一種新的滑坡穩(wěn)定性計算軟件的結構設計

王康年，王 云，黃 燁，吳文剛，楊秋平

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局101地質(zhì)大隊，貴州 凱里 556000)

滑坡穩(wěn)定性評價，是在對地質(zhì)體充分認識的基礎上，通過對滑坡作用機理的研究，從而得出的定性和定量評價結果(宣世進 等，2009)?；路€(wěn)定性定量評價，通常稱為滑坡穩(wěn)定性計算，是在定性分析的基礎上，通過定量計算后人為判斷滑坡是否穩(wěn)定，同時為滑坡防治工程設計與施工推薦必要的巖土體物理力學參數(shù)指標值。

“滑坡穩(wěn)定性計算”計算主要有極限平衡法和數(shù)值分析法，在建設、水利、自然資源幾大行業(yè)的勘查設計單位中應用最廣的、比較成熟的、并被國家標準或行業(yè)規(guī)范引用的，主要還是極限平衡法，如瑞典(Fellenius)法、傳遞系數(shù)法、詹布(Janbu)法、比肖普(Bishop)法、摩根斯坦-普賴斯(Morgenstern-Price)法等。

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外呈現(xiàn)的滑坡穩(wěn)定性計算軟件頗多，特別是二十一世紀以來，國內(nèi)科研院所或勘查設計單位都有所研究并取得成果(許強 等，2000；劉華軍，2004；李長冬 等，2006；劉鵬 等，2006；徐洪恩 等，2007；陸柏樹 等，2007；盧清，2009；雷育賓 等， 2015)，其中代表性的有國外的Geo-slope、成都理工大學的Slope-CAD(許強 等，2000)、理正公司系列邊坡穩(wěn)定性分析軟件、殷躍平的GEOHZD、李長冬的Slope Designer(李長冬 等，2006)、林樞的邊坡計算SlopeLE 等。但多數(shù)軟件或模塊因價格較昂貴，數(shù)據(jù)錄入界面復雜或功能(算法)較單一，尤其在以生產(chǎn)任務為主的勘查設計單位仍然未得到普及應用，甚至還有單位仍在使用純手工或Excel表格計算。

“滑坡穩(wěn)定性計算”系筆者自主開發(fā)的“地質(zhì)測量計算機數(shù)據(jù)處理及輔助成圖系統(tǒng)”(簡稱“地質(zhì)測量”)軟件中的一個功能模塊，目前集成了適用于巖、土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性計算的瑞典(Fellenius)法、傳遞系數(shù)法、比肖普(Bishop)法、詹布(Janbu)法、二維塊體極限平衡法和C、φ值反演計算，幾種算法原始數(shù)據(jù)可相互導入用于驗算或研究，通過筆者等承擔的滑坡勘查項目和科研項目不斷實踐和修改完善，軟件界面簡單直觀，有計算過程和結論，可直接插入到勘查或研究成果中佐證，原始數(shù)據(jù)采集多樣化，節(jié)省工作時間，提高計算工作效率。

1 軟件架構與設計思路

1.1 架構及總體思路

“滑坡穩(wěn)定性計算”模塊是基于微軟公司W(wǎng)indows系統(tǒng)開發(fā)，采用Visual Basic 6.0編程語言，數(shù)據(jù)采集多樣性并可直接在AutoCAD繪制的計算模型中讀入條塊面積及滑面傾角、長度數(shù)據(jù)。模塊架構及總體思路如圖1。

圖1 模塊架構及總體思路圖Fig.1 The module structure and overall thought

1.2 界面設計與VB主要控件使用

軟件界面設計，筆者耗費較長時間并廣泛征求意見，在項目實踐中多次調(diào)整。

Visual Basic為用戶提供了豐富的控件，“滑坡穩(wěn)定性計算”模塊只設計一個窗口，通過SSTab控件來切換不同計算方法，條塊面積、滑面長度、傾角等變量輸入和各條塊的計算過程、結果顯示采用MSFlexGrid表格控件，土體重度、C值、φ值等單一變量在TextBox控件中輸入，綜合水平地震系數(shù)通過ComboBox控件的地震烈度直接得出。如圖2，采用一個窗口全部展示一種算法的原始數(shù)據(jù)、計算過程、計算結果，簡單直觀、易讀、易驗，有別于前述代表性軟件，用Alt + PrScrn組合鍵截屏當前軟件窗口直接插入到成果報告中(圖2)。

圖2 軟件窗口設計(瑞典法)Fig.2 Design of software window(Fellenius)

Bishop法與Janbu法設計共用一個界面(圖8)，通過右下角ComboBox控件下拉選擇。

同時，采用Picture控件顯示該算法的力學簡圖和計算公式，便于用戶參考學習。

1.3 菜單設計

幾種算法共用主菜單，以減少控件和編程語言量，目前有文件、編輯表格和條塊數(shù)據(jù)導出三個主菜單。

“文件”主菜單包括打開文本文件、打開CAD文件、保存數(shù)據(jù)和退出子菜單(圖3)。

圖3 “文件”菜單Fig.3 Document menu

“編輯表格”主菜單包括新建表格、增加一行、刪除一行、調(diào)整至適合高度和清空計算結果子菜單(圖4)。“調(diào)整至適合高度”子菜單為計算模型條塊數(shù)量較少，表格空白較多時，用于自動調(diào)整表格行高美化界面。

“條塊數(shù)據(jù)導出”主菜單(圖5)用于當前算法原始數(shù)據(jù)導入到其它算法表格中。

1.4 采集數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)

采集數(shù)據(jù)包括各條塊數(shù)據(jù)、巖土體物理參數(shù)、地震參數(shù)等原始數(shù)據(jù)，特別是條塊的面積、滑面長度和傾角、地下水位線至滑面高度、地下水位線傾角，劃分條塊越多輸入的工作量就越大。

如圖2，自重+暴雨工況下，表格中的紅色字體列(如條塊面積、滑面長度、滑面傾角)為必輸項，這些數(shù)據(jù)可通過全手動逐一輸入、打開AutoCAD模型讀取、打開已有txt文件、從其它算法中導入共四種輸入方式，后三種可節(jié)省時間提高效率，其中打開AutoCAD模型可一次性讀入單個條塊的面積、滑面長度、滑面傾角、地下水位線至滑面高度、地下水位線傾角數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)保存為txt文本文件。設計的軟件窗體可直接作為成果插圖或附件，保存的數(shù)據(jù)格式不再考慮其它格式。

1.5 AutoCAD計算模型繪制要求

每一種算法的計算剖面模型，是在實測工程地質(zhì)剖面圖的基礎上合理劃分計算條塊，需要綜合考慮滑面形態(tài)、地形線起伏形態(tài)、地下水位線、滑體土層分層等諸多因素，受人為感性認識干擾大，目前專家學者尚未得出更合理的解決方案。

如圖6，在AutoCAD中繪制計算剖面模型要點如下：

圖6 土質(zhì)滑坡計算模型條塊繪制示意圖Fig.6 Drawing diagram of slope-mass landslide calculation model slice

1)基本條塊：底至滑面、頂至地形線，由高至低沿滑面開始繪制閉合多段線。

2)地下水位之下條塊：底至滑面、頂至地下水位線，由高至低沿地下水位線繪制閉合的三邊或四邊形多段線。

滿足上述繪制要求，輸入模型比例尺后，軟件能直接從AutoCAD中讀入條塊面積、滑面長度和傾角、地下水位線至滑面高度、地下水位線傾角，這也是計算中工作量大而繁雜的部分。

2 應用實例

以下以圖6、圖8兩地土質(zhì)滑坡的計算剖面模型為例，暫不考慮是否適合哪種算法，用不同算法進行驗算比較。

圖7 傳遞系數(shù)法計算結果及界面

圖8 圓弧形滑面土質(zhì)滑坡模型Fig.8 Slope-mass landslide model of Circular curved sliding surface

2.1 傳遞系數(shù)法

最新版《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330，2013)和《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864，2016)，對于拆線形滑動面的土質(zhì)、巖質(zhì)滑坡(邊坡)，采用傳遞系數(shù)法計算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)和推力。

傳遞系數(shù)法又稱拆線法，是驗算山區(qū)土層沿巖面滑動最常用的穩(wěn)定性驗算法(殷躍平 等，2018)。圖6為自重+地下水工況，系滑面總長為79.54 m的小型滑坡，計算結果如圖7和表1。

表1 不同算法結果對比表

2.2 Bishop法

GB 50330和GB/T 32864對于圓弧形滑面的土質(zhì)滑坡(邊坡)，采用畢肖普(Bishop)法進行滑坡穩(wěn)定性系數(shù)和推力計算。

Bishop法忽略了條間切向力，比瑞典法更為合理(殷躍平 等，2018)。

圖8實例為自重+暴雨工況，系滑面總長為21.05 m的小滑坡，計算結果如圖2、圖9和表1，首次假定穩(wěn)定性系數(shù)取1開始，一般迭代3次即可。

圖9 Bishop法計算結果及界面

2.3 幾種算法結果比較

同一土質(zhì)滑坡，分別采用四種算法進行對比驗證如表1，計算出的穩(wěn)定性系數(shù)、剩余下滑力差異較大，系計算條件不同產(chǎn)生，取決于計算剖面模型適合于哪種計算條件。

結合項目實際，通過表1結果進行比較：

1)圖6計算模型，瑞典法得出的穩(wěn)定性系數(shù)1.046較大，Bishop、Janbu法得出的穩(wěn)定性系數(shù)1.225、1.270偏大，安全系數(shù)同樣取1.2時Bishop法剩余下滑力123.44 KN/m過小。因此，傳遞系數(shù)法結果比較符合實際。

2)圖8計算模型，瑞典法、傳遞系數(shù)法、Janbu法得出的穩(wěn)定性系數(shù)均偏大，安全系數(shù)同樣取1.2時剩余下滑力又都偏小。因此，采用Bishop法比較符合實際。

實際工作中，一定的地質(zhì)環(huán)境條件具有不確定性因素，加之巖土體本身內(nèi)部的強度系數(shù)、密度、孔隙水壓力和各種結構面等變化大，目前上述算法幾乎無一例外都是采用近似方法-剛體極限平衡法來研究巖土體的穩(wěn)定性(殷躍平 等，2018)，現(xiàn)實和假定的差異肯定會影響計算成果的可靠性，因此，我們應注意不同算法的適用條件，避免計算結果與實際情況不吻合。

3 結語

通過實踐，本“滑坡穩(wěn)定性計算”模塊具有一定的優(yōu)越性。

1)“地質(zhì)測量”系筆者十多年業(yè)余時間自主開發(fā)的、地質(zhì)工作常用到的系列小工具軟件集成，自2005年在因特網(wǎng)免費發(fā)布以來，無需安裝，使用方便。而“理正巖土計算”需要安裝、插狗，計算剖面模型所有數(shù)據(jù)需要逐個手動輸入。

2)軟件界面簡潔直觀，一種算法一個界面一張表格，有原始數(shù)據(jù)，有計算過程和結論，直接截屏圖片插入成果中作為佐證?！袄碚龓r土計算”“邊坡計算SlopeLE”表格較多反映不太直觀。

3)智能化程度較高，數(shù)據(jù)采集多樣性，可從AutoCAD中自動讀取剖面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存方便可重復使用。而“理正巖土計算”不能從AutoCAD計算剖面模型中自動讀取剖面數(shù)據(jù)。

4)集成多種算法，數(shù)據(jù)相互導入方便，利于使用不同算法驗算或研究。而“理正巖土計算”“邊坡計算SlopeLE”的算法相對較少。

同時，筆者等水平有限，軟件仍然存在諸多缺陷：

1)尚未考慮水下滑坡算法。

2)自動讀取AutoCAD計算模型數(shù)據(jù)時，對于需要劃分條塊越多、分層多的滑坡體實現(xiàn)智能化程度且不足，未考慮自動劃分條塊算法。

3)土質(zhì)滑坡自動搜索圓弧滑動面算法待完成。

4)Morgenstern-Price法算法較復雜，目前規(guī)范未給出標準的計算公式，待完成。

希望通過不斷實踐和征求廣大專家學者、同行的寶貴意見建議，今后加以改進和更新。