滑坡削方減載快速優(yōu)化設(shè)計(jì)

揭晶

【摘要】為了加強(qiáng)滑坡整治工作，削方減載在近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。傳統(tǒng)的削方減載設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣，必須首先假定方案，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)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(jì)過(guò)程，筆者進(jìn)行了深入的研究。本文將列出國(guó)內(nèi)外解決削方減載快速優(yōu)化問(wèn)題的若干成果，并根據(jù)我國(guó)目前削方減載設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，給出縮短設(shè)計(jì)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(jì)

滑坡和地震等自然災(zāi)害一樣，對(duì)人的生命安全造成威脅，早在100年以前人類(lèi)就開(kāi)始了滑坡災(zāi)害研究。由于我國(guó)大部分領(lǐng)土都是山區(qū)，滑坡發(fā)生頻率相對(duì)高。為了避免國(guó)家和人民的生命安全和財(cái)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(guó)采用的削方減載設(shè)計(jì)方法必須經(jīng)過(guò)多次試算檢驗(yàn)后方可投入使用，無(wú)疑增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，并且設(shè)計(jì)效率得不到保障，可見(jiàn)實(shí)現(xiàn)削方減載的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)勢(shì)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(duì)削方減載設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)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(shí)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(duì)實(shí)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(shuō)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(lèi)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(yàn)對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的研究依靠巖體力學(xué)模型完成，通過(guò)有限元計(jì)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(jì)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(yàn)的基礎(chǔ)之上，對(duì)于具體的工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)性不強(qiáng)，無(wú)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(qiáng)度理論，理論通俗易懂，計(jì)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(gè)方程以及相應(yīng)的邊界條件完成對(duì)研究對(duì)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(dòng)態(tài)力學(xué)解決問(wèn)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(kù)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(gè)瞬間的受力情況。然而問(wèn)題大部分都是靜不定的。為了解決問(wèn)題就必須采用相應(yīng)的簡(jiǎn)化過(guò)程，將靜不定問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)殪o定可解問(wèn)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(duì)最終結(jié)果的影響較小，采用該方法的主要原因還是因?yàn)樵摲椒ù蟠笙鳒p計(jì)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(wú)法確保的嚴(yán)密性問(wèn)題也得到了解決。

2 削方減載設(shè)計(jì)的基本原理

借助計(jì)算機(jī)極限平衡法變得越來(lái)越成熟，其中主要采用瑞典法、傳遞系數(shù)法和簡(jiǎn)化畢肖普三種計(jì)算方法。三種計(jì)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(zhǎng)的計(jì)算原理，假設(shè)條件是把滑動(dòng)面當(dāng)做圓弧，并且不考慮各個(gè)條間的作用力。該方法對(duì)于圓弧形滑坡有較精確的結(jié)果顯示，并且計(jì)算方法簡(jiǎn)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(shí)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(jiǎn)化畢肖普法同瑞典法一樣，假設(shè)滑動(dòng)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(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

為了優(yōu)化削方減載設(shè)計(jì)，可以依靠MAPGIS來(lái)實(shí)現(xiàn)，MAPGIS為用戶(hù)提供功能強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)庫(kù)，可以通過(guò)MAPGIS實(shí)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(dú)與數(shù)據(jù)管理組件一對(duì)一的數(shù)據(jù)傳輸。為了成功實(shí)現(xiàn)削方減載設(shè)計(jì)的二次開(kāi)發(fā)，應(yīng)當(dāng)對(duì)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(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)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(diǎn)、線(xiàn)、區(qū)、網(wǎng)、表這五種不同類(lèi)型，他們對(duì)應(yīng)的文件都不相同，而且對(duì)應(yīng)相應(yīng)的實(shí)體類(lèi)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(shí)的最小單位稱(chēng)為空間實(shí)體，一類(lèi)實(shí)體中有2048M的個(gè)體，并且不同個(gè)體對(duì)應(yīng)不同的序號(hào)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)算，可以獲取穩(wěn)定性計(jì)算的已知調(diào)校。

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算程序

穩(wěn)定性計(jì)算程序由瑞典法程序、傳遞系數(shù)法程序和簡(jiǎn)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(zhǎng)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(guò)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(lái)將地層、水位和條分這三個(gè)文件進(jìn)行空間疊加分析，計(jì)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(jì)算出循環(huán)試算穩(wěn)定系數(shù)K之后還需要驗(yàn)證下滑推力是否大于0或者k=10.001，如果不滿(mǎn)足，程序?qū)?huì)返回去繼續(xù)計(jì)算循環(huán)試算穩(wěn)定系數(shù)k，直至滿(mǎn)足大于0或者k=10.001的條件為止。

簡(jiǎn)化畢肖普法的程序則是把瑞典法中通過(guò)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(jì)算出穩(wěn)定系數(shù)K，如果計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)代入穩(wěn)定系數(shù)的增長(zhǎng)率小于千分之一，則會(huì)顯示穩(wěn)定系數(shù)K，否則將循環(huán)運(yùn)算。

最后還要補(bǔ)充說(shuō)明次級(jí)滑動(dòng)驗(yàn)算，該驗(yàn)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(gè)流體質(zhì)點(diǎn)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化。使用該方法要對(duì)所研究的對(duì)象劃分網(wǎng)格，依據(jù)拉格朗日法觀(guān)察網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。次級(jí)滑動(dòng)驗(yàn)算對(duì)于求解非線(xiàn)性問(wèn)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(jì)將會(huì)大幅提升設(shè)計(jì)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(guān)地進(jìn)行削方減載設(shè)計(jì)。由于地質(zhì)勘查報(bào)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(duì)除了滑坡以外更多工況都可以進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，可以使計(jì)算效率大大提高。未來(lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以考慮使用3D-GIS，可以使設(shè)計(jì)在三維可視的條件下進(jìn)行，對(duì)不同地形和地質(zhì)將有更加直觀(guān)的感受。

【參考文獻(xiàn)】

[1]韓西平.滑坡治理方法及工程實(shí)例分析[J].地下水，2010，32（6）：134-135.

[2]黃小平，王德富，胡敏等.某公路大型滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及治理方案設(shè)計(jì)[J].公路，2012，（5）：99-103.

[3]郭長(zhǎng)寶，周能娟，付曉曉等.云南騰沖地區(qū)粘土質(zhì)硅藻土公路滑坡形成機(jī)理與防治優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].地質(zhì)通報(bào)，2013，32（12）：2021-2030.