項(xiàng)目名稱： 重大工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測理論及數(shù)值分析方法研究 首席科學(xué)家： 李世海 中國科學(xué)院力學(xué)研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門： 中國科學(xué)院 一、研究內(nèi)容 (一 ) 關(guān)鍵的科學(xué)問題 長期的研究和實(shí)踐表明，工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測需要判斷和掌握地質(zhì)體的當(dāng)前狀態(tài)，揭示地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)理和過程，建立地質(zhì)體破壞的準(zhǔn)則，定量地描述 地質(zhì)體的 破壞 規(guī)律 和災(zāi)害發(fā)生的規(guī)模。因此，工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測需要從大量的具體案例中提煉出共性問題，集中解決三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題： (1) 復(fù)雜地質(zhì)體破壞狀態(tài)識別方 法，（ 2） 地質(zhì)體漸進(jìn)破壞演化規(guī)律 與 預(yù)測理論 ，（ 3）工程地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)過程的跨尺度計(jì)算方法 。在解決上述關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)上， 就可以為 各種不同類型的工程地質(zhì)災(zāi)害 預(yù)測的科學(xué)化、規(guī)范化提供理論依據(jù)。 1、 復(fù)雜地質(zhì)體破壞狀態(tài)識別方法 復(fù)雜地質(zhì)體的 力學(xué) 行為具有很強(qiáng)的 隨機(jī)性和不確定性 ，地質(zhì)監(jiān)測或勘察通常只能獲得地質(zhì)體狀態(tài)的局部信息，不能為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測提供足夠的數(shù)據(jù)。通過對地質(zhì)體演化過程中狀態(tài)參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測 和數(shù)值在線的分析 ， 可以 不斷積累監(jiān)測信息， 間接獲得更多的地質(zhì)體內(nèi)部破壞狀態(tài)信息， 提高地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的準(zhǔn)確性。因此，將 復(fù)雜地質(zhì)體破 壞狀態(tài)識別方法 研究 作為關(guān)鍵的科學(xué)問題， 基于 地質(zhì)體 監(jiān)測和 勘察數(shù)據(jù)， 建立實(shí)時(shí)監(jiān)測信息與地質(zhì)體內(nèi)部破壞狀態(tài)之間的聯(lián)系，依托高性能數(shù)值計(jì)算平臺發(fā)展數(shù)值在線分析方法，不斷跟蹤地質(zhì)災(zāi)害體的變化，逐步實(shí)現(xiàn)由局部推演全局 、由 現(xiàn)在預(yù)測未來 ，達(dá)到工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的目的。 2、 地質(zhì)體漸進(jìn)破壞演化規(guī)律與預(yù)測理論 地質(zhì)災(zāi)害體在多種誘發(fā)因素作用下，通常經(jīng)歷局部 再 破壞、貫穿性破壞、碎裂性破壞和運(yùn)動(dòng)性破壞幾個(gè)階段。研究地質(zhì)體的破壞由一個(gè)階段演化為另一個(gè)階段的過程對地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測至關(guān)重要。因此，本項(xiàng)目將地質(zhì)體漸進(jìn)破壞演化規(guī)律與預(yù)測理論作為關(guān) 鍵的科學(xué)問題，將預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)階段轉(zhuǎn)化為對地質(zhì)體破壞狀態(tài)的判斷， 建立地質(zhì)體 內(nèi)部 破裂 與災(zāi)害前兆信息 之間的聯(lián)系 ，研究地質(zhì)體各破壞階段的破壞機(jī)理和判斷準(zhǔn)則，通過 往復(fù) 地比對 現(xiàn)場 數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果， 建立可測物理量和內(nèi)部狀態(tài)之間的聯(lián)系 ，發(fā)展地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測理論。 3、 工程地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)過程的跨尺度計(jì)算方法 地質(zhì)災(zāi)害的演化是一個(gè)跨尺度的力學(xué)行為， 用理論 分 析 和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的 方法 難以 定量地描述 復(fù)雜 結(jié)構(gòu) 地質(zhì)體跨尺度的運(yùn)動(dòng) 規(guī)律 ，這就需要建立 地質(zhì)體成災(zāi)全過程的力學(xué) 模型 ，定量地 描述地質(zhì)災(zāi)害體由 連續(xù)到非連續(xù)的轉(zhuǎn)化過程 ，揭示孔隙 與 地質(zhì)體破裂 的相互作用機(jī)理 ， 研究散體 流動(dòng) 規(guī)律 ，預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)規(guī)模和范圍 。因此，將 研究工程地質(zhì)災(zāi)害跨尺度動(dòng)態(tài)數(shù)值分析方法 作為關(guān)鍵科學(xué)問題， 研究 地質(zhì)體跨尺度破壞發(fā)展過程，發(fā)展 工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測中的高效數(shù)值求解方法 ，實(shí)現(xiàn)跨尺度的數(shù)值模擬， 進(jìn)而 開發(fā) 出能夠解決實(shí)際工程問題的 集成軟件 系統(tǒng)。 (二 ) 主 要研究內(nèi)容 圍繞著本項(xiàng)目的研究目標(biāo)，在凝煉不同地質(zhì)災(zāi)害共性科學(xué)問題的基礎(chǔ)上， 建立復(fù)雜地質(zhì)體非連續(xù)、非均勻、流固耦合的跨尺度力學(xué)模型； 針對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的不同階段， 捕捉地質(zhì)災(zāi)害孕育、成形、演化、發(fā)生、發(fā)展 過程中的 宏觀現(xiàn)象，提出相應(yīng)的判斷準(zhǔn)則，發(fā)展 定量描述 地質(zhì)體 破壞形式及破壞程度的 方法； 基于 可測宏觀物理量 和 數(shù)值模擬 ，建立 宏觀現(xiàn)象與地質(zhì)體內(nèi)部破壞之間的聯(lián)系； 在不斷解決具體工程問題的基礎(chǔ)上，提出工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的理論，發(fā)展高效率的計(jì)算方法 和數(shù)值在線分析技術(shù) ，開發(fā)出實(shí)用、專業(yè)的 工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的集成 軟件 系統(tǒng) 。 具體研究內(nèi)容如下： 1、通過地質(zhì)調(diào)查、觀測數(shù)據(jù)和工程災(zāi)變實(shí)例， 構(gòu)建不同尺度 的工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型，識別和確定 地質(zhì) 結(jié)構(gòu)體力學(xué) 參數(shù) ，獲取地質(zhì)體當(dāng)前狀態(tài)的基本信息 根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、觀測數(shù)據(jù)和工程災(zāi)變實(shí)例，分析 地質(zhì)構(gòu)造、巖層組構(gòu)、巖體物理 力學(xué)性能、地下水 、 地應(yīng)力狀態(tài)和分布規(guī)律等單因素和耦合地質(zhì)因素對 工程地質(zhì)體災(zāi)變狀態(tài) 的影響 ， 研究 工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法以及地質(zhì)體結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)識別和確定方法。 研究復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和工程擾動(dòng)條件下的地應(yīng)力場演變規(guī)律， 發(fā)展 構(gòu)建地應(yīng)力場的數(shù)值方法?？紤]復(fù)雜巖體物理力學(xué)參數(shù)的離散性、隨機(jī)性和不確定性，研究表征區(qū)域地質(zhì)體力學(xué)特性的 建模 方法， 提取反映地質(zhì)體當(dāng)前狀態(tài)的基本信息，建立 跨尺度邊界條件 ， 開發(fā)出復(fù)雜地質(zhì)體 結(jié)構(gòu)模型 構(gòu)建的軟件系統(tǒng) 。 2、 研究地質(zhì)體 由局部破壞到貫穿性破壞的發(fā)展 過程，建立地質(zhì)體 內(nèi)部 破裂 與災(zāi)害前兆信息 之間的聯(lián)系 ，發(fā)展 描述地質(zhì)體由連續(xù)到非連續(xù)漸進(jìn)破壞過程的數(shù)值模型 針 對 地質(zhì)體 由局部破壞到貫穿性破壞的發(fā)展階段，研究巖土材料由連續(xù)介質(zhì)向非連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)變的力學(xué)過程，發(fā)展 細(xì)觀與宏觀力學(xué)參量對應(yīng)關(guān)系的均勻化方法和局部化 方法 ； 建立地質(zhì)體在破裂、滑移、失穩(wěn)過程中聲發(fā)射的基本規(guī)律，研究應(yīng)力波在不同破壞程度巖土介質(zhì)中的傳播特性，由此確定地質(zhì)體破壞狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)。 為模擬地質(zhì)災(zāi)害演化的漸進(jìn)過程，研究地質(zhì)體在災(zāi)害演化過程中由連續(xù)體向離散體、局部破壞向整體破壞逐步轉(zhuǎn)化的跨尺度計(jì)算模型，開發(fā) 相應(yīng)的 計(jì)算軟件。 3、 研究 地質(zhì)體由貫穿性破壞到碎裂性破 壞的發(fā)展過程，揭示孔隙 質(zhì)體破裂 的相互作用機(jī)理 ， 建立相應(yīng)的流固耦合計(jì)算模型，發(fā)展地質(zhì)體穩(wěn)定性 分析的理論方法和臨界狀態(tài)的判別準(zhǔn)則 研究地質(zhì)體由貫穿性破壞到碎裂性破壞的發(fā)展過程，建立地質(zhì)災(zāi)害體在整體運(yùn)動(dòng)的破裂模型 ，發(fā)展能夠描述地質(zhì)體碎裂過程的計(jì)算軟件 ； 研究降雨、庫水漲落所引起的滑坡災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展，揭示孔隙 合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測，分析地質(zhì)體中承壓水潛水以及庫水漲落條件下可測物理量的差異，建立可測物理量的變化與破壞狀態(tài)之間的聯(lián)系，給出發(fā)生碎裂性破壞的前 兆信息 ， 并開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算軟件。 4、 研究 地質(zhì)體由碎裂性破壞到運(yùn)動(dòng)性破壞的演變過程，發(fā)展散體 流動(dòng) 的 數(shù)值分析方法，預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)規(guī)模和范圍 針對 地質(zhì)體 由碎裂性破壞到運(yùn)動(dòng)性破壞的發(fā)展階段， 建立 地質(zhì)體流動(dòng)的力學(xué)模型，研究地質(zhì)流體流動(dòng)前緣與邊界介質(zhì) 間 的快速 物質(zhì)交換和能量 耗散機(jī)制， 確定地質(zhì)流體流變性質(zhì)與流態(tài)特征參數(shù)之間的關(guān)系 ，描述高壓水誘發(fā)巖體破裂后的水沙流動(dòng)和地層損失過程，發(fā)展 跨尺度地質(zhì)流體數(shù)值計(jì)算方法 ； 通過大規(guī)模數(shù)值模擬確定災(zāi)害擴(kuò)展的范圍，揭示成災(zāi)規(guī)律，建立成災(zāi)規(guī)模的指標(biāo)體系和評估方法，為分析和預(yù)測地質(zhì)流體成災(zāi)規(guī) 模和程度提供新的理論方法和技術(shù)途徑 ， 開發(fā) 相應(yīng)的 計(jì)算軟件 。 5、 研究工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測中的高效數(shù)值求解方法 ，發(fā)展 基于多核 并行優(yōu)化算法 針對復(fù)雜 災(zāi)害孕育階段 地質(zhì) 體的波動(dòng)模型 ，研究 求解連續(xù)介質(zhì)模型的 新 型高性能計(jì)算格式； 發(fā)展求解 粘塑性 流 題 的并行自適應(yīng) 算法， 大 規(guī)模顆粒運(yùn)動(dòng)方程的并行算法 ；發(fā)展大型離散方程組的高效并行算法 ； 從 求解非連續(xù)介質(zhì)模型 的 行或并行算法出發(fā)，建立適應(yīng) 于 多核 合的新型高效并行算法，研究 從模型、算法和程序上 提高 算精度 的技術(shù)， 進(jìn)而開發(fā)一系列專用 計(jì)算軟件 。 6、通過工程監(jiān)測及驗(yàn)證性模型試驗(yàn)，發(fā)展工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測理論、數(shù)值分析方法及集成軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體災(zāi)害狀態(tài)的數(shù)值在線分析和預(yù)測 開展 工程監(jiān)測及 典型地質(zhì)體破壞的模型試驗(yàn)，驗(yàn)證不同破壞階段力學(xué)模型和計(jì)算結(jié)果；基于現(xiàn)場動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值分析，追蹤地質(zhì)災(zāi)害孕育、成形、演化、發(fā)生、發(fā)展過程，建立演化過程中可測物理量和地質(zhì)體內(nèi)部破壞狀態(tài)的聯(lián)系，給出不同破壞階段的破壞判據(jù)，發(fā)展工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測理論及數(shù)值方法；開發(fā)動(dòng)態(tài)預(yù)測工程地質(zhì)災(zāi)害形成條件、發(fā)生類型、成災(zāi)規(guī)模的集成軟件和數(shù)值在線分析系統(tǒng)。 二、預(yù)期目 標(biāo) (一 ) 總體目標(biāo) 1、 基于將預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)階段轉(zhuǎn)化為判斷地質(zhì)體破壞狀態(tài)的新理念，建立工程地質(zhì)災(zāi)害演化的計(jì)算模型。 建立不同類型 地質(zhì)災(zāi)害孕育、成形、演化、發(fā)生、發(fā)展 各 階段 與地質(zhì)體內(nèi)部的既有破壞、局部破壞、貫穿性破壞、碎裂性破壞、運(yùn)動(dòng)性破壞之間的對應(yīng)關(guān)系，提出 與之對應(yīng)的 破壞判據(jù)，并用于工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測；建立地質(zhì)體的連續(xù)、非連續(xù)、散體、流動(dòng)的災(zāi)害演化統(tǒng)一力學(xué)模型。 2、 將現(xiàn)場監(jiān)測和高效率數(shù)值計(jì)算相結(jié)合，建立地質(zhì)體可測物理量和內(nèi)部破壞狀態(tài)之間的聯(lián)系，形成 工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的理論 體系。 基于現(xiàn)場監(jiān)測、力學(xué)理論及 數(shù)值分析，提煉出定量描述地質(zhì)體災(zāi)變過程中基本現(xiàn)象的可測物理量，建立地質(zhì)體內(nèi)部破裂程度與災(zāi)害前兆之間的對應(yīng)關(guān)系， 提出 地質(zhì)災(zāi)害 臨界狀態(tài)判別準(zhǔn)則 ，形成 工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的理論 體系。 3、 建立工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)值在線分析的預(yù)測系統(tǒng)，顯著提高我國重大的工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測水平。 發(fā)展模擬地質(zhì)災(zāi)害演化過程跨尺度高效計(jì)算方法，開發(fā)基于超級計(jì)算平臺的 自適應(yīng) 并行程序， 開發(fā)出 重大工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的集成軟件，形成工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)值在線分析的預(yù)測系統(tǒng)，為我國建立科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)體系提供理論和技術(shù)支撐。 (二 ) 五年預(yù)期 目標(biāo) 力學(xué)模型： 按照力學(xué)的邊界條件、材料特性、荷載條件對 滑坡災(zāi)害 進(jìn)行分類，建立以地質(zhì)體基本信息為基礎(chǔ)的地質(zhì)體當(dāng)前狀態(tài)地質(zhì)模型；建立 滑坡 災(zāi)害不同的發(fā)展階段所對應(yīng)的破壞狀態(tài)的力學(xué)模型和破壞準(zhǔn)則。 計(jì)算軟件： 針對不同類型的邊坡建立不同破壞階段轉(zhuǎn)化過程的計(jì)算模型；研究基于 高效計(jì)算方法，給出具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的計(jì)算軟件和開源代碼 。設(shè)計(jì)相應(yīng)的模型試驗(yàn)、校驗(yàn)計(jì)算模型的合理性。 理論 體系： 建立 宏觀 可測物理量和 內(nèi)部 破壞狀態(tài)之間的聯(lián)系；給出不同階段的 反分析方法，形成基于監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的 滑坡災(zāi)害預(yù)測 理論體系。 預(yù) 測系統(tǒng)： 發(fā)展包括群測信息系統(tǒng)、專業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)和開源數(shù)值模擬軟件的工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)值在線分析的預(yù)測系統(tǒng)。將該預(yù)測系統(tǒng)應(yīng)用于三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害示范基地、地震災(zāi)區(qū)和典型災(zāi)害示范工程，校驗(yàn)該系統(tǒng)的可行性和可靠性。 人才培養(yǎng)： 凝聚和培育國內(nèi)一批高水平研究隊(duì)伍，培養(yǎng)本領(lǐng)域的優(yōu)秀科學(xué)家及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)博士后與博士生 40 名； 論著專利： 開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)值模擬開源軟件一套；開發(fā)出地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件一套； 在國內(nèi)外核心學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文 200 篇以上，其中 I 收錄論文 150 篇以上，有重要國際影響的論文 50 篇以上，出版著作 3 ，申請發(fā)明專利 15 項(xiàng)，申請軟件 登記 10 項(xiàng)。 三、研究方案 (一 ) 學(xué) 術(shù)思路 本項(xiàng)目以國家重大需求和 實(shí)現(xiàn)國家科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略 為導(dǎo)向，以建立科學(xué)的 地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi) 體系 為 目標(biāo)，圍繞建立 重大工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測理論和數(shù)值方法這一核心問題開展研究工作； 以 研究地質(zhì)災(zāi)害孕育、成形、演化、發(fā)生和 發(fā)展 各個(gè)階段的破壞機(jī)理和發(fā)生條件 為主線， 通過地質(zhì)勘查、工程監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)、理論研究、數(shù)值分析等綜合手段 ， 重點(diǎn)研究復(fù)雜地質(zhì)體狀態(tài)，地質(zhì)災(zāi)害漸進(jìn)破壞演化規(guī)律、成災(zāi)機(jī)制，跨尺度計(jì)算方法及預(yù)測理論等科學(xué)問題；開發(fā)出實(shí)用、高效 的工程地質(zhì)災(zāi)害數(shù)值在線分析與預(yù)測集成軟件系統(tǒng)，為我國開展工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測提供科學(xué)工具。總體學(xué)術(shù)思路見圖 1。 地學(xué)基礎(chǔ)不同類型工程地質(zhì)災(zāi)害滑坡、崩塌、泥石流共性的發(fā)展階段孕育、成形、演化、發(fā)生、發(fā)展關(guān)聯(lián)的破壞狀態(tài)既有、局部、貫穿性、碎裂性、運(yùn)動(dòng)性理念一將災(zāi)害預(yù)測轉(zhuǎn)化為破壞狀態(tài)的判斷由特殊性到普遍性工程目的工程地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)值在線分析與預(yù)測通過實(shí)踐升華理論計(jì)算手段集中解決關(guān)鍵問題力學(xué)理論力學(xué)模型非連續(xù) 、 非均勻 、 流固耦合關(guān)鍵的科學(xué)問題 復(fù)雜地質(zhì)體破壞狀態(tài)識別方法 地質(zhì)體漸進(jìn)破壞演化規(guī)律與預(yù)測理論 工程地質(zhì)災(zāi)害的跨尺度計(jì)算方法理念二建立可測物理量和內(nèi)部破壞狀態(tài)間的聯(lián)系計(jì)算模型跨尺度 、 多相態(tài) 、 高性能建立新的模型： 地質(zhì)災(zāi)害演化過程統(tǒng)一力學(xué)模型不同類型工程地質(zhì)災(zāi)害滑坡、崩塌、泥石流共性的發(fā)展階段孕育、成形、演化、發(fā)生、發(fā)展關(guān)聯(lián)的破壞狀態(tài)既有、局部、貫穿性、碎裂性、運(yùn)動(dòng)性理念一將災(zāi)害預(yù)測轉(zhuǎn)化為破壞狀態(tài)的判斷由特殊性到普遍性不同類型工程地質(zhì)災(zāi)害滑坡、崩塌、泥石流共性的發(fā)展階段孕育、成形、演化、發(fā)生、發(fā)展關(guān)聯(lián)的破壞狀態(tài)既有、局部、貫穿性、碎裂性、運(yùn)動(dòng)性理念一將災(zāi)害預(yù)測轉(zhuǎn)化為破壞狀態(tài)的判斷由特殊性到普遍性工程地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)值在線分析與預(yù)測通過實(shí)踐升華理論工程地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)值在線分析與預(yù)測通過實(shí)踐升華理論集中解決關(guān)鍵問題力學(xué)模型非連續(xù) 、 非均勻 、 流固耦合關(guān)鍵的科學(xué)問題復(fù)雜地質(zhì)體破壞狀態(tài)識別方法地質(zhì)體漸進(jìn)破壞演化規(guī)律與預(yù)測理論工程地質(zhì)災(zāi)害的跨尺度計(jì)算方法理念二建立可測物理量和內(nèi)部破壞狀態(tài)間的聯(lián)系計(jì)算模型跨尺度 、 多相態(tài) 、 高性能建立新的模型： 地質(zhì)災(zāi)害演化過程統(tǒng)一力學(xué)模型集中解決關(guān)鍵問題力學(xué)模型非連續(xù) 、 非均勻 、 流固耦合關(guān)鍵的科學(xué)問題復(fù)雜地質(zhì)體破壞狀態(tài)識別方法地質(zhì)體漸進(jìn)破壞演化規(guī)律與預(yù)測理論工程地質(zhì)災(zāi)害的跨尺度計(jì)算方法理念二建立可測物理量和內(nèi)部破壞狀態(tài)間的聯(lián)系計(jì)算模型跨尺度 、 多相態(tài) 、 高性能建立新的模型： 地質(zhì)災(zāi)害演化過程統(tǒng)一力學(xué)模型圖 1 總體學(xué)術(shù) 思路 本項(xiàng)目研究涉及到工程地質(zhì)學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)、工程力學(xué)、科學(xué)計(jì)算、軟件工程等多學(xué)科領(lǐng)域的理論與方法，體現(xiàn)了多學(xué)科的綜合交叉與融合，吸收了各專業(yè)領(lǐng)域的國內(nèi)外相關(guān)專家，應(yīng)用不同研究手段，從不同專業(yè)角度協(xié)同攻關(guān)，確保研究成果的系統(tǒng)性和可靠性。 (二 ) 技 術(shù)路線 依據(jù)目標(biāo)區(qū)域的現(xiàn)場地質(zhì)勘查和監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建反映地質(zhì)體當(dāng)前狀態(tài)的地質(zhì)模型和初始條件；提出 描述地質(zhì)體非連續(xù)、非均勻、 流 固 耦合的力學(xué)模型 ， 將誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害因素轉(zhuǎn)化為邊界條件 (地震荷載、開挖邊界、地表裂隙的滲流量 )、地質(zhì)體的幾何參數(shù) (非連續(xù)材料的結(jié)構(gòu)面分布 )以及材料特性參數(shù) (非均勻材料的強(qiáng)度分布 )；發(fā)展能夠分析 地質(zhì)體既有破壞、局部破壞、貫穿性破壞、碎裂性破壞和運(yùn)動(dòng)性破壞 的計(jì)算方法和程序，給出判斷 各種階段地質(zhì)體的破壞程度的 力學(xué)準(zhǔn)則；通過 往復(fù) 比對 現(xiàn)場 數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果， 建立可測物理量和內(nèi)部狀態(tài)之間的聯(lián)系 ， 進(jìn)而通過 可 測物理量評價(jià)地質(zhì)體的破壞程度 ， 實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測。 圖 2為總體技術(shù)路線，圖 3為工程地質(zhì)災(zāi)害 實(shí)時(shí) 預(yù)測分析方法及集成軟件路線 ， 圖 4為工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測理論框架。 構(gòu)建工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型、識別與確定地質(zhì)體狀態(tài)信息 發(fā)展描述地質(zhì)體由連續(xù)到非連續(xù)漸進(jìn)破壞過程的數(shù)值模型 建立地質(zhì)體穩(wěn)定性分析的理論方法和臨界狀態(tài)的判別準(zhǔn)則 發(fā)展散體流動(dòng)的數(shù)值分析方法，預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)規(guī)模 發(fā)展基于多核 群體系的并行優(yōu)化算法 工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)數(shù)值在線分析與預(yù)測集成軟件系統(tǒng)研究內(nèi)容 建立工程地質(zhì)災(zāi)害演化的計(jì)算模型 形成工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的理論體系 實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)值在線分析和預(yù)測研究目標(biāo)研究方法理論研究 固體力學(xué) 流體力學(xué) 散體力學(xué)數(shù)值仿真 有限元方法 離散元方法 M 方法模型實(shí)驗(yàn) 邊坡漸進(jìn)破壞 塊體傾倒 散體流動(dòng)現(xiàn)場監(jiān)測與資料收集 地表位移 、 深部滑移 地裂縫、地下水位移、孔隙水壓力 、 降雨量 聲發(fā)射、局部地應(yīng)力 地質(zhì)勘察與勘探資料構(gòu)建工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型、識別與確定地質(zhì)體狀態(tài)信息發(fā)展描述地質(zhì)體由連續(xù)到非連續(xù)漸進(jìn)破壞過程的數(shù)值模型建立地質(zhì)體穩(wěn)定性分析的理論方法和臨界狀態(tài)的判別準(zhǔn)則發(fā)展散體流動(dòng)的數(shù)值分析方法，預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)規(guī)模發(fā)展基于多核 和 集群體系的并行優(yōu)化算法工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)數(shù)值在線分析與預(yù)測集成軟件系統(tǒng)建立工程地質(zhì)災(zāi)害演化的計(jì)算模型形成工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的理論體系實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)值在線分析和預(yù)測理論研究固體力學(xué)流體力學(xué)散體力學(xué)數(shù)值仿真有限元方法離散元方法和 方法模型實(shí)驗(yàn)邊坡漸進(jìn)破壞塊體傾倒散體流動(dòng)現(xiàn)場監(jiān)測與資料收集地表位移 、 深部滑移地裂縫、地下水位移、孔隙水壓力 、 降雨量聲發(fā)射、局部地應(yīng)力地質(zhì)勘察與勘探資料圖 2 總體技術(shù)路線 當(dāng)前狀態(tài)評價(jià)平臺數(shù)值在線分析與預(yù)測災(zāi)害成形評價(jià)平臺災(zāi)害發(fā)生預(yù)測平臺成災(zāi)規(guī)模評價(jià)平臺總控層支撐層應(yīng)用層破壞狀態(tài)分析模塊漸進(jìn)破壞演化模塊液固耦合破裂模塊地質(zhì)散體運(yùn)動(dòng)模塊監(jiān)測勘察數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫地質(zhì)體狀態(tài)分析函數(shù)庫漸進(jìn)破壞功能函數(shù)庫液固耦合功能函數(shù)庫散體流動(dòng)功能函數(shù)庫基于多核 集 群的并行高性能算法當(dāng)前狀態(tài)評價(jià)平臺數(shù)值在線分析與預(yù)測災(zāi)害成形評價(jià)平臺災(zāi)害發(fā)生預(yù)測平臺成災(zāi)規(guī)模評價(jià)平臺總控層支撐層應(yīng)用層破壞狀態(tài)分析模塊漸進(jìn)破壞演化模塊液固耦合破裂模塊地質(zhì)散體運(yùn)動(dòng)模塊監(jiān)測勘察數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫地質(zhì)體狀態(tài)分析函數(shù)庫漸進(jìn)破壞功能函數(shù)庫液固耦合功能函數(shù)庫散體流動(dòng)功能函數(shù)庫基于多核 和 集 群的并行高性能算法圖 3 工程地質(zhì)災(zāi)害 實(shí)時(shí) 預(yù)測分析方法及集成軟件路線 比對地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測初始條件 邊界條件 材料參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測、勘察數(shù)據(jù)非均勻、非連續(xù)、流固耦合力學(xué)模型計(jì)算得到宏觀表象一致破壞程度判斷破壞狀態(tài)分析不一致現(xiàn)場監(jiān)測信息突發(fā)事件比對地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測初始條件 邊界條件 材料參數(shù)初始條件 邊界條件 材料參數(shù)初始條件 邊界條件 材料參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測、勘察數(shù)據(jù)非均勻、非連續(xù)、流固耦合力學(xué)模型計(jì)算得到宏觀表象一致破壞程度判斷破壞狀態(tài)分析不一致現(xiàn)場監(jiān)測信息突發(fā)事件圖 4 工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測理論框架 (三 ) 創(chuàng) 新點(diǎn)與特色 集中研究與工程問題相關(guān)的不同類型地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測中共性的關(guān)鍵科學(xué)問題，發(fā)展地質(zhì)災(zāi)害分析的理論模型和數(shù)值方法，開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的集成軟件系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)與特色如下： 1. 在預(yù)測理論方面， 將地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)階段預(yù)測轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體漸進(jìn)破壞狀態(tài)的判斷，并建立相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則，形成地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的新理論。 2. 在預(yù)測方法 方面， 將實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)值分析相結(jié)合，建立地質(zhì)體可測物理量和內(nèi)部破壞狀態(tài)之間的聯(lián)系，發(fā)展新的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法。 3. 在計(jì)算模型方面， 針對地質(zhì)災(zāi)害的演化過程，建立地質(zhì)體的連續(xù)、非連續(xù)、散體、流動(dòng)的多相態(tài)、跨尺度計(jì)算力學(xué)模型。 4. 在軟件實(shí)現(xiàn)方面， 基于超級計(jì)算平臺和高效算法，開發(fā)出預(yù)測工程地質(zhì)災(zāi)害的集成軟件，形成基于現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值在線分析與預(yù)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)理論與應(yīng)用、算法與軟件、監(jiān)測與預(yù)測的緊密結(jié)合。 (四 ) 取得重大突破的可行性分析 本項(xiàng)目針對國家重大科學(xué)與工程計(jì)算的基礎(chǔ)性問題，開展 重大工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測理論及數(shù)值分析方法 研究。它 依托 于 中國科學(xué)院 力學(xué)研究所 、 北京大學(xué)、清華大學(xué)、 北京科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、中國科學(xué)院計(jì)算數(shù)學(xué)與科學(xué)工程計(jì)算研究所、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 等 國內(nèi) 相關(guān)的優(yōu)勢單位， 并聯(lián)合 西班牙 的 國際工程數(shù)值方法研究中心 、英國的斯旺西 大學(xué) 、 德國 的 柏林工業(yè)大學(xué) 和 波蘭 的 西里西亞工業(yè)大學(xué) 等歐盟相關(guān)研究院所。本項(xiàng)目 擁有 4 個(gè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 1 個(gè) 國家工程 (技術(shù) )研究中心 ， 3 個(gè) 教育部 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ，以及 1 個(gè)力學(xué)所與歐盟聯(lián)合 實(shí)驗(yàn)室。國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體 2 個(gè) ， 有 中國科學(xué)院 及中國工程院 兩院院 士 1 人，中國科學(xué)院院士 1 人，英國英國皇家學(xué)會及皇家工程院兩院院士 1 人， 國家杰出青年基金 及 獲得者 1 人 ，中國科學(xué)院 “百人計(jì)劃 ”入選者 2 人 ， 教育部 “新世紀(jì)優(yōu)秀人才 ” 計(jì)劃獲得者 5 人 ，形成了一 支多學(xué)科交叉、 知識結(jié)構(gòu)合理、 以優(yōu)秀中青年科學(xué)家為骨干、老中青結(jié)合 ，并具有良好國際合作基礎(chǔ) 的研究團(tuán)隊(duì) 。 項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì) 擁有力學(xué)、地學(xué)、 工程技術(shù)、 計(jì)算 數(shù)學(xué) 、軟件工程等學(xué)科領(lǐng)域的專家和歐盟數(shù)位國際著名的科學(xué)家， 通過集成和凝煉不同學(xué)科對工程地質(zhì)災(zāi)害的科學(xué)認(rèn)識，可在如下幾個(gè)方面取得重大突破。 1. 工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測理論。提出地質(zhì)體不同 發(fā)展階段的破壞形式和破壞程度的判斷準(zhǔn)則，建立地質(zhì)體破壞狀態(tài)和可測物理量之間的關(guān)系；建立成災(zāi)規(guī)模的指標(biāo)體系和評估方法，確定災(zāi)害擴(kuò)展的范圍，最終形成工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的理論體系。 中國科學(xué)院力學(xué)研究所在滑坡災(zāi)害的研究方面開發(fā)了實(shí)時(shí)監(jiān)測滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，擁有幾十個(gè)滑坡的監(jiān)測數(shù)據(jù)，開發(fā)了基于移動(dòng)通信的群測群防監(jiān)測系統(tǒng)，可將數(shù)百個(gè)滑坡的地表破壞信息定期傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室，為滑坡災(zāi)害預(yù)警和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累提供了技術(shù)支持；與英國斯旺西大學(xué)合作建立了非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及其工程災(zāi)害聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，為防治地質(zhì)災(zāi)害增加了強(qiáng)有力的支持。 北京科技大學(xué)針對 巖石工程分析和設(shè)計(jì)問題提出了“不確定性系統(tǒng)分析方法”，在解決復(fù)雜巖石力學(xué)問題、提高理論和數(shù)值分析的可靠性和實(shí)用性方面取得新的進(jìn)展。此外，在地應(yīng)力測量理論與技術(shù)方面獲得了豐碩的成果和重要進(jìn)展，研制的新型溫度補(bǔ)償?shù)貞?yīng)力測試技術(shù)，不僅可以很好地解決由于地層溫度變化對地應(yīng)力測量值的影響，而且可以考慮地層的各向異性、不均勻性。采用水壓致裂法進(jìn)行了礦區(qū)地應(yīng)力場測量，創(chuàng)造了我國采用水壓致裂法測量地應(yīng)力深度的新記錄，獲得了地應(yīng)力場與構(gòu)造一致性關(guān)系。這一成果是構(gòu)建不同尺度地應(yīng)力場及地質(zhì)參數(shù)、反演和確定地質(zhì)體當(dāng)前狀態(tài)的重要基礎(chǔ) 。 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 近年來深入開展了地質(zhì)災(zāi)害形成的內(nèi)外動(dòng)力耦合作用機(jī)制方面的研究。研究了地質(zhì)歷史時(shí)期和現(xiàn)今發(fā)生的具有區(qū)域性、群發(fā)性和周期性等特點(diǎn)的重大地質(zhì)災(zāi)害成因演化機(jī)制，以三峽水電工程庫區(qū)大型山體滑坡為研究對象，從 3 個(gè)方面研究地質(zhì)災(zāi)害形成的內(nèi)外動(dòng)力耦合作用機(jī)制：通過對大量古滑坡的空間分布特征和發(fā)育時(shí)間的研究，尋求滑坡時(shí)空分布的控制因素，揭示滑坡發(fā)育演化與地球內(nèi)外動(dòng)力耦合作用的關(guān)系；對大型基巖滑坡滑帶發(fā)育演化過程的研究，提出滑帶形成演化的典型四階段模式及其內(nèi)外動(dòng)力耦合作用機(jī)制；以三峽庫區(qū)千將坪 滑坡為例，通過對泥化夾層和滑帶結(jié)構(gòu)的精細(xì)地質(zhì)分析和測試，重建滑帶形成演化過程，研究千將坪滑坡發(fā)育及滑帶形成的內(nèi)外動(dòng)力耦合作用機(jī)制。這些研究對于工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)確定研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 大連理工大學(xué)十幾年來深入開展了散體力學(xué)的研究，針對靜態(tài) /準(zhǔn)靜態(tài)巖土介質(zhì)向滑坡、泥石流的演化過程，提出從局部向整體擴(kuò)展的類固 步構(gòu)建了描述巖土介質(zhì)在類固 華大學(xué)結(jié)合河流泥沙的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，推導(dǎo)了固液兩相耦合雷諾平均應(yīng)力模型，同時(shí)考慮非均勻泥沙的分組起動(dòng)和在動(dòng)水中的 沉降規(guī)律對模型進(jìn)行修正，揭示了顆粒的相對滑移及相互擠壓作用的影響，同時(shí)應(yīng)用高濃度固液兩相流理論，對粘性泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析了泥石流傳播和沉積過程。這些成果的深化和擴(kuò)展對地質(zhì)災(zāi)害體的演化、發(fā)生、發(fā)展和堆積階段的機(jī)理，提出相應(yīng)的破壞判據(jù)提供了良好的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也有助于建立地質(zhì)體破壞狀態(tài)和可測物理量之間的關(guān)系。 中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所在泥石流觀測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取方面已積累了數(shù)十年的資料和經(jīng)驗(yàn)，早在三十多年前就觀測到野外泥石流的波狀運(yùn)動(dòng)并持續(xù)對其運(yùn)動(dòng)機(jī)理和規(guī)律開展過研究工作，取得了一定的成 果。中國科學(xué)院東川泥石流觀測研究站擁有良好的觀測和實(shí)驗(yàn)條件，該站所在的蔣家溝平均每年雨季爆發(fā) 15 場泥石流，為本項(xiàng)目的野外原型觀測提供了可能性。在中國科學(xué)院和科技部的支持下，該站的野外泥石流觀測鋼架平臺已經(jīng)建成投入使用，為實(shí)驗(yàn)的儀器安裝提供了最佳的平臺。該站新建的泥石流野外實(shí)驗(yàn)場，為配合野外觀測實(shí)驗(yàn)提供了良好的模型實(shí)驗(yàn)條件。泥石流野外觀測的基礎(chǔ)硬件條件由觀測站提供，大型的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)可以在中科院成都山地所的模擬實(shí)驗(yàn)廳進(jìn)行。這能為本項(xiàng)目提供地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展階段的災(zāi)害規(guī)模和強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過反復(fù)比對來驗(yàn)證和修正建立的預(yù)測 理論。 2. 工程地質(zhì)災(zāi)害體跨尺度數(shù)值模型。在漸進(jìn)破壞過程中，地質(zhì)體由連續(xù)演化為非連續(xù)、固體破損演化為散體流動(dòng)，基于各階段的運(yùn)動(dòng)過程和規(guī)律建立相應(yīng)模型，并相互關(guān)聯(lián)形成跨尺度數(shù)值計(jì)算模型和高效算法。 中科院力學(xué)所開發(fā)了連續(xù)介質(zhì)離散元模型 (它針對巖石斷裂和山體滑坡過程，建立了不同尺度下節(jié)理巖體、土石混合體的力學(xué)特性分析的新方法，已經(jīng)初步用于重慶市萬州區(qū)、北碚區(qū)、銅梁縣、彭水縣等地區(qū)數(shù)十個(gè)滑坡的機(jī)理分析，和唐家山堰塞體的分 析。這一成果將為地質(zhì)體孕育和演化階段的研究提供理論支持。 北京大學(xué)在計(jì)算力學(xué)、巖石力學(xué)和固體力學(xué)的研究方面取得了突出的成果，特別是在流固耦合和穩(wěn)定性理論研究方面有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) ,研制和開發(fā)了大型有限元通用軟件 國內(nèi)工程界擁有廣泛的用戶和良好的聲譽(yù)。在本項(xiàng)目中將首次采用有別于現(xiàn)有的基于強(qiáng)度破壞的理論，立足于將穩(wěn)定性的理論與方法應(yīng)用到災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)的判別和后臨界的靜動(dòng)態(tài)分析中。從這一角度研究地質(zhì)災(zāi)害成形機(jī)制是更為合理、更為準(zhǔn)確的，可能取得突破。 大連理工大學(xué)建立了考慮顆粒間滾動(dòng)摩擦、顆粒破碎的跨尺度分級以及 基于特征線 法的含液離散顆粒模型；從細(xì)觀和宏觀兩個(gè)尺度全面描述了顆粒介質(zhì)在類固 步建立了適用于顆粒材料類固態(tài)、類液態(tài)以及其相變過程的本構(gòu)方程。在多孔多相介質(zhì)力學(xué)、多物理場非線性耦合問題有限元方法、工程數(shù)值方法等方面進(jìn)行了一系列高水平研究工作。在國際上率先對非飽和土建立了多相流數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)耦合問題的有限元方法，提出考慮大應(yīng)變效應(yīng)的梯度塑性連續(xù)體理論的有限元模型，并成功地應(yīng)用于應(yīng)變局部化分析；對含液多孔介質(zhì)在動(dòng)力荷載下反映材料塑性破壞的波傳播的駐值間斷和顫振失穩(wěn)的理論研究。以上 成果為地質(zhì)災(zāi)害體發(fā)生過程的研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 清華大學(xué)顆粒物質(zhì)理論研究的處于國際領(lǐng)先地位，在固液兩相流理論及在泥沙運(yùn)動(dòng)研究中的應(yīng)用、水沙兩相紊流的理論與模型及其數(shù)值研究等方面取得了突破性進(jìn)展。在簡單流動(dòng)條件下求解 程，獲得泥沙濃度、平均速度及脈動(dòng)強(qiáng)度分布等理論成果，揭示出顆粒運(yùn)動(dòng)與清水湍流的不同特性；基于 立了高濃度水沙兩相流模型，導(dǎo)出了顆粒運(yùn)動(dòng)的本構(gòu)關(guān)系，適用于流體與顆粒共同作用的高濃度的含沙水流。以上結(jié)果為研究地質(zhì)災(zāi)害體發(fā)展階段的流動(dòng)行為研究提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 3. 工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的集成軟件與數(shù)值在線分析系統(tǒng)。集成工程地質(zhì)災(zāi)害在預(yù)測理論和數(shù)值模型的研究成果，開發(fā)出預(yù)測工程地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生條件、災(zāi)害類型、成災(zāi)規(guī)模的集成軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)理論與應(yīng)用、算法與軟件的緊密結(jié)合。該集成軟件系統(tǒng)基于地質(zhì)體災(zāi)變狀態(tài)的監(jiān)測和在線分析信息，重點(diǎn)提煉地質(zhì)災(zāi)害的力學(xué)模型、發(fā)展良好計(jì)算精度的高性能算法，并通過工程案例進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)。 中國科學(xué)院力學(xué)研究所擁有具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的計(jì)算軟件，建立了基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的離散元方法 (該方法可以研究地質(zhì)體從連續(xù)到非連續(xù)的過程，能夠方便的建立非連續(xù)、非均 勻和流 有在計(jì)算過程中實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體塊體破裂的功能。該方法適合于模擬分析跨尺度、復(fù)雜條件地質(zhì)體狀態(tài)，并開發(fā)了具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的計(jì)算軟件。 北京大學(xué)開發(fā)了 受工程界歡迎的軟件系統(tǒng)；清華大學(xué)和大連理工大學(xué)開發(fā)了顆粒離散元的計(jì)算程序，將兩類模型相結(jié)合就可以形成跨越固體、流體的地質(zhì)災(zāi)害模型，奠定新型計(jì)算方法的基礎(chǔ)。 中國科學(xué)院計(jì)算數(shù)學(xué)與科學(xué)工程計(jì)算研究所在數(shù)值求解橢圓方程、約束優(yōu)化問題、不可壓縮與可壓縮多介質(zhì)流及波動(dòng)場數(shù)值反演等方面開展了系統(tǒng)深入的研究，發(fā)展了自適應(yīng)移動(dòng)有限元法求解多介 質(zhì)流問題的方法和計(jì)算界面問題的高精度方法，并在分布式并行機(jī)上對多介質(zhì)流體和波動(dòng)場反演問題實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模數(shù)值模擬。對多相系統(tǒng)的離散化模擬和跨尺度方法有深入研究，在流固耦合的離散模擬及其 算方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。以上研究成果為本項(xiàng)目開發(fā)高性能的數(shù)值求解方法提供了技術(shù)支持。 歐盟參加單位英國 學(xué)開發(fā)了 合的軟件，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體由連續(xù)到非連續(xù)的漸進(jìn)破壞過程；西班牙國際計(jì)算力學(xué)中心已開發(fā)了有限元和離散 元相結(jié)合的軟件平臺 前后處理軟件系統(tǒng) 以描述災(zāi)害體的散體流動(dòng)過程；波蘭西里 西亞工業(yè)大學(xué)在區(qū)域性微震監(jiān)測、地音測量等領(lǐng)域形成了完整的測試與分析系統(tǒng)，在國際上處于領(lǐng)先水平；德國柏林工業(yè)大學(xué)在環(huán)境地質(zhì)、巖土工程等領(lǐng)域開展了大量的模型實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析研究。以上工作為本項(xiàng)目進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測理論及數(shù)值分析方法研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 （五）課題 設(shè)置 及 課題間相互關(guān)系 根據(jù)項(xiàng)目研究目標(biāo)、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和主要研究內(nèi)容，計(jì)劃設(shè)置以下六個(gè) 課題： 課題一 ：工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型與 地 質(zhì)狀態(tài)基本信息分析方法 課題二 ： 地質(zhì)體漸進(jìn)破壞過程的演化機(jī)理及 計(jì)算 模型 課題三 ：地質(zhì)體碎裂破壞及裂隙介質(zhì)與流體相互作用模型和數(shù) 值方法 課題四 ： 地質(zhì)災(zāi)害體流動(dòng)過程及其規(guī)律的 跨尺度力學(xué)方法 課題五 ： 面向 工程 地質(zhì)災(zāi)害模擬的高性能算法 課題六 ： 工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的理論及方法 不同類型工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有著共性的、普遍的規(guī)律，這是由地質(zhì)體特性所決定的。地質(zhì)災(zāi)害孕育、成形、演化、發(fā)生、發(fā)展的不同階段對應(yīng)著地質(zhì)體破壞的不同形式。綜合考慮地質(zhì)體的各個(gè)發(fā)展階段及其相應(yīng)的力學(xué)模型、計(jì)算方法和軟件開發(fā)，項(xiàng)目組所設(shè)置的六個(gè)課題組按照如下的方式分工、合作。 課題一針對地質(zhì)體復(fù)雜結(jié)構(gòu)和狀態(tài)這一制約地質(zhì)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的根本問題，開展地質(zhì)體災(zāi)變過程中局部監(jiān)測、勘查、 探測積累的地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，研究建立復(fù)雜地質(zhì)體結(jié)構(gòu)的建模方法和反映地質(zhì)體狀態(tài)的地質(zhì)模型，為課題二和課題三中地質(zhì)體漸進(jìn)破壞、流固耦合的數(shù)值計(jì)算提供基礎(chǔ)。 課題二針對 地質(zhì)體 由局部破壞到貫穿性破壞的發(fā)展階段，建立地質(zhì)體漸進(jìn)破壞由連續(xù)介質(zhì)發(fā)展為非連續(xù)介質(zhì)的模型，主要用于描述地質(zhì)災(zāi)害的孕育階段，在地震、開挖擾動(dòng)、材料弱化作用下，地質(zhì)體內(nèi)不斷地產(chǎn)生新的不連續(xù)面，并逐漸形成貫穿性的破壞面，給出地質(zhì)體漸進(jìn)破壞的判別方法和強(qiáng)度準(zhǔn)則。該課題確定的裂隙分布規(guī)律是課題三進(jìn)行研究問題的初始條件，為課題四進(jìn)一步分析地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展及成災(zāi) 規(guī)模提供了前期計(jì)算依據(jù)。該課題中的數(shù)值算法將采用課題五的研究結(jié)果以提高計(jì)算精度和效率，也是課題六集成軟件中力學(xué)模型的主要組成部分。 課題三針對 地質(zhì)體 由貫穿性破壞到碎裂性破壞的發(fā)展階段，建立地質(zhì)體的流固耦合模型，主要描述水誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害過程中地質(zhì)體的破壞演化階段。當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)害成形后，地質(zhì)體內(nèi)形成不同程度的裂隙，降雨、庫水等就會侵入裂隙，使得裂隙張開、軟化，或者增加新的裂隙面，導(dǎo)致宏觀破壞現(xiàn)象出現(xiàn)，并最終導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。該課題的研究結(jié)果是課題四的初始條件，采用課題五的研究成果可提高其計(jì)算效率，也是課題六集成軟件 中力學(xué)模型的主要組成部分。 課題四針對 地質(zhì)體 由碎裂性破壞到運(yùn)動(dòng)性破壞的發(fā)展階段，建立地質(zhì)體災(zāi)害發(fā)展的散體流動(dòng)模型，主要研究地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展階段、估算地質(zhì)災(zāi)害的影響范圍。該階段的地質(zhì)體表現(xiàn)為宏觀的運(yùn)動(dòng)及流動(dòng)特性，山體沿山坡加速運(yùn)動(dòng)、以及遷移的災(zāi)害物質(zhì)最終達(dá)到靜止。因此，該課題建立的力學(xué)模型應(yīng)該是流體與固體相互轉(zhuǎn)換的自然融合模型。該課題的計(jì)算算法將采用課題五的研究結(jié)果提高計(jì)算效率，也是課題六集成軟件中力學(xué)模型的主要組成部分。 課題五 針對 工程地質(zhì)災(zāi)害中的大規(guī)模計(jì)算， 發(fā)展求解 連續(xù)介質(zhì)模型的 新 型計(jì)算格式以及散體流動(dòng)模型 的并行算法， 建立適應(yīng) 于 多核 合的新型高效并行算法， 實(shí)現(xiàn)模擬跨尺度地質(zhì)災(zāi)害的高效率計(jì)算。該課題為整個(gè)項(xiàng)目的模擬過程提供計(jì)算技術(shù)支持。 課題六研究工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測理論和數(shù)值在線分析與預(yù)測方法，主要開展物理模型實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測，檢驗(yàn)不同階段的力學(xué)模型和破壞準(zhǔn)則，集成軟件并應(yīng)用于模擬工程地質(zhì)災(zāi)害問題。該課題將以上各課題給出的計(jì)算力學(xué)模型，充分發(fā)揮已有的勘查、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在不斷預(yù)測校正模型的過程中，進(jìn)行工程地質(zhì)災(zāi)害數(shù)值在線分析和預(yù)測。該課題的研究工作是其他課題的集成和最終實(shí)現(xiàn)。 以上六 個(gè)課題 對不同類型工 程地質(zhì)災(zāi)害在各發(fā)展階段的理論模型及數(shù)值分析方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究，開發(fā)預(yù)測工程地質(zhì)災(zāi)害演化過程及破壞程度的集成軟件，建立工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)值在線分析方法。它們 圍繞 項(xiàng)目中的 關(guān)鍵科學(xué)問題從不同層面 、不同角度 開展 現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析、數(shù)值計(jì)算和軟件開發(fā)的研究工作。 各課題間既有一定的獨(dú)立性，又聯(lián)系緊密， 保證了整體 項(xiàng)目的科學(xué)性和系統(tǒng)性 。 課題設(shè)置及各課題之間的關(guān)系如圖 5 所示。 工程地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)階段不良地質(zhì)體孕育階段成形階段演化階段發(fā)生階段發(fā)展階段地質(zhì)體漸進(jìn)破壞模式既有破壞局部再破壞貫穿性破壞碎裂性破壞運(yùn)動(dòng)性破壞課題一工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型與地質(zhì)狀態(tài)基本信息分析方法課題二地質(zhì)體漸進(jìn)破壞過程的演化機(jī)理及其計(jì)算模型課題三跨尺度孔隙裂隙介質(zhì)流固耦合模型及數(shù)值方法課題四地質(zhì)災(zāi)害體流動(dòng)過程及其規(guī)律的跨尺度力學(xué)方法課題五 面向地質(zhì)災(zāi)害模擬的高性能算法課題六 工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測理論及方法課題三地質(zhì)體碎裂破壞及裂隙介質(zhì)與流體相互作用模型和數(shù)值方法課題五 面向 工程 地質(zhì)災(zāi)害模擬的高性能算法工程地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)階段不良地質(zhì)體孕育階段成形階段演化階段發(fā)生階段發(fā)展階段地質(zhì)體漸進(jìn)破壞模式既有破壞局部再破壞貫穿性破壞碎裂性破壞運(yùn)動(dòng)性破壞課題一工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型與地質(zhì)狀態(tài)基本信息分析方法課題二地質(zhì)體漸進(jìn)破壞過程的演化機(jī)理及其計(jì)算模型課題三跨尺度孔隙裂隙介質(zhì)流固耦合模型及數(shù)值方法課題四地質(zhì)災(zāi)害體流動(dòng)過程及其規(guī)律的跨尺度力學(xué)方法課題五 面向地質(zhì)災(zāi)害模擬的高性能算法課題六 工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測理論及方法課題三地質(zhì)體碎裂破壞及裂隙介質(zhì)與流體相互作用模型和數(shù)值方法課題五 面向 工程 地質(zhì)災(zāi)害模擬的高性能算法圖 5 課題設(shè)置及各課題之間的關(guān)系 課題 1、工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型與地質(zhì)狀態(tài)基本信息分析方法 預(yù)期目標(biāo)： 提出工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型劃分與判別 準(zhǔn)則，建立典型的工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型及概化方法；提出確定工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)體力學(xué)參數(shù)的方法；獲得復(fù)雜地質(zhì)體地應(yīng)力場分布規(guī)律與工程地質(zhì)災(zāi)害模式的關(guān)系；建立復(fù)雜地質(zhì)體跨尺度地應(yīng)力場反演和構(gòu)建數(shù)值方法。通過上述研究，建立工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型和地應(yīng)場分布模型，探索工程地質(zhì)災(zāi)害在成生過程中地質(zhì)結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)變化的敏感性關(guān)系，建立地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力狀態(tài)變化與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性，發(fā)展獲取和分析工程地質(zhì)體狀態(tài)基本信息的新方法，為正確判斷和評價(jià)地質(zhì)體當(dāng)前狀態(tài)奠定扎實(shí)的研究基礎(chǔ)。 研究內(nèi)容： （ 1）建模要 素與方法：提出邊坡結(jié)構(gòu)面分級體系與判別準(zhǔn)則，揭示結(jié)構(gòu)面尺度與工程尺度的依存效應(yīng)，勘測控制性結(jié)構(gòu)面的幾何與物理特性；劃分邊坡工程地質(zhì)與水文地質(zhì)巖組 ； 確定邊坡巖土體的初始條件和邊界條件，分析邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)制，科學(xué)合理地構(gòu)建邊坡工程地質(zhì)模型。 （ 2）邊坡地質(zhì)分類方法：調(diào)研大量的滑坡和邊坡變形破壞實(shí)例 ； 根據(jù)邊坡地質(zhì)體的物質(zhì)組成、控制性結(jié)構(gòu)面特征、水文地質(zhì)條件、變形破壞機(jī)制等要素，提出邊坡類型及亞類的劃分方法，建立邊坡地質(zhì)分類體系，給出各類別的三維模式圖 ； 概化出 3 4 類典型邊坡工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型，為邊坡穩(wěn)定性的分類研究及其相應(yīng)力學(xué)模型的建立提供堅(jiān)實(shí)的地質(zhì)基礎(chǔ)。 （ 1）對于巖質(zhì)滑坡與崩塌，提出控制性結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)方法，自主研發(fā) 2 3 套試驗(yàn)儀器和設(shè)備，確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù) ； 根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，利用波動(dòng)理論，通過大量現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，探測地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的基本分布規(guī)律，揭示應(yīng)力波通過結(jié)構(gòu)面所產(chǎn)生的衰減、延遲等現(xiàn)象的物理本質(zhì)； 建立結(jié)構(gòu)體的概化模型，判識不同結(jié)構(gòu)體的特征單元（ 提出 結(jié)構(gòu)體主要力學(xué)參數(shù)之間的理 論關(guān)系 ； 采用室內(nèi)外試驗(yàn)、數(shù)值模擬、 工程 經(jīng)驗(yàn)等綜合方法確定結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的力學(xué)參數(shù)。 （ 2）對于堆積層滑坡，研制土石混合體室內(nèi)與野外試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行土石混合體的靜載、動(dòng)載、滲流試驗(yàn)，獲得相應(yīng)物理力學(xué)參數(shù) ； 配合數(shù)值試驗(yàn)方法，揭示土石混合體在動(dòng)靜力、滲流作用下的力學(xué)性狀，為堆積層滑坡穩(wěn)定性分析提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 化規(guī)律與 地災(zāi)模式 （ 1） 不同地質(zhì)和工程條件下的地應(yīng)力場分析：典型地質(zhì)災(zāi)害體的初始地形與 地層條件、構(gòu)造特征、 巖層組構(gòu)、 力學(xué)特性、 河谷下切、 斷層活化、降雨、地下水、流變等 地質(zhì)單因素和耦合因素 與地 應(yīng)力 場 的分布 和 特點(diǎn)之間的關(guān)系 ； 不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)體和 工程 尺度 對 地應(yīng)力分布 規(guī)律和地災(zāi)模式的影響 。 （ 2）地應(yīng)力場與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系：研究地質(zhì)災(zāi)害體成生過程中地應(yīng)力場的空間變化特征以及與宏觀可測物理量之間的關(guān)系；地應(yīng)力場狀態(tài)與地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生類型和規(guī)模的關(guān)系； 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境 （破碎帶、土石混合體）、 環(huán)境影響和工程擾動(dòng)條件下的 邊坡體不同位置 地應(yīng)力場演變規(guī)律 ，揭示地應(yīng)力場張量絕對值和變化梯度對地質(zhì)體內(nèi)部破壞的作用。 演和構(gòu)建數(shù)值方法 與地質(zhì)體狀態(tài)分析 （ 1）地應(yīng)力場反演與構(gòu)建： 研究復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下跨尺度地應(yīng)力反演理論與地 應(yīng)力場構(gòu)建的數(shù)值方法，包括斷裂構(gòu)造、褶皺、非彈性變形、不整合地層、各向異性和破碎巖體應(yīng)力 場計(jì)算方法和反演 ； 連續(xù)介質(zhì)與非連續(xù)介質(zhì)有機(jī)結(jié)合的 地應(yīng)力場 非線性數(shù)值 計(jì)算 方法 ； 地質(zhì)體的初始應(yīng)力狀態(tài)、邊界條件、初始條件 ， 跨尺度邊界條件的確立。 （ 2） 復(fù)雜地質(zhì) 體 當(dāng)前狀態(tài) 基本信息：研究不同結(jié)構(gòu)類型 工程地質(zhì) 體（巖體、土石混合體）在地質(zhì)災(zāi)害 成生過程中 應(yīng)力狀態(tài)變化的敏感性關(guān)系； 研究地質(zhì)體內(nèi)部破裂程度與聲發(fā)射、波動(dòng)特性及衰減規(guī)律、內(nèi)部滑移與地表位移、地表裂縫之間的對應(yīng)關(guān)系； 建立地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力狀態(tài)變化與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性， 探索工程地 質(zhì)災(zāi)害演化過程中地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、 地應(yīng)力場變化特征；以地應(yīng)力場 和聲發(fā)射 變化為線索， 發(fā)掘新的宏觀可測物理量與地質(zhì) 體內(nèi)部破壞狀態(tài) 的關(guān)系， 發(fā)展獲取和分析工程地質(zhì)體狀態(tài)基本信息的新方法，為正確判斷和評價(jià)地質(zhì)體當(dāng)前狀態(tài)奠定扎實(shí)的研究基礎(chǔ)。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 北京科技大學(xué)、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 課題負(fù)責(zé)人： 王金安 學(xué)術(shù)骨干： 蔡美峰、李曉、喬 蘭、譚卓英、譚文輝、李守定、赫建明 課題 2、地質(zhì)體漸進(jìn)破壞過程的演化機(jī)理及計(jì)算模型 預(yù)期目標(biāo)： 在 工程擾動(dòng)和環(huán)境 荷載下，針對工程地質(zhì)災(zāi)害在 成形階段 地質(zhì) 體 由 連續(xù)介質(zhì)向 非連續(xù)介質(zhì)的轉(zhuǎn)化特性， 建立 地質(zhì)體由既有局部破壞向整體貫穿性破壞的內(nèi)在機(jī)理，并建立相應(yīng)的判別準(zhǔn)則；發(fā)展不同尺度 力學(xué)參量對應(yīng)關(guān)系的均勻化方法和局部化模型 ；通過對工程尺度地質(zhì)體在災(zāi)害成形階段的力學(xué)分析，建立內(nèi)部破壞狀態(tài)與可測物理量之間的對應(yīng)關(guān)系，并重點(diǎn) 研究地質(zhì)體內(nèi)部破裂程度與聲發(fā)射、波動(dòng)特性及衰減規(guī)律、內(nèi)部滑移與地表位移、地表裂縫之間的對應(yīng)關(guān)系 ，確定地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的前兆信息， 并開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算軟件。 研究內(nèi)容： 1. 巖土介質(zhì)細(xì)觀 在細(xì)觀 (顆粒 )尺度下， 建立適用于 巖土物理力學(xué)特 性 的非規(guī)則、分級破碎、含液的 粘 塑性 顆粒 模型。通過對細(xì)觀尺度上巖土顆粒相互作用的離散元計(jì)算，建立合理的表征元分析模型及特征參數(shù)，確定巖土材料在宏觀尺度上的力學(xué)特性，確定 地質(zhì)體內(nèi)部狀態(tài)與宏觀物理量之間的對應(yīng)關(guān)系 ，提出不同 尺度 的 計(jì)算方法。 2. 地質(zhì)災(zāi)害演化中的連續(xù) 破壞準(zhǔn)則 通過大型原位實(shí)驗(yàn)及室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，研究地質(zhì)體漸進(jìn)破壞過程中的聲發(fā)射機(jī)制，給出地質(zhì)體破壞程度與聲發(fā)射特性的內(nèi)在聯(lián)系。 針對巖土地質(zhì) 在地質(zhì)災(zāi)害成形階段所 表現(xiàn)出來的局部 破壞向整體貫穿破壞的轉(zhuǎn)化特征，研究地質(zhì)體在 連續(xù) 介質(zhì)向非連續(xù)介質(zhì) 演化過程 中的破壞機(jī)理； 發(fā)展以顆粒簇解簇表示的顆粒斷裂破碎方式與準(zhǔn)則，并進(jìn)一步發(fā)展計(jì)及顆粒破碎的 計(jì)算 模型 ；基于室內(nèi)模型試驗(yàn) 建立地質(zhì)體在局部破壞 向 貫穿性破壞、碎裂性破壞階段的破壞準(zhǔn)則，并研究表征地質(zhì)體不同破壞程度的內(nèi)部參量與宏觀可測物理量之間的聯(lián)系。 3. 工程地質(zhì) 災(zāi)害漸 進(jìn) 過程的跨尺度數(shù)值方法 在 地震、沖擊、開挖等 外荷載誘發(fā)下，采用宏觀 續(xù)體本構(gòu)模型和有限元數(shù)值方法對巖土地質(zhì)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過對宏觀局部區(qū)域發(fā)生連續(xù) 體 態(tài)轉(zhuǎn)變的破壞模式識別 ，并 對破壞區(qū)域進(jìn)行局部化離散處理 ，從而獲得剪切帶由萌生到 貫穿，乃至向地質(zhì)體向流動(dòng)轉(zhuǎn)化的漸進(jìn)過程。 研究地質(zhì)體 內(nèi)部破裂程度與聲發(fā)射、波動(dòng)特性及衰減規(guī)律、內(nèi)部滑移與地表位移、地表裂縫之間的對應(yīng)關(guān)系 ，對地質(zhì)體的破壞程度進(jìn)行識別，并建立對地質(zhì)體 漸進(jìn)破壞過程 的 跨尺度數(shù)值 方法，并研發(fā)相應(yīng)的計(jì)算軟件。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 大連理工大學(xué)、清華大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 李錫夔 學(xué)術(shù)骨干： 季順迎、張俊波、唐洪祥、楚錫華、程曉輝 課題 3、地質(zhì)體碎裂破壞及裂隙介質(zhì)與流體相互作用模型和數(shù)值方法 預(yù)期目標(biāo)： 研究地質(zhì)體由貫穿性破壞到碎裂性破壞的發(fā)展過 程，建立地質(zhì)災(zāi)害體在整體運(yùn)動(dòng)的破裂模型 ，發(fā)展能夠描述地質(zhì)體碎裂過程的計(jì)算軟件 ； 研究降雨、庫水漲落所引起的滑坡災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展，揭示孔隙 合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測，分析地質(zhì)體中承壓水潛水以及庫水漲落條件下可測物理量的差異，建立可測物理量的變化與破壞狀態(tài)之間的聯(lián)系，給出發(fā)生碎裂性破壞的前兆信息。 研究內(nèi)容： 1. 地質(zhì)災(zāi)害演化過程中貫穿 分析有限元、離散元及顆粒有限元和基于連續(xù)介質(zhì)離散元方法的特點(diǎn)，建立能夠描述地質(zhì)體由破裂到碎裂發(fā)展階段的力學(xué)模型并給出基本的算 法，發(fā)展相應(yīng)的計(jì)算軟件。結(jié)合工程地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場勘查和監(jiān)測結(jié)果，給出地質(zhì)災(zāi)害形成過程中可能跨越碎裂階段的地質(zhì)條件，發(fā)展由貫穿性破壞狀態(tài)向碎裂性破壞轉(zhuǎn)化的判別準(zhǔn)則。 2. 流體與地質(zhì)體破裂的相互作用機(jī)理 發(fā)展孔隙 連續(xù)固體模型與雙重介質(zhì)滲流模型耦合的數(shù)值模型，模擬含有不同尺度孔隙 展流、固耦合條件下地質(zhì)體穩(wěn)定性分析的理論方法；研究降雨、庫水漲落誘發(fā)滑坡的機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測泉水位置、孔隙水壓力、庫水位漲落、地表裂隙等物理量和災(zāi)變前兆特征，提出流、固 耦合條件下貫穿性和碎裂性破壞的狀態(tài)預(yù)測方法。 3. 流、固耦合模型試驗(yàn)研究 開展室內(nèi) 及現(xiàn)場 砂土和碎石模型試驗(yàn)，分析承壓水、潛水和庫水漲落三種因素下，斜坡體的臨界破壞角度以及地表的破壞狀態(tài)，為數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 北京大學(xué)、中國科學(xué)院力學(xué)研究所 課題負(fù)責(zé)人： 袁明武 學(xué)術(shù)骨干： 黃克服、劉曉宇、殷有泉、榮起國、唐少強(qiáng)、趙 穎、勵(lì) 爭、孫樹立、陳永強(qiáng) 課題 4、地質(zhì)災(zāi)害體流動(dòng)過程及