滑坡削方減載快速優化設計

揭晶

【摘要】為了加強滑坡整治工作，削方減載在近年來得到了越來越廣泛的運用。傳統的削方減載設計過程繁瑣，必須首先假定方案，經過多次驗算合格后才能繼續執行方案，否則循環地一次又一次重復試算。為了優化削方減載設計過程，筆者進行了深入的研究。本文將列出國內外解決削方減載快速優化問題的若干成果，并根據我國目前削方減載設計現狀，給出縮短設計周期，提高效率的具體措施。

【關鍵詞】滑坡；削方減載；優化設計

滑坡和地震等自然災害一樣，對人的生命安全造成威脅，早在100年以前人類就開始了滑坡災害研究。由于我國大部分領土都是山區，滑坡發生頻率相對高。為了避免國家和人民的生命安全和財產不受滑坡災害的影響，削方減載得到了廣泛的認可。但是目前我國采用的削方減載設計方法必須經過多次試算檢驗后方可投入使用，無疑增加了設計的復雜程度，并且設計效率得不到保障，可見實現削方減載的快速優化設計勢在必行。

1 滑坡穩定性分析

1.1 滑坡穩定性分析方法

為了更加方便地對削方減載設計進行評估，應當明確滑坡穩定性的分析方法。通常常用的滑坡穩定性分析方法包括定性分析方法、定量分析方法和非確定性分析方法。

定性分析方法是建立在完成了實地考察的基礎上的，該方法關注邊坡穩定性，并且深度剖析邊坡變形破壞方式，對實際存在的邊坡地質體的產生原因進行分析，參考其演化歷史，然后定性地給出穩定狀態發展的說明及解釋。定性分析方法經常分為自然歷史分析法、工程類比法、SMR法、幾何圖解法和物理模型法。其中物理模擬法是依靠巖體力學模型試驗對工程結構進行研究。近年來隨著計算機技術的快速發展，越來越多的研究依靠巖體力學模型完成，通過有限元計算可以確保高精度的穩定性分析，這種基于穩定性分析方法和理論計算的研究手段在學術界有重要意義。

上述定性分析方法建立在數量龐大的數據和工程經驗的基礎之上，對于具體的工程設計指導性不強，無法確保量上的精確。定量分析方法能夠提供量化的指導。該分析方法主要包括極限平衡方法和數值分析方法兩種。前者相比后者而言更加成熟，該方法基本原理是抗剪強度理論，理論通俗易懂，計算方法容易掌握。后者則在本世紀才逐漸投入使用，借助平衡、幾何、本構三個方程以及相應的邊界條件完成對研究對象的分析。

非確定性分析方法則主要適用于情況復雜的邊坡情況，多依靠動態力學解決問題。

1.2 滑坡穩定性分析的理論基礎

滑坡穩定性分析主要依靠由庫倫和郎肯的理論逐漸發展成為的極限平衡法。極限平衡法研究某個瞬間的受力情況。然而問題大部分都是靜不定的。為了解決問題就必須采用相應的簡化過程，將靜不定問題轉變為靜定可解問題。這種極限平衡法雖然在嚴謹性上做出了妥協，但是對最終結果的影響較小，采用該方法的主要原因還是因為該方法大大削減計算工作量。隨著有限元分析方法的發展，邊坡穩定性分析達到了新的層面，以往無法確保的嚴密性問題也得到了解決。

2 削方減載設計的基本原理

借助計算機極限平衡法變得越來越成熟，其中主要采用瑞典法、傳遞系數法和簡化畢肖普三種計算方法。三種計算方法主要區別于假設條件和使用范圍。

其中瑞典法是使用年限最長的計算原理，假設條件是把滑動面當做圓弧，并且不考慮各個條間的作用力。該方法對于圓弧形滑坡有較精確的結果顯示，并且計算方法簡單易懂，但是穩定系數被確定在一定范圍內，僅適用于均質土坡。

傳遞系數法要求作用力合力方向和滑面方向相同，條件作用力合力為負值，此時的力學分析建立在各分塊力平衡的基礎上，并且充分考慮了滑面上的剪力作用。傳遞系數法適用于任意形狀的滑面滑坡，但是傾角不能太陡。

簡化畢肖普法同瑞典法一樣，假設滑動面是圓弧的。但是此方法的力學分析是建立在整體力矩平衡和靜力平衡的基礎上，并且要求條件垂向作用力為零。

3 削方減載優化設計系統的開發與實現

為了優化削方減載設計，可以依靠MAPGIS來實現，MAPGIS為用戶提供功能強大的二次開發庫，可以通過MAPGIS實現不同領域的應用程序。MAPGIS組件關系中數據管理組件作為中心，其他組件例如空間分析組件、DTM分析組件、投影轉換組件、圖例管理組件等都單獨與數據管理組件一對一的數據傳輸。為了成功實現削方減載設計的二次開發，應當對工作區的邏輯結構和相關操作函數有足夠了解。

3.1 系統數據庫設計

系統數據庫設計受MAPGIS數據結構影響，通常在MAPGIS中把工作區劃分成點、線、區、網、表這五種不同類型，他們對應的文件都不相同，而且對應相應的實體類型，這就決定不同工作區所使用的操作函數不盡相同。MAPGIS進行數據操作時的最小單位稱為空間實體，一類實體中有2048M的個體，并且不同個體對應不同的序號。

系統數據庫可以分為“XPTKB”和“WDXJSB”兩種表格，前者用于記錄圖形的屬性，后者主要用于計算，可以獲取穩定性計算的已知調校。

3.2 穩定性計算程序

穩定性計算程序由瑞典法程序、傳遞系數法程序和簡化畢肖普法程序實現。

瑞典法首先將滑面的傾斜角和長度進行記錄，然后把這些力學參數逐一輸入到地層文件之中。并通過水位文件設定水位，選擇滑坡工況，在條塊中輸入不同滑面段的內聚力和內摩擦角。接下來將地層、水位和條分這三個文件進行空間疊加分析，計算出條塊的重量，借助循環迭代法求出穩定性系數K。

傳遞系數法程序不同于瑞典法主要是計算出循環試算穩定系數K之后還需要驗證下滑推力是否大于0或者k=10.001，如果不滿足，程序將會返回去繼續計算循環試算穩定系數k，直至滿足大于0或者k=10.001的條件為止。

簡化畢肖普法的程序則是把瑞典法中通過循環迭代求的穩定系數K作為代入穩定系數K=1，然后計算出穩定系數K，如果計算穩定系數相對代入穩定系數的增長率小于千分之一，則會顯示穩定系數K，否則將循環運算。

最后還要補充說明次級滑動驗算，該驗算方法采用的是FLAC法，基礎理論是流體力學，但最先用于固體力學，隨后用于研究單個流體質點各運動參數隨時間的變化。使用該方法要對所研究的對象劃分網格，依據拉格朗日法觀察網絡節點的運動。次級滑動驗算對于求解非線性問題有重要意義。

4 結論

將GIS技術用于傳統的削方減載設計將會大幅提升設計效率，并且憑借GIS的友好操作界面和可視化操作環境，可以更加直觀地進行削方減載設計。由于地質勘查報告多采用DWG格式的附圖，MAPGIS可以非常方便地進行操作。根據不同情形選用不同的極限平衡方法，針對除了滑坡以外更多工況都可以進行穩定性計算，可以使計算效率大大提高。未來的優化設計可以考慮使用3D-GIS，可以使設計在三維可視的條件下進行，對不同地形和地質將有更加直觀的感受。

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