灾害环境下重大工程安全性的基础研究(谢和平).doc

项目编号：2002CB412700项目名称：灾害环境下重大工程安全性的基础研究起止年月：2002年12月-2007年8月项目首席科学家：谢和平 中国矿业大学冯夏庭 中国科学院武汉岩土力学研究所项目依托部门：中国科学院，教育部经费预算：2500万元一、 主要研究内容本项目针对高原、高山峡谷特殊环境和复杂地质条件、自然灾害频发地区的重大基础设施建设中高陡边坡、深埋长隧洞、大型地下硐室以及高坝的安全性，通过地学、力学、信息科学和工程科学的交叉综合分析，系统研究灾害环境下重大工程安全性的基础科学问题，这些基础科学问题的核心主题是系统地研究灾害环境下地质体与工程结构相互作用的机理与规律。根据这一主题，提出拟解决的关键科学问题为：1 复杂工程地质体结构及其力学特性的多尺度建模理论和方法；2 多场耦合对复杂地质体的影响规律及其引起灾变的机理；3 灾害环境作用下工程地质体变形破坏过程及突发性灾害的成灾机理；4 地质工程系统在灾变过程中的响应模式与自适应性机理和规律；5 灾害的时空预测理论与工程的安全防护原理。围绕着这五个关键科学问题，选择具有代表性的典型工程，将地学、力学和工程科学有机结合，通过地质调查、现场监测、模型试验和数值模拟，抽象多尺度地质体模型，揭示在复杂灾害环境条件下地质体的变形、破坏以及与工程结构相互作用规律，研究灾害环境下地质体与结构的相互作用，形成以地学为基础、力学为手段、工程安全为目的理论体系，在灾害环境下重大工程安全性的基础科学问题研究取得突破性进展。二、预期目标本项目针对我国西部开发中大量基础设施建设的迫切需要，通过地学、力学、工程科学相结合的系统研究，在灾害环境作用下重大工程安全性研究方面取得突破性进展。建立灾害时空预测及其对重大工程安全性影响的理论与方法，为未来我国重大岩土工程在灾害环境下的安全性与稳定性评估、设计及防灾减灾提供可靠的理论基础、控制方法和技术支持平台；解决重大工程安全性与稳定性分析中的多场耦合理论、工程尺度下地质构造精细探测、工程安全性分析中的能量分析方法等关键科学问题；对我国国民经济的发展起到重大促进作用的同时，推动工程学、地学、力学、岩土工程学等多学科的发展与交叉，使我国在灾害环境下重大工程建设的安全性研究达到世界先进水平。具体目标为：2005年：提出地质体精细结构的新型描述方法、模型，建立多尺度地质体(冻土、岩土等)的结构关系和力学模型，揭示内外动力耦合作用下的地质灾害的演化规律及其对工程安全性的影响，建立复杂地质体的多场耦合模型，提出百年尺度气候变化背景下多年冻土变化的区域制图、地下冰空间分布图，搞清灾害过程中应力/能量在地质体与工程体中的转移、传递和释放规律，提供西部地区重大工程的近断裂地震反应谱和地震动时程，为强地震作用下的高陡边坡、高坝的安全研究提供科学的地震动参数和荷载输入。2007年：查明地质构造活动区中重大工程建设与地质体相互影响的机理与规律，建立灾变过程中考虑地质体与工程体相互作用效应的重大工程整体稳定性分析、实时监控理论和方法，提出灾害环境下重大工程自适应调控以及防护对策，建立具有力学分析、灾害评估、预测与防护对策功能的重大工程安全性评估分析系统。本项目以应用为目标，以机理、规律、新理论、新方法研究为核心，是多学科交叉的应用基础研究，以细宏观力学试验、多尺度分形研究、数值计算、精细仿真以及进行地学、数学、力学、化学理论分析为基本研究手段，组织地学、力学、资源、信息、工程等领域的应用科学家进行跨部门跨学科的协作攻关。将通过项目的实施，培养一大批重大工程安全性基础研究的青年人才，建设我国重大工程安全基础研究的强有力的研究基地。三、课题分解方案围绕上述5个关键科学问题，本项目设置以下9个课题进行系统性研究：课题1：复杂工程地质体的多尺度结构及其赋存环境研究研究内容：确定西部典型工程区的地质背景；发展复杂地质结构与地质灾害的多源信息集成、三维建模和综合探测的理论与方法；研究典型地质构造形成发展过程的动力学演化机制；揭示断层活动模式、特征及演化趋势；建立复杂地质体在区域尺度、山体尺度、工程岩体尺度和实验室岩块尺度下的多尺度地质体结构模型，并研究其内在联系。研究目标：提出研究典型工程区的地质背景及其赋存环境(地应力、地下水、温度场)的理论与方法；发展地质结构和地质灾害的多源信息综合集成方法；探索地质构造形成演化的地质历史、断裂构造的活动性；建立不同尺度下复杂地质体的结构模型。承担单位：中国科学院地质与地球物理所、中国矿业大学课题负责人：杨志法、周宏伟主要学术骨干：杨志法、周宏伟、伍法权、刘大安、安里千、王学潮、尚彦军、刘 刚经费比例：7.2%。课题2：内外动力耦合作用下地质灾害的演化及其对工程安全的影响研究内容：研究西部特殊地质环境下构造运动和深大活动断裂对对地质灾害的制约作用；强烈外动力地质作用引发滑坡、崩塌等地质灾害的机理与预测；强烈构造活动区内外动力作用的耦合度及其对地质灾害的影响；人类工程活动对脆弱地质环境下灾害的促发作用；地质灾害的非线性动力学演化规律及成灾时空预测。研究目标：确定构造运动和活动断裂等内动力地质作用的成灾环境和制约机理；揭示内外动力耦合作用下地质灾害的成灾机制及其对工程安全的影响；提出地 质灾害非线性动力学预报理论。承担单位：中国科学院地质与地球物理所、中国科学院武汉岩土力学研究所课题负责人：李 晓、汪 稔主要学术骨干：李 晓、汪 稔、胡瑞林、秦四清、马凤山、底青云、徐嘉谟、王 若、邓建辉经费比例：10.7%。课题3：不同尺度地质体结构力学特性及力学行为研究研究内容：借助波动理论和物探技术研究复杂地质体中波的传播规律，并在此基础上研究地质体力学参数探测方法及量测系统；通过对不同尺度地质体力学特性的试验、理论和数值模拟研究建立多尺度地质体的内在联系；研究地下水渗流与地质体裂隙分布规律相关性；以西部强烈褶皱地层、深大活动断裂带为背景，开展非连续、非均匀介质力学模型及其计算方法研究；建立以统计力学方法为基础的地质体破坏准则；将不同尺度的试验与数值模拟相结合，进行不同尺度地质体力学参数反演及识别方法研究。研究目标：建立不同尺度复杂地质体力学模型，给出确定地质体力学参数的方法。承担单位：中国科学院力学所、中国矿业大学课题负责人：李世海、赵 坚主要学术骨干：李世海、赵 坚、刘清泉、孟祥跃、刘曰武、王建锋、宋宏伟、李夕兵经费比例：本课题经费占项目总经费的15.2%。课题4：地质体的多场耦合效应和冻融灾害及其对工程稳定性影响的研究研究内容：高温、高压、强渗透、冻融循环条件、化学腐蚀对岩石力学特性的影响规律，冻融循环和化学腐蚀作用下岩土介质破坏机理；温度、压力和渗流场耦合效应及其对地质体灾变机理的影响；百年尺度气候变化背景下冻土演化及其对工程反馈影响，地下冰的空间分布和变化趋势的预测；典型多年冻土退化区岩土工程冻融灾害形成和演化过程；多场耦合效应地质工程长期安全性的影响规律与控制方法。研究目标：建立多场耦合的控制方程及其对岩体物性参数的影响规律和多场耦合下重大工程长期安全性的预测理论。给出百年尺度气候变化背景下多年冻土变化的区域分布图，冻融循环对边坡稳定性和交通基础设施建设工程的影响规律。承担单位：中国科学院武汉岩土力学所、中国科学院寒区旱区环境与工程所课题负责人：杨春和、马 巍主要学术骨干：杨春和、马 巍、程国栋、孔令伟、吴 文、陈卫忠、陈从新、李 铀、周国庆、王水林、刘泉声经费比例：12.9%。课题5：灾害环境和工程扰动过程中应力传递与能量释放规律及其自适应调控研究内容：基于能量耗散的岩体损伤断裂破坏规律、强度理论与破坏准则；基于能量和分形理论的能量传播、耗散规律及自适应理论；能量释放与传播过程中节理岩体损伤演化及破坏模型；灾害环境和工程扰动过程中重大工程响应、安全性预测与自适应调控。研究目标：建立灾害环境和工程扰动过程中岩体损伤断裂模型、强度理论与破坏准则；提出灾害环境和工程扰动过程中地质体能量释放、传播与耗散规律及自适应的理论模型；初步建立灾害环境和工程扰动过程中重大工程安全性的自适应调控理论与方法。承担单位：中国矿业大学、中国科学院武汉岩土力学研究所课题负责人：鞠 杨、李海波主要学术骨干：鞠 杨、李海波、高 峰、姜耀东、孙 强、黎利云，李术才、章 光经费比例：13.9%。课题6：强地震下重大工程的动力响应及其对工程结构影响规律研究研究内容：基于震源物理参数研究成果和三维数值模拟方法，研究近断裂地震反应谱、地震动时程和地表断裂估计方法；研究地震荷载与爆炸荷载对地质体结构面作用的动力相似规律；研究地震荷载作用下软弱结构面的变形和强度特征、地震波在高陡边坡、高坝、长隧、地下硐室中的传播规律以及强地震波对高陡边坡、高坝的开裂、损伤的扩展及破坏效应。研究目标：揭示强地震对工程结构的影响规律，提出西部地区重大工程的近断裂地震反应谱和地震动时程、高陡边坡与高坝动力失稳模型、强度准则。承担单位：中国科学院力学所、国家地震局地球物理研究所课题负责人：丁 桦、高孟潭主要学术骨干：丁 桦、高孟潭、梁乃刚、黄晨光、张均锋、俞言祥、许力生 经费比例：10.3%。课题7：多因素相互作用下地质工程系统的整体稳定性研究研究内容：工程体与地质体相互作用的界面效应、机理及模拟；工程体与地质体共同作用的整体稳定性理论模型与模拟；灾害环境下地质工程系统整体稳定性的实时监控理论与技术；灾害环境下工程体稳定与地质环境、降雨或雾化、地下水、地应力以及稳控措施的互馈分析理论。研究目标：建立基于工程体-地质体接触界面真实描述的两体(工程体-地质体)作用力学模型；运用上述两体相互作用力学模型初步建立工程体-地质体整体稳定性分析评价理论和方法；形成灾害环境下地质工程系统相互作用的在线监测、自诊断、自修复技术，提出整体稳定性的多因素实时监控理论与方法；初步建立多因素耦合作用下工程体-地质体稳定性评价理论。 承担单位：中国矿业大学，河海大学课题负责人： 谢和平、吴中如主要学术骨干：谢和平、吴中如、陈志坚、易成、徐卫亚、陈忠辉、杨庚宇、徐志斌经费比例：10.6%。课题8：灾害环境下重大工程安全性的时空预测与分析评估系统研究研究内容：多场耦合下工程岩体损伤局部化过程的大规模精细仿真方法；重大工程的智能反馈分析方法及其安全措施识别的全局优化方法；重大工程安全性评估的连续与非连续、定性与定量相结合的集成分析方法；灾害时空预测预报的不确定性方法和确定性方法相结合的综合集成分析体系。研究目标：提出重大工程安全性时空预测预报的综合集成分析方法；建立重大工程安全性的分析评估与时空预测集成系统。承担单位：中国科学院武汉岩土力学研究所、清华大学课题负责人：冯夏庭、盛 谦主要学术骨干：冯夏庭、盛 谦、刘 建、张玉军、贺怀建、白世伟、杨 强、周维垣经费比例：11.6%。课题9：考虑功能蜕化的重大工程结构在地震作用下破坏过程模拟与控制方法研究内容：复杂二维非均匀介质情况下宽频带理论地震图的计算；地震诱发饱和-非饱和土体动力失稳与破坏机理；水压力和地震作用下混凝土断裂准则和破坏机理；大型结构安全监测系统的基础研究；考虑结构功能蜕化过程的时变可靠性的基础研究。研究目标：领先得到复杂非均匀介质情况下接近真实的地震地面运动图谱，将工程的地震输入从区域性、历史性的统计提高到确定性地分析计算；领先通过实验得到在水压力和地震作用下混凝土断裂准则和本构关系。在地震诱发饱和-非饱和土体动力失稳与破坏的机理研究方面完成一系列具有国际前沿水平的研究成果。在含大脉冲的近场强震、长周期分量、和非一致地面运动的地震作用下发展一整套同时考虑重大结构动力反应、大位移、材料非线性、不连续位移场和考虑结构损伤累积、功能蜕化的分析方法，达到国际前沿水平；初步建立一套有效挖掘信息量、大幅度提高识别损伤灵敏度的安全监测方法；初步建立一套考虑结构功能蜕化的时变系统可靠性的评价方法。承担单位：上