基于GCSF算法的邊坡穩(wěn)定性分析軟件設(shè)計(jì)

摘 要：邊坡穩(wěn)定性分析軟件是一款用于評(píng)估邊坡滑面的穩(wěn)定性、指導(dǎo)用戶進(jìn)行加固的專業(yè)分析軟件。軟件使用C#語言，利用Win Form桌面窗體技術(shù)配合GDI+繪圖技術(shù)開發(fā)而成。現(xiàn)已完成基礎(chǔ)功能的開發(fā)，用戶可將原始坡信息通過繪制、數(shù)值輸入或文本導(dǎo)入的方式輸入到軟件中，并通過直觀的2D圖形呈現(xiàn)出來；利用全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)（GCSF）的概念計(jì)算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)并確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面；關(guān)于計(jì)算結(jié)果，用戶可查看滑面信息、滑塊信息，各類曲線圖，多算法的結(jié)果對(duì)比，軟件可輸出專業(yè)分析報(bào)告。本軟件主要使用全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)（GCSF）算法，配合其他邊坡穩(wěn)定性算法，能夠方便、快速、準(zhǔn)確地確定邊坡任意形狀的整體和局部臨界滑動(dòng)面位置和安全系數(shù)，評(píng)價(jià)邊坡的整體與局部穩(wěn)定性，提供合理、可靠的計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)（GCSF）；極限平衡

1 概述

邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程中最老的問題之一，也是在研究和實(shí)踐中最活躍的問題之一。多年以來，大量的學(xué)者曾經(jīng)提出了很多土坡穩(wěn)定性分析方法，己有很多土坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的計(jì)算方法和臨界滑動(dòng)面的搜索方法，并且?guī)讉€(gè)大型軟件分析已經(jīng)得到應(yīng)用，但是仍然存在不少的問題。工程中最常用的假定形狀是圓弧形滑面，計(jì)算簡(jiǎn)單，但實(shí)際滑面很多不能用圓弧滑面近似，這時(shí)只能采用非圓弧滑面的計(jì)算方法。而同類軟件雖然能快速搜索出任意形狀的滑動(dòng)面，但其并沒有將極限平衡條分法與最優(yōu)性原理有機(jī)結(jié)合，理論不夠嚴(yán)密，也無法顯示邊坡整體與局部穩(wěn)定性。

邊坡（全局）臨界滑動(dòng)場(chǎng)法評(píng)價(jià)邊坡局部與整體穩(wěn)定性，是一種很有應(yīng)用前景的邊坡穩(wěn)定分析方法。這個(gè)方法的最基本核心思想是不直接找安全系數(shù)最小的滑動(dòng)面，而是找一定安全系數(shù)下剩余推力最大的滑動(dòng)面。邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)計(jì)算方法是將極限平衡條分法與最優(yōu)性原理有機(jī)結(jié)合具有理論嚴(yán)密、原理簡(jiǎn)單、計(jì)算準(zhǔn)確、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠方便、快速、準(zhǔn)確地確定邊坡任意形狀的整體和局部臨界滑動(dòng)面位置和安全系數(shù)。文章所述的邊坡穩(wěn)定性分析軟件，實(shí)現(xiàn)了用全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算。

2 軟件設(shè)計(jì)原理及算法介紹

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

邊坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng)軟件（簡(jiǎn)稱“CSF軟件”）是一款用于評(píng)估邊坡滑面的穩(wěn)定性、指導(dǎo)用戶進(jìn)行加固的專業(yè)分析軟件。CSF軟件對(duì)邊坡點(diǎn)上的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到每個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性安全系數(shù)；并輸出最小的安全性系數(shù)，同時(shí)處理出可能產(chǎn)生的滑坡的滑面，對(duì)外輸出組成滑面的坐標(biāo)信息。CSF軟件根據(jù)計(jì)算所得的安全性系數(shù)，按照行業(yè)的不同，提示用戶是否需要進(jìn)行加固，并對(duì)用戶提出加固方式的建議。此外還可對(duì)加固后的滑面進(jìn)行再分析，保證加固方案的可靠性。

CSF軟件基于.net framework開發(fā)，使用Win Form體系結(jié)構(gòu)，利用GDI+技術(shù)實(shí)現(xiàn)自定義繪圖。該軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）本軟件封裝了獨(dú)立的圖形引擎，用戶可通過此引擎繪制邊坡圖形、呈現(xiàn)邊坡圖形信息、根據(jù)邊坡圖形得到計(jì)算參數(shù)、將計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出來。

（2）本軟件將算法模塊劃分為支持一個(gè)個(gè)獨(dú)立算法的插件模型，各個(gè)算法繼承于“基礎(chǔ)算法模型”后，獨(dú)立擴(kuò)展自身的計(jì)算方法及參數(shù)。

（3）業(yè)務(wù)處理邏輯層處理了圖形、表單、算法的級(jí)聯(lián)關(guān)系，提供統(tǒng)一的全局靜態(tài)參數(shù)集合，方便各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)用。用戶只需完成簡(jiǎn)單的界面輸入及基本操作，及可得到對(duì)應(yīng)結(jié)果。例如：提供計(jì)算過程窗口顯示每條滑面的計(jì)算結(jié)果，而詳細(xì)計(jì)算過程對(duì)用戶隱藏。

2.2 全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)算法（GCSF）概述

邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)基本的核心思想：一定安全系數(shù)下找剩余推力最大的滑面，通過剖析條間力遞推公式發(fā)現(xiàn)條件間推力遵循推力最大原理，該原理在數(shù)學(xué)上與動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的最優(yōu)原理一致，而且求剩余推力最大的過程是滿足過程無后效性的多階段過程；最后以推力最大原理為基礎(chǔ)，提出模擬邊坡邊界滑動(dòng)場(chǎng)的數(shù)值方法。

如果某出口的剩余推力為負(fù)值，說明該出口實(shí)際安全系數(shù)高于設(shè)定安全系數(shù)，如果剩余推力為正值，則該出口實(shí)際安全系數(shù)低于設(shè)定安全系數(shù)。最大的剩余推力為零，這個(gè)安全系數(shù)便是邊坡整體最小安全系數(shù)，極大剩余推力最大且為零的危險(xiǎn)滑動(dòng)面就是邊坡臨界滑動(dòng)面，此時(shí)的滑動(dòng)場(chǎng)定義為邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)（簡(jiǎn)稱CSF）。

2.3 全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)算法（GCSF）實(shí)現(xiàn)

對(duì)于每一個(gè)出口，總存在一個(gè)局部臨界滑動(dòng)面（最危險(xiǎn)滑動(dòng)面）使它在極小安全系數(shù)下的極大剩余推力為零。求解某出口的局部危險(xiǎn)滑動(dòng)面，只須先求解出該出口剩余推力為零的危險(xiǎn)滑動(dòng)場(chǎng)。所有出口的局部臨界滑動(dòng)面（要求全部求出）組成的場(chǎng)定義為全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)。

計(jì)算第一個(gè)出口的局部臨界滑動(dòng)場(chǎng)與CSF相似，計(jì)算下一個(gè)出口的局部臨界滑動(dòng)場(chǎng)可以前次的局部臨界滑動(dòng)場(chǎng)為初始滑動(dòng)場(chǎng)，依次向內(nèi)計(jì)算每個(gè)出口，迭代3到5次，構(gòu)成GCSF。

注意點(diǎn)：CSF是以最大的剩余推力等于零為目標(biāo)求出邊坡整體臨界狀態(tài)下的安全系數(shù)，GCSF依次從每個(gè)出口出發(fā)，使其對(duì)應(yīng)的剩余推力均等于零。

前一步計(jì)算得到的值作為后一個(gè)計(jì)算的設(shè)定值，迭代次數(shù)一般不超過5次。每步都只要計(jì)算一次DSF（次危險(xiǎn)滑動(dòng)場(chǎng)）。

3 功能實(shí)現(xiàn)

本軟件提供文本導(dǎo)入、圖形繪制、表單輸入，這三種輸入邊坡信息的方式，便于用戶上手使用；一個(gè)邊坡草圖，可以建立最多十個(gè)分析文件，運(yùn)用不同的算法進(jìn)行計(jì)算，并可將結(jié)果集進(jìn)行比較；計(jì)算前提供檢驗(yàn)功能，便于用戶在計(jì)算前對(duì)邊坡信息進(jìn)行修改確認(rèn)；計(jì)算結(jié)果以主圖顯示、條塊信息彈框、滑面信息彈框、曲線對(duì)比圖、多分析文件對(duì)比圖、導(dǎo)出報(bào)告等多種形式呈現(xiàn)，讓用戶全面的觀察及分析邊坡穩(wěn)定性參數(shù)，輔助穩(wěn)定性結(jié)論的歸納。具體功能介紹如下。

3.1 繪坡及計(jì)算

（1）新建一個(gè)工程例圖：畫坡面線，并完成行地層分割。

（2）給地層分配材質(zhì)：配置地層具體參數(shù)值，用戶根據(jù)需要自行更改。然后通過右側(cè)“參數(shù)設(shè)置-地層”一欄，給每一層附參數(shù)，即更改對(duì)應(yīng)材質(zhì)一列的選值。

（3）選擇分析方法：選中“分析文件”，如圖3中A標(biāo)注。在“參數(shù)設(shè)置”的“基本”選項(xiàng)卡中，進(jìn)行參數(shù)的配置。

（4）檢驗(yàn)：在“計(jì)算”之前可以先進(jìn)行校驗(yàn)，看是否滿足計(jì)算條件。也可以直接點(diǎn)擊“單分析文件計(jì)算”按鈕，或菜單“分析”中“單分析文件計(jì)算”完成計(jì)算。多個(gè)分析文件可選擇所有分析文件同時(shí)計(jì)算，太多可能速度會(huì)慢些。

（5）計(jì)算：計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

3.2 查看計(jì)算結(jié)果信息

（1）查看危險(xiǎn)滑面對(duì)應(yīng)的條塊信息。（如圖4）

（2）查看對(duì)應(yīng)的所有滑面信息。

（3）查看相關(guān)曲線圖。

4 結(jié)束語

本軟件是江蘇三恒科技股份有限公司巖土事業(yè)部與合肥工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)。這是市場(chǎng)上首款提供臨界滑動(dòng)場(chǎng)算法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的軟件，為填補(bǔ)邊坡工程行業(yè)的空缺，更好的分析及計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。在合工大專家的指導(dǎo)下，本軟件算法部分已測(cè)試無誤，可以運(yùn)用于實(shí)際場(chǎng)景。本軟件今年6月完成驗(yàn)收，投入試用，用戶反饋良好。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)春（1963-），男，江蘇常州人，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槊旱V井下傳感器、數(shù)據(jù)采集分站及安全監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)等。