边坡稳定分析软件ZSlope的开发

界条件的边坡，采用常规优化法搜索最危险滑移面往往不可靠，容易陷入局部极值点，得不到全局极值点，而采
用穷举法可在一定程度上克服上述缺陷；(2) 基于极限平衡法的边坡稳定分析理论求解出的临界滑移面通常只有一
条，而实际上对应于最小安全系数的滑移面应该有多条，它们形成一个具有一定宽度的滑带。
关键词 计算机技术，边坡稳定分析，软件开发
土层分界线
图 6 圆弧滑移面及土条剖分 Fig.6 Circle slip surface and slice division
测试版
图 7 折线滑移面及土条剖分 Fig.7 Polyline slip surface and slice division
测试版
B
A
图 5 当含多层土时的土条划分 Fig.5 Slice division in multi-layer soils
做 n －1 条等距离的子线，每一条子线与一个圆心按
上述原则均可形成一滑弧，则该圆心的安全系数为 n +1 个(半径控制线上下界与该圆心也会形成两个 滑弧)滑弧中安全系数的最小值。在搜索临界滑面 时，程序提供了两种穷举搜索法：一种是“撒网式” 搜索，即只需提供圆心搜索范围(矩形网格，如图 2) 和 n (即将半径控制线按距离分为 n 等分，共 n +1 条 子线)，半径控制线由程序自动确定，在缺乏边坡地 质资料的情况下，此法特别有用；另一种搜索法则
最危险滑移面
图 3 后处理器提供的模型 Fig.3 Model showed in post-processor
为保证 ZSlope 软件具有较高的可维护性及可 扩展性，作者采用了面向对象编程技术。与其说面 向对象是一种编程技术，不如说它更是一种方法论， 它使静态的代码具有了生命，即赋予代码继承、多 态、封装、重载等功能，最大限度地提供了代码重 用机制。面向对象的实质是功能模块化，不过它的 模块与结构化编程不同，它是将数据及与数据相关 的操作作为一个模块，即“类”。本文按边坡稳定影 响因素分类，可得类继承图，如图 4 所示。
2 软件功能介绍
术，只需输入土条剖分数目或宽度，便可根据滑移 面类型及坡面几何形状自动完成剖分。系统从建模、 计算到显示结果可在几分钟内完成(Intel 奔腾 133 或 更高)。
前处理器 提供模型几 何、材料信息
求解器
提供模型几何、 计算结果 材料信息
后处理器
图 1 各模块关系简图 Fig.1 Relationship among modules
分类号 TU 457
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2004)16-2830-06
DEVELOPMENT OF SOFTWARE ZSLOPE FOR SLOPE STABILITY ANALYSIS
Zhang Luyu
(Department of Civil Engineering，Logistical Engineering University， Chongqing 400041 China)
圆心搜索栅格 坡面水位
坡面外载 30.00 kN
测试版
20.00 kN 20.00 kN
浸润线
半径控制线
土层分界线
图 2 前处理器提供的模型 Fig.2 Model showed in pre-processor
安全系数等值线图
20.00 kN 20.00 kN
30.00 kN 10.00 kN
ZSlope 软件由前处理器、求解器、后处理器等 3 个模块构成(如图 1)。前处理器负责收集并处理两 类信息：(1) 模型几何信息并以图形显示；(2) 与建 模无关的系统控制信息，如，是否显示坐标；求解 器则进行求解工作，并提供计算控制选项，如，是 否考虑地震力；后处理器则对计算结果进行分析并 以图形显示。ZSlope 能以方便快捷的图形操作方式 完成建模、计算、分析等工作，它可以分析具有复 杂几何边界的边坡，可对 3 种滑面进行处理(圆弧滑 面、组合滑面、任意折线滑面)，同时，可考虑坡面 外载、坡外水位、孔隙水压(浸润线)、多层土等工 况(如图 2)，可自动搜索最危险滑移面，并给出安全 系数等值线图(如图 3)。ZSlope 特有的土条剖分技
本文基于常规极限平衡法，以边坡稳定分析软 件 ZSlope 的开发为例，重点说明软件系统的架构及 各模块的功能，试图在理论与应用之间架起一座桥 梁。着眼于应用为本，文中略去了相关的理论推导， 只提及了应用理论最起码的、最基本的一些概念。 文中插图大部分由 ZSlope 产生，所有的建模工作， 除必要的材料参数，均可通过鼠标完成。
Abstract Simplicity is the important principle for software development. Based on the idea of simplicity and creativity，the software named ZSlope was developed by author for slope stability analysis，which is made up of pre-processor，post-processor，and solver. By the routine stability analysis for slope adopted by ZSlope，some
1前言
边坡稳定分析法通常分为 3 类：极限平衡法、 塑性极限分析法和有限元法。极限平衡法经过 70 多年的发展，其理论本身几近完善，在工程界也运 用最广，其不足之处在于不能考虑土体的应力-应变 关系。塑性极限分析法(能量法)从某种程度上克服 了极限平衡法的不足，能够在一定程度上考虑土体
的应力-应变关系，但只能给出假定滑移面上的应力 场及速度场，并且同样不能考虑坡体变形对其稳定 的影响，又因此法的计算精度并没有明显改善，其 应用前景堪忧。由于以上原因，近年来基于有限元 的边坡稳定分析法得到越来越广泛的关注[1～4]。有 限元的优势在于它能够利用岩土材料的本构模型 (应力-应变关系)，求出土体中每一点的“真实”应 力与应变，在考虑力平衡的同时，也能考虑坡体的 变形协调条件，它的逐步完善为准确分析此类问题
method of exhaustion can overcome the shortcoming to some degree. (2) There is not a single slide surface corresponding to a certain safe factor，but a cluster of slide surfaces which forms a slide strip with width. Key words computer technology，slope stability analysis，software development
Fra Baidu bibliotek
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坡 面 类
土 层 类
基 层 类
坡 面 外 载
控制类
荷
渗
载
滑移
流
类
面类
类
锚
土
圆
组
折
杆
钉
弧
合
线
类
类
型
型
型
岩石力学与工程学报
2004 年
对计算结果的影响便小于 1%，当然不排除具体问 题具体分析的可能。
坡 外
测试版
水
位
类
浸润线
土条划分
图 4 类继承图 Fig.4 Inherited tree of classes
土条剖分线也必须经过坡面线、浸润线、土层 分界线的转折点(节点)。要实现上述功能，作者开 发了以下算法：任意圆弧与任意折线段的求交算法、 任意两条折线段的求交算法以及折线滑移面与圆弧 滑移面的土条剖分算法。图 6～8 分别是圆弧滑移 面、折线型滑移面和组合滑移面的土条剖分图。使 用 ZSlope 时，只需输入土条剖分数目，由于土条线 必须经过各类转折点，所以土条宽度不一定全部相 等。图 8(a)组合滑面土条数为 25，图 8(b)土条划分 数为 70。经大量算例分析可知：对于均质简单边坡 (没有外载)，当土条划分数大于某一值后(如 25)，
临界滑移面，通常采用的方法有两类：穷举法(网格 搜索法)和优化法。文[11]采用数学规划法就临界滑 面的搜索做了大量有益的研究。就目前来看，在求 解整体极值问题时仍有很多工作要做。
ZSlope 采用穷举法来实现临界圆弧滑移面的搜 索。其基本原理是预先给定一个圆心搜索范围及相 应的半径控制界线(如图 2)，过某一圆心做半径控制 线的垂线段，以此垂线段为半径画圆，则此圆被坡 面线截成一段或若干段圆弧，按一定的规则选取一 段弧，求此滑弧对应的安全系数。半径控制线有两 条：一条是上界，对应深度最浅的滑弧；另一条是 下界，对应最深滑弧。如在两条半径控制线之间再
摘要 易用性是软件开发的重要原则，理论需要创新，运用理论解决实际问题同样需要创新，使复杂的理论运用
起来简单更是一种创新。以软件的易用性为出发点，总结了作者在开发边坡稳定分析软件 ZSlope(前、后处理器及
求解器)过程中的一些体会。基于常规边坡稳定分析理论，得出以下两点结论：(1) 对具有复杂几何形状或复杂边
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(a) 土条数 25
(b) 土条数 70
图 8 组合滑移面及土条剖分 Fig.8 Composite slip surface and slice division
第 23 卷 第 16 期
张鲁渝. 边坡稳定分析软件 ZSlope 的开发
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3.2 最危险滑移面搜索 边坡稳定分析过程中，很重要的一个工作是求
第 23 卷 第 16 期 2004 年 8 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(16)：2830～2835 Aug.，2004
边坡稳定分析软件 ZSlope 的开发
张鲁渝
(后勤工程学院军事土木工程系 重庆 400016)
2003 年 3 月 28 日收到初稿，2003 年 5 月 23 日收到修改稿。 作者 张鲁渝 简介：男，1974 年生，2000 年于西安空军工程大学获硕士学位，现为重庆后勤工程学院博士研究生，主要从事岩体本构及边坡稳定性 分析方面的研究工作。E-mail：zly1974@163.net。
第 23 卷 第 16 期
3 前处理器
软件是否方便易用，一方面取决于使用者对专 业理论本身的熟悉程度，另一方面也取决于建模工 具的方便程度。ZSlope 前处理器拥有友好的操作界 面及全图形化操作环境，具有一定的先进性，集中 体现在下述 6 个方面。 3.1 土条剖分技术
为保证不同土层在同一土条内的边界均为四边 形(三角形是退化了的四边形)，而不是五边形或其 他不规则形状，要求土条剖分线经过不同土层的交 点(如图 5，不同的阴影图案代表不同的土层)，此时 对于每一土条，其所含材质的边界均为四边形。
conclusions can be reached. (1) The results of critical slide surface obtained by using golden section methods or conventional optimization methods are often lack of credibility，for they are apt to fall into local limit，while the
张鲁渝. 边坡稳定分析软件 ZSlope 的开发
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提供了可能。 任何理论要发展都需要工程实践的检验。基于
有限元的边坡稳定分析法在我国科研院所已得到广 泛运用，但至今还没有将其纳入相关国家规范，其 主要原因有两点：(1) 有限元法采用的材料本构模 型与实际岩土材料的特性偏差较大[5]；(2) 在国内应 用较广的有限元计算分析软件均是国外知名品牌， 如 ANSYS，NASTRAN 等，它们价格昂贵，不利 推广，而国人自己编制的有限元分析软件在易用性、 准确性等方面还未得到广泛认可。基于上述原因， 极限平衡法虽有不足，但满足静力平衡关系，并具 备其他方法所没有的易用性，且经数十年大量实践 的检验而不断完善，仍显示出了勃勃生机。当前基 于极限平衡法的边坡稳定分析有两个研究趋势：(1) 从二维向三维条件下的极限平衡法拓展[6，7]；(2) 利 用优化理论搜索全局最小安全系数[8，9]，并形成了 几款较有影响的二维建模分析工具软件，如国内的 STAB95，国外的 Geo-Slope，Slide 等，它们各具千 秋，但总体上看，国内软件的差距主要体现在易用 性方面。关于国内外稳定分析软件的特点可参见 文[10]。