界面友好、可视化程度高、人机交互性强、并自带绘图功能，但其操作复杂、专业性强、价格昂贵。较之国外软件，国内软件发展较为滞后和缓慢。国内早期软件开发基本采用面向过程的语言，软件源代码可读性差、可视化程度低、人机交互性差。目前工程中应用较广的国内软件是理正边坡稳定分析软件，该软件工程实用性强，使用方便，但无直接绘图功能，软件可视化程度相对较低，人机交互性相对较弱，算法相对较少，完全参照行业规范，较适用于广大工程技术人员，而科研工作者使用相对较少。

为避免国外软件占据中国市场，国内科研人员必须树立潜在危机意识，增强自主研发能力。为此，本文在VS开发平台上，利用C#创新的语言特性及强大的操作能力[4]，研发出了一款边坡临界滑动场软件。由于该软件的研发基于面向对象技术，因此实现了“图形→极限平衡分析法→图形”的呈现模式[5]，使其界面友好、人机交互性强、方便用户建模。软件搜索临界滑动面的方法主要采用的是朱大勇教授提出的具有国际先进水平的边坡临界滑动场法[6-8]。在朱大勇教授团队的改进后[9-13]，该法适用范围更加广泛，且能够全面评价边坡的整体稳定性与局部稳定性。

2 边坡临界滑动场软件的开发

2.1 软件开发工具

本软件采用面向对象的、运行于.NET Framework上的高级编程语言C#，在Microsoft Visual Studio开发平台上开发出一款自带绘图功能、人机交互性强的边坡临界滑动场软件。

C#不但拥有优雅的语法风格，还具备强大的操作能力，使其成为.NET开发的首选语言[4]。

本软件的绘图功能通过C#中的GDI+技术实现，用户可通过其绘制边坡几何模型来呈现复杂的边坡图形信息，并导入核心计算模块，计算后将结果一并呈现出来。

2.2 软件架构

本文软件采用软件结构模块化设计，由前处理、核心计算、后处理3个模块构成。

前处理模块主要用于边坡计算模型的建立、滑动面形状的设定及条块的划分。前处理模块可利用独立封装的图形引擎，实现边坡计算模型的绘图输入。

核心计算模块用于搜索边坡最危险滑动面位置及计算相应的最小安全系数。

后处理模块主要用于结果的呈现、导出及计算书的生成。

2.3 软件特点

本软件提供了一个友好的交互界面，综合前处理、核心计算、后处理3大模块，本软件特点如下。

①直观的图形显示功能。用户可采用前处理模块中的绘图功能建立边坡计算模型。滑面位置、安全系数、底部正应力等计算结果可借助后处理模块呈现在界面上。

②可搜索圆弧滑动面及任意形状滑动面，也可自定义滑动面形状及位置。

③采用具有国际先进水平的边坡临界滑动场方法搜索任意形状滑动面。边坡临界滑动场法将极限平衡条分法与最优性原理有机结合，能够快速、准确和方便地找出边坡任意形状的全局临界滑动面和其相对应的安全系数，全面评价边坡的整体、局部稳定性，并得到国内外知名学者的高度评价，是一种应用前景相当广泛的边坡稳定分析方法。

3 算例分析

3.1 算例 1[2]，均质边坡

坡高10m，坡比1∶2，模型如图1所示，土体参数：γ=20kN/m3，c=3kPa，φ=20。

图1 算例1边坡剖面

为了验证本文开发软件所计算的安全系数的可靠性，本文分别采用国内的理正软件及加拿大的slope商业软件对本算例进行了稳定性分析，并将上述两款软件的计算结果与本文软件的计算结果进行了比较，三款软件计算结果分别见表1。

三款软件计算的最小安全系数 表1

如表1所示，当假定边坡最危险滑动面为圆弧状时，三款软件计算的安全系数差异都控制在0.6%以内，从而可知本文软件搜索圆弧状滑动面时，安全系数计算结果是合理可靠的。

同时，在不假定滑动面形状的情况下，如图2所示，三款软件自动搜索的滑动面非常接近，使得安全系数也非常相近。本文软件搜索的任意形状临界滑面及计算所得的相应安全系数如图3所示。

综上所述，本文软件在搜索均质边坡临界滑动面时，计算的安全系数是合理可靠的。

图2 不同软件得到的最危险滑动面位置

图3 本文软件得到的最危险滑动面位置

图4 算例2边坡剖面

3.2 算例2[2]，非均质边坡

边坡几何模型与土体指标见图4及表2，三款软件计算的安全系数如表3所示。

非均质土坡材料参数 表2

三款软件计算的最小安全系数 表3

但实际工程经验表明，对于非均质边坡而言，圆弧滑动法往往并不适用。对于本算例，本文软件基于M-P法搜索的任意形状最危险滑动面如图5所示，三款软件基于相同条件搜索的任意形状最危险滑动面位置如图6所示。由图5、图6可看出，由于各土层土体物理力学指标的不同，搜索的任意形状滑动面在土层2到土层1之间发生明显的转折，因此假定圆弧滑动面并不能得到合理的安全系数，只有在不假定滑动面形状及位置的前提下才能搜索到更为合理的临界滑动面形状及位置，并得到可靠的安全系数。

图5 本文软件搜索的临界滑动面位置

图6 不同软件得到的最危险滑动面位置

由图6可知，slope软件搜索的任意形状临界滑动面与本文软件搜索的任意形状临界滑动面甚为接近，由表3可知安全系数计算值差距也仅为0.67%，但理正软件搜索的任意形状临界滑动面位置与其他两款软件相比存在明显偏差，安全系数计算值精度较本文软件和slope软件也稍差。但显然从安全系数计算值上看，本文软件采用的边坡临界滑动场法在搜索任意形状临界滑动面时显示出了其自身的突出优势，搜索到了更为不利的临界滑动面形状及位置。综上所述，本文软件在评价非均质边坡稳定性时也是合理可靠的，且本软件采用的边坡临界滑动场法在搜索土层参数复杂的边坡最危险滑动面时具有其独特优势。

3.3 算例 3[2]，复杂边坡

本算例边坡受外荷载作用，边坡几何模型及地下水位如图7所示，土体指标见表4。

图7 算例3边坡剖面

本文软件搜索的滑动面及计算的安全系数值如图8所示，三款软件搜索的滑动面及计算的安全系数如图9及表5所示。

算例3土坡材料参数 表4

由表5可知，本文软件计算的安全系数与slope软件计算的安全系数虽然较接近但也有一定差距，而理正软件计算所得的安全系数偏差相对较大。文献[2]给出了可参考的计算结果范围为0.63～0.78，且根据文献[2]所述，本算例边坡软弱夹层的土体指标明显较差，导致实际的最危险滑动面可能会沿着软弱层越出搜索范围。根据文献[2]里专家阐述的内容来看，本文软件搜索的临界滑动面位置确实沿着软弱夹层不断上移，直至搜索边界，而如图9所示，其他两款软件并未搜索到真正的最危险滑动面。究其原因是其它两款软件在搜索最危险滑动面过程中，滑动面位置会随控制参数的改变而变化，从而具有较大的随机性。而本文开发的软件采用的边坡任意形状临界滑动面搜索方法是具有国际先进水平的边坡临界滑动场法计算方法，其核心思想是先找特定安全系数下剩余推力最大的滑动面，而不是直接找安全系数最小的滑动面。临界滑动场方法计算最大剩余推力的过程是无后效性的多阶段决策过程，整个计算过程不具备随机性。

图8 本文软件得到的最危险滑动面位置

图9 不同软件得到的最危险滑动面位置

三款软件计算的最小安全系数 表5

4 结论

基于面向对象技术，在VS开发环境下开发了边坡临界滑动场计算软件，通过算例应用分析得到如下结论。

①本文软件自带绘图功能，具备直观的图形显示功能，大大增强了用户与软件的互动性。

②本文软件可搜索到合理的最危险滑动面位置，并得到可靠的安全系数。

③本文软件在搜索非均质边坡最危险滑动面时具有独特优势，弥补了目前市场上大部分边坡稳定分析商业软件在搜索任意形状最危险滑动面上的不足，具有广泛的应用前景。