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(kāi)發(fā)局101地質(zhì)大隊(duì)，貴州 凱里 556000)

滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，是在對(duì)地質(zhì)體充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)滑坡作用機(jī)理的研究，從而得出的定性和定量評(píng)價(jià)結(jié)果(宣世進(jìn) 等，2009)?；路€(wěn)定性定量評(píng)價(jià)，通常稱為滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，是在定性分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)定量計(jì)算后人為判斷滑坡是否穩(wěn)定，同時(shí)為滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工推薦必要的巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)值。

“滑坡穩(wěn)定性計(jì)算”計(jì)算主要有極限平衡法和數(shù)值分析法，在建設(shè)、水利、自然資源幾大行業(yè)的勘查設(shè)計(jì)單位中應(yīng)用最廣的、比較成熟的、并被國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外呈現(xiàn)的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算軟件頗多，特別是二十一世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)科研院所或勘查設(shè)計(jì)單位都有所研究并取得成果(許強(qiáng) 等，2000；劉華軍，2004；李長(zhǎng)冬 等，2006；劉鵬 等，2006；徐洪恩 等，2007；陸柏樹(shù) 等，2007；盧清，2009；雷育賓 等， 2015)，其中代表性的有國(guó)外的Geo-slope、成都理工大學(xué)的Slope-CAD(許強(qiáng) 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(zhǎng)冬的Slope Designer(李長(zhǎng)冬 等，2006)、林樞的邊坡計(jì)算SlopeLE 等。但多數(shù)軟件或模塊因價(jià)格較昂貴，數(shù)據(jù)錄入界面復(fù)雜或功能(算法)較單一，尤其在以生產(chǎn)任務(wù)為主的勘查設(shè)計(jì)單位仍然未得到普及應(yīng)用，甚至還有單位仍在使用純手工或Excel表格計(jì)算。

“滑坡穩(wěn)定性計(jì)算”系筆者自主開(kāi)發(fā)的“地質(zhì)測(cè)量計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理及輔助成圖系統(tǒng)”(簡(jiǎn)稱“地質(zhì)測(cè)量”)軟件中的一個(gè)功能模塊，目前集成了適用于巖、土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性計(jì)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(jì)算，幾種算法原始數(shù)據(jù)可相互導(dǎo)入用于驗(yàn)算或研究，通過(guò)筆者等承擔(dān)的滑坡勘查項(xiàng)目和科研項(xiàng)目不斷實(shí)踐和修改完善，軟件界面簡(jiǎn)單直觀，有計(jì)算過(guò)程和結(jié)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(shí)間，提高計(jì)算工作效率。

1 軟件架構(gòu)與設(shè)計(jì)思路

1.1 架構(gòu)及總體思路

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

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

1.2 界面設(shè)計(jì)與VB主要控件使用

軟件界面設(shè)計(jì)，筆者耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間并廣泛征求意見(jiàn)，在項(xiàng)目實(shí)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(jì)算”模塊只設(shè)計(jì)一個(gè)窗口，通過(guò)SSTab控件來(lái)切換不同計(jì)算方法，條塊面積、滑面長(zhǎng)度、傾角等變量輸入和各條塊的計(jì)算過(guò)程、結(jié)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(guò)ComboBox控件的地震烈度直接得出。如圖2，采用一個(gè)窗口全部展示一種算法的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算過(guò)程、計(jì)算結(jié)果，簡(jiǎn)單直觀、易讀、易驗(yàn)，有別于前述代表性軟件，用Alt + PrScrn組合鍵截屏當(dāng)前軟件窗口直接插入到成果報(bào)告中(圖2)。

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

Bishop法與Janbu法設(shè)計(jì)共用一個(gè)界面(圖8)，通過(guò)右下角ComboBox控件下拉選擇。

同時(shí)，采用Picture控件顯示該算法的力學(xué)簡(jiǎn)圖和計(jì)算公式，便于用戶參考學(xué)習(xí)。

1.3 菜單設(shè)計(jì)

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

“文件”主菜單包括打開(kāi)文本文件、打開(kāi)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(jì)算結(jié)果子菜單(圖4)?！罢{(diào)整至適合高度”子菜單為計(jì)算模型條塊數(shù)量較少，表格空白較多時(shí)，用于自動(dòng)調(diào)整表格行高美化界面。

“條塊數(shù)據(jù)導(dǎo)出”主菜單(圖5)用于當(dāng)前算法原始數(shù)據(jù)導(dǎo)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(zhǎng)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(zhǎng)度、滑面傾角)為必輸項(xiàng)，這些數(shù)據(jù)可通過(guò)全手動(dòng)逐一輸入、打開(kāi)AutoCAD模型讀取、打開(kāi)已有txt文件、從其它算法中導(dǎo)入共四種輸入方式，后三種可節(jié)省時(shí)間提高效率，其中打開(kāi)AutoCAD模型可一次性讀入單個(gè)條塊的面積、滑面長(zhǎng)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(shè)計(jì)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(jì)算模型繪制要求

每一種算法的計(jì)算剖面模型，是在實(shí)測(cè)工程地質(zhì)剖面圖的基礎(chǔ)上合理劃分計(jì)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(rèn)識(shí)干擾大，目前專家學(xué)者尚未得出更合理的解決方案。

如圖6，在AutoCAD中繪制計(jì)算剖面模型要點(diǎn)如下：

圖6 土質(zhì)滑坡計(jì)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(kāi)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(zhǎng)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(jì)算中工作量大而繁雜的部分。

2 應(yīng)用實(shí)例

以下以圖6、圖8兩地土質(zhì)滑坡的計(jì)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(jìn)行驗(yàn)算比較。

圖7 傳遞系數(shù)法計(jì)算結(jié)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(shù)規(guī)范》(GB 50330，2013)和《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864，2016)，對(duì)于拆線形滑動(dòng)面的土質(zhì)、巖質(zhì)滑坡(邊坡)，采用傳遞系數(shù)法計(jì)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(yàn)算山區(qū)土層沿巖面滑動(dòng)最常用的穩(wěn)定性驗(yàn)算法(殷躍平 等，2018)。圖6為自重+地下水工況，系滑面總長(zhǎng)為79.54 m的小型滑坡，計(jì)算結(jié)果如圖7和表1。

表1 不同算法結(jié)果對(duì)比表

2.2 Bishop法

GB 50330和GB/T 32864對(duì)于圓弧形滑面的土質(zhì)滑坡(邊坡)，采用畢肖普(Bishop)法進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性系數(shù)和推力計(jì)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(shí)例為自重+暴雨工況，系滑面總長(zhǎng)為21.05 m的小滑坡，計(jì)算結(jié)果如圖2、圖9和表1，首次假定穩(wěn)定性系數(shù)取1開(kāi)始，一般迭代3次即可。

圖9 Bishop法計(jì)算結(jié)果及界面

2.3 幾種算法結(jié)果比較

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

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，通過(guò)表1結(jié)果進(jìn)行比較：

1)圖6計(jì)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(shí)Bishop法剩余下滑力123.44 KN/m過(guò)小。因此，傳遞系數(shù)法結(jié)果比較符合實(shí)際。

2)圖8計(jì)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(shí)剩余下滑力又都偏小。因此，采用Bishop法比較符合實(shí)際。

實(shí)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(qiáng)度系數(shù)、密度、孔隙水壓力和各種結(jié)構(gòu)面等變化大，目前上述算法幾乎無(wú)一例外都是采用近似方法-剛體極限平衡法來(lái)研究巖土體的穩(wěn)定性(殷躍平 等，2018)，現(xiàn)實(shí)和假定的差異肯定會(huì)影響計(jì)算成果的可靠性，因此，我們應(yīng)注意不同算法的適用條件，避免計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不吻合。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)踐，本“滑坡穩(wěn)定性計(jì)算”模塊具有一定的優(yōu)越性。

1)“地質(zhì)測(cè)量”系筆者十多年業(yè)余時(shí)間自主開(kāi)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(fèi)發(fā)布以來(lái)，無(wú)需安裝，使用方便。而“理正巖土計(jì)算”需要安裝、插狗，計(jì)算剖面模型所有數(shù)據(jù)需要逐個(gè)手動(dòng)輸入。

2)軟件界面簡(jiǎn)潔直觀，一種算法一個(gè)界面一張表格，有原始數(shù)據(jù)，有計(jì)算過(guò)程和結(jié)論，直接截屏圖片插入成果中作為佐證?！袄碚龓r土計(jì)算”“邊坡計(jì)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(dòng)讀取剖面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存方便可重復(fù)使用。而“理正巖土計(jì)算”不能從AutoCAD計(jì)算剖面模型中自動(dòng)讀取剖面數(shù)據(jù)。

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

同時(shí)，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(dòng)讀取AutoCAD計(jì)算模型數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)于需要?jiǎng)澐謼l塊越多、分層多的滑坡體實(shí)現(xiàn)智能化程度且不足，未考慮自動(dòng)劃分條塊算法。

3)土質(zhì)滑坡自動(dòng)搜索圓弧滑動(dòng)面算法待完成。

4)Morgenstern-Price法算法較復(fù)雜，目前規(guī)范未給出標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式，待完成。

希望通過(guò)不斷實(shí)踐和征求廣大專家學(xué)者、同行的寶貴意見(jiàn)建議，今后加以改進(jìn)和更新。