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(tǒng)的削方減載設(shè)計過程繁瑣，必須首先假定方案，經(jīng)過多次驗算合格后才能繼續(xù)執(zhí)行方案，否則循環(huán)地一次又一次重復(fù)試算。為了優(yōu)化削方減載設(shè)計過程，筆者進(jìn)行了深入的研究。本文將列出國內(nèi)外解決削方減載快速優(yōu)化問題的若干成果，并根據(jù)我國目前削方減載設(shè)計現(xiàn)狀，給出縮短設(shè)計周期，提高效率的具體措施。

【關(guān)鍵詞】滑坡；削方減載；優(yōu)化設(shè)計

滑坡和地震等自然災(zāi)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(zāi)害研究。由于我國大部分領(lǐng)土都是山區(qū)，滑坡發(fā)生頻率相對高。為了避免國家和人民的生命安全和財產(chǎn)不受滑坡災(zāi)害的影響，削方減載得到了廣泛的認(rèn)可。但是目前我國采用的削方減載設(shè)計方法必須經(jīng)過多次試算檢驗后方可投入使用，無疑增加了設(shè)計的復(fù)雜程度，并且設(shè)計效率得不到保障，可見實現(xiàn)削方減載的快速優(yōu)化設(shè)計勢在必行。

1 滑坡穩(wěn)定性分析

1.1 滑坡穩(wěn)定性分析方法

為了更加方便地對削方減載設(shè)計進(jìn)行評估，應(yīng)當(dāng)明確滑坡穩(wěn)定性的分析方法。通常常用的滑坡穩(wěn)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(chǔ)上的，該方法關(guān)注邊坡穩(wěn)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(zhì)體的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，參考其演化歷史，然后定性地給出穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展的說明及解釋。定性分析方法經(jīng)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(xué)模型試驗對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。近年來隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的研究依靠巖體力學(xué)模型完成，通過有限元計算可以確保高精度的穩(wěn)定性分析，這種基于穩(wěn)定性分析方法和理論計算的研究手段在學(xué)術(shù)界有重要意義。

上述定性分析方法建立在數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上，對于具體的工程設(shè)計指導(dǎo)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(dǎo)。該分析方法主要包括極限平衡方法和數(shù)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(jì)才逐漸投入使用，借助平衡、幾何、本構(gòu)三個方程以及相應(yīng)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(fù)雜的邊坡情況，多依靠動態(tài)力學(xué)解決問題。

1.2 滑坡穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ)

滑坡穩(wěn)定性分析主要依靠由庫倫和郎肯的理論逐漸發(fā)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(yīng)的簡化過程，將靜不定問題轉(zhuǎn)變?yōu)殪o定可解問題。這種極限平衡法雖然在嚴(yán)謹(jǐn)性上做出了妥協(xié)，但是對最終結(jié)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(fā)展，邊坡穩(wěn)定性分析達(dá)到了新的層面，以往無法確保的嚴(yán)密性問題也得到了解決。

2 削方減載設(shè)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(shù)法和簡化畢肖普三種計算方法。三種計算方法主要區(qū)別于假設(shè)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(shè)條件是把滑動面當(dāng)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(jié)果顯示，并且計算方法簡單易懂，但是穩(wěn)定系數(shù)被確定在一定范圍內(nèi)，僅適用于均質(zhì)土坡。

傳遞系數(shù)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(fù)值，此時的力學(xué)分析建立在各分塊力平衡的基礎(chǔ)上，并且充分考慮了滑面上的剪力作用。傳遞系數(shù)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(shè)滑動面是圓弧的。但是此方法的力學(xué)分析是建立在整體力矩平衡和靜力平衡的基礎(chǔ)上，并且要求條件垂向作用力為零。

3 削方減載優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

為了優(yōu)化削方減載設(shè)計，可以依靠MAPGIS來實現(xiàn)，MAPGIS為用戶提供功能強大的二次開發(fā)庫，可以通過MAPGIS實現(xiàn)不同領(lǐng)域的應(yīng)用程序。MAPGIS組件關(guān)系中數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換組件、圖例管理組件等都單獨與數(shù)據(jù)管理組件一對一的數(shù)據(jù)傳輸。為了成功實現(xiàn)削方減載設(shè)計的二次開發(fā)，應(yīng)當(dāng)對工作區(qū)的邏輯結(jié)構(gòu)和相關(guān)操作函數(shù)有足夠了解。

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計受MAPGIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)影響，通常在MAPGIS中把工作區(qū)劃分成點、線、區(qū)、網(wǎng)、表這五種不同類型，他們對應(yīng)的文件都不相同，而且對應(yīng)相應(yīng)的實體類型，這就決定不同工作區(qū)所使用的操作函數(shù)不盡相同。MAPGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)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(yīng)不同的序號。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(wěn)定性計算的已知調(diào)校。

3.2 穩(wěn)定性計算程序

穩(wěn)定性計算程序由瑞典法程序、傳遞系數(shù)法程序和簡化畢肖普法程序?qū)崿F(xiàn)。

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

傳遞系數(shù)法程序不同于瑞典法主要是計算出循環(huán)試算穩(wěn)定系數(shù)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?qū)祷厝ダ^續(xù)計算循環(huán)試算穩(wěn)定系數(shù)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(huán)迭代求的穩(wěn)定系數(shù)K作為代入穩(wěn)定系數(shù)K=1，然后計算出穩(wěn)定系數(shù)K，如果計算穩(wěn)定系數(shù)相對代入穩(wěn)定系數(shù)的增長率小于千分之一，則會顯示穩(wěn)定系數(shù)K，否則將循環(huán)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(chǔ)理論是流體力學(xué)，但最先用于固體力學(xué)，隨后用于研究單個流體質(zhì)點各運動參數(shù)隨時間的變化。使用該方法要對所研究的對象劃分網(wǎng)格，依據(jù)拉格朗日法觀察網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(jié)論

將GIS技術(shù)用于傳統(tǒng)的削方減載設(shè)計將會大幅提升設(shè)計效率，并且憑借GIS的友好操作界面和可視化操作環(huán)境，可以更加直觀地進(jìn)行削方減載設(shè)計。由于地質(zhì)勘查報告多采用DWG格式的附圖，MAPGIS可以非常方便地進(jìn)行操作。根據(jù)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(jìn)行穩(wěn)定性計算，可以使計算效率大大提高。未來的優(yōu)化設(shè)計可以考慮使用3D-GIS，可以使設(shè)計在三維可視的條件下進(jìn)行，對不同地形和地質(zhì)將有更加直觀的感受。

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