滑坡削方减载快速优化设计

揭晶

【摘要】为了加强滑坡整治工作，削方减载在近年来得到了越来越广泛的运用。传统的削方减载设计过程繁琐，必须首先假定方案，经过多次验算合格后才能继续执行方案，否则循环地一次又一次重复试算。为了优化削方减载设计过程，笔者进行了深入的研究。本文将列出国内外解决削方减载快速优化问题的若干成果，并根据我国目前削方减载设计现状，给出缩短设计周期，提高效率的具体措施。

【关键词】滑坡；削方减载；优化设计

滑坡和地震等自然灾害一样，对人的生命安全造成威胁，早在100年以前人类就开始了滑坡灾害研究。由于我国大部分领土都是山区，滑坡发生频率相对高。为了避免国家和人民的生命安全和财产不受滑坡灾害的影响，削方减载得到了广泛的认可。但是目前我国采用的削方减载设计方法必须经过多次试算检验后方可投入使用，无疑增加了设计的复杂程度，并且设计效率得不到保障，可见实现削方减载的快速优化设计势在必行。

1 滑坡稳定性分析

1.1 滑坡稳定性分析方法

为了更加方便地对削方减载设计进行评估，应当明确滑坡稳定性的分析方法。通常常用的滑坡稳定性分析方法包括定性分析方法、定量分析方法和非确定性分析方法。

定性分析方法是建立在完成了实地考察的基础上的，该方法关注边坡稳定性，并且深度剖析边坡变形破坏方式，对实际存在的边坡地质体的产生原因进行分析，参考其演化历史，然后定性地给出稳定状态发展的说明及解释。定性分析方法经常分为自然历史分析法、工程类比法、SMR法、几何图解法和物理模型法。其中物理模拟法是依靠岩体力学模型试验对工程结构进行研究。近年来随着计算机技术的快速发展，越来越多的研究依靠岩体力学模型完成，通过有限元计算可以确保高精度的稳定性分析，这种基于稳定性分析方法和理论计算的研究手段在学术界有重要意义。

上述定性分析方法建立在数量庞大的数据和工程经验的基础之上，对于具体的工程设计指导性不强，无法确保量上的精确。定量分析方法能够提供量化的指导。该分析方法主要包括极限平衡方法和数值分析方法两种。前者相比后者而言更加成熟，该方法基本原理是抗剪强度理论，理论通俗易懂，计算方法容易掌握。后者则在本世纪才逐渐投入使用，借助平衡、几何、本构三个方程以及相应的边界条件完成对研究对象的分析。

非确定性分析方法则主要适用于情况复杂的边坡情况，多依靠动态力学解决问题。

1.2 滑坡稳定性分析的理论基础

滑坡稳定性分析主要依靠由库伦和郎肯的理论逐渐发展成为的极限平衡法。极限平衡法研究某个瞬间的受力情况。然而问题大部分都是静不定的。为了解决问题就必须采用相应的简化过程，将静不定问题转变为静定可解问题。这种极限平衡法虽然在严谨性上做出了妥协，但是对最终结果的影响较小，采用该方法的主要原因还是因为该方法大大削减计算工作量。随着有限元分析方法的发展，边坡稳定性分析达到了新的层面，以往无法确保的严密性问题也得到了解决。

2 削方减载设计的基本原理

借助计算机极限平衡法变得越来越成熟，其中主要采用瑞典法、传递系数法和简化毕肖普三种计算方法。三种计算方法主要区别于假设条件和使用范围。

其中瑞典法是使用年限最长的计算原理，假设条件是把滑动面当做圆弧，并且不考虑各个条间的作用力。该方法对于圆弧形滑坡有较精确的结果显示，并且计算方法简单易懂，但是稳定系数被确定在一定范围内，仅适用于均质土坡。

传递系数法要求作用力合力方向和滑面方向相同，条件作用力合力为负值，此时的力学分析建立在各分块力平衡的基础上，并且充分考虑了滑面上的剪力作用。传递系数法适用于任意形状的滑面滑坡，但是倾角不能太陡。

简化毕肖普法同瑞典法一样，假设滑动面是圆弧的。但是此方法的力学分析是建立在整体力矩平衡和静力平衡的基础上，并且要求条件垂向作用力为零。

3 削方减载优化设计系统的开发与实现

为了优化削方减载设计，可以依靠MAPGIS来实现，MAPGIS为用户提供功能强大的二次开发库，可以通过MAPGIS实现不同领域的应用程序。MAPGIS组件关系中数据管理组件作为中心，其他组件例如空间分析组件、DTM分析组件、投影转换组件、图例管理组件等都单独与数据管理组件一对一的数据传输。为了成功实现削方减载设计的二次开发，应当对工作区的逻辑结构和相关操作函数有足够了解。

3.1 系统数据库设计

系统数据库设计受MAPGIS数据结构影响，通常在MAPGIS中把工作区划分成点、线、区、网、表这五种不同类型，他们对应的文件都不相同，而且对应相应的实体类型，这就决定不同工作区所使用的操作函数不尽相同。MAPGIS进行数据操作时的最小单位称为空间实体，一类实体中有2048M的个体，并且不同个体对应不同的序号。

系统数据库可以分为“XPTKB”和“WDXJSB”两种表格，前者用于记录图形的属性，后者主要用于计算，可以获取稳定性计算的已知调校。

3.2 稳定性计算程序

稳定性计算程序由瑞典法程序、传递系数法程序和简化毕肖普法程序实现。

瑞典法首先将滑面的倾斜角和长度进行记录，然后把这些力学参数逐一输入到地层文件之中。并通过水位文件设定水位，选择滑坡工况，在条块中输入不同滑面段的内聚力和内摩擦角。接下来将地层、水位和条分这三个文件进行空间叠加分析，计算出条块的重量，借助循环迭代法求出稳定性系数K。

传递系数法程序不同于瑞典法主要是计算出循环试算稳定系数K之后还需要验证下滑推力是否大于0或者k=10.001，如果不满足，程序将会返回去继续计算循环试算稳定系数k，直至满足大于0或者k=10.001的条件为止。

简化毕肖普法的程序则是把瑞典法中通过循环迭代求的稳定系数K作为代入稳定系数K=1，然后计算出稳定系数K，如果计算稳定系数相对代入稳定系数的增长率小于千分之一，则会显示稳定系数K，否则将循环运算。

最后还要补充说明次级滑动验算，该验算方法采用的是FLAC法，基础理论是流体力学，但最先用于固体力学，随后用于研究单个流体质点各运动参数随时间的变化。使用该方法要对所研究的对象划分网格，依据拉格朗日法观察网络节点的运动。次级滑动验算对于求解非线性问题有重要意义。

4 结论

将GIS技术用于传统的削方减载设计将会大幅提升设计效率，并且凭借GIS的友好操作界面和可视化操作环境，可以更加直观地进行削方减载设计。由于地质勘查报告多采用DWG格式的附图，MAPGIS可以非常方便地进行操作。根据不同情形选用不同的极限平衡方法，针对除了滑坡以外更多工况都可以进行稳定性计算，可以使计算效率大大提高。未来的优化设计可以考虑使用3D-GIS，可以使设计在三維可视的条件下进行，对不同地形和地质将有更加直观的感受。

【参考文献】

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

[2]黄小平，王德富，胡敏等.某公路大型滑坡稳定性评价及治理方案设计[J].公路，2012，（5）：99-103.

[3]郭长宝，周能娟，付晓晓等.云南腾冲地区粘土质硅藻土公路滑坡形成机理与防治优化设计[J].地质通报，2013，32（12）：2021-2030.