【基金标书】2010CB731500-重大工程地质灾害的预测理论及数值分析方法研究

项目名称： 重大工程地质灾害的预测理论及数值分析方法研究 首席科学家： 李世海 中国科学院力学研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部门： 中国科学院 一、研究内容 (一 ) 关键的科学问题 长期的研究和实践表明，工程地质灾害预测需要判断和掌握地质体的当前状态，揭示地质灾害的成灾机理和过程，建立地质体破坏的准则，定量地描述 地质体的 破坏 规律 和灾害发生的规模。因此，工程地质灾害预测需要从大量的具体案例中提炼出共性问题，集中解决三个关键科学问题： (1) 复杂地质体破坏状态识别方 法，（ 2） 地质体渐进破坏演化规律 与 预测理论 ，（ 3）工程地质灾害成灾过程的跨尺度计算方法 。在解决上述关键问题的基础上， 就可以为 各种不同类型的工程地质灾害 预测的科学化、规范化提供理论依据。 1、 复杂地质体破坏状态识别方法 复杂地质体的 力学 行为具有很强的 随机性和不确定性 ，地质监测或勘察通常只能获得地质体状态的局部信息，不能为地质灾害预测提供足够的数据。通过对地质体演化过程中状态参数的连续监测 和数值在线的分析 ， 可以 不断积累监测信息， 间接获得更多的地质体内部破坏状态信息， 提高地质灾害预测的准确性。因此，将 复杂地质体破 坏状态识别方法 研究 作为关键的科学问题， 基于 地质体 监测和 勘察数据， 建立实时监测信息与地质体内部破坏状态之间的联系，依托高性能数值计算平台发展数值在线分析方法，不断跟踪地质灾害体的变化，逐步实现由局部推演全局 、由 现在预测未来 ，达到工程地质灾害预测的目的。 2、 地质体渐进破坏演化规律与预测理论 地质灾害体在多种诱发因素作用下，通常经历局部 再 破坏、贯穿性破坏、碎裂性破坏和运动性破坏几个阶段。研究地质体的破坏由一个阶段演化为另一个阶段的过程对地质灾害预测至关重要。因此，本项目将地质体渐进破坏演化规律与预测理论作为关 键的科学问题，将预测地质灾害成灾阶段转化为对地质体破坏状态的判断， 建立地质体 内部 破裂 与灾害前兆信息 之间的联系 ，研究地质体各破坏阶段的破坏机理和判断准则，通过 往复 地比对 现场 数据和数值模拟结果， 建立可测物理量和内部状态之间的联系 ，发展地质灾害的预测理论。 3、 工程地质灾害成灾过程的跨尺度计算方法 地质灾害的演化是一个跨尺度的力学行为， 用理论 分 析 和室内实验的 方法 难以 定量地描述 复杂 结构 地质体跨尺度的运动 规律 ，这就需要建立 地质体成灾全过程的力学 模型 ，定量地 描述地质灾害体由 连续到非连续的转化过程 ，揭示孔隙 与 地质体破裂 的相互作用机理 ， 研究散体 流动 规律 ，预测地质灾害成灾规模和范围 。因此，将 研究工程地质灾害跨尺度动态数值分析方法 作为关键科学问题， 研究 地质体跨尺度破坏发展过程，发展 工程地质灾害预测中的高效数值求解方法 ，实现跨尺度的数值模拟， 进而 开发 出能够解决实际工程问题的 集成软件 系统。 (二 ) 主 要研究内容 围绕着本项目的研究目标，在凝炼不同地质灾害共性科学问题的基础上， 建立复杂地质体非连续、非均匀、流固耦合的跨尺度力学模型； 针对地质灾害发生的不同阶段， 捕捉地质灾害孕育、成形、演化、发生、发展 过程中的 宏观现象，提出相应的判断准则，发展 定量描述 地质体 破坏形式及破坏程度的 方法； 基于 可测宏观物理量 和 数值模拟 ，建立 宏观现象与地质体内部破坏之间的联系； 在不断解决具体工程问题的基础上，提出工程地质灾害预测的理论，发展高效率的计算方法 和数值在线分析技术 ，开发出实用、专业的 工程地质灾害预测的集成 软件 系统 。 具体研究内容如下： 1、通过地质调查、观测数据和工程灾变实例， 构建不同尺度 的工程地质体结构模型，识别和确定 地质 结构体力学 参数 ，获取地质体当前状态的基本信息 根据地质调查、观测数据和工程灾变实例，分析 地质构造、岩层组构、岩体物理 力学性能、地下水 、 地应力状态和分布规律等单因素和耦合地质因素对 工程地质体灾变状态 的影响 ， 研究 工程地质体结构模型构建方法以及地质体结构力学参数识别和确定方法。 研究复杂地质环境和工程扰动条件下的地应力场演变规律， 发展 构建地应力场的数值方法。考虑复杂岩体物理力学参数的离散性、随机性和不确定性，研究表征区域地质体力学特性的 建模 方法， 提取反映地质体当前状态的基本信息，建立 跨尺度边界条件 ， 开发出复杂地质体 结构模型 构建的软件系统 。 2、 研究地质体 由局部破坏到贯穿性破坏的发展 过程，建立地质体 内部 破裂 与灾害前兆信息 之间的联系 ，发展 描述地质体由连续到非连续渐进破坏过程的数值模型 针 对 地质体 由局部破坏到贯穿性破坏的发展阶段，研究岩土材料由连续介质向非连续介质转变的力学过程，发展 细观与宏观力学参量对应关系的均匀化方法和局部化 方法 ； 建立地质体在破裂、滑移、失稳过程中声发射的基本规律，研究应力波在不同破坏程度岩土介质中的传播特性，由此确定地质体破坏状态的判别标准。 为模拟地质灾害演化的渐进过程，研究地质体在灾害演化过程中由连续体向离散体、局部破坏向整体破坏逐步转化的跨尺度计算模型，开发 相应的 计算软件。 3、 研究 地质体由贯穿性破坏到碎裂性破 坏的发展过程，揭示孔隙 质体破裂 的相互作用机理 ， 建立相应的流固耦合计算模型，发展地质体稳定性 分析的理论方法和临界状态的判别准则 研究地质体由贯穿性破坏到碎裂性破坏的发展过程，建立地质灾害体在整体运动的破裂模型 ，发展能够描述地质体碎裂过程的计算软件 ； 研究降雨、库水涨落所引起的滑坡灾害的发生与发展，揭示孔隙 合室内试验和现场监测，分析地质体中承压水潜水以及库水涨落条件下可测物理量的差异，建立可测物理量的变化与破坏状态之间的联系，给出发生碎裂性破坏的前 兆信息 ， 并开发相应的计算软件。 4、 研究 地质体由碎裂性破坏到运动性破坏的演变过程，发展散体 流动 的 数值分析方法，预测地质灾害成灾规模和范围 针对 地质体 由碎裂性破坏到运动性破坏的发展阶段， 建立 地质体流动的力学模型，研究地质流体流动前缘与边界介质 间 的快速 物质交换和能量 耗散机制， 确定地质流体流变性质与流态特征参数之间的关系 ，描述高压水诱发岩体破裂后的水沙流动和地层损失过程，发展 跨尺度地质流体数值计算方法 ； 通过大规模数值模拟确定灾害扩展的范围，揭示成灾规律，建立成灾规模的指标体系和评估方法，为分析和预测地质流体成灾规 模和程度提供新的理论方法和技术途径 ， 开发 相应的 计算软件 。 5、 研究工程地质灾害预测中的高效数值求解方法 ，发展 基于多核 并行优化算法 针对复杂 灾害孕育阶段 地质 体的波动模型 ，研究 求解连续介质模型的 新 型高性能计算格式； 发展求解 粘塑性 流 题 的并行自适应 算法， 大 规模颗粒运动方程的并行算法 ；发展大型离散方程组的高效并行算法 ； 从 求解非连续介质模型 的 行或并行算法出发，建立适应 于 多核 合的新型高效并行算法，研究 从模型、算法和程序上 提高 算精度 的技术， 进而开发一系列专用 计算软件 。 6、通过工程监测及验证性模型试验，发展工程地质灾害的预测理论、数值分析方法及集成软件系统，实现地质体灾害状态的数值在线分析和预测 开展 工程监测及 典型地质体破坏的模型试验，验证不同破坏阶段力学模型和计算结果；基于现场动态监测数据和数值分析，追踪地质灾害孕育、成形、演化、发生、发展过程，建立演化过程中可测物理量和地质体内部破坏状态的联系，给出不同破坏阶段的破坏判据，发展工程地质灾害的预测理论及数值方法；开发动态预测工程地质灾害形成条件、发生类型、成灾规模的集成软件和数值在线分析系统。 二、预期目 标 (一 ) 总体目标 1、 基于将预测地质灾害成灾阶段转化为判断地质体破坏状态的新理念，建立工程地质灾害演化的计算模型。 建立不同类型 地质灾害孕育、成形、演化、发生、发展 各 阶段 与地质体内部的既有破坏、局部破坏、贯穿性破坏、碎裂性破坏、运动性破坏之间的对应关系，提出 与之对应的 破坏判据，并用于工程地质灾害的预测；建立地质体的连续、非连续、散体、流动的灾害演化统一力学模型。 2、 将现场监测和高效率数值计算相结合，建立地质体可测物理量和内部破坏状态之间的联系，形成 工程地质灾害预测的理论 体系。 基于现场监测、力学理论及 数值分析，提炼出定量描述地质体灾变过程中基本现象的可测物理量，建立地质体内部破裂程度与灾害前兆之间的对应关系， 提出 地质灾害 临界状态判别准则 ，形成 工程地质灾害预测的理论 体系。 3、 建立工程地质灾害实时监测与数值在线分析的预测系统，显著提高我国重大的工程地质灾害的预测水平。 发展模拟地质灾害演化过程跨尺度高效计算方法，开发基于超级计算平台的 自适应 并行程序， 开发出 重大工程地质灾害预测的集成软件，形成工程地质灾害实时监测与数值在线分析的预测系统，为我国建立科学防灾减灾体系提供理论和技术支撑。 (二 ) 五年预期 目标 力学模型： 按照力学的边界条件、材料特性、荷载条件对 滑坡灾害 进行分类，建立以地质体基本信息为基础的地质体当前状态地质模型；建立 滑坡 灾害不同的发展阶段所对应的破坏状态的力学模型和破坏准则。 计算软件： 针对不同类型的边坡建立不同破坏阶段转化过程的计算模型；研究基于 高效计算方法，给出具有独立知识产权的计算软件和开源代码 。设计相应的模型试验、校验计算模型的合理性。 理论 体系： 建立 宏观 可测物理量和 内部 破坏状态之间的联系；给出不同阶段的 反分析方法，形成基于监测和数值模拟相结合的 滑坡灾害预测 理论体系。 预 测系统： 发展包括群测信息系统、专业远程监测系统和开源数值模拟软件的工程地质灾害实时监测与数值在线分析的预测系统。将该预测系统应用于三峡库区地质灾害示范基地、地震灾区和典型灾害示范工程，校验该系统的可行性和可靠性。 人才培养： 凝聚和培育国内一批高水平研究队伍，培养本领域的优秀科学家及创新团队，培养博士后与博士生 40 名； 论著专利： 开发地质灾害数值模拟开源软件一套；开发出地质灾害动态监测基础数据系统软件一套； 在国内外核心学术期刊发表论文 200 篇以上，其中 I 收录论文 150 篇以上，有重要国际影响的论文 50 篇以上，出版著作 3 ，申请发明专利 15 项，申请软件 登记 10 项。 三、研究方案 (一 ) 学 术思路 本项目以国家重大需求和 实现国家科学发展战略 为导向，以建立科学的 地质灾害防灾 体系 为 目标，围绕建立 重大工程地质灾害预测理论和数值方法这一核心问题开展研究工作； 以 研究地质灾害孕育、成形、演化、发生和 发展 各个阶段的破坏机理和发生条件 为主线， 通过地质勘查、工程监测、室内试验、理论研究、数值分析等综合手段 ， 重点研究复杂地质体状态，地质灾害渐进破坏演化规律、成灾机制，跨尺度计算方法及预测理论等科学问题；开发出实用、高效 的工程地质灾害数值在线分析与预测集成软件系统，为我国开展工程地质灾害预测提供科学工具。总体学术思路见图 1。 地学基础不同类型工程地质灾害滑坡、崩塌、泥石流共性的发展阶段孕育、成形、演化、发生、发展关联的破坏状态既有、局部、贯穿性、碎裂性、运动性理念一将灾害预测转化为破坏状态的判断由特殊性到普遍性工程目的工程地质灾害的数值在线分析与预测通过实践升华理论计算手段集中解决关键问题力学理论力学模型非连续 、 非均匀 、 流固耦合关键的科学问题 复杂地质体破坏状态识别方法 地质体渐进破坏演化规律与预测理论 工程地质灾害的跨尺度计算方法理念二建立可测物理量和内部破坏状态间的联系计算模型跨尺度 、 多相态 、 高性能建立新的模型： 地质灾害演化过程统一力学模型不同类型工程地质灾害滑坡、崩塌、泥石流共性的发展阶段孕育、成形、演化、发生、发展关联的破坏状态既有、局部、贯穿性、碎裂性、运动性理念一将灾害预测转化为破坏状态的判断由特殊性到普遍性不同类型工程地质灾害滑坡、崩塌、泥石流共性的发展阶段孕育、成形、演化、发生、发展关联的破坏状态既有、局部、贯穿性、碎裂性、运动性理念一将灾害预测转化为破坏状态的判断由特殊性到普遍性工程地质灾害的数值在线分析与预测通过实践升华理论工程地质灾害的数值在线分析与预测通过实践升华理论集中解决关键问题力学模型非连续 、 非均匀 、 流固耦合关键的科学问题复杂地质体破坏状态识别方法地质体渐进破坏演化规律与预测理论工程地质灾害的跨尺度计算方法理念二建立可测物理量和内部破坏状态间的联系计算模型跨尺度 、 多相态 、 高性能建立新的模型： 地质灾害演化过程统一力学模型集中解决关键问题力学模型非连续 、 非均匀 、 流固耦合关键的科学问题复杂地质体破坏状态识别方法地质体渐进破坏演化规律与预测理论工程地质灾害的跨尺度计算方法理念二建立可测物理量和内部破坏状态间的联系计算模型跨尺度 、 多相态 、 高性能建立新的模型： 地质灾害演化过程统一力学模型图 1 总体学术 思路 本项目研究涉及到工程地质学、岩土力学、流体力学、工程力学、科学计算、软件工程等多学科领域的理论与方法，体现了多学科的综合交叉与融合，吸收了各专业领域的国内外相关专家，应用不同研究手段，从不同专业角度协同攻关，确保研究成果的系统性和可靠性。 (二 ) 技 术路线 依据目标区域的现场地质勘查和监测数据，构建反映地质体当前状态的地质模型和初始条件；提出 描述地质体非连续、非均匀、 流 固 耦合的力学模型 ， 将诱发地质灾害因素转化为边界条件 (地震荷载、开挖边界、地表裂隙的渗流量 )、地质体的几何参数 (非连续材料的结构面分布 )以及材料特性参数 (非均匀材料的强度分布 )；发展能够分析 地质体既有破坏、局部破坏、贯穿性破坏、碎裂性破坏和运动性破坏 的计算方法和程序，给出判断 各种阶段地质体的破坏程度的 力学准则；通过 往复 比对 现场 数据和数值模拟结果， 建立可测物理量和内部状态之间的联系 ， 进而通过 可 测物理量评价地质体的破坏程度 ， 实现地质灾害预测。 图 2为总体技术路线，图 3为工程地质灾害 实时 预测分析方法及集成软件路线 ， 图 4为工程地质灾害预测理论框架。 构建工程地质体结构模型、识别与确定地质体状态信息 发展描述地质体由连续到非连续渐进破坏过程的数值模型 建立地质体稳定性分析的理论方法和临界状态的判别准则 发展散体流动的数值分析方法，预测地质灾害成灾规模 发展基于多核 群体系的并行优化算法 工程地质灾害实时数值在线分析与预测集成软件系统研究内容 建立工程地质灾害演化的计算模型 形成工程地质灾害预测的理论体系 实现工程地质灾害实时监测、数值在线分析和预测研究目标研究方法理论研究 固体力学 流体力学 散体力学数值仿真 有限元方法 离散元方法 M 方法模型实验 边坡渐进破坏 块体倾倒 散体流动现场监测与资料收集 地表位移 、 深部滑移 地裂缝、地下水位移、孔隙水压力 、 降雨量 声发射、局部地应力 地质勘察与勘探资料构建工程地质体结构模型、识别与确定地质体状态信息发展描述地质体由连续到非连续渐进破坏过程的数值模型建立地质体稳定性分析的理论方法和临界状态的判别准则发展散体流动的数值分析方法，预测地质灾害成灾规模发展基于多核 和 集群体系的并行优化算法工程地质灾害实时数值在线分析与预测集成软件系统建立工程地质灾害演化的计算模型形成工程地质灾害预测的理论体系实现工程地质灾害实时监测、数值在线分析和预测理论研究固体力学流体力学散体力学数值仿真有限元方法离散元方法和 方法模型实验边坡渐进破坏块体倾倒散体流动现场监测与资料收集地表位移 、 深部滑移地裂缝、地下水位移、孔隙水压力 、 降雨量声发射、局部地应力地质勘察与勘探资料图 2 总体技术路线 当前状态评价平台数值在线分析与预测灾害成形评价平台灾害发生预测平台成灾规模评价平台总控层支撑层应用层破坏状态分析模块渐进破坏演化模块液固耦合破裂模块地质散体运动模块监测勘察数据库实时监测数据库地质体状态分析函数库渐进破坏功能函数库液固耦合功能函数库散体流动功能函数库基于多核 集 群的并行高性能算法当前状态评价平台数值在线分析与预测灾害成形评价平台灾害发生预测平台成灾规模评价平台总控层支撑层应用层破坏状态分析模块渐进破坏演化模块液固耦合破裂模块地质散体运动模块监测勘察数据库实时监测数据库地质体状态分析函数库渐进破坏功能函数库液固耦合功能函数库散体流动功能函数库基于多核 和 集 群的并行高性能算法图 3 工程地质灾害 实时 预测分析方法及集成软件路线 比对地质灾害预测初始条件 边界条件 材料参数现场监测、勘察数据非均匀、非连续、流固耦合力学模型计算得到宏观表象一致破坏程度判断破坏状态分析不一致现场监测信息突发事件比对地质灾害预测初始条件 边界条件 材料参数初始条件 边界条件 材料参数初始条件 边界条件 材料参数现场监测、勘察数据非均匀、非连续、流固耦合力学模型计算得到宏观表象一致破坏程度判断破坏状态分析不一致现场监测信息突发事件图 4 工程地质灾害预测理论框架 (三 ) 创 新点与特色 集中研究与工程问题相关的不同类型地质灾害预测中共性的关键科学问题，发展地质灾害分析的理论模型和数值方法，开发地质灾害预测的集成软件系统，为实现工程地质灾害预测提供理论依据和技术支持。本项目的创新点与特色如下： 1. 在预测理论方面， 将地质灾害成灾阶段预测转化为地质体渐进破坏状态的判断，并建立相应的破坏准则，形成地质灾害预测的新理论。 2. 在预测方法 方面， 将实时监测和数值分析相结合，建立地质体可测物理量和内部破坏状态之间的联系，发展新的地质灾害预测方法。 3. 在计算模型方面， 针对地质灾害的演化过程，建立地质体的连续、非连续、散体、流动的多相态、跨尺度计算力学模型。 4. 在软件实现方面， 基于超级计算平台和高效算法，开发出预测工程地质灾害的集成软件，形成基于现场监测和数值在线分析与预测系统，实现理论与应用、算法与软件、监测与预测的紧密结合。 (四 ) 取得重大突破的可行性分析 本项目针对国家重大科学与工程计算的基础性问题，开展 重大工程地质灾害的预测理论及数值分析方法 研究。它 依托 于 中国科学院 力学研究所 、 北京大学、清华大学、 北京科技大学、大连理工大学、中国科学院计算数学与科学工程计算研究所、中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院成都山地灾害与环境研究所 等 国内 相关的优势单位， 并联合 西班牙 的 国际工程数值方法研究中心 、英国的斯旺西 大学 、 德国 的 柏林工业大学 和 波兰 的 西里西亚工业大学 等欧盟相关研究院所。本项目 拥有 4 个国家重点实验室 ， 1 个 国家工程 (技术 )研究中心 ， 3 个 教育部 重点实验室 ，以及 1 个力学所与欧盟联合 实验室。国家自然科学基金委创新研究群体 2 个 ， 有 中国科学院 及中国工程院 两院院 士 1 人，中国科学院院士 1 人，英国英国皇家学会及皇家工程院两院院士 1 人， 国家杰出青年基金 及 获得者 1 人 ，中国科学院 “百人计划 ”入选者 2 人 ， 教育部 “新世纪优秀人才 ” 计划获得者 5 人 ，形成了一 支多学科交叉、 知识结构合理、 以优秀中青年科学家为骨干、老中青结合 ，并具有良好国际合作基础 的研究团队 。 项目研究团队 拥有力学、地学、 工程技术、 计算 数学 、软件工程等学科领域的专家和欧盟数位国际著名的科学家， 通过集成和凝炼不同学科对工程地质灾害的科学认识，可在如下几个方面取得重大突破。 1. 工程地质灾害的预测理论。提出地质体不同 发展阶段的破坏形式和破坏程度的判断准则，建立地质体破坏状态和可测物理量之间的关系；建立成灾规模的指标体系和评估方法，确定灾害扩展的范围，最终形成工程地质灾害预测的理论体系。 中国科学院力学研究所在滑坡灾害的研究方面开发了实时监测滑坡监测系统，拥有几十个滑坡的监测数据，开发了基于移动通信的群测群防监测系统，可将数百个滑坡的地表破坏信息定期传输到实验室，为滑坡灾害预警和基础数据积累提供了技术支持；与英国斯旺西大学合作建立了非连续介质力学及其工程灾害联合实验室，为防治地质灾害增加了强有力的支持。 北京科技大学针对 岩石工程分析和设计问题提出了“不确定性系统分析方法”，在解决复杂岩石力学问题、提高理论和数值分析的可靠性和实用性方面取得新的进展。此外，在地应力测量理论与技术方面获得了丰硕的成果和重要进展，研制的新型温度补偿地应力测试技术，不仅可以很好地解决由于地层温度变化对地应力测量值的影响，而且可以考虑地层的各向异性、不均匀性。采用水压致裂法进行了矿区地应力场测量，创造了我国采用水压致裂法测量地应力深度的新记录，获得了地应力场与构造一致性关系。这一成果是构建不同尺度地应力场及地质参数、反演和确定地质体当前状态的重要基础 。 中国科学院地质与地球物理研究所 近年来深入开展了地质灾害形成的内外动力耦合作用机制方面的研究。研究了地质历史时期和现今发生的具有区域性、群发性和周期性等特点的重大地质灾害成因演化机制，以三峡水电工程库区大型山体滑坡为研究对象，从 3 个方面研究地质灾害形成的内外动力耦合作用机制：通过对大量古滑坡的空间分布特征和发育时间的研究，寻求滑坡时空分布的控制因素，揭示滑坡发育演化与地球内外动力耦合作用的关系；对大型基岩滑坡滑带发育演化过程的研究，提出滑带形成演化的典型四阶段模式及其内外动力耦合作用机制；以三峡库区千将坪 滑坡为例，通过对泥化夹层和滑带结构的精细地质分析和测试，重建滑带形成演化过程，研究千将坪滑坡发育及滑带形成的内外动力耦合作用机制。这些研究对于工程地质体结构模型与参数确定研究提供了坚实的基础。 大连理工大学十几年来深入开展了散体力学的研究，针对静态 /准静态岩土介质向滑坡、泥石流的演化过程，提出从局部向整体扩展的类固 步构建了描述岩土介质在类固 华大学结合河流泥沙的运动特点，推导了固液两相耦合雷诺平均应力模型，同时考虑非均匀泥沙的分组起动和在动水中的 沉降规律对模型进行修正，揭示了颗粒的相对滑移及相互挤压作用的影响，同时应用高浓度固液两相流理论，对粘性泥石流运动机理进行系统研究，分析了泥石流传播和沉积过程。这些成果的深化和扩展对地质灾害体的演化、发生、发展和堆积阶段的机理，提出相应的破坏判据提供了良好的理论基础，同时也有助于建立地质体破坏状态和可测物理量之间的关系。 中国科学院成都山地灾害与环境研究所在泥石流观测和实验数据的获取方面已积累了数十年的资料和经验，早在三十多年前就观测到野外泥石流的波状运动并持续对其运动机理和规律开展过研究工作，取得了一定的成 果。中国科学院东川泥石流观测研究站拥有良好的观测和实验条件，该站所在的蒋家沟平均每年雨季爆发 15 场泥石流，为本项目的野外原型观测提供了可能性。在中国科学院和科技部的支持下，该站的野外泥石流观测钢架平台已经建成投入使用，为实验的仪器安装提供了最佳的平台。该站新建的泥石流野外实验场，为配合野外观测实验提供了良好的模型实验条件。泥石流野外观测的基础硬件条件由观测站提供，大型的室内模拟实验可以在中科院成都山地所的模拟实验厅进行。这能为本项目提供地质灾害发展阶段的灾害规模和强度数据，通过反复比对来验证和修正建立的预测 理论。 2. 工程地质灾害体跨尺度数值模型。在渐进破坏过程中，地质体由连续演化为非连续、固体破损演化为散体流动，基于各阶段的运动过程和规律建立相应模型，并相互关联形成跨尺度数值计算模型和高效算法。 中科院力学所开发了连续介质离散元模型 (它针对岩石断裂和山体滑坡过程，建立了不同尺度下节理岩体、土石混合体的力学特性分析的新方法，已经初步用于重庆市万州区、北碚区、铜梁县、彭水县等地区数十个滑坡的机理分析，和唐家山堰塞体的分 析。这一成果将为地质体孕育和演化阶段的研究提供理论支持。 北京大学在计算力学、岩石力学和固体力学的研究方面取得了突出的成果，特别是在流固耦合和稳定性理论研究方面有坚实的基础 ,研制和开发了大型有限元通用软件 国内工程界拥有广泛的用户和良好的声誉。在本项目中将首次采用有别于现有的基于强度破坏的理论，立足于将稳定性的理论与方法应用到灾害发生点的判别和后临界的静动态分析中。从这一角度研究地质灾害成形机制是更为合理、更为准确的，可能取得突破。 大连理工大学建立了考虑颗粒间滚动摩擦、颗粒破碎的跨尺度分级以及 基于特征线 法的含液离散颗粒模型；从细观和宏观两个尺度全面描述了颗粒介质在类固 步建立了适用于颗粒材料类固态、类液态以及其相变过程的本构方程。在多孔多相介质力学、多物理场非线性耦合问题有限元方法、工程数值方法等方面进行了一系列高水平研究工作。在国际上率先对非饱和土建立了多相流数学模型和相应耦合问题的有限元方法，提出考虑大应变效应的梯度塑性连续体理论的有限元模型，并成功地应用于应变局部化分析；对含液多孔介质在动力荷载下反映材料塑性破坏的波传播的驻值间断和颤振失稳的理论研究。以上 成果为地质灾害体发生过程的研究提供了坚实的基础。 清华大学颗粒物质理论研究的处于国际领先地位，在固液两相流理论及在泥沙运动研究中的应用、水沙两相紊流的理论与模型及其数值研究等方面取得了突破性进展。在简单流动条件下求解 程，获得泥沙浓度、平均速度及脉动强度分布等理论成果，揭示出颗粒运动与清水湍流的不同特性；基于 立了高浓度水沙两相流模型，导出了颗粒运动的本构关系，适用于流体与颗粒共同作用的高浓度的含沙水流。以上结果为研究地质灾害体发展阶段的流动行为研究提供了坚实基础。 3. 工程地质灾害预测的集成软件与数值在线分析系统。集成工程地质灾害在预测理论和数值模型的研究成果，开发出预测工程地质灾害发生条件、灾害类型、成灾规模的集成软件系统，实现理论与应用、算法与软件的紧密结合。该集成软件系统基于地质体灾变状态的监测和在线分析信息，重点提炼地质灾害的力学模型、发展良好计算精度的高性能算法，并通过工程案例进行实践检验。 中国科学院力学研究所拥有具有独立知识产权的计算软件，建立了基于连续介质力学模型的离散元方法 (该方法可以研究地质体从连续到非连续的过程，能够方便的建立非连续、非均 匀和流 有在计算过程中实现地质体块体破裂的功能。该方法适合于模拟分析跨尺度、复杂条件地质体状态，并开发了具有独立知识产权的计算软件。 北京大学开发了 受工程界欢迎的软件系统；清华大学和大连理工大学开发了颗粒离散元的计算程序，将两类模型相结合就可以形成跨越固体、流体的地质灾害模型，奠定新型计算方法的基础。 中国科学院计算数学与科学工程计算研究所在数值求解椭圆方程、约束优化问题、不可压缩与可压缩多介质流及波动场数值反演等方面开展了系统深入的研究，发展了自适应移动有限元法求解多介 质流问题的方法和计算界面问题的高精度方法，并在分布式并行机上对多介质流体和波动场反演问题实现了大规模数值模拟。对多相系统的离散化模拟和跨尺度方法有深入研究，在流固耦合的离散模拟及其 算方面积累了丰富经验。以上研究成果为本项目开发高性能的数值求解方法提供了技术支持。 欧盟参加单位英国 学开发了 合的软件，实现了地质体由连续到非连续的渐进破坏过程；西班牙国际计算力学中心已开发了有限元和离散 元相结合的软件平台 前后处理软件系统 以描述灾害体的散体流动过程；波兰西里 西亚工业大学在区域性微震监测、地音测量等领域形成了完整的测试与分析系统，在国际上处于领先水平；德国柏林工业大学在环境地质、岩土工程等领域开展了大量的模型实验和计算分析研究。以上工作为本项目进行地质灾害预测理论及数值分析方法研究提供了坚实的基础。 （五）课题 设置 及 课题间相互关系 根据项目研究目标、拟解决的关键科学问题和主要研究内容，计划设置以下六个 课题： 课题一 ：工程地质体结构模型与 地 质状态基本信息分析方法 课题二 ： 地质体渐进破坏过程的演化机理及 计算 模型 课题三 ：地质体碎裂破坏及裂隙介质与流体相互作用模型和数 值方法 课题四 ： 地质灾害体流动过程及其规律的 跨尺度力学方法 课题五 ： 面向 工程 地质灾害模拟的高性能算法 课题六 ： 工程地质灾害预测的理论及方法 不同类型工程地质灾害的发生有着共性的、普遍的规律，这是由地质体特性所决定的。地质灾害孕育、成形、演化、发生、发展的不同阶段对应着地质体破坏的不同形式。综合考虑地质体的各个发展阶段及其相应的力学模型、计算方法和软件开发，项目组所设置的六个课题组按照如下的方式分工、合作。 课题一针对地质体复杂结构和状态这一制约地质体运动规律的根本问题，开展地质体灾变过程中局部监测、勘查、 探测积累的地质结构状态信息，研究建立复杂地质体结构的建模方法和反映地质体状态的地质模型，为课题二和课题三中地质体渐进破坏、流固耦合的数值计算提供基础。 课题二针对 地质体 由局部破坏到贯穿性破坏的发展阶段，建立地质体渐进破坏由连续介质发展为非连续介质的模型，主要用于描述地质灾害的孕育阶段，在地震、开挖扰动、材料弱化作用下，地质体内不断地产生新的不连续面，并逐渐形成贯穿性的破坏面，给出地质体渐进破坏的判别方法和强度准则。该课题确定的裂隙分布规律是课题三进行研究问题的初始条件，为课题四进一步分析地质灾害的发展及成灾 规模提供了前期计算依据。该课题中的数值算法将采用课题五的研究结果以提高计算精度和效率，也是课题六集成软件中力学模型的主要组成部分。 课题三针对 地质体 由贯穿性破坏到碎裂性破坏的发展阶段，建立地质体的流固耦合模型，主要描述水诱发地质灾害过程中地质体的破坏演化阶段。当地质灾害成形后，地质体内形成不同程度的裂隙，降雨、库水等就会侵入裂隙，使得裂隙张开、软化，或者增加新的裂隙面，导致宏观破坏现象出现，并最终导致地质灾害的发生。该课题的研究结果是课题四的初始条件，采用课题五的研究成果可提高其计算效率，也是课题六集成软件 中力学模型的主要组成部分。 课题四针对 地质体 由碎裂性破坏到运动性破坏的发展阶段，建立地质体灾害发展的散体流动模型，主要研究地质灾害的发展阶段、估算地质灾害的影响范围。该阶段的地质体表现为宏观的运动及流动特性，山体沿山坡加速运动、以及迁移的灾害物质最终达到静止。因此，该课题建立的力学模型应该是流体与固体相互转换的自然融合模型。该课题的计算算法将采用课题五的研究结果提高计算效率，也是课题六集成软件中力学模型的主要组成部分。 课题五 针对 工程地质灾害中的大规模计算， 发展求解 连续介质模型的 新 型计算格式以及散体流动模型 的并行算法， 建立适应 于 多核 合的新型高效并行算法， 实现模拟跨尺度地质灾害的高效率计算。该课题为整个项目的模拟过程提供计算技术支持。 课题六研究工程地质灾害预测理论和数值在线分析与预测方法，主要开展物理模型实验、现场监测，检验不同阶段的力学模型和破坏准则，集成软件并应用于模拟工程地质灾害问题。该课题将以上各课题给出的计算力学模型，充分发挥已有的勘查、实时监测数据，在不断预测校正模型的过程中，进行工程地质灾害数值在线分析和预测。该课题的研究工作是其他课题的集成和最终实现。 以上六 个课题 对不同类型工 程地质灾害在各发展阶段的理论模型及数值分析方法进行系统的研究，开发预测工程地质灾害演化过程及破坏程度的集成软件，建立工程地质灾害实时监测和数值在线分析方法。它们 围绕 项目中的 关键科学问题从不同层面 、不同角度 开展 现场监测、理论分析、数值计算和软件开发的研究工作。 各课题间既有一定的独立性，又联系紧密， 保证了整体 项目的科学性和系统性 。 课题设置及各课题之间的关系如图 5 所示。 工程地质灾害成灾阶段不良地质体孕育阶段成形阶段演化阶段发生阶段发展阶段地质体渐进破坏模式既有破坏局部再破坏贯穿性破坏碎裂性破坏运动性破坏课题一工程地质体结构模型与地质状态基本信息分析方法课题二地质体渐进破坏过程的演化机理及其计算模型课题三跨尺度孔隙裂隙介质流固耦合模型及数值方法课题四地质灾害体流动过程及其规律的跨尺度力学方法课题五 面向地质灾害模拟的高性能算法课题六 工程地质灾害的预测理论及方法课题三地质体碎裂破坏及裂隙介质与流体相互作用模型和数值方法课题五 面向 工程 地质灾害模拟的高性能算法工程地质灾害成灾阶段不良地质体孕育阶段成形阶段演化阶段发生阶段发展阶段地质体渐进破坏模式既有破坏局部再破坏贯穿性破坏碎裂性破坏运动性破坏课题一工程地质体结构模型与地质状态基本信息分析方法课题二地质体渐进破坏过程的演化机理及其计算模型课题三跨尺度孔隙裂隙介质流固耦合模型及数值方法课题四地质灾害体流动过程及其规律的跨尺度力学方法课题五 面向地质灾害模拟的高性能算法课题六 工程地质灾害的预测理论及方法课题三地质体碎裂破坏及裂隙介质与流体相互作用模型和数值方法课题五 面向 工程 地质灾害模拟的高性能算法图 5 课题设置及各课题之间的关系 课题 1、工程地质体结构模型与地质状态基本信息分析方法 预期目标： 提出工程地质体结构模型划分与判别 准则，建立典型的工程地质体结构模型及概化方法；提出确定工程地质结构体力学参数的方法；获得复杂地质体地应力场分布规律与工程地质灾害模式的关系；建立复杂地质体跨尺度地应力场反演和构建数值方法。通过上述研究，建立工程地质体结构模型和地应场分布模型，探索工程地质灾害在成生过程中地质结构与应力状态变化的敏感性关系，建立地质体结构、地应力状态变化与地质灾害的相关性，发展获取和分析工程地质体状态基本信息的新方法，为正确判断和评价地质体当前状态奠定扎实的研究基础。 研究内容： （ 1）建模要 素与方法：提出边坡结构面分级体系与判别准则，揭示结构面尺度与工程尺度的依存效应，勘测控制性结构面的几何与物理特性；划分边坡工程地质与水文地质岩组 ； 确定边坡岩土体的初始条件和边界条件，分析边坡失稳破坏机制，科学合理地构建边坡工程地质模型。 （ 2）边坡地质分类方法：调研大量的滑坡和边坡变形破坏实例 ； 根据边坡地质体的物质组成、控制性结构面特征、水文地质条件、变形破坏机制等要素，提出边坡类型及亚类的划分方法，建立边坡地质分类体系，给出各类别的三维模式图 ； 概化出 3 4 类典型边坡工程地质体结构模型，为边坡稳定性的分类研究及其相应力学模型的建立提供坚实的地质基础。 （ 1）对于岩质滑坡与崩塌，提出控制性结构面力学参数的试验方法，自主研发 2 3 套试验仪器和设备，确定地质结构面的力学参数 ； 根据岩体结构面的动态响应特性，利用波动理论，通过大量现场实验，探测地质体内部结构面的基本分布规律，揭示应力波通过结构面所产生的衰减、延迟等现象的物理本质； 建立结构体的概化模型，判识不同结构体的特征单元（ 提出 结构体主要力学参数之间的理 论关系 ； 采用室内外试验、数值模拟、 工程 经验等综合方法确定结构面和结构体的力学参数。 （ 2）对于堆积层滑坡，研制土石混合体室内与野外试验设备，进行土石混合体的静载、动载、渗流试验，获得相应物理力学参数 ； 配合数值试验方法，揭示土石混合体在动静力、渗流作用下的力学性状，为堆积层滑坡稳定性分析提供坚实的实验基础。 化规律与 地灾模式 （ 1） 不同地质和工程条件下的地应力场分析：典型地质灾害体的初始地形与 地层条件、构造特征、 岩层组构、 力学特性、 河谷下切、 断层活化、降雨、地下水、流变等 地质单因素和耦合因素 与地 应力 场 的分布 和 特点之间的关系 ； 不同地质结构体和 工程 尺度 对 地应力分布 规律和地灾模式的影响 。 （ 2）地应力场与地质灾害的关系：研究地质灾害体成生过程中地应力场的空间变化特征以及与宏观可测物理量之间的关系；地应力场状态与地质灾害产生类型和规模的关系； 复杂地质环境 （破碎带、土石混合体）、 环境影响和工程扰动条件下的 边坡体不同位置 地应力场演变规律 ，揭示地应力场张量绝对值和变化梯度对地质体内部破坏的作用。 演和构建数值方法 与地质体状态分析 （ 1）地应力场反演与构建： 研究复杂地质环境下跨尺度地应力反演理论与地 应力场构建的数值方法，包括断裂构造、褶皱、非弹性变形、不整合地层、各向异性和破碎岩体应力 场计算方法和反演 ； 连续介质与非连续介质有机结合的 地应力场 非线性数值 计算 方法 ； 地质体的初始应力状态、边界条件、初始条件 ， 跨尺度边界条件的确立。 （ 2） 复杂地质 体 当前状态 基本信息：研究不同结构类型 工程地质 体（岩体、土石混合体）在地质灾害 成生过程中 应力状态变化的敏感性关系； 研究地质体内部破裂程度与声发射、波动特性及衰减规律、内部滑移与地表位移、地表裂缝之间的对应关系； 建立地质体结构、地应力状态变化与地质灾害的相关性， 探索工程地 质灾害演化过程中地质体结构、 地应力场变化特征；以地应力场 和声发射 变化为线索， 发掘新的宏观可测物理量与地质 体内部破坏状态 的关系， 发展获取和分析工程地质体状态基本信息的新方法，为正确判断和评价地质体当前状态奠定扎实的研究基础。 经费比例： 承担单位： 北京科技大学、中国科学院地质与地球物理研究所 课题负责人： 王金安 学术骨干： 蔡美峰、李晓、乔 兰、谭卓英、谭文辉、李守定、赫建明 课题 2、地质体渐进破坏过程的演化机理及计算模型 预期目标： 在 工程扰动和环境 荷载下，针对工程地质灾害在 成形阶段 地质 体 由 连续介质向 非连续介质的转化特性， 建立 地质体由既有局部破坏向整体贯穿性破坏的内在机理，并建立相应的判别准则；发展不同尺度 力学参量对应关系的均匀化方法和局部化模型 ；通过对工程尺度地质体在灾害成形阶段的力学分析，建立内部破坏状态与可测物理量之间的对应关系，并重点 研究地质体内部破裂程度与声发射、波动特性及衰减规律、内部滑移与地表位移、地表裂缝之间的对应关系 ，确定地质灾害发生的前兆信息， 并开发相应的计算软件。 研究内容： 1. 岩土介质细观 在细观 (颗粒 )尺度下， 建立适用于 岩土物理力学特 性 的非规则、分级破碎、含液的 粘 塑性 颗粒 模型。通过对细观尺度上岩土颗粒相互作用的离散元计算，建立合理的表征元分析模型及特征参数，确定岩土材料在宏观尺度上的力学特性，确定 地质体内部状态与宏观物理量之间的对应关系 ，提出不同 尺度 的 计算方法。 2. 地质灾害演化中的连续 破坏准则 通过大型原位实验及室内模型实验，研究地质体渐进破坏过程中的声发射机制，给出地质体破坏程度与声发射特性的内在联系。 针对岩土地质 在地质灾害成形阶段所 表现出来的局部 破坏向整体贯穿破坏的转化特征，研究地质体在 连续 介质向非连续介质 演化过程 中的破坏机理； 发展以颗粒簇解簇表示的颗粒断裂破碎方式与准则，并进一步发展计及颗粒破碎的 计算 模型 ；基于室内模型试验 建立地质体在局部破坏 向 贯穿性破坏、碎裂性破坏阶段的破坏准则，并研究表征地质体不同破坏程度的内部参量与宏观可测物理量之间的联系。 3. 工程地质 灾害渐 进 过程的跨尺度数值方法 在 地震、冲击、开挖等 外荷载诱发下，采用宏观 续体本构模型和有限元数值方法对岩土地质进行数值计算，通过对宏观局部区域发生连续 体 态转变的破坏模式识别 ，并 对破坏区域进行局部化离散处理 ，从而获得剪切带由萌生到 贯穿，乃至向地质体向流动转化的渐进过程。 研究地质体 内部破裂程度与声发射、波动特性及衰减规律、内部滑移与地表位移、地表裂缝之间的对应关系 ，对地质体的破坏程度进行识别，并建立对地质体 渐进破坏过程 的 跨尺度数值 方法，并研发相应的计算软件。 经费比例： 承担单位： 大连理工大学、清华大学 课题负责人： 李锡夔 学术骨干： 季顺迎、张俊波、唐洪祥、楚锡华、程晓辉 课题 3、地质体碎裂破坏及裂隙介质与流体相互作用模型和数值方法 预期目标： 研究地质体由贯穿性破坏到碎裂性破坏的发展过 程，建立地质灾害体在整体运动的破裂模型 ，发展能够描述地质体碎裂过程的计算软件 ； 研究降雨、库水涨落所引起的滑坡灾害的发生与发展，揭示孔隙 合室内试验和现场监测，分析地质体中承压水潜水以及库水涨落条件下可测物理量的差异，建立可测物理量的变化与破坏状态之间的联系，给出发生碎裂性破坏的前兆信息。 研究内容： 1. 地质灾害演化过程中贯穿 分析有限元、离散元及颗粒有限元和基于连续介质离散元方法的特点，建立能够描述地质体由破裂到碎裂发展阶段的力学模型并给出基本的算 法，发展相应的计算软件。结合工程地质灾害现场勘查和监测结果，给出地质灾害形成过程中可能跨越碎裂阶段的地质条件，发展由贯穿性破坏状态向碎裂性破坏转化的判别准则。 2. 流体与地质体破裂的相互作用机理 发展孔隙 连续固体模型与双重介质渗流模型耦合的数值模型，模拟含有不同尺度孔隙 展流、固耦合条件下地质体稳定性分析的理论方法；研究降雨、库水涨落诱发滑坡的机理，结合现场监测泉水位置、孔隙水压力、库水位涨落、地表裂隙等物理量和灾变前兆特征，提出流、固 耦合条件下贯穿性和碎裂性破坏的状态预测方法。 3. 流、固耦合模型试验研究 开展室内 及现场 砂土和碎石模型试验，分析承压水、潜水和库水涨落三种因素下，斜坡体的临界破坏角度以及地表的破坏状态，为数值模拟提供理论依据。 经费比例： 承担单位： 北京大学、中国科学院力学研究所 课题负责人： 袁明武 学术骨干： 黄克服、刘晓宇、殷有泉、荣起国、唐少强、赵 颖、励 争、孙树立、陈永强 课题 4、地质灾害体流动过程及