GeoStudio软件在当前堤防边坡稳定计算中的应用探讨

GeoStudio软件在当前堤防边坡稳定计算中的应用探讨

[摘要]GeoStudio软件是一种新型高效的专业岩土工程设计分析软件，其所具备的功能之强大是原有其他岩土工程分析软件所无法比拟的。它能为工程计算提供一个仿真环境条件，使计算更为直观，结果更加精确。现本文主要分析了GeoStudio软件在堤防边坡稳定计算中的应用问题，并探讨了利用GeoStudio软件对堤防边坡稳定安全评价的分析方法。

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GeoStudio软件在岩土工程以及岩土环境等作业中有着广泛应用，在使用GeoStudio 2007软件时，无论在哪种专业软件中使用，都只需要用户最初根据需要所建立的同一个几何模型即可，而无须在每个专业软件内分别建立几何模型。并且还能够实现以边界条件的移动顺序为先后步骤依据的自动分析。同时，在GeoStudio的应用中，分析所得出的所有信息都被放置在预先设定的固定的文件中，这些文件都是以同样的格式来保存的，因此在分析这些结果数据时，能够以统一的数据格式实现较为便捷的多种结果分析，这也在一定程度上提高了岩土软件的分析运行效率，为用户带来方便。以下本文就来详细探讨GeoStudio软件在堤防边坡稳定分析设计中的具体应用。

1GeoStudio软件在堤防边坡稳定计算中的应用

1.1堤防边坡稳定计算方法

GeoStudio软件在堤防工程中同样具有很广泛的应用，尤其是SLOPE/W在分析堤坝的稳定性与安全性时，更是一种相对较为精准高效的分析软件。事实上，在水利建设的设

计过程中，堤防边坡的稳定性分析一直以来都是岩土工程师最为重视的一项设计分析问题，也曾经提出了多种分析方法来对堤防边坡进行分析，但效果都不太理想。在GeoStudio软件未被研发之前，最常采用的堤防边坡分析方法是极限平衡法。但在GeoStudio软件投入使用后，其所具备的SLOPE/W专业软件的主要功能作用就是对边坡的稳定性进行分析。采用SLOPE/W对堤防的边坡稳定性进行分析，其本质也是采用极限平衡法为最基本的计算原理，但却要比极限平衡法的应用更加完善。其不但能够在很大程度上改进极限平衡法在分析堤防边坡稳定性过程中存在的不足之处，而且还能够以最简单的操作方法和最快捷的速度来得到最准确的计算结果，从而求出堤防边坡的最小安全系数与其最危险的滑动面。

1.2SLOPE/W软件的计算原理分析

SLOPE/W软件在计算中主要是以Ordinary，BishopJanbu，Morgenstern-Price，Spencer以及GLE为主要的分析方法。在本文中主要是以Morgenstern-Price这种分析方法为例来探讨其在堤防边坡稳定计算中的应用分析。这种分析方法主要是采用了条块间的法向力与切向力的问题，使其在计算中能够同时符合力与力矩的平衡方程。该平衡方程主要如下所示：

公式（1）是力的平衡方程，公式（2）是力矩平衡方程。式中，X为切向条间力；K为安全系数；C 和φ是土的有效应力强度指标；y 是孔隙应力比；E 是有效法向条间力；U是作用于土条两侧条问面上的孔隙水应力。在求解中还要根据法向力和切向力之间的函数关系X=λf（x）E以及土条两侧的边界条件E=Ei（x=xi ）和E=Ei+1（x =xi+1），且最后一土条必须满足：En=0，Mn=O。

采用Newton-Raphson迭代法对λ和K进行求解，并不断修正其值，直至满足En=O，Mn=O。

1.3工程实例分析

1.3.1工程概况。在某大型水利水电枢纽工程建设施工设计中，为了满足堤防工程需求，需要建立一道长约10.77km的北防护堤，这就需要大概51.50万立方米的土方填筑工程量，所需要设定的堤防等级要达到国家相关规定中要求的4级以上。为此设计人员将该堤防工程的堤顶设计为110m左右，而将其宽度设计为5m，其中临背河堤坡比为1：2.5。

1.3.2计算参数。在工程设计中，我们根据实际堤防工程需求对工程相关参数进行了详细的分析与确定。事实上，该堤防工程的断面主要是由地基与堤身这两个主要的结构组成。在计算时，需要的土体参数指标大致如下所示：地基细砂的深度为5m，干密度为1.617g/cm3，孔隙比为0.818，含水率为23.6%，凝聚力为9kPa；而堤身砂质粉土的干密度为1.45g/cm3，孔隙比为0.775，含水率为13.9%，凝聚力为12kPa.

1.3.3计算与分析。在设计中，为了能够分析出边坡的稳定性是否符合设计要求，满足国家堤防等级的相关要求，设计人员使用GeoStudio软件对其进行了一定的分析评价。在本次工程的分析环境中，主要是在DIFINE，SOLVE以及CONTOUR这三个环境条件下进行计算与分析。在利用上述方法对各种材料参数进行分析后，在DIFINE的环境下对该边坡的稳定问题进行了分析，同时又在SOLVE的环境下对该边坡的稳定性问题进行了计算求解，并在CONTOUR的环境下查看了这个计算结果。经过对结果进行分析，得出该堤防的最危险滑动面是高度为3m的堤身部位，而其最小的安全系数值为3.056。同时，从软件中可以看出，在滑动面中每一个条块的具体受力情况。

在分析中可以看出，滑动面的每个条块之间的受力是均衡无差异的。但是这是在没有水压力的影响下所表现出的受力状况，水压力的分析是在切向力的分析中进行了相关计算，从而将其间接的计算在堤防工程的边坡稳定计算分析中。另外，通过GeoStudio软件的分

析应用我们还能够查看堤防边坡的抗剪强度大小与特点，孔隙水压力对边坡稳定性的影响以及切向阻力的作用等等诸多问题，为堤防边坡稳定计算与分析提供了更加精准全面的参数依据与资料。1.3.4地下水位控制分析。一般来讲，地下水位的升降对于堤防边坡的稳定也是有着很大影响的。为了能够分析本工程中地下水位对堤防边坡是否具有影响作用，用SEEP/W软件来对当地的地下水渗流进行分析，并就分析结果进行了总结。从分析来看，当地下水的浸润线低于堤防边坡的坡脚时，边坡的稳定系数几乎不变。而当地下水位逐渐升高，其稳定系数逐渐变小，并且地下水位越高，稳定系数下降的幅度越大。由此可以看出，在进行堤防边坡设计时，还必须要注意地下水位对堤防边坡的稳定性影响，做好对地下水位的控制工作。

1.3.5小结

由上述分析我们可以看出，在对堤防的边坡进行稳定性分析时，利用GeoStudio软件能够取得非常精准快速的计算分析结果，对完善堤防施工设计，增强堤防工程的防洪效果具有重要意义。在使用GeoStudio软件的过程中，可以总结出以下几点应用体会：

（1）利用GeoStudio软件进行堤防边坡稳定计算分析，可以在最短的时间内提供最准确的结果。并且对边坡稳定的分析较为全面，能够对堤防滑动面的各种信息数据进行查询，且可以提供各种力的分布形态图，这就为设计人员提供了较为直观的受力分析结果，极大的提高设计效率，缩短了在设计过程中所花费的时间。

（2）由于GeoStudio软件是以极限平衡法的理论为基本理论，并且在计算边坡稳定时有多种计算方法可供选择，因此在具体的堤防工程中，设计人员完全可以结合实际工况来使用最贴合实际的边坡稳定计算方法，这样的计算结果更为精确。且可以对不同的计算方法所得出的结果做出对比，从而验证计算的准确性。

（3）在使用GeoStudio软件进行计算时，计算结果可能会受滑动面的总条块数与求解迭代次数的影响。但在实际的计算中，由于这种影响相对较小，因而经常忽略不计。

（4）通常最危险滑动面的确定还是要在土体相关强度参数来确定，比如单位土重大小或抗剪强度大小等。

（5）由上述工程案例中对GeoStudio软件的应用与分析可以看出，极限平衡理论是计算边坡稳定的重要计算理论，但与之前的极限平衡法相比，GeoStudio软件增添了对孔隙水压比的模型设计，使模型更加接近实际工况，所得出计算结果也更加精确。

2基于GeoStudio软件的堤防边坡稳定与安全评价

在对提防工程的边坡稳定计算结果进行分析后，还需要对堤防边坡稳定的安全性进行评价，只有其安全评价结果符合有关要求，才能够确保该工程的设计参数满足堤防设计施工要求。在评价其安全时，同样需要使用GeoStudio软件。

2.1评价分析方法

一般来讲，能够引起堤防边坡发生滑坡现象的原因大概有两种情况，其一是因为堤防工程的上下游水位频繁升降，使得堤坝边坡出现内饱和非稳定性渗流而导致滑坡；其二是在长时间降雨后堤防受高水位浸泡或者蒸发导致的水位持续下降，使得堤防边坡出现非饱和渗流而导致的滑坡。而且当堤防工程本身存在裂缝质量问题时，水位的下降会增大滑坡的产生几率。简单来讲，就是水位的升降速率过快、降水量过大以及堤防裂缝问题等因素是影响堤防安全的主要因素。为此，设计人员决定利用GeoStudio软件，采用以下分析方法对堤防工程的边坡稳定安全进行评价分析。首先是按照渗流的特点来考虑堤防边坡的孔

隙水压比的具体分布情况，并依照一定的地下水位标准来分析水位升降速度以及降雨量大小等因素对边坡稳定的影响。继而分析纵向裂缝深度大小对堤防边坡稳定的影响。

2.2安全评价分析

本工程中是采用GeoStudio软件中的SLOPE模块软件对堤防边坡稳定安全与水位升降、降水以及纵向裂缝等因素之间的关系进行了分析。分析结果如下所示：

2.2.1水位升降的影响

（1）临河水位上升速率较低时，对背河堤坡安全系数影响较大；临河水位上升速率较快时，对背河堤坡安全系数影响较小。水位上升过快对于临河堤坡边坡也是不利的，尤其是长期不靠水堤防。原因是水位上升太快时，特别是透水性弱的黏土，其浸润线很陡，甚至反坡成S形，此时上下土层的饱和度不一致，且前锋渗透坡降很大，容易引起不均匀沉陷而产生裂缝和滑坡。

（2）水位下降速率与临河堤坡安全系数密切相关。水位下降速率越大，临河堤坡安全系数减小越快，特别是对于渗透系数较小的堤防影响更为显著，严重时会导致堤防滑坡、崩岸。而水位下降速率对背河堤坡安全的影响较小，可以不予考虑。

2.2.2降水的影响

在分析中发现，当临河面有水时，降水不会给临河面堤坡产生太大影响。为此在此着重分析降水对背河堤坝的影响。

（1）背河堤坡安全系数与降水历时和雨强呈反比。相同降水强度下，降水历时越长，

背河堤坡安全系数越小，一般降水超过24 h后，降水对堤身安全的影响变小；相同降水历时下，雨强越大，背河堤身的安全系数越小，特别是对于特大暴雨，降水可使背河堤坡安全系数降至0.98，因而长时间内降特大暴雨时可能导致堤防滑坡、崩岸。

（2）雨强越大，背河堤身的安全系数越小。相同雨强下，堤身渗透系数不同时，降水对堤身安全的影响程度不一样。对于渗透系数较小的堤防，雨强对堤防安全系数的影响相对较小.且对雨强的大小不敏感；对于渗透系数较大的堤防，雨强对堤防安全系数的影响较大，长时间降水时，对土壤渗透系数较大的堤防要特别注意安全。

2.2.3纵向裂缝的影响

（1）当堤坝存在裂缝时，无论裂缝中是否有水，都会对堤防边坡的安全稳定造成影响。裂缝深度越大，影响也就随之越大。并且裂缝中有水时的堤防安全系数要比裂缝无水时更低。

（2）在降雨时，雨强大小不同，同样深度的裂缝对堤防边坡安全系数的影响也不同。雨强越大，安全系数越小。另外，临河堤防边坡的安全系数大小也受到其水位的下降速率的影响，且两者呈反比关系。也就是说水位下降越快，同样深度裂缝的情况下，安全系数越小。一般在堤防存在裂缝的情况下，临河的水位下降速率为8m/d时，就可能会引起滑坡或崩岸等危险。

3结束语

本文中主要分析了GeoStudio软件的相关概念，结合实例探讨了其在堤防边坡稳定计算中的具体应用，并对堤防边坡的稳定安全进行了分析评价，得到了较好的分析应用效果，

为堤防工程的设计施工提供重要技术依据，极大的提高了设计分析工作效率，保证了计算结果的准确性，方便了设计人员的工作，节省大量计算分析时间。这也再次验证了在堤防工程设计中应用GeoStudio软件对边坡稳定进行分析是具有很大优越性的，值得同类工程参考借鉴。