边坡稳定性评价方法概述

（辽宁工程技术大学土木与交通学院辽宁阜新123000       作者：张媛）

　　对边坡稳定性评价方法进行了综述,有：极限平衡法、有限元法、离散单元法、快速拉格朗日分析法、DDA法、流行元法、块体理论法、可靠度方法、模糊综合评价法、灰色系统评价法、聚类分析法、神经网络、遗传算法和专家系统。在概要地叙述了各个方法的理论基础上，对各个方法的优缺点进行了叙述，指出了各自的适合条件以及目前的应用状况。其中极限平衡法、块体理论法很多时候与实际情况不相符合，快速拉格朗日法具有随意性，DDA法在数学收敛上的实现有一定的难度，有限元法需要定义合适的系数，模糊综合评价法和聚类分析法不能全面、最优，专家系统对于知识的获取具有一定的难度，综合各个方法，其中的离散单元法、流行元法、神经网络、遗传算法的适用性较好。

　　关键词：边坡稳定性；研究进展；评价方法

Prospect Methods of the Research on Slope Stability

Zhang Yuan

　　（ liaoning Technical University  Civil Engineering and Transportation Department, Liaoning  Fuxin  123000 ）

　　Abstract: The paper reviews the prospect methods of the research on slope stability. There are Limit Equilibrium Method， Finite Element Method, Distinct Element Method, Fast Lagrangion Analysis of Method, Discontinuous Deformation Analysis, Manifold Element Method, Block Theory, Reliability Method, Comprehensive Fuzzy Evaluation, Grey system Evaluation, Clustering Analysis Method, Neural Network, Genetic Algorithm, Expert System. On the base of the theory summary about every method, the paper relate the advantages and disadvantages of these methods,points their suiting conditions and using state. In the outline, Limit Equilibrium Method and Block Theory cannot agree with the fact at the most time. Fast Lagrangion Analysis of Method is at its ease, There is a difficulty of math converge about Discontinuous Deformation Analysis, Finite Element Method needs to definite suitable coefficient, Comprehensive Fuzzy Evaluation and Clustering Analysis Method cannot give a overall result, or often it is not the best, Expert System has a difficulty on the gaining of the knowledge. Compositing these methods, Distinct Element Method, Manifold Element Method, Neural Network, Genetic Algorithm have a better use.

　　Key words: slope stability; research progress; prospect method



　　0引言

　　边坡工程的稳定性分析历来是工程界和学术界极为关注的研究课题，它涉及到水利水电工程、铁道工程、公路工程、矿山工程等诸多工程领域。目前边坡稳定性评价方法很多，但由于影响边坡稳定的因素较多，且各因素又具有不确定性（模糊性、随机性、信息不完全性和未确定性）和复杂性，故传统的确定性分析方法结果不十分理想。但无论是确定性分析，如蒙特-卡洛模拟法、一次二阶矩法，还是不确定性方法如模糊数学、灰色理论等，对于边坡稳定性的判别和实际情况仍有一定的差距[1]。应综合考虑多因素的影响，多学科交叉融合，形成集成式智能评价系统。

　　1研究进展

　　1.1极限平衡法

　　边坡稳定分析的极限平衡法指的是极限平衡条分法。分析岩体和土体稳定性时假定一破坏面，取破坏面内土体，为脱离体计算出作用于脱离体上的力系达到静力平衡时所需的岩土的抗力或抗剪强度，与破坏面实际所能提供的岩土的抗力或抗剪强度相比较，以求得稳定性安全系数的方法，或根据所给定的安全系数求允许作用外荷载的方法。

　　在这个课题中，极限平衡法是人们最早提出、也是最被广泛应用和研究的方法，虽然这种方法完全不讨论岩体的应力应变关系，也不研究边坡岩体的变位情况，但在力学上作了一系列简化假定，由于它抓住了问题的主要方面，所以若使用得当，分析结果可以与实际符合得较好。并且极限平衡条分法在边坡稳定分析的实际工程中积累的经验最为丰富，到目前为止，极限平衡条分法仍然是边坡稳定性分析的主要方法。

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2 、可以直接使用 Autocad 底图建模，计算结果可以采用多种格式输出，供打印和汇报使用。

3 、对一个问题可采用不同的计算方法，与 SIGMA/W 模块结合，可以按有限元应力法计算边坡的稳定度；与 QUAKE/W 模块相结合，可以分析在地震荷载作用下的边坡问题；还可以采用 Monte Carlo 可靠度法来对边坡问题进行分析计算。

4 、可以分析计算有孔隙水压问题的对象。

5 、加固措施可以直接施加在计算断面上，甚至可以根据输入参数分析锚固段所需长度的问题。

6 、对于均质土可以十分完美的搜索出最不利滑裂圆弧，对于其它问题也可以搜索最不利滑面。

7 、在中国已应用十几年，在北美已应用几十年，积累了大量的应用经验。

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　　1.2有限元法

　　有限元法就是用有限个单元体所构成的离散化结构代替原来的连续体结构来分析土体的应力和变形。它是一种很好的方法，其主导思想是减少前处理工作量和实现网格离散的客观控制。它的优点是部分的考虑了边坡岩体的非均匀和不连续性，能够反映出岩体的应力应变大小与分布。近似的从应力应变去分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和先需要加固的部位等[2]。但还不能很好的求解不连续和大变形等问题，特别是对无限域、应力集中等问题还不理想。此外，有限元分析不能直接与稳定建立关系，要想方便的利用有限元分析结果，还要定义合适的安全系数。

　　1.3离散单元法

　　离散单元法自从康德（Cundall）于20世纪70年代首次提出以来已在岩土工程和边坡问题中得到日益增长的应用。离散元法是一种动态的数值分析方法，它是将所研究的区域划分成一个个分离的多边形块体单元，块与块之间没有变形协调的约束，但需满足平衡方程。离散单元法的一个突出功能是其在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。对于任何一种岩体材料，如弹性、粘弹性、弹塑性或断裂等均适用，故该法对块状结构、层状破裂或一般破裂结构岩体边坡比较适合。它利用显式时间差分法求解动力平衡方程，对于求解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。此方法在岩质高边坡稳定分析中的应用较为广泛[3]。特别是用于解决非连续介质大变形问题，分析被结构面切割的岩质边坡的变形和破坏过程是非常实用的。

　　1.4快速拉格朗日分析（FLAC）法

　　为了克服有限元等数值分析方法不能求解岩土体大变形问题的缺陷，人们根据显式有限差分原理，提出了FLAC数值分析方法。快速拉格朗日法由速率求得单元的平均应变增量，再根据虎克定律及各向同性材料的本构方程，从而得出单元的平均应力增量，由结点方程、中心差分等进一步得出结点位移。该方法较有限元法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快。FLAC法的最大的优点是网格能随单元的变形而更新，能方便地处理大变形问题，在概念上类似于动态松弛法，能够适应任意的网格形状。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。

　　1.5不连续变形分析法（DDA法）

　　1988年，石根华提出DDA（discontinuousdeformationanalysis）法[4]，是一种新的数值方法。该方法用一种类似于离散元的块体来模拟被不连续面切割成的块体系统。它解决了岩体的大变形和大位移问题。DDA法的理论体系是严格的，它以自然存在的节理面或断层切割岩体形成不同的块体单元，以各块体的位移作为未知量，通过块体间的接触和几何约束形成一个块体系统。当计算的位移和变形大到足够明显的程度时，破坏机理和最终破坏模式可表现出来，因此特别适用于对块状岩体结构的稳定状态和变形破坏模式的定性评估[5-7]。它能够解决岩体的大变形和大位移问题，主要适用于不连续块体系统。DDA程序考虑整个系统整体的相互作用，比有限元法更能体现边坡的整体性，已在岩土工程中得到了越来越广泛的应用。但因DDA法的分析计算是一个反复的迭代过程，其收敛与否以及判断的实现是一个复杂的过程，固仍需进一步的改进，尤其是三维问题的应用和计算速度的提高。

　　1.6流行元法

　　流形元法是20世纪90年代初由石根华、林德漳等人提出，以拓扑流形学为基础，应用有限覆盖技术，通过在分析域各物理覆盖上建立通用的覆盖函数和以加权求和形成总体位移函数。三峡船闸高边坡的稳定就用了此法的改进程序分析了船闸边坡的变形规律和稳定性。流行元法兼具有限元和DDA的优点，适合处理连续和非连续介质耦合问题，对于岩石材料尤为适合。

　　1.7块体理论法

　　块体理论又称为石氏理论，是由我国学者石根华和Goodman提出的。该方法用于拓扑学和群论原理，以赤平投影和解析计算为基础来评价三维不连续岩体稳定性，它建立在构造地质和简单的力学平衡计算的基础上，利用块体理论能够分析节理系统和其他岩体的不连续系统，找到沿规定临空面岩体的临界块体。块体理论提供大变形下的解答，能较好的应用于边坡的开挖方向和形状。块体理论的缺点是通常只考虑不连续面的抗剪强度，不考虑其变形，不计力矩的作用，且通常假定其无限长，这些都在一定程度上与实际情况不符。

　　1.8可靠度方法

　　目前工程结构可靠度常用的计算方法有一次一阶矩法（FOSM）、改进的一次一阶矩法（即验算点法）、JC法、帕罗黑莫法（Paloheimo）、蒙特卡罗法（MonteCarlo）等。祝玉学等在边坡可靠性分析中作了大量的、卓有成效的工作，他指出，可靠性分析方法只是所有安全度问题的一种方法，是确定性方法的发展与补充。与传统的确定性理论相比较，可靠性分析能更好的反映边坡工程的实际情况，正确合理地解释许多用确定性理论无法解释的工程问题，但是该方法还处于研究和探索阶段，还有待进一步发展完善。

　　1.9模糊综合评价法

　　模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或类别评价[8]。边坡性质及稳定性的界限具有相当的模糊性，故可采用此理论进行研究。模糊分级评判方法是对多变量、多因素影响的边坡稳定性进行分析的一种有效的手段，能够得到边坡稳定性等级分类指标，但对于相关因素及各因素的边界值的确定有一定的难度，实际操作中，评判中权数的分配具有一定的经验性和主观性，不能全面考虑各个要素。

　　1.10灰色系统评价法

　　灰色系统理论认为，在决定事物的诸因素中若既有己知的，又有未知的或不确定的，它们所在系统则称为灰色系统[9]。用于边坡稳定性评价的参数，其实测值或者统计值均存在着主观和客观的不确定性，各指标值所反映的岩土性质，只有部分是清楚的，而另一部分是非确知的，它们都是一些灰数。因此，可以用灰色系统理论的手段和方法进行处理。它有3个基本环节：（1）根据系统已发生的一组时间序列数据，根据变量多少建成不同的预测模型；（2）估计模型参数，如按最小二乘法确定；（3）把模型用于预测，并进行评价[10]。陈新民等提出了一种基于经验的边坡稳定性灰色系统分析方法，该方法直观、简单、可操作性强，并且与实际状态相符。

　　1.11聚类分析法

　　边坡稳定中的聚类分析就是通过无监督训练将边坡样本按相似性分类，把相似性大的边坡样本归为一类，战局特征空间的一个局部区域，而每个局部区域的聚合中心又起着相应类型的代表作用。聚类分析一方面可以作为一种有效的信息压缩与提取手段，另一方面又往往是其他模式识别的基础。固运用它可对工程中的相似的边坡做出预测。但这种方法应用在大型数据库的数据分析中，不仅工作量巨大，而且不能保证聚类结果的最优性。

　　1.12神经网络

　　神经网络方法从模拟人脑的形象思维入手，具有非线性、并行性、鲁棒性和强泛化性等特点，对于处理具有强噪性、模糊性、非线性的地质体信息具有相当广阔的应用前景。它由输入层、隐含层、输出层组成。神经元是其基本处理单元，神经元之间有连线，知识由各神经元之间的连接强度表达，网络的记忆存储行为表现为各单元之间连接权重的动态演化过程，网络学习的目的就是寻找一组合适的连接强度。目前应用于地质体的神经网络主要是BP网，但传统的BP网易陷入局部极小点且收敛速度慢，而改进的BP网，如动态自适应BP网、复合网络等用于边坡的稳定性判别效果良好。在岩土边坡工程系统分析领域采用神经网络具有一定的优势。

　　1.13遗传算法

　　遗传算法是近几年发展起来的一种崭新的全局优化算法。它借用生物遗传学的观点，模仿生物的进化和遗传，从某一初始群体出发，根据达尔文进化论中的"生存竞争"和"优胜劣汰"原则。遗传算法提供了一种求解复杂系统优化问题的通用框架，利用简单的编码计算和繁殖机制来表现复杂的现象，不受搜索空间的限制性假设约束，以很大的概率找到全局的最优解，适用于大规模并行计算，并且程序通用性强。

　　1.14专家系统

　　专家系统是人工智能的一个分支，自研制以来就得到了广泛的发展并应用到了医疗诊断、语言识别、图象处理、金融决策、地质勘探、石油化工、岩土工程等各个领域。它作为一种基于知识的计算机系统，对"结构不良"具有普适性。边坡稳定的影响因素具有很大的不确定性，许多时候仍然主要依赖于专家经验和类比，因此，专家系统在边坡工程领域的适宜性很好。但边坡工程复系统较为复杂，其知识获取具有一定的难度。

　　2结语

　　（1）边坡稳定受多方面因素影响，而各因素具有不确定性（模糊性、随机性、信息不完全性和未确定性）和复杂性，故传统的确定性分析方法结果不十分理想；

　　（2）确定性分析如蒙特-卡洛模拟法、一次二阶矩法，还是不确定性方法如模糊数学、灰色理论等，其用于边坡稳定性评价的准确性与实际情况仍有差距；

　　（3）应综合考虑多因素的影响，多学科交叉融合，形成集成式智能评价系统。

稳定性方法评价