摘 要：邊坡穩(wěn)定性分析軟件是一款用于評估邊坡滑面的穩(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；利用全局臨界滑動場（GCSF）的概念計(jì)算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)并確定最危險滑動面；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)果對比，軟件可輸出專業(yè)分析報告。本軟件主要使用全局臨界滑動場（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面位置和安全系數(shù)，評價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；全局臨界滑動場（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)算方法和臨界滑動面的搜索方法，并且?guī)讉€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)算簡單，但實(shí)際滑面很多不能用圓弧滑面近似，這時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）臨界滑動場法評價邊坡局部與整體穩(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)最小的滑動面，而是找一定安全系數(shù)下剩余推力最大的滑動面。邊坡臨界滑動場計(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)了用全局臨界滑動場法進(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（簡稱“CSF軟件”）是一款用于評估邊坡滑面的穩(wěn)定性、指導(dǎo)用戶進(jìn)行加固的專業(yè)分析軟件。CSF軟件對邊坡點(diǎn)上的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到每個采樣點(diǎn)的坐標(biāo)以及對應(yīng)的穩(wěn)定性安全系數(shù)；并輸出最小的安全性系數(shù)，同時處理出可能產(chǎn)生的滑坡的滑面，對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，并對用戶提出加固方式的建議。此外還可對加固后的滑面進(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個獨(dú)立算法的插件模型，各個算法繼承于“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，方便各個模塊進(jìn)行調(diào)用。用戶只需完成簡單的界面輸入及基本操作，及可得到對應(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)算過程對用戶隱藏。

2.2 全局臨界滑動場算法（GCSF）概述

邊坡臨界滑動場基本的核心思想：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場的數(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滑動面就是邊坡臨界滑動面，此時的滑動場定義為邊坡臨界滑動場（簡稱CSF）。

2.3 全局臨界滑動場算法（GCSF）實(shí)現(xiàn)

對于每一個出口，總存在一個局部臨界滑動面（最危險滑動面）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滑動面，只須先求解出該出口剩余推力為零的危險滑動場。所有出口的局部臨界滑動面（要求全部求出）組成的場定義為全局臨界滑動場。

計(jì)算第一個出口的局部臨界滑動場與CSF相似，計(jì)算下一個出口的局部臨界滑動場可以前次的局部臨界滑動場為初始滑動場，依次向內(nèi)計(jì)算每個出口，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依次從每個出口出發(fā)，使其對應(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（次危險滑動場）。

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；一個邊坡草圖，可以建立最多十個分析文件，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、曲線對比圖、多分析文件對比圖、導(dǎo)出報告等多種形式呈現(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。多個分析文件可選擇所有分析文件同時計(jì)算，太多可能速度會慢些。

（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）查看危險滑面對應(yīng)的條塊信息。（如圖4）

（2）查看對應(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)。這是市場上首款提供臨界滑動場算法計(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試無誤，可以運(yùn)用于實(shí)際場景。本軟件今年6月完成驗(yàn)收，投入試用，用戶反饋良好。

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作者簡介：嚴(yán)春（1963-），男，江蘇常州人，本科，高級工程師，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。