【基金標(biāo)書】2010CB731500-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

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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-2014 年 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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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-裂隙介質(zhì)中流體與地質(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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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-裂隙介質(zhì)中流體與地質(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-裂隙介質(zhì)中流體與地質(zhì)體破裂的相互作用機(jī)理，結(jié)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(duì)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(píng)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 CPU 和 GPU集群體系的并行優(yōu)化算法針對(duì)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-固耦合問題的并行自適應(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 CPU 串行或并行算法出 發(fā)，建立適 應(yīng)于多核 CPU 和 GPU 耦合的新型高效并行算法，研究從模型、算法和程序上提高 GPU 計(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，提出與之對(duì)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(duì)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(jí)計(jì)算平臺(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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 CPU 和 GPU 的高效 計(jì)算方法，給出具有獨(dú)立知識(shí)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SCI、EI 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 3-5部，申請(qǐng)發(fā) 明專利 15 項(xiàng)，申請(qǐng)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?？傮w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(shí) 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(shí) 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(shí) 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(duì)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(píng)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(shí) 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 CPU和 GPU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)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CDEM和 PFE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(shí) 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)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(píng) 價(jià) 平 臺(tái) 數(shù) 值 在 線 分 析 與 預(yù) 測災(zāi) 害 成 形評(píng) 價(jià) 平 臺(tái) 災(zāi) 害 發(fā) 生預(yù) 測 平 臺(tái) 成 災(zāi) 規(guī) 模評(píng) 價(jià) 平 臺(tái) 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 CPU 和 GP集 群 的 并 行 高 性 能 算 法當(dāng) 前 狀 態(tài)評(píng) 價(jià) 平 臺(tái) 數(shù) 值 在 線 分 析 與 預(yù) 測災(zāi) 害 成 形評(píng) 價(jià) 平 臺(tái) 災(zāi) 害 發(fā) 生預(yù) 測 平 臺(tái) 成 災(zāi) 規(guī) 模評(píng) 價(jià) 平 臺(tái) 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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)計(jì)算平臺(tái)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(duì)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(shì)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(huì)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(shí)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(duì)工程地質(zhì)災(zāi)害的科學(xué)認(rèn)識(shí)，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(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì) 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(duì)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-液相變的研究思路，初步構(gòu)建了描述巖土介質(zhì)在類固-液相變過程中的宏觀力學(xué)行為的本構(gòu)模型。清華大學(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(duì)模型進(jìn)行修正，揭示了顆粒的相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(tái)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(tái)。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(duì)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(CDEM— Continuum based Distinct Element Method)，它針對(duì) 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 SAP84，在國內(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(jí)以及基于特征線 SPH 方法的含液離散 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-液相 變過程中的基本特征，初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(duì)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(duì)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 Boltzmann 方程， 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 BGK碰撞算子，建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(shí)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(CDEM)。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 -固耦合模型，具有在計(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(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算軟件。北京大學(xué)開發(fā)了 SAP84、NOLM 等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(duì)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(duì) 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 GPU 計(jì)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 Swansea 大學(xué)開發(fā)了 FEM/DEM 結(jié)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(tái) PFEM 和前后處理軟件系 統(tǒng) GID，可以描述災(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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 CPU 和 GPU 耦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(duì)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。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(píng)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.工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法（1）建模要素與方法：提出邊坡結(jié)構(gòu)面分級(jí)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)。2.地質(zhì)體結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)識(shí)別和確定方法（1）對(duì)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(shí)不同 結(jié)構(gòu)體的特征單元（REV），提出 GSI（Geological Structural Index）與結(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(duì)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)。3.地應(yīng)力場演化規(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(duì)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(duì)值和變化梯度對(duì)地質(zhì)體內(nèi)部破壞的作用。4.地應(yīng)力場反演和構(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(duì)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(píng)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：21.7%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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系的均勻化方法和局部化模型；通過對(duì)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(duì)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(duì)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-宏觀尺度力學(xué)參數(shù)表征的均勻化方法在細(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(jí)破碎、含液的粘- 彈- 塑性 顆粒模型。通過對(duì)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(duì)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)-離散狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過程及破壞準(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(duì)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 Cosserat 連續(xù)體本構(gòu)模型和有限元數(shù)值方法對(duì)巖土地質(zhì)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過對(duì)宏觀局部區(qū)域發(fā)生連續(xù)體-離散體狀態(tài)轉(zhuǎn)變的破壞模式識(shí)別，并對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系， 對(duì)地質(zhì)體的破壞程度 進(jìn)行識(shí)別，并建立 對(duì)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：13.5%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-裂隙介質(zhì)中流體與地質(zhì)體破裂的相互作用機(jī)理，結(jié)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-碎裂破壞模型分析有限元、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-裂隙介質(zhì)跨尺度、非連續(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-裂隙的地質(zhì)體在滲流與應(yīng)力耦合作用下的變形破壞演化過程；發(fā)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：15.5%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)過程及其規(guī)律的跨尺度力學(xué)方法預(yù)期目標(biāo)：研究地質(zhì)災(zāi)害體發(fā)展階段形成的顆粒散體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、松散顆粒與間隙流體的作用機(jī)制、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)制等基本科學(xué)問題，建立地質(zhì)體流動(dòng)的力學(xué)模型，發(fā)展高效計(jì)算方法，開發(fā)相應(yīng)計(jì)算軟件；基于高性能計(jì)算， 結(jié)合三峽庫區(qū)試驗(yàn)場，汶川震區(qū)的碎屑流和泥石流，以及尾 礦庫失流動(dòng)等典型工程案例，揭示其形成過程和成災(zāi)規(guī)律；針對(duì)震后 5 到 10 年地質(zhì)災(zāi)害散體活躍期，開展成災(zāi)規(guī)模和程度的研究，為科學(xué)分析和 預(yù)測工程地質(zhì)災(zāi)害提供新的理論方法和技術(shù)途徑。研究內(nèi)容：1. 分析地質(zhì)災(zāi)害散體的跨尺度結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律研究體系內(nèi)部粗大顆粒的接觸特性，分析接觸持續(xù)時(shí)間和穩(wěn)定性，量化接觸網(wǎng)絡(luò)和不連續(xù)位移場的特征，分析顆粒性質(zhì)、 級(jí)配等因素的影響；研究在外荷載下（比如地震和開挖等）接觸網(wǎng)絡(luò)演變規(guī)律，揭示由靜態(tài)到失穩(wěn)轉(zhuǎn)變時(shí)接觸網(wǎng)絡(luò)特征的微觀機(jī)制，分析泥石流起動(dòng)機(jī)理。揭示體系失穩(wěn)流動(dòng)后，力 鏈網(wǎng)絡(luò)演變規(guī)律與宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)；建立相關(guān)工程性質(zhì)，如觸變性、流變性和膨潤性等的尺度相似關(guān)系2. 研究可描述地質(zhì)災(zāi)害散體力學(xué)穩(wěn)定和塑性變形的動(dòng)力學(xué)理論給出散體守恒變量（如能量、動(dòng)量、 熵等）和對(duì)稱破缺變量（如彈性應(yīng)變等）的一般運(yùn)動(dòng)方程，再用與散體材料有關(guān)的熱力學(xué)函數(shù)和遷移系數(shù)來封閉；應(yīng)用于若干具有典型幾何特征的地質(zhì)災(zāi)害散體應(yīng)力、穩(wěn)定、蠕動(dòng)和極限荷載分析，完整地分析地質(zhì)災(zāi)害散體的穩(wěn)定和安全性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研判該理論與工程的關(guān)系，及其應(yīng)用潛力3. 研究孔隙水復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律對(duì)松散顆粒體系的變形和強(qiáng)度的影響對(duì)于非飽和顆粒體系采用理論分析和數(shù)值計(jì)算手段，確定兩顆粒間隙流體的流動(dòng)速 度 場 和 壓 力 方 程 ，分 析 應(yīng)力變化情況與流體及顆粒參數(shù)的關(guān)系；對(duì)于飽和顆粒體系，采用離散模 擬方法（比如光滑粒子方法）分析顆粒相互靠近時(shí)的強(qiáng)相互作用；綜合外荷載和降雨引起的顆粒接觸網(wǎng)絡(luò)演變規(guī)律和孔隙水作用，完善碎屑流、泥石流起動(dòng)的力學(xué)機(jī)理分析，確定統(tǒng)一的地質(zhì)災(zāi)害散體流變關(guān)系4. 研究松散地質(zhì)顆粒體流動(dòng)前緣與邊界間的快速物質(zhì)交換和能量耗散機(jī)制采用野外觀測、物理模型實(shí)驗(yàn)和離散模擬相結(jié)合的方法，研究碎屑流和泥石流的龍頭在底床的運(yùn)動(dòng)方式和物質(zhì)交換方式，龍頭與底床物質(zhì)之間的動(dòng)量交換和接觸摩擦、龍頭的能量損 耗機(jī)理以及龍頭的波前演化過程及規(guī)律；綜合考慮地質(zhì)流體流變關(guān)系和泥石流/底床物質(zhì)交換和能量交換 機(jī)制，確定泥石流動(dòng)力學(xué)模型5. 開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害散體流體運(yùn)動(dòng)過程計(jì)算模塊，基于高性能計(jì)算機(jī)開展大規(guī)模數(shù)值計(jì)算，研究散體起動(dòng)、發(fā)生、運(yùn)動(dòng)和淤積全過程，揭示致災(zāi)規(guī)律開發(fā)用于模擬泥石流、碎屑流和崩塌流流動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合武隆滑坡及汶川震區(qū)由松散地質(zhì)流體填充河道而形成的大型堰塞體，在大尺度上驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性。針對(duì)震后 5 到 10 年的地質(zhì)災(zāi)害散體活躍期，開展碎屑流和泥石流等成災(zāi)規(guī)律的研究，統(tǒng)計(jì) 分析并構(gòu)建成災(zāi)規(guī)模評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法，形成基于機(jī)理的地質(zhì)流體災(zāi)害預(yù)測理論方法和技術(shù)途徑，并開發(fā)實(shí)用、高效且準(zhǔn)確度高的地質(zhì)流體災(zāi)害預(yù)測計(jì)算模塊，集成到監(jiān)測和數(shù)值在線分析軟件中，應(yīng)用于我國工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測中。經(jīng)費(fèi)比例：15.5%承擔(dān)單位：清華大學(xué)、中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所課題負(fù)責(zé)人：段云嶺學(xué)術(shù)骨干：孫其誠、蔣亦民、張國華、彭 政、 喬建平、張小剛、汪陽春課題 5、面向工程地質(zhì)災(zāi)害模擬的高性能算法預(yù)期目標(biāo)：通過發(fā)展幾種求解典型連續(xù)介質(zhì)模型和離散體模型的高精度高效率計(jì)算方法及其在 GPU+CPU 耦合體系上的并行實(shí)現(xiàn)技術(shù)，建立起支撐工程地質(zhì)災(zāi)害大規(guī)模數(shù)值模擬的高效核心算法與軟件。研究內(nèi)容：1. 復(fù)雜波動(dòng)模型的高精度高效率計(jì)算方法。波在含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的巖體中傳播的規(guī)律是地質(zhì)體破裂伴生的聲發(fā)射現(xiàn)象、探測地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)共性的科學(xué)問題。這里將研究復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和復(fù)雜介質(zhì)中波動(dòng)方程的正反演問題，發(fā)展高效的幾何光學(xué)方法及全波 場計(jì)算類方法，構(gòu)造新型的高精度有限差分、有限體積或有限元格式，并進(jìn)行收 斂性和穩(wěn)定性分析。2. 求解地質(zhì)流