（岩土工程专业论文）生态护坡绿色工程可视化系统研究.pdf

河海大学硕t 论文 摘要 传统边坡工程通常破坏植被，影响生态环境，这是不能适应可持续发展的， 而生态护坡绿色工程系统与环境更加和谐，也比较经济。针对生态护坡绿色工程 系统的特点，结合护坡、挡墙的设计标准，利用面向对象的可视化技术，开发了 具有较高实用价值的生态护坡绿色工程可视化系统。 生态袋作为生态护坡绿色工程系统的关键材料，可视化系统需要生态袋与生 态袋、生态袋与填料之间在不同工况下的剪切强度参数指标。通过对生态袋进行 界面摩擦特性试验研究，得到了这些界面在多种工况下的粘聚力c 和摩擦角由 这两个关键参数。 为了充分体现实用性原则，在系统研究和开发过程中，始终坚持软件工程的 一般原理，体现系统开发的思想。对生态护坡绿色工程可视化系统进行设计，首 先分析可视化系统的功能需求，再根据功能需求进行可视化系统的模块化设计和 系统的界面设计，重点研究了系统丌发过程中的可视化关键技术。 研究开发生态护坡绿色工程可视化系统过程中生态护坡稳定性分析和挡墙 设计的理论模型和主要程序算法，生态护坡稳定性分析采用极限平衡法，其圆弧 搜索采用o 6 1 8 优选算法；生态挡墙的土压力采用考虑位移的土压力模型，其优 化程序采用遗传优化算法。 对生态护坡绿色工程可视化系统进行测试，通过与澳大利亚a c a d s 所制定的 几个算例进行比较，说明可视化系统的计算结果是可靠的。 关键字：生态护坡可视化面向对象界面设计理论模型算法设计生念袋 河海大学硕士论文 a b s t r a c t 1 1 圮t r a d i t i o n a ls l o p ee n g i n e e r i n go f t e nd e s 扛o y c dv e g e t a t i o na n dh a ds o m eb a d e f f e c t so n o n re n v i r o n m e n tw h i c hi sn o tf i tt h es u s t a i n a b l ep o l i c y , h o w e v e rt h eg r e e n s l o p es y s t e m ( g s s ) h a sm o l ee n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i ca d v a n t a g e s n e d e v e l o p m e n to fg r e e ns l o p ev i s u a l i z a t i o ns y s t e mw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ef o rt h e p r o m o t i o no ft h i se m e r g i n ge n v i r o n m e n t a lt e c h n o l o g y f o rt h es y s t e mi sb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fg r e e ns l o p ee n g i n e e r i n gs y s t e m , d e s i g ns t a n d a r d so fs l o p ea n d r e t a i n i n gw a l l a n d i td e v e l o p e db ya l lo b j e c t - o r i e n t e dv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y t h ev i s u a l i z a t i o ns y s t e mn e e d st h es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r sa st h ee c o g r e e n b a g sw o r k e di nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 1 1 1 et e s ts t u d i e dt h ef i i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e i n t e r f a c e sw h i c hi sb e t w e e nt h ee c o g r e e nb a g sa n db a g s ，b a g sa n ds o i lf i l l i n g sa n d c o h e s i v eca n df r i c t i o na n g l e 母a r co b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o na n dm o d u l er e q i l i r e m 锄t so ft h ev i s u a l i z a t i o ns y s t e m d e s i g n e dt h ei n t e r f a c e so ft h es y s t e m 1 1 ”k e yt e c h n o l o g i e sw e r ea l s os t u d i e di nt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s t h et h e o r e t i c a lm o d e l sa n dm a i np r o c e d u r ea l g o r i t h m so ft h es l o p es t a b i l i t y a n a l y s i sa n dd e s i g no ft h er e t a i n i n gw a l lw e r es t u d i e d 1 r i 坨l i m i tb a l a n c em e t h o di s u s e di ns l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sa n d0 6 1 8o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi su s e dt os e a r c ht h e d a n g e r o u sa r c 1 1 圮d i s p l a c e m e n ti sc o n s i d e r e di nt h es o i lp r e s s u r em o d e la n dt h e g e n e t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi su s e di nt h eo p t i m i z a t i o np r o c e s s t oc o m p a r et h a tv i s u a l i z a t i o ns y s t e m , s e v e r a le x a m p l e so f a u s t r a l i aa c a d sa r e u s e dt ot e s tt h es y s t e m ，a n di ti ss h o w e dt h a tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h es y s t e ma r e c r e d i b l e k e yw o r d # ：e c o l o g i c a ls l o p e ，v i s u a l i z a t i o n , o b j e c t - o r i e n t e d ，i n t e r f a c ed e s i g n , t h e o r e t i c a lm o d e l ，a l g o r i t h md e s i g n , e c o l o g i c a lb a g l i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：题耋基矽聊7 j2 = i e i 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 盘生基钟) 月玎日 河海人学硕。f ：论文 1 1 概述 第一章绪论 我国是个多山的国家，山地、丘陵和比较崎岖的高原总面积，约占国土面积 的三分之二。我国的森林覆盖率只有1 3 9 2 “1 。同时，我国是地质灾害严重发生 的国家：水土流失面积占5 1 $ ，其中水力侵蚀面积1 8 2 6 x 1 0 4 k m 2 。1 ；全国约有5 x 1 0 4 余条具有一定规模的滑坡、泥石流沟，威胁和危害着1 5 0 个县、3 6 条铁路、5 x 1 0 4 k m 公路、1 2 x 1 0 6 公顷土地，数十座矿山，大批水利水库设施和江河航道。每年因 泥石流灾害而死亡的人数为5 0 0 人。在这样的地理条件下1 3 亿人口从事工农业 生产必然带来巨大的环境压力。山地的农业开发，各种工程( 公路、铁路、水利、 矿山及工业民用建筑) 的大规模建设会造成一系列的环境问题，其中最突出的是 破坏了当地原有植被，形成大面积不同程度裸露的边坡( 或坡地) ，这些边坡的 存在进一步增加了水土流失、滑坡、泥石流的发生强度，也造成局部小气候的恶 化及生物链的破坏等生态灾害。 对各种工程边坡和各种地质灾害所形成的边坡，如公路、铁路、工业民用 建筑、矿山、水利水电工程等形成的边坡，土木工程师们最为关心的是它的稳定， 土木工程师把边坡当成没有生命的有失稳倾向的土体。为定量分析边坡的稳定问 题，他们运用力学知识创造了许多边坡稳定分析发法：如瑞典条分法、毕宵普法 等：还把有限单元法、边界元法、离散元法等数值计算方法引入边坡稳定分析中。 用关键词“边坡”检索图书馆万方数据库中国学位论文全文数据库发现，我国 1 9 7 7 - - 2 0 0 2 年之间所有硕士和博士论文共有1 8 篇，都是关于如何分析边坡稳定 的。自然边坡的复杂多变，各种方法的抽象和理想化、简单化的计算分析，是边 坡稳定计算方法层出不穷、计算结果只能近似的原因。到目前为止，没有一种方 法适用于所有边坡稳定分析。1 。由于混凝土、石料等材料的易得和便于精确的力 学分析也由于土木工程师往往缺少必要的农学、生态学知识，在分析边坡的安 全状况后，如发现安全系数过低，工程师们往往采取石料或混凝土砌筑挡土墙和 护面，或采用喷锚支护。这样做能克服边坡带来的严重的水土流失和滑坡、泥石 流等灾害，但也带来严重的环境问题。而对于农、林业活动所形成的坡地，技术 人员往往把注意力重点放在如何最大限度地发挥地力，及如何种植何种作物，如 何获得最大产量。虽然水土保持也是农、林业技术人员必须考虑的，但往往降为 第一章绪论 第二位；农林业技术人员往往由于缺乏必要的力学知识，对边坡的稳定关注不够。 因此，生物工程综合生态护坡技术是边坡治理的发展方向，也是目前 边坡治理的热点。本文所依托的生态边坡绿色工程系统就是一种生物一工程综 合生态护坡技术。为了推广应用该技术，开发了生态护坡绿色工程可视化系统软 件，研究了该工程系统的关键材料生态袋的界面摩擦特性。 1 2 生态护坡国内外的研究现状 1 2 1 生态护坡概念的研究 国外发达国家在生态护坡技术方面的研究已有很长的历史，并已得到广泛的 应用。国外一般把生态护坡定义为“用活的植物，单独用植物或者植物与土木工 程措施和非生命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性和侵蚀“1 。”也有学 者提出了坡面生态工程( s l o p ee c o e n g i n e e r i n g ，简称s e e ) 或坡面生物工程 ( s l o p eb i o e n g i n e e r i n g ) 的概念，指以环境保护和工程建设为目的的生物控 制或生物建造工程5 1 ，也指利用植物进行坡面保护和侵蚀控制的途径与手段等嘲。 国内对于生态护坡概念的研究也取得了一定的进展，刘秀峰等提出了生物护坡的 概念“1 ，所谓“生物护坡工程”即是利用生物主要是指植物对边坡进行植被重建， 建立一个新的植物群落，以期达到恢复生态环境，治理水土流失之目的。此外。 还有“植被固坡”、“植物护坡”等提法”1 。 无论是植被护坡、生物护坡还是坡面生态工程，都带有一定的生态色彩，应 称为生念型护坡，属于生态护坡的范畴，但它们只是从形式上对生念护坡进行了 简单的描述。真正意义上的生态护坡是个完整的生态系统，它不仅包括植物还 应包括动物及微生物，系统内部之间以及系统与相邻系统如河流生态系统、陆地 生态系统等问均发生着物质、能量和信息的交换，具有很强的动叁性；真正意义 上的生态护坡应该是在保证边坡稳定的基础上，以营造边坡系统的生物多样性为 目标，在水一土一生物之间形成物质、信息和能量的循环体系，通过良性的循环 来自组织和自我修复。 由此可见，目前关于生态护坡概念的阐述还不太完善，还没有一个广泛被人 们所接受的统一的定义。在对国内外现有生态型护坡研究的基础上，认为生 态护坡技术是基于现代水利工程学、环境科学、工程力学、生物科学和景观生态 学等学科的基本原理，利用活性植被材料，结合其它工程材料在边坡上构建具有 生态功能的护坡系统，通过生态工程的自组织与自我修复等功能来实现边坡的抗 2 河海人学硕上论文 侵蚀、抗滑动和生态恢复，以达到减少坡面水土流失、维持坡面植物生存环境、 提高坡面动物和微生物栖息地的质量、营造生物的多样性。 1 2 2 国外研究现状 边坡生态护坡技术的应用在发达国家已有很长的历史，如美国于1 9 3 6 年在 南加利福尼亚州的a n g e l e sc r e s t 公路边坡治理中就应用生态护坡技术。日本 的边坡绿化起步较早，他们的生态护坡几乎与公路建设同步发展，迄今已有半个 多世纪的历史。近年来，绿化网护坡、厚层基料喷射、植被型混凝土等已成为日 本最为广泛的生态护坡技术。厚层基料喷射护坡技术是日本于1 9 7 6 年首先开发 出来的，主要用于软弱岩石边坡的生态防护1 。 生态护坡工程技术的应用，欧美国家主要是围绕着防止坡地免受雨水侵蚀的 目的而进行的，自前常用的护坡方法有活枝捆垛( 1 i v ef a s c i n e ) 、活枝扦插 ( 1 i v e c u t t i n g ) 、树枝压条( b r u s hl a y e r ) 、枝条篱墙( w a t t l ef e n c e ) 等2 “，主 要应用于公路边坡的植被防护及河堤护岸。另外液压喷播技术( h y d r o s e e d i n g 或 h y d r a u l i c m u l c h i n g ) 自2 0 世纪5 0 年代发明后至今也获得广泛应用。2 0 世纪 8 0 年代又发明了三维网植草护坡方法。从总体上看，目前只本在生态护坡工程 技术研究方面处于领先地位，有必要在此介绍同本在生态护坡技术方面的研究进 展”1 。 在日本，植被护坡被称为坡面绿化。二战结束后，日本大规模的公路建设为 其现代坡面绿化提供了大量的机会，发展至今己有半个多世纪的历史，期间已经 历了无数的变化。1 9 5 1 年，川端勇作开发了采用外来草种的植生盘用于道路坡 面，标志着以牧草类为代表的外来草种开始用于坡面绿化。为适应大规模快速绿 化坡面，日本住宅公团委托京都大学农学部造园学研究室研究快速绿化工法， 1 9 5 8 年4 月在大孤香里团进行了多组现场喷射试验，开发了喷射种子法。由于 住宅丘陵地斜面不大，喷射种子法无法体现其效率高的优点，并没有得到广泛的 应用。但是日本道路公团建设的高速公路却十分需要此技术，并于1 9 5 8 年l o 月、 1 9 5 9 年3 月及9 月在京都东山道路边坡的喷射试验中确认了此项技术的实用性， 后来又经过多次试验，采用沥青乳剂覆盖膜养生，在名神( 名古屋一神户) 高速公 路的路堑边坡中得到大规模的应用。1 9 6 0 年从美国引进了喷播机( h y d r o s e e d e r ) ， 把当时很先进的注液压喷播技术( 日本称种子撤布法) 广泛应用于名神高速公路 路堤边坡的绿化。1 9 6 4 年从美国进口喷射专用纤维，1 9 6 5 年即实现了喷射纤维 的国产化。7 0 年代，随着高速公路的大规模建设，边坡绿化技术得到了长足的 第一章绪论 发展。 1 9 7 3 年开发出的纤维土绿化工法( f i b e r s o i lg r e e n i n gm e t h o d ) 标志着岩 体绿化工程的开始，这也是日本最早开发的厚层基材喷射工法。纤维土绿化工法 的主要特征为：台阶形喷射，确保有效喷射厚度的经济性：局部呈水平状。 降低径流，减少基盘的流失；砂质土系，能有效利用现场开挖的砂质土。此工 法于1 9 8 1 年获得美国发明专利，技术上又几经改进，在2 0 世纪8 0 年代获得广 泛应用，至今仍在应用。 1 9 8 7 年6 月，日本从法国引进连续纤维加筋土工法，随后把它与已有的坡 面绿化工法结合在一起，开发出连续纤维绿化工法( t g 绿化工法) 。工法的基本 特征为：由于砂粒和连续纤维相互混合，基材的抗侵蚀性更强，能适应坡体的 微小变形；由于确保了大根系的伸长空间，可引进木本类植物，用于坡面的树 林化；施工体系由绿化基材供给系统、团粒剂供给系统和连续纤维供给系统组 成。t g 工法于1 9 8 8 年开始实用化，至1 9 9 2 年4 月就已施工3 0 0 万一。之后， 此工法又获 导加拿大、日本等国发明专利，并推广到中国香港、台湾。 上面介绍的纤维土绿化工法、高次团粒s f 绿法工法和连续纤维化工法是近 2 0 年来同本最常用的厚层基材喷射工法。在这三类工法中，由于主要用材、粘 结剂及纤维的种类不同，又形成种类繁多的厚层基材喷射工法。总体上讲，按主 要用材分类，厚层基材喷射工法可分为砂质土系列、粘土系列、粘土与有机质混 合系列、全有机质系列：按粘结剂分类，可分为普通硅酸盐系列、特殊沥青乳剂 系列及高分子树脂系列；按纤维分类，可分为有机纤维系列、无机短纤维系列及 连续纤维系列。从实际工程应用看，已可应用于坡度小于l ：o 5 的软岩、中硬 岩、硬岩边坡及强酸性土质边坡的坡面绿化，另外，也有应用于混凝土面及片石 挡培面的实例。由于厚层基材喷射工法需要消耗大量的天然有机质材料( 如泥炭 及其它天然腐殖质等) ，而这些资源都是有限的，因此，在2 0 世纪9 0 年代日本 又着手研究下水道污泥、废纸浆、底木材、木屑、畜粪等废弃物回收形成富含有 机质的喷射基材，并取得一定研究成果。 各种边坡绿化施工方法相继在美国、日本及欧洲一些经济发达国家得到开发 研究和推广应用，例如阶梯植被工程、框格植被工程、三维网植草、客土喷播工 程等，这些方法先后被纳入公路建设技术标准中，制定了详细的设计和施工规范， 公路建设中的植被重建和环境保护工作受到极大的重视。目前存在的两种植被建 植模式包括以美国为代表的高养护型一湿式喷播快速植草技术和以日本为代表 4 河海人学硕上论文 的高投入型一客土喷播技术。前者初期建植成本低。但草本植被养护成本高，易 于衰退，一般3 5 年后需要再次考虑植被的更新。并且在山岭重丘区挖方地段 石质边坡，采用普通的喷播方法不能种植植物，或者植物种植后容易衰退，其固 土护坡能力也极其有限，几乎不具备防灾功能。近年来，为治理环境，减少水灾 和风灾，日本政府投入了大量人力和物力研究公路边坡播种早期树林化的可能 性，基于大量科学试验和实践成果，以著名治山和绿化工程教授山寺喜成为代表 的一批日本学者，进一步完善了公路边坡防灾绿化工程理论和技术体系，提出了 边坡早期播种树林化技术，对日本公路路域生态恢复和生态治理起到了重要作 用。 1 2 3 国内研究现状 我国在土质边坡和岩石边坡的防护绿化研究基本上是跟随、模仿国外，而且 开展时间较晚，2 0 世纪9 0 年代以前一般多采用撒草种、穴播或沟播、铺草皮、 片石骨架植草、空心六棱砖植草等护坡方法。1 9 8 9 年，广东省水利水电科学所 从香港引进i 台播机，开始在华南地区进行液压喷播试验。1 9 9 0 年，中国黄土 高原治山技术培训中心与闩本合作在黄土高原首次进行了坡面喷涂绿化技术( 即 液压喷播) 试验研究。此后，经过十年左右的发展完善，液压喷播”1 技术已广 泛应用于我国不同地区的公路、铁路及堤坝等工程中的边坡防护。1 9 9 3 年我国 引进土工材料植草护坡技术，随后土木工程界与塑料制品生产厂家合作，开发研 制出了各式各样的土木材料产品，如三维植被网、土工格栅、土工网、土工格室 等，结合植草技术在铁路、公路、水利等工程的边坡中陆续获得应用“”1 。 1 9 9 6 年交通部科技信息研究所( 现交通部科学研究院) 从瑞士引进湿法喷播 技术，并与云南公路科学技术研究所合作进行交通部“九五”科技攻关课题“云 南山区高等级公路边坡生物防护技术的研究”，研究内容包括喷播材料、喷搐工 艺和适用范围等，研究成果系统地提出了一套湿法喷播技术，并成功地在云南昆 曲线、楚大线、昆玉线、元墨线实施了湿法喷播施工。与此同时，深圳市新华丰 绿化有限公司在广西钦防高速公路采用湿法喷播技术修建了试验工程，随后，湿 法喷播技术在我国广东、广西、四川、贵州、湖南、湖北、江苏、河南、河北、 东北三省陕西、青海、西藏等地的多条高速公路上得到推广应用。近年来国内 也开始从事喷播设备的研究，山东省交通科学研究所研制了j q 系列喷播设备， 开始应用于高速公路生态防护工程中。 与此同时，国内其它的绿化公司及相关部门也进行了该方面的研究。例如由 第一章绪论 四川省励自生态与环境工程技术有限公司和西南交通大学岩土工程研究所联合 研究开发的岩石边坡厚层基材喷射植被护坡工程成套技术( t b s 技术) ，使用经改 进的混凝土喷射机将拌和均匀的厚层基材混合物按设计厚度喷射到岩石坡面上， 其自行研究开发的绿化基材g 叫是整个技术的核心。该技术于2 0 0 0 年通过国家 技术成果鉴定，随后在国内铁路、公路及市政等工程建设中获得了大面积的应用 和推广。 由于路基边坡生态防护技术在我国的发展历程很短，而客土喷播用于岩石路 堑边坡的生态防护更是在2 0 0 0 年才首次在广东河( 源) 惠( 州) 高速公路实践，目 前国内还缺少对客土喷播技术的系统研究和全面总结，设计、施工规范尚未制定， 质量验收标准尚未提出，边坡防护后的社会效益和经济效益尚未有系统的调查与 分析。因此，如何结合工程实践，开展客土喷播在我国公路岩石路堑边坡生态防 护中的应用技术研究己经成为当务之急。 在边坡的侵蚀机理研究方面，我国水土保持部门及水利部门等进行过较多的 研究，如中国水利水电科学研究院做了水土保持措施下的土壤入渗及次暴雨地表 产流研究、土壤侵蚀与地表坡度关系研究等：中国科学院地理研究所做了坡面细 沟发生临界条件研究；中国科学院水利部水土保持研究所做了模拟降雨条件下人 工草地产流产沙过程研究，湖南大学岩土工程研究所做了模拟降雨条件下人工草 地在不同的坡度角不同类型草种的生长状况及水流对护坡草层的冲刷试验等。现 在研究主要集中在公路边坡生态防护措施、设计与施工技术方面，如贵州毕节公 路段做过公路绿化效应及山区公路水毁防治的研究；北京市公路管理处做了一系 列公路绿化设计研究；交通部科技信息所环保部在昆明一曲靖、楚雄一大理路段 实施了“生物防护与景观再造工程”，长安大学与河南高速公路发展有限责任公 司通过调研及对边坡侵蚀机理的理论研究，结合河南省公路园林的特点，提出河 南省不同区域内的高等级公路典型防护形式等等。 在力学机理研究方面，胡利文、陈汉宁从植被对边坡的力学效应、水文效应 及生物生态效应等方面对生态护坡技术原理进行加固与水土保持的分析，提出了 基于无限坡模型的边坡生态防护计算模型，并对三维网生态防护、施工工艺进行 了分析“：刘国彬等人对黄上地区的草本根系的抗拉强度以及弹性模量进行了研 究嘲；北方交通大学的周锡九等人对植物根系的浅层加固作用进行了研究旧1 ；杨 亚川等1 人对草本根系一土壤复合体的抗剪强度及抗水蚀进行了研究，分析了草 本植物根系保持水土效能的机理，提出将根茎连接处形成的微型“拦土栅”及“虑 6 河海大学硕上论文 水土体”抵抗径流推移破坏的极限能力，作为土壤一草本植被根系复合体的抗水 蚀强度，并研究了它与根量的相关性，通过试验证明了其符合库仑定律，以及复 合体抗剪强度随含根量增大而增大，随含水量增大而减小，c 值与含根量正相关， 巾值与含根量关系不大。 1 3 生态护坡绿色工程系统概述 生态护坡绿色工程系统是集土木工程结构和生态环保绿化为一体的系统工 程，它主要由生态袋，标准联结扣组成。生态袋选用高质量环保材料，产品具有 不降解、抗老化、抗紫外线、无毒、抗酸碱盐及微生物侵蚀、百分之百回收、实 现零污染的特点。标准联结扣用来将生态袋相互联结从而增强剪切强度，形成牢 固的三角形内锁结构，从而可以建高而陡的生态环保边坡( 如图卜1 所示) 。由 于生态袋具有透水不透土的过滤功能，既能防止填充物( 土壤和营养成分混合物) 流失，又能实现水分在土壤中的正常交流；生态填充袋对植物非常友善，可采用 插播、压播、喷播、混播多种栽植方式，使植物穿过袋体自由生长。根系进入工 程基础土壤中，如无数根锚杆完成袋体与主体间的稳固作用，时间愈长，愈加牢 固，实现稳定性永久边坡。随着后期植被生长，形成永久性的、有生命力的、不 会产生高额维修费用的生态工程。 图卜1 生态护坡绿色工程系统 相对传统的刚性护坡，生态护坡绿色工程系统具有很强的工程优势：传统 方法建造的边坡时间越久，其牢固性越差，后期需支付大量的维修费用；而该工 程系统越久越坚固，后期无需维护；可以全天候施工，受环境影响小；同传统 建造方法相比，工期至少缩短7 0 以上；施工易操作，工人简单培训即可上岗； 施工挖开面小、无需大型施工机械；系统的材料重量轻、体积小，同传统建造 7 第一章绪论 方法相比，运输成本可减少8 0 ；根据需要，坡比可在o 一9 0 。自由变化，从 而大幅度减少土地的占用和征地费用支出；适应各类复杂地质环境，对工程基 础条件要求较低。所以生态护坡绿色工程系统可以在水利、交通、城建、军事、 抗洪等领域广泛应用。 表1 - 1 生态护坡绿色工程系统的应用领域 1 4 国内外护坡工程可视化技术研究现状 科学计算可视化嘲( v l s c ：v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 是关 于数据场的描述、操作、造型、绘制及处理的技术，是计算机应用的一个重要领 域。v i s c 作为一个新的领域，其目的是将科学计算或实测产生的数据转变为直 观的，易于为研究人员理解且可进行交互分析的、以图形或图像形式表示的静态 或动态显示画面，加快数据的处理速度，成为我们发现和理解科学计算过程中各 种现象的有力工具，从而实现计算工具和计算环境的进一步现代化，使科学研究 工作的面貌发生根本的变化啪1 。 适用于不同计算机平台的边坡设计软件随着计算机可视化技术的发展不断 更新。2 0 世纪8 0 年代初，基于d o s 平台，采用b a s i c 或者f o r t r a n 语言编制的 计算机程序可以基本满足计算的需要，但其输入方法较繁琐，关键是图形功能很 难满足设计需要，9 0 年代以来，出现基于w i n d o w s 平台的边坡工程的分析软件， 例如s l o p e c a d ，提供了各种前后处理以及反演功能，图形功能相应地增强，但对 于数据管理仍采用传统的数据文本方式，造成应用程序对具体计算数据依赖性过 大，输入的过程较为繁琐，图形功能采用了一般的图形用户界面( g d i ) 绘图方法， 因为g d i 绘图方法不是专为工程计算设计的，因而最后形成的图形缺乏美观和易 用性。 可以看到，通过计算机方法辅助边坡问题的设计计算已经有多年的历史，而 8 河海大学硕士论文 随着计算机技术的高速发展，辅助设计软件的直观性、准确性以及健壮性越来越 成为评判软件质量的重要标准。从用户的角度出发，希望能够避免大量初始数据 的输入以减少出错的可能，并且对于计算的实时性也有了更高的要求，如能提供 即时的反馈信息，灵活的重计算等功能，将对边坡工程的设计计算提供极大的便 利。 而从开发人员的角度出发，由于软件平台的复杂性，要将边坡工程的计算理 论完全体现在计算机平台上是有一定难度的，不仅是因为边坡问题分析的复杂性， 也牵涉到软件设计的复杂性。目前工程中应用的边坡分析软件，多基于二维的图 形界面，例如同样采用b i s h o p 和s a r m a 方法进行分析的g a l e n a ，r o c s c i e n c e 开 发的s l i d e 等等，由于程序设计时采用的图形系统限制，其二维模型的显示缺乏 足够的直观性，输入数据没有必要的完整性检查，并且如果在源代码的组织过程 中没有足够的规划( 一般而言土木工程的软件研制还无法遵循严格的软件工程规 定) ，将很难实现软部件的重用。 目前国际上影响较大的边坡稳定分析软件有g e o s l o p e 公司开发的 g e o s l o p e 、r o c s c i e n c e 公司开发的s l i d e 等，其显著特点在于功能强大、前 后处理可视化程度高。我国水电部水电规划设计院早在8 0 年代便丌展了土石坝 边坡稳定分析程序的规划研制工作晦7 1 。当前国内应用较广的边坡稳定分析程序有 s t a b 9 5 、同济启明星s l o p e ，以及新近推出的理正岩质边坡稳定分析软件等，它 们在诸多方面都各具特色并经多年的工程实践而不断完善。同时也应当看到，多 数国产软件在使用中显得较为繁杂，普遍存在以下问题： ( 1 ) 计算过程无法保留，只能显示计算结果。 ( 2 ) 部分边界条件限定不全。在进行边坡稳定计算时只能按预定的参数进行 计算，无法进行最危险圆心搜索计算；如果以手工来指定，又不知道所指定的圆 心是否合适。 ( 3 ) 无法生成计算书。虽然通过计算可取得计算结果，但缺乏有效支持生成 计算书的功能，即使生成了计算过程，亦需经过二次加工才能形成计算书，不便 于批量计算及搜索式计算。 虽然国内已有许多学者致力于岩土工程数值分析的应用研究，编制了很多具 有针对性的程序，但大多只能个人使用，源代码大多不公开，研究者之阃重复性 劳动现象很严重，而且岩土专业软件的开发仍然强烈依赖于个人的编程能力及岩 土专业水平。 9 第一章绪论 1 5 本文主要研究内容及研究思路 1 5 1 本文主要研究内容 本文研究的目的主要是设计开发一种能够适应生态护坡绿色工程的可视化 系统软件，该系统能够进行二维生态护坡的稳定性分析和生态挡墙的优化设计。 主要研究内容如下： ( 1 ) 归纳总结生态护坡技术国内外的研究现状； ( 2 ) 归纳总结国内外边坡工程可视化技术的研究现状、研究思路及存在的问 题： ( 3 ) 对生态护坡绿色工程系统的关键材料一生态袋进行界面摩擦特性试验 研究，得到生态袋与生态袋、生态袋与填料之间在不同工况下的剪切强度参数指 标； ( 4 ) 对生态护坡绿色工程可视化系统进行概要设计，分析该可视化系统的功 能需求，根据功能需求进行可视化系统的模块化设计和系统的界面设计，研究系 统开发过程中的可视化关键技术； ( 5 ) 研究开发生态护坡绿色工程可视化系统过程中生态护坡稳定性分析和挡 墙设计的理论模型和主要程序算法，生态护坡稳定性分析采用极限平衡法，其圆 弧搜索采用0 6 1 8 优选算法；生态挡墙的土压力采用考虑位移的土压力模型，其 优化程序采用遗传优化算法； ( 6 ) 介绍生态护坡绿色工程可视化系统，按照a c a d s 组织的考题对该系统进 行测试。 1 5 2 本文研究思路 可视化系统的开发需要一个过程，本文的研究思路见图卜2 所示。 0 河海大学硕士论文 图1 - 2 研究思路 河海大学硕士论文 2 i 概述 第二章生态袋界面摩擦特性试验研究 土工合成材料的摩擦特性试验是在室内土工直剪试验的基础上为适应大尺 寸界面摩擦特性试验改进而成的，用以确定土与土工合成材料，土工合成材料之 间的摩擦强度。生态袋也是一种土工合成材料，用装满填料的生态袋垒起来的生 态挡土墙，其破坏的潜在根源在于生态袋问的界面或生态袋与基层土间的界面 ( 如图卜1 所示) ，摩擦特性试验常被用来测定这些界面的粘聚力c 和摩擦角由 这两个关键参数。 国内外在试验研究工作中所使用的结构面剪切仪以研制为主，厂家定型制 造的剪切仪一般只应用于生产中，因为无论国内生产厂家，还是国外生产厂家的 产品一般都是根据特定的技术规范要求，对试验过程中的某些影响因素难以估 计，都无法满足结构面科学研究的需要。 国外学者对h d p e 膜的界面直剪试验研究内容很丰富，研制的试验仪器也较 先进。d r u s s e l l 等人呻1 使用了3 0 0 砷n x 3 0 0 m m 的直剪仪研究了h d p e 膜与g c l 的 界面摩擦强度，并讨论了峰值强度和残余强度的重要性。e r i cj t r i p l e t t 等 研制了大尺寸的界面直剪仪( 4 0 6 m m x1 0 6 7 m m ) ，同样进行了h d p e 膜与g c l 的界面 直剪试验，发现界面处于干燥状态时，试验速度对结果基本没有影响。c h i w a n h s i e h 等人呻1 使用自行研制的直剪仪，研究了加压系统的刚度对直剪试验的影响， 认为试验中采用柔性承压板比刚性承压板更为合理，界面正应力分布更均匀。h o e i l i n g 等人“”在传统变形控制直剪仪的基础上研制了l o o m m xl o o m 的直剪仪用 以测量p v c 土工膜与压实粘土界面的摩擦特性，发现试验界面在变形很小时 ( 5 7o r a s c ( r i g h t ( i n p u t s t r ，1 ) ) 4 8 一 a n da s c ( m i d ( i n p u t s t r ，l ，1 ) ) 4 3a n da s c ( m i d ( i n p u t s t r ，1 ，1 ) ) 4 5a n da s c ( r i g h t ( i n p u t s t r 。1 ) ) 4 6t h e n i s n u m b e r = f a l s e e l s e c o n t = 0 f o rd o l o n g = 1t ol e n ( i n p u t s t r ) i fa s e ( m i d ( i n p u t s t r ，d o l o n g ，1 ) ) = 4 6t h e nc o n t = c o n t + 1 河海大学硕上论文 n e x td o l o n g i fc e n t 1 t h e n i fl e n ( i n p u t s t r ) = 1t h e ni n p u t s t r = 4 0 4 ：e x i tf u n c t i o n f o rj = 1t ol e n ( i n p u t s t r ) 一l s t r = s t r + m i d ( i n p u t s t r ，j ，1 ) n e x tj i n p u t s t r = s t r m s g b o x4 非法数字，请检查输入的数据4 ，v b c r i t i c a l ，4 警告 d e a l = i n p u t s t r e x i tf u n c ti o n e n di f n e x ti s t r = 4 i fn o t ( i s n u m b e r ( i n p u t s t r ) ) t h e n i fl e n ( i n p u t s t r ) = 1t h e ni n p u t s t r = 4 0 4 ：e x i tf u n c t i o n f o ri = 1t ol e n ( i n p u t s t r ) 第三章生态护坡绿色工程可视化系统设计 s t r = s t r + m i d ( i n p u t s t r ，i ，1 ) n e x ti i n p u t s t r = s t r m s g b o x ”非法数字，请检查输入数据，v b c r i t i c a l ，警告” d e a l = i n p u t s t r e n di f d e a l = i n p u t s t r e n df u n c t i o n 3 5 3 参数化图形显示 当设计人员输入基本参数后，系统会自动绘制平面计算模型。可以加强设计 结果的直观化程度，加深用户对设计数据的理解，提高设计的准确性和效率。 ( 1 ) 坐标系设置 使用v b 的图片框对象处理图形时，系统默认坐标系的原点在其工作区的左 上角，水平向右为x 轴，垂直向下为y 轴。我们可以通过s c a l e 方法来自定义 左上角和右下角坐标来设置新的坐标系统，s c a l e 方法的用法如下 o b j e c t s c a l e ( x l ，y 1 ) 一( x 2 ，y 2 ) 其中：o b j e c t 为图片框或窗体等绘图对象： ( x l ，y 1 ) ，( x 2 ，y 2 ) 为绘图区域的左上角坐标和右上角坐标。 ( 2 ) 对象的图形方法及使用格式 在v b 环境下进行图形处理时，常用的对象的图形方法如下表3 1 所示。其 使用格式如下( 以c i r c l e 方法为例) o b j e c t c i r c l e s t e p ( x ，y ) ，r a d i u s ， c o l o r ，s t a r t ，e n d ，a s p e c t 其中：o b j e c t 为绘图对象； s t e p 为使用时( x ，y ) 为相对坐标； ( x ，y ) 为圆心坐标位置； r a d i u s 为半径； c o l o r 为颜色； s t a r t 为起始角，单位为弧度； e n d 为终止角，单位为弧度； a s p e c t 为圆的纵横比。 用此方法可以根据用户输入的基础数据资料，自动建立计算模型，减少了前 处理建模的工作量，并降低出错概率( 如图3 - 4 所示) 。 河海大学硕：j ：论文 表3 iv i s u a lb a s i c 图形方法 方法功能 p s e t l i n e c i r c l e p r i n t c i s 在窗体或图片框中画点 在窗体或图片框中画直线 在窗体或图片框中画倒、椭圆或弧线 在窗体或图片框中显示文字 清除窗体或幽片框中的幽形或文字 l 绿色工程边坡稳定系统河梅大学岩土工程研究所制作；版本1 o2 0 0 7 - 8 3 0 ，2 1 ：0 8 图3 - 4 边坡水位线动态显示窗口 3 5 4 容错处理技术的应用 在本系统中有许多计算参数和绘图参数数据需要输入，同时在程序运行中会 产生大量的中间数据，按照现代程序的发展要求，这就必然要求程序具有一定的 客错处理功能。 结合上述设计思想和本人的程序开发思路，本系统在开发中主要采取以下方 法来实现容错处理技术：( 1 ) 按设计者的常规思维模式和使用习惯来安排菜单和 属性表、对话框的编排。( 2 ) 对用户输入的设计参数根据相关规范设置限值条件， 当输入的数据不满足限值条件时，系统会认为输入的参数不合理，自动调用消息 框显示出错信息，提示用户重新输入设计参数。( 3 ) 对所产生的计算结果数据， 系统按照规范或者工程经验对其合理性进行校核，并将校核结果提示给用户。 综合以上来看，容错处理技术的应用提高了系统运行的有效性，并能及时纠 正设计中的错误，提高设计的效率。 第三章生态护坡绿色工程可视化系统设计 3 5 5 数据访问技术 v i s u a lb a s i c 具有强大的数据管理功能，设计中对于单个数据直接用 t e x t b o x 控件，对大量数据的处理主要采用m s f l e x g r i d 控件对象，充分利用 m s f l e x 6 r i d 控件对象比d a t a g r i d 显示效果好的特点。但是，m s f l e x g r i d 控件 只能显示数据，不能进行数据输入和修改。为了解决这一问题，开发时以t e x t b o x 控件作为中问过渡过程。用t e x t b o x 控件来存放修改数据的结果，再把t e x t b o x 控件存放的数据送给m s f l e x g r i d 数据控件显示出来。以下为边坡各土层参数输 入窗体解决此问题的部分代码： p r i v a t es u bt e x t l 9 _ k e y p r e s s ( k e y h s c i ia si n t e g e r ) d i mi n t r o w 3a sl o n g ，i n t c o l 3a sl o n g i fk e y a s c i i = 1 3t h e n m s f l e x g r i d 3 t e x t = t e x t l 9 t e x t i n t r o w 3 = l i s f l e x g r i d 3 r o w + 1 i n t c o l 3 = m s f l e x g r i d 3 c o l s e l i fi n t r o w 3 = m s f l e x g r i d 3 r o w st h e n i n t r o w 3 = 1 e n di f m s f i e