山体滑坡灾害防治中的关键力学问题研究.doc

山体滑坡灾害防治中的关键力学问题研究山体滑坡灾害防治中的关键力学问题研究是科学院基础局结合资环局、高技术局重点支持的方向性项目之一，本项目的承担单位包括：中国科学院力学研究所，中国科学院地质研究所，中国科学院成都山地灾害研究所和中国科学院武汉岩土力学研究所，科学院投入资金400万元，政府和企业匹配资金500万元，项目于2002年6月启动，时间为3年。 本项目以山体滑坡防治为背景，将地学、力学和工程技术紧密地结合起来，在充分研究影响滑坡的地质条件、岩土特性、水的作用主要因素的基础上，揭示岩体和滑坡体两类山体在重力、动荷载作用下以及水渗流和开挖过程中的变形、破坏机理；针对典型的滑坡，抓住影响山体稳定性的关键因素，为山体稳定性判别、滑坡预测以及工程优化提供可靠的理论依据，研究成果应用于典型滑坡并发挥作用。主要研究内容包括： 1、建立合理的工程地质力学模型，将地质环境描述定量化。 2、研究探测、描述以及反演裂隙岩体、破碎岩体和土石混合体力学特性的方法。 3、研究库水涨落和降雨在裂隙岩体、土石混合体的渗流场以及对土体软化的影响。 4、对典型山体研究滑坡的机理，找出山体滑坡的关键因素，给出山体变形、破坏的规律和影响山体稳定性的条件。 5、研究成果与工程实践相结合，开展滑坡预测与控制方法的研究。 本项目由郑哲敏院士、王思敬院士、崔俊芝院士和葛修润院士担任科学研究顾问，中国科学院力学研究所博士李世海研究员担任首席科学家，项目下设6个子课题，力学所博士研究员李世海、丁桦、刘清泉，地质所博士李晓副研究员，山地所乔建平研究员，岩土所冯夏庭研究员分别担任各子课题负责人。总体介绍山体滑坡灾害防治中的关键力学问题研究 项目首席科学家：李世海1、预期目标（1） 建立能够描述非连续介质的力学模型，给出裂隙、破碎岩体和土石混合体随机模型的计算方法。（2） 给出破碎岩体和土石混合体渗流场随库水涨落和降雨的变化规律。（3） 给出考虑地质因素、水的影响和岩土特性的条件下，可为实际工程接受的用于山体稳定性评价、滑坡预测和工程设计中推力计算的计算软件。（4） 给出山体滑坡工程设计及加固的优化设计方法。（5） 给出能够预测降雨、开挖导致滑坡的理论模型。2、研究内容（1） 建立合理的工程地质力学模型，将地质环境描述定量化。（2） 研究探测、描述裂隙岩体、破碎岩体和土石混合体的方法（3） 研究库水涨落和降雨在裂隙岩体、土石混合体的渗流场以及对土体软化的影响。（4） 针对典型山体研究滑坡的机理，找出山体滑坡的关键因素，给出山体变形、破坏的规律和影响山体稳定 性的条件。（5） 将研究成果与工程实践相结合，开展滑坡预测与控制方法的研究。3、研究意义（1） 将力学、地学和工程科学紧密结合起来，充分发挥中国科学院的综合优势，提高我国滑坡灾害防治的科学技术水平，为解决国家大型工程建设中的灾害治理需求做出重要的贡献。（2） 国家实施西部开发战略，大力开展水电、交通基础设施建设，遇到大量的山体滑坡问题。一方面要合理选址避开滑坡危险区；另一方面对影响运营的滑坡进行防治。 （3） 三峡库区要在2003年开始蓄水，库区特殊的地质条件、运营后每年40米的水位涨落差和两年内抢救性工程遗留的问题都迫切需要研究滑坡问题。（4） 滑坡研究涉及的科学问题属于目前力学研究的前沿问题，有待于在非连续介质力学模型、地质环境定量描述及岩土本构关系的研究方面取得进展。子项目一滑坡地质力学模型与稳定性评价研究课题负责人：李晓1、预期目标对三峡库区蓄水斜坡进行地质力学分类的基础上，重点选择在库区广泛分布且对移民迁建有重要影响的古滑坡体开展研究，建立典型滑坡的工程地质与水文地质模型，揭示滑坡的地质成因与演化过程，为总项目的力学分析提供地质基础。对三峡库区乃至我国西部广泛分布的土石混合体进行试验与理论研究，揭示其工程地质力学特性，提出一套地质力学描述、室内外试验与计算分析方法，以填补国内外空白。将综合地质定性评价与多种模型定量计算相结合，揭示复杂岩土体在库水位涨落和降雨共同作用下，滑坡区地下水动力场变化规律，对土岩水相互作用下的滑坡稳定性进行分析评价，为库区滑坡防治提供科学指导。 2、主要研究内容和创新点（1） 滑坡形成与演化过程通过野外地质调查，对三峡库区蓄水斜坡的类型进行地质力学分类。针对库区典型滑坡，踏勘滑坡区的地理与地质环境，查明滑坡地质成因、滑体结构与物质组成以及滑坡区水文地质条件，概化出滑坡体的工程地质与水文地质模型，并对滑坡的形成条件、活动历史与演化过程进行研究。创新点：通过典型实例研究，提出三峡库区滑坡类型识别方法，建立古滑坡历史活动性的评价方法，用过去推测现在和未来。这是将传统地质方法的拓展和充实，是目前尚未深入研究的新方向。可望提供一种古滑坡判别与稳定性评价的地质力学新方法，为库区滑坡勘探和防治提供科学指导。（2） 土石混合体地质力学特性及数值仿真试验通过野外和室内试验，揭示土石混合体变形破坏机理；利用数码摄像、自动图像识别和计算机数值仿真技术，建立土石混合体的精细结构力学模型，对其工程地质力学特性进行数值仿真试验研究，提出一套合适的地质力学描述、室内试验测试与计算分析方法。创新点：土石混合体在我国尤其在三峡库区广泛分布，现有理论尚不能对这具有高度非均质、非连续、非线性的复杂地质材料进行描述和概化，也没有合适的室内试验和计算方法。通过本项研究可望获得土石混合体变形破坏机理、精细结构力学模型、数值仿真试验方法等原始创新性成果。（3） 蓄水斜坡稳定性的工程地质力学综合评价通过典型实例研究，确定滑坡岩土体物理力学与渗流力学参数；建立滑坡区地下水动力场的物理模型与模拟方案，研究滑坡地下水动态模拟方法；在考虑地下水动力场变化下，对典型滑坡的稳定性进行工程地质力学综合评价，提出滑坡防治的关键部位及其工程对策。创新点：利用地质定性分析与力学定量计算相结合、确定性方法和不确定性方法相结合、单一模型和多种模型相结合的工程地质力学综合评价方法，进行滑坡体模型概化、参数确定和稳定性评价。3、预期成果、市场前景和经济、社会效益通过研究可望达到以下预期成果： 三峡库区蓄水斜坡的地质分类 典型滑坡的数字化地质模型 土石混合体几何与力学特性 土石混合体数值仿真试验方法及相关软件 蓄水斜坡地下水动力场模拟方法及相关程序 蓄水斜坡稳定性的工程地质力学综合评价成果我国是一个多山国家，山区面积占国土面积的2/3，从而也是山体滑坡广泛分布的国家。我国受到滑坡灾害威胁和具有潜在滑坡威胁的地区约占全国陆地面积的1/51/4。近十年以来，我国因滑坡死亡人数每年均在千人以上。特别是举世瞩目的长江三峡工程明年蓄水在即，可以预测，随着库水位的大幅度抬升和周期性涨落，将会引发大范围的库岸再造，诱发大量山体滑坡。据统计，在长达2000余公里的三峡库区需要提出对策或治理的滑坡约7000余处，其中，直接威胁移民城镇迁建而必须治理的滑坡约1100余处。本课题通过对库区典型滑坡研究，密切结合三峡库区岸坡结构类型、地层岩性、地质构造、地形地貌、水文气象和地下水等自然条件，其研究成果具有足够的代表性和可靠性，可为三峡库区移民迁建新址重大滑坡地质灾害防治工作提供科学依据和设计基础。因此，本研究成果具有广泛的应用前景。以滑坡为主的地质灾害给国家造成的损失高达200亿元/年，国家每年需花巨资进行滑坡治理。以三峡工程库区为例，今明两年国家将拨款44亿元用于库区滑坡的勘察、设计和治理工作。本课题就是选择对库区移民城镇迁建具有重要影响的结构复杂的大型滑坡开展研究，课题的研究成果，如滑坡性质与类型的判别、滑坡的地质模型、复杂岩土体力学参数的确定、地下水动力场计算、滑坡稳定性评价等均可为三峡库区滑坡灾害综合整治提供科学依据；课题对典型滑坡治理必要性和治理方案的评价和建议，可为勘察设计部门所采用。由于滑坡治理费用浩大，一个科学合理的治理方案可为国家挽回几百甚至上千万的经济损失。此外，三峡工程，举世瞩目，库岸滑坡直接关系到库区人民生命和财产安全，关系到国家声誉，其社会效益也极其明显。子项目二岩体主要地质参数的动态识别方法研究 课题负责人：丁桦1、 预期目标本课题的研究的预期目标是针对性地给出识别滑坡体主要地质和力学参数的新的有效的方法，实现在工程中的应用，为滑坡机理研究提供基本参数。2、 主要研究内容本课题涉及的是滑坡体评估监测中对工程尺度的地质结构的识别，其目的是实现在一定条件下的工程尺度上岩体主要介质和结构特性的识别。它包括以下三个方面的工作：1 岩体结构几何及力学特性描述方法的理论和实验研究；2 破碎岩体力学参数及其分布的识别方法研究；3 软弱夹层及特殊界面特征识别方法研究。3、主要创新点：1 结合震源特征进行地质结构的识别，即利用爆破震动信号所包含的爆后震源邻近地质结构的信息对震源邻近的地质特性参数和结构进行识别；2 结合多尺度图像处理技术，给出岩体材料的统计特征，为全面地识别滑坡体的主要特征参数提供依据。4、 预期成果、市场前景和经济、社会效益。本课题的研究成果主要体现在完成工程尺度地震探测方法及相应的波源和检波技术。它将推动人们对工程地质的了解，有效地防范和治理工程地质灾害。给出的地质探测方法及相应的波源和检波技术不但能够应用于滑坡灾害的预测预报，减少地质勘查的费用，还可应用于其他一些工程地质的勘探，并有望实现产业化。子项目三岩土体力学参数识别方法研究课题负责人：冯夏庭1、预期目标通过监测滑坡的坡面位移、滑坡体深部位移、抗滑桩桩身位移、锚索受力和桩身土压力随时间变化的数据，提出岩土力学参数识别的支持向量机-有限元方法和滑坡山体滑动面力学参数的遗传-极限平衡反演方法，实现这两种参数的动态反演。2、主要研究内容1） 滑坡的坡面位移、滑坡体深部位移、抗滑桩桩身位移、锚索受力和桩身土压力的监测；2） 岩土力学参数识别的支持向量机-有限元方法3） 提出滑坡山体滑动面力学参数动态反演的遗传-极限平衡反演方法。3、主要创新点1) 提出岩土力学参数识别的支持向量机-有限元动态反演方法； 2) 实现滑坡山体滑动面力学参数的遗传-极限平衡动态反演方法。4、预期成果、市场前景和经济、社会效益。西部开发、三峡库区蓄水、水电工程、矿山开采、高速公路、铁路建设等存在或潜在滑坡问题，每年造成损失高大200亿元，近5年来每年死亡达数千人。此项研究成果可为滑坡的准确预报和及时控制提供必要的参数识别方法，从而可以减少因预报不准或控制不当或不及时等造成的损失。因而，研究成果具有明显的社会效益和经济效益。因此应用前景广阔。子项目四降雨产流、库水涨落引起的山体内部渗流场变化规律研究课题负责人：刘青泉1、 预期目标以三峡库区的山体滑坡防治为背景，将地学和力学研究紧密地结合起来，重点考虑表面降雨产流、库水位涨落引起的水体入渗和地下水位变化等对滑坡体的影响。在充分研究表面降雨产流规律、入渗（带裂隙）规律，以及库水位涨落引起的岩土体裂隙渗流规律的基础上，分析滑坡体内的渗流场变化，为合理考虑水在山体滑坡中的作用，以及排水工程设计提供理论依据。2、主要研究内容(1) 土石混合体渗流参数及渗流机理，裂隙渗流机理研究(2) 滑坡体表面降雨、产流规律及优化排水措施研究(3) 库水涨落引起的山体内部渗流场变化规律研究3、主要创新点：(1) 复杂地表条件下降雨产流和集中汇流的动力学模型和合理模拟；(2) 含岩石块体特殊介质的渗流模型的构造和模拟；(3) 揭示裂缝对土石混合体渗流规律的影响及其渗流机理。4、预期成果(1)揭示裂隙渗流的动力学机理；(2)建立复杂表面的降雨入渗的产、汇流模型；(3)建立含岩石块体特殊介质的渗流模型；(4)给出能够预测降雨、江水涨落引起的渗流场变化的理论依据；(5)给出降雨、江水涨落加剧滑坡体不稳定的理论依据；(6)发表高水平的研究论文5-7篇。5、经济与社会效益滑坡治理中，排水方案是十分有效和最为经济的工程措施之一，科学地设计排水方案是降低成本的重要途径。经过本项目的研究，可以为滑坡治理排水方案设计提供较可靠的理论依据。同时，水是造成滑坡灾害发生的主要因素，研究降雨、库水涨落对滑坡的预测起着重要作用，减少滑坡灾害造成的人民生命财产损失，其社会效益将是非常显著的。子项目五不同条件下山体变形、破坏机理 课题负责人：李世海1、 预期目标；（1） 建立岩体裂隙随机分布、碎石土不同介质随机分布的力学模型。（2） 实验室模拟崩塌体以及在开挖和下切条件下的地应力场的分布规律。（3） 给出开挖、加载、水以及动荷载条件下岩体的变形和破坏规律。（4） 给出典型滑坡的稳定性判据、基本设计依据以及滑坡预测理论模型。2、 主要研究内容（1） 含多组裂隙面、软弱层、不均匀介质分布随机模型计算方法研究。（2） 土石混合体的本构模型试验及数值模拟研究。（3） 针对典型山体实验与理论研究崩滑体不同几何、物理参数、库水涨落、降雨渗流、开挖以及动荷载条件下岩体的变形及破坏规律研究。（4） 山体稳定性判据、工程设计依据的理论与实验研究，以及山体滑坡预测的理论模型研究。3、 主要创新点（1） 建立能够更为客观的描述岩土力学特性的力学模型，特别是给出土石混合体这种复杂介质的本构关系。（2） 将地学和力学相结合，充分考虑地质环境、水、岩体裂隙以及岩土的不均匀性，给出新的计算山体稳定性、滑坡推力以及滑坡预测的计算方法。4、 预期成果、市场前景和经济、社会效益（1） 提出新的山体稳定性计算方法，为改进目前滑坡稳定性计算规范奠定基础。（2） 给出山体滑坡推力计算的新方法。（3） 给出描述降雨、库水涨落和开挖影响山体稳定性的定量化方法。（4） 给出地震荷载下山体稳定性判据的计算方法。5、预期市场前景和经济、社会效益（1） 西部开发、三峡蓄水和水电、交通基本建设面临着大量的滑坡问题，每年地质灾害造成的损失高达200亿，近五年来每年死亡人数逾千人，开展滑坡研究有着广泛的应用前景。（2） 治理过程中，由于机理不清楚，为保证安全提出的方案往往是过分保守，耗资巨大；或者稳定性评价不准确，不能有效的治理。（3） 目前滑坡灾害防治的状况亟待改变，涉及到国家安定团结，影响到西部开发的进程，其社会效益也是不可忽视的。子项目六滑坡危险性评判及预测预报方法研究课题负责人：乔建平1、预期目标（1）建立定量化的滑坡危险度区划及典型滑坡危险性预测评价指标体系。（2）提出滑坡主要因素的量化方法、可靠性检验方法。（3）重点滑坡库岸段滑坡危险度区划及典型滑坡危险性预测理论方法。（4） 建立典型滑坡动态模拟系统及滑坡快速反应系统。2、主要研究内容（1）滑坡危险性评判方法应用研究（2）滑坡预测预报方法研究（3）典型滑坡的治理有效方法选择以及优化研究3、主要创新点（1）将数学力学方法、GIS技术与传统的滑坡经验科学相结合，研究滑坡危险性评判中因素的定量化及可靠性评价方法。（2）通过与工程实践相结合，提出新的区域滑坡危险度和个体滑坡危险度综合评价标准。4、预期成果：（1）建立定量化滑坡危险度区划及典型滑坡危险性预测评价指标体系。（2）提出滑坡主要因素的量化方法、可靠性检验方