基于GCSF算法的边坡稳定性分析软件设计

摘 要：边坡稳定性分析软件是一款用于评估边坡滑面的稳定性、指导用户进行加固的专业分析软件。软件使用C#语言，利用Win Form桌面窗体技术配合GDI+绘图技术开发而成。现已完成基础功能的开发，用户可将原始坡信息通过绘制、数值输入或文本导入的方式输入到软件中，并通过直观的2D图形呈现出来；利用全局临界滑动场（GCSF）的概念计算边坡的稳定安全系数并确定最危险滑动面；关于计算结果，用户可查看滑面信息、滑块信息，各类曲线图，多算法的结果对比，软件可输出专业分析报告。本软件主要使用全局临界滑动场（GCSF）算法，配合其他边坡稳定性算法，能够方便、快速、准确地确定边坡任意形状的整体和局部临界滑动面位置和安全系数，评价边坡的整体与局部稳定性，提供合理、可靠的计算结果。

关键词：边坡稳定性；全局临界滑动场（GCSF）；极限平衡

1 概述

边坡稳定性分析是岩土工程中最老的问题之一，也是在研究和实践中最活跃的问题之一。多年以来，大量的学者曾经提出了很多土坡稳定性分析方法，己有很多土坡稳定性安全系数的计算方法和临界滑动面的搜索方法，并且几个大型软件分析已经得到应用，但是仍然存在不少的问题。工程中最常用的假定形状是圆弧形滑面，计算简单，但实际滑面很多不能用圆弧滑面近似，这时只能采用非圆弧滑面的计算方法。而同类软件虽然能快速搜索出任意形状的滑动面，但其并没有将极限平衡条分法与最优性原理有机结合，理论不够严密，也无法显示边坡整体与局部稳定性。

边坡（全局）临界滑动场法评价边坡局部与整体稳定性，是一种很有应用前景的边坡稳定分析方法。这个方法的最基本核心思想是不直接找安全系数最小的滑动面，而是找一定安全系数下剩余推力最大的滑动面。边坡临界滑动场计算方法是将极限平衡条分法与最优性原理有机结合具有理论严密、原理简单、计算准确、适应性好等优点，能够方便、快速、准确地确定边坡任意形状的整体和局部临界滑动面位置和安全系数。文章所述的边坡稳定性分析软件，实现了用全局临界滑动场法进行边坡稳定性分析计算。

2 软件设计原理及算法介绍

2.1 系统设计概述

边坡稳定性分析系统软件（简称“CSF软件”）是一款用于评估边坡滑面的稳定性、指导用户进行加固的专业分析软件。CSF软件对边坡点上的采集数据进行分析，得到每个采样点的坐标以及对应的稳定性安全系数；并输出最小的安全性系数，同时处理出可能产生的滑坡的滑面，对外输出组成滑面的坐标信息。CSF软件根据计算所得的安全性系数，按照行业的不同，提示用户是否需要进行加固，并对用户提出加固方式的建议。此外还可对加固后的滑面进行再分析，保证加固方案的可靠性。

CSF软件基于.net framework开发，使用Win Form体系结构，利用GDI+技术实现自定义绘图。该软件系统结构如图1所示。

（1）本软件封装了独立的图形引擎，用户可通过此引擎绘制边坡图形、呈现边坡图形信息、根据边坡图形得到计算参数、将计算结果呈现出来。

（2）本软件将算法模块划分为支持一个个独立算法的插件模型，各个算法继承于“基础算法模型”后，独立扩展自身的计算方法及参数。

（3）业务处理逻辑层处理了图形、表单、算法的级联关系，提供统一的全局静态参数集合，方便各个模块进行调用。用户只需完成简单的界面输入及基本操作，及可得到对应结果。例如：提供计算过程窗口显示每条滑面的计算结果，而详细计算过程对用户隐藏。

2.2 全局临界滑动场算法（GCSF）概述

边坡临界滑动场基本的核心思想：一定安全系数下找剩余推力最大的滑面，通过剖析条间力递推公式发现条件间推力遵循推力最大原理，该原理在数学上与动态规划法的最优原理一致，而且求剩余推力最大的过程是满足过程无后效性的多阶段过程；最后以推力最大原理为基础，提出模拟边坡边界滑动场的数值方法。

如果某出口的剩余推力为负值，说明该出口实际安全系数高于设定安全系数，如果剩余推力为正值，则该出口实际安全系数低于设定安全系数。最大的剩余推力为零，这个安全系数便是边坡整体最小安全系数，极大剩余推力最大且为零的危险滑动面就是边坡临界滑动面，此时的滑动场定义为边坡临界滑动场（简称CSF）。

2.3 全局临界滑动场算法（GCSF）实现

对于每一个出口，总存在一个局部临界滑动面（最危险滑动面）使它在极小安全系数下的极大剩余推力为零。求解某出口的局部危险滑动面，只须先求解出该出口剩余推力为零的危险滑动场。所有出口的局部临界滑动面（要求全部求出）组成的场定义为全局临界滑动场。

计算第一个出口的局部临界滑动场与CSF相似，计算下一个出口的局部临界滑动场可以前次的局部临界滑动场为初始滑动场，依次向内计算每个出口，迭代3到5次，构成GCSF。

注意点：CSF是以最大的剩余推力等于零为目标求出边坡整体临界状态下的安全系数，GCSF依次从每个出口出发，使其对应的剩余推力均等于零。

前一步计算得到的值作为后一个计算的设定值，迭代次数一般不超过5次。每步都只要计算一次DSF（次危险滑动场）。

3 功能实现

本软件提供文本导入、图形绘制、表单输入，这三种输入边坡信息的方式，便于用户上手使用；一个边坡草图，可以建立最多十个分析文件，运用不同的算法进行计算，并可将结果集进行比较；计算前提供检验功能，便于用户在计算前对边坡信息进行修改确认；计算结果以主图显示、条块信息弹框、滑面信息弹框、曲线对比图、多分析文件对比图、导出报告等多种形式呈现，让用户全面的观察及分析边坡稳定性参数，辅助稳定性结论的归纳。具体功能介绍如下。

3.1 绘坡及计算

（1）新建一个工程例图：画坡面线，并完成行地层分割。

（2）给地层分配材质：配置地层具体参数值，用户根据需要自行更改。然后通过右侧“参数设置-地层”一栏，给每一层附参数，即更改对应材质一列的选值。

（3）选择分析方法：选中“分析文件”，如图3中A标注。在“参数设置”的“基本”选项卡中，进行参数的配置。

（4）检验：在“计算”之前可以先进行校验，看是否满足计算条件。也可以直接点击“单分析文件计算”按钮，或菜单“分析”中“单分析文件计算”完成计算。多个分析文件可选择所有分析文件同时计算，太多可能速度会慢些。

（5）计算：计算结果如图3所示。

3.2 查看计算结果信息

（1）查看危险滑面对应的条块信息。（如图4）

（2）查看对应的所有滑面信息。

（3）查看相关曲线图。

4 结束语

本软件是江苏三恒科技股份有限公司岩土事业部与合肥工业大学联合开发。这是市场上首款提供临界滑动场算法计算边坡稳定性的软件，为填补边坡工程行业的空缺，更好的分析及计算边坡稳定性。在合工大专家的指导下，本软件算法部分已测试无误，可以运用于实际场景。本软件今年6月完成验收，投入试用，用户反馈良好。

参考文献

[1]朱大勇，姚兆明.边坡工程[M].2014，10.

[2]朱大勇.临界滑动场及其数值模拟[D].1997，1.

[3]王成华，夏绪勇.边坡稳定分析中的临界滑动面搜索方法述评[D].2002，9.

[4]郑阿奇.VisualC++.NET程序设计教程[M].2005.

[5]李春雨.计算机图形学及实用编程技术[M].2009，1.

[6]孙燮华.数字图像处理――VisualC#.NET编程与实验[M].2010，9.

作者简介：严春（1963-），男，江苏常州人，本科，高级工程师，主要研究方向为煤矿井下传感器、数据采集分站及安全监控系统的开发等。