《【基金標書】2010CB731500-重大工程地質(zhì)災害的預測理論及數(shù)值分析方法研究》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《【基金標書】2010CB731500-重大工程地質(zhì)災害的預測理論及數(shù)值分析方法研究（39頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

項目名稱： 重大工程地質(zhì)災害的預測理論及數(shù)值分析方法研究首席科學家： 李世海 中國科學院力學研究所起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部門： 中國科學院一、研究內(nèi)容(一) 關(guān)鍵的科學問題長期的研究和實踐表明，工程地質(zhì)災害預測需要判斷和掌握地質(zhì)體的當前狀態(tài)，揭示地質(zhì)災害的成災機理和過程，建立地 質(zhì)體破壞的準則，定量地描述地質(zhì)體的破壞規(guī)律和災害發(fā)生的規(guī)模。因此，工程地質(zhì) 災害預測需要從大量的具體案例中提煉出共性問題，集中解決三個關(guān)鍵科學問題：(1) 復雜地質(zhì)體破壞狀態(tài)識別方法， （2）地質(zhì)體漸進破壞演化規(guī)律與預測理論， （3）工程地質(zhì)災害成災過程的跨尺度計算方法。在解決上述關(guān)鍵問題的基礎上，就可以為各種不同類型的工程地質(zhì)災害預測的科學化、規(guī) 范化提供理論依據(jù)。1、復雜地質(zhì)體破壞狀態(tài)識別方法復雜地質(zhì)體的力學行為具有很強的隨機性和不確定性，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)災害預測提供足夠的數(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)災害預測的準確性。因此，將復雜地質(zhì)體破壞狀 態(tài)識別方法研究作為關(guān)鍵的科學問題，基于地質(zhì)體監(jiān)測和勘察數(shù)據(jù)，建立實時監(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)值計算平臺發(fā)展數(shù)值在線分析方法，不斷跟蹤地質(zhì)災害體的變化，逐步實現(xiàn)由局部推演全局、由現(xiàn)在預測 未來，達到工程地 質(zhì)災害 預測的目的。2、地質(zhì)體漸進破壞演化規(guī)律與預測理論 地質(zhì)災害體在多種誘發(fā)因素作用下，通常經(jīng)歷局部再破壞、貫穿性破壞、碎裂性破壞和運動性破壞幾個階段。研究地質(zhì)體的破壞由一個階段演化為另一個階段的過程對地質(zhì)災害預測至關(guān)重要。因此，本項目將地質(zhì)體漸進破壞演化規(guī)律與預測理論作為關(guān)鍵的科學問題，將預測地質(zhì)災害成災階段轉(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理和判斷準則，通過往復地比對現(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)災害的預測理論。3、工程地質(zhì)災害成災過程的跨尺度計算方法地質(zhì)災害的演化是一個跨尺度的力學行為，用理論分析和室內(nèi)實驗的方法難以定量地描述復雜結(jié)構(gòu)地質(zhì)體跨尺度的運動規(guī)律，這就需要建立地質(zhì)體成災全過程的力學模型，定量地描述地質(zhì)災害體由連續(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理，研究散體流動規(guī)律，預測地質(zhì)災害成災規(guī)模和范圍。因此，將研究工程地質(zhì)災害跨尺度 動態(tài)數(shù)值分析方法作為關(guān)鍵科學問題，研究地質(zhì)體跨尺度破壞發(fā)展過程， 發(fā)展工程地質(zhì)災害預測中的高效數(shù)值求解方法，實現(xiàn)跨尺度的數(shù) 值模擬， 進而開發(fā)出能 夠解決實際工程問題的集成軟件系統(tǒng)。(二) 主要研究內(nèi)容圍繞著本項目的研究目標，在凝煉不同地質(zhì)災害共性科學問題的基礎上，建立復雜地質(zhì)體非連續(xù)、非均勻、流固耦合的跨尺度力學模型；針對地質(zhì)災害發(fā)生的不同階段，捕捉地質(zhì)災害孕育、成形、演化、發(fā)生、發(fā)展過程中的宏觀現(xiàn)象，提出相應的判斷準則，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上，提出工程地質(zhì)災害預測的理論，發(fā)展高效率的計算方法和數(shù)值在線分析技術(shù)，開發(fā)出實用、 專業(yè)的工程地質(zhì)災害預測的集成軟件系統(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)和工程災變實例，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)體力學參數(shù)， 獲取地質(zhì)體當前狀 態(tài)的基本信息根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、觀測數(shù)據(jù)和工程災變實例，分析地 質(zhì)構(gòu)造、巖 層組構(gòu)、巖體物理力學性能、地下水、地應力狀態(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)力學參數(shù)識別和確定方法。研究復 雜地質(zhì)環(huán)境和工程擾動條件下的地應力場演變規(guī)律，發(fā)展構(gòu)建地應力場的數(shù)值方法?？紤]復雜巖體物理力學參數(shù)的離散性、隨機性和不確定性，研究表征區(qū)域地質(zhì)體力學特性的建模方法，提取反映地質(zhì)體當前狀態(tài)的基本信息，建立跨尺度邊 界條件，開 發(fā)出復雜地質(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)變的力學過程，發(fā)展細觀與宏觀力學參量對應關(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)的判別標準。 為模擬地質(zhì)災害演化的漸進過程，研究地 質(zhì) 體在災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)化的跨尺度計算模型，開發(fā)相應的計算軟件。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理，建立相應的流固耦合計算模型，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)災害體在整體運動的破裂模型，發(fā)展能夠 描述地質(zhì)體碎裂過程的計算軟件；研究降雨、庫水漲落所引起的滑坡災害的發(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理，結(jié)合室內(nèi)試驗 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)相應的計算軟件。4、研究地質(zhì)體由碎裂性破壞到運動性破壞的演變過程，發(fā)展散體流動的數(shù)值分析方法，預測地質(zhì)災害成災規(guī)模和范圍針對地質(zhì)體由碎裂性破壞到運動性破壞的發(fā)展階段，建立地質(zhì)體流動的力學模型，研究地質(zhì)流體流動前 緣與邊界介質(zhì)間的快速物質(zhì)交換和能量耗散機制，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和地層損失過程，發(fā)展跨尺度地質(zhì)流體數(shù)值計算方法；通過大規(guī)模數(shù)值模擬確定災害擴展的范圍，揭示成災規(guī)律，建立成災規(guī)模的指標體系和評估方法，為分析和預測地質(zhì)流體成災規(guī)模和程度提供新的理論方法和技術(shù)途徑，開發(fā)相應的計算軟件。5、研究工程地質(zhì)災害預測中的高效數(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)化算法針對復雜災害孕育階段地質(zhì)體的波動模型，研究求解連續(xù)介質(zhì)模型的新型高性能計算格式；發(fā)展求解粘塑性流-固耦合問題的并行自適應算法，大規(guī)模顆粒運動方程的并行算法；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 計算精度的技術(shù)，進而開發(fā)一系列專用計算軟件。6、通過工程監(jiān)測及驗證性模型試驗， 發(fā)展工程地質(zhì)災害的預測理論、數(shù) 值分析方法及集成軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)地質(zhì)體災害狀態(tài)的數(shù)值在線分析和預測開展工程監(jiān)測及典型地質(zhì)體破壞的模型試驗，驗證不同破壞階段力學模型和計算結(jié)果；基于現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值分析，追蹤地質(zhì)災害孕育、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)災害的預測理論及數(shù)值方法；開發(fā)動態(tài)預測工程地質(zhì)災害形成條件、發(fā)生類型、成災 規(guī)模的集成軟件和數(shù)值在線分析系統(tǒng)。二、預期目標(一) 總體目標1、 基于將 預測地質(zhì)災害成災階段轉(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)災害演化的計算模型。 建立不同類型地 質(zhì)災害孕育、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、運動性破壞之間的對應關(guān)系，提出與之對應的破壞判據(jù)，并用于工程地質(zhì)災害的預測；建立地質(zhì)體的連續(xù)、非連續(xù)、散體、流動的災害演化統(tǒng)一力學模型。2、 將 現(xiàn)場監(jiān)測和高效率數(shù)值計算相結(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)災害預測的理論 體系?；诂F(xiàn)場監(jiān)測、力學理論及數(shù)值分析，提 煉出定量描述地質(zhì)體災變過 程中基本現(xiàn)象的可測物理量，建立地質(zhì)體內(nèi)部破裂程度與災害前兆之間的對應 關(guān)系，提出地質(zhì)災害臨界狀態(tài)判別準則，形成工程地 質(zhì)災害預測的理論 體系。3、 建立工程地質(zhì)災害實時監(jiān)測與數(shù)值在線分析的預測系統(tǒng)，顯著提高我國重大的工程地質(zhì)災害的預測水平。發(fā)展模擬地質(zhì)災害演化 過程跨尺度高效計算方法，開發(fā)基于超級計算平臺的自適應并行程序，開 發(fā)出重大工程地質(zhì)災害預測的集成軟件，形成工程地 質(zhì)災害實時監(jiān)測 與數(shù)值在線分析的預測系統(tǒng)，為我國建立科學防災減災體系提供理論和技術(shù) 支撐。(二 ) 五年預期目標力學模型：按照力學的邊界條件、材料特性、荷載條件對滑坡災害進行分類，建立以地質(zhì)體基本信息為基礎的地質(zhì)體當前狀態(tài)地質(zhì)模型；建立滑坡災害不同的發(fā)展階段所對應的破壞狀態(tài)的力學模型和破壞準則。計算軟件：針對不同類型的邊坡建立不同破壞階段轉(zhuǎn)化過程的計算模型；研究基于 CPU 和 GPU 的高效 計算方法，給出具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的計算軟件和開源代碼。設計 相應的模型試驗 、校 驗計算模型的合理性。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)合的滑坡災害預測理論體系。預測系統(tǒng)：發(fā)展包括群測信息系統(tǒng)、專業(yè)遠程監(jiān)測系統(tǒng)和開源數(shù)值模擬軟件的工程地質(zhì)災害實時監(jiān)測與數(shù)值在線分析的預測系統(tǒng)。將該預測系統(tǒng)應用于三峽庫區(qū)地質(zhì)災害示范基地、地震災區(qū)和典型災害示范工程，校驗該系統(tǒng)的可行性和可靠性。人才培養(yǎng)：凝聚和培育國內(nèi)一批高水平研究隊伍，培養(yǎng)本領域的優(yōu)秀科學家及創(chuàng)新團隊，培養(yǎng)博士后與博士生 40 名；論著專利：開發(fā)地質(zhì)災害數(shù)值模擬開源軟件一套；開發(fā)出地質(zhì)災害動態(tài)監(jiān)測基礎數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件一套； 在國內(nèi)外核心學術(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，申請發(fā) 明專利 15 項，申請軟件登記 10 項。三、研究方案(一) 學術(shù)思路本項目以國家重大需求和實現(xiàn)國家科學發(fā)展戰(zhàn)略為導向，以建立科學的地質(zhì)災害防災體系為目標，圍繞 建立重大工程地質(zhì)災害預測理論和數(shù)值方法這一核心問題開展研究工作；以研究地質(zhì)災害孕育、成形、演化、發(fā)生和發(fā)展各個階段的破壞機理和發(fā)生條件為主線，通 過地質(zhì)勘查、工程 監(jiān)測 、室內(nèi) 試驗、理論研究、數(shù)值分析等綜合手段，重點研究復 雜地質(zhì)體狀態(tài)，地 質(zhì)災害 漸進破壞演化規(guī)律、成災機制，跨尺度計算方法及預測 理論等科學問題；開發(fā)出實用、高效的工程地質(zhì)災害數(shù)值在線分析與預測集成軟件系統(tǒng)，為我國開展工程地質(zhì)災害預測提供科學工具?？傮w學 術(shù)思路見圖 1。地 學基 礎 不 同 類 型 工 程 地 質(zhì) 災 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 動 性 理 念 一將 災 害 預 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 害 的 數(shù) 值 在 線 分 析 與 預 測 通 過實 踐升 華理 論計 算手 段 集 中解 決關(guān) 鍵問 題力 學理 論 力 學 模 型非 連 續(xù) 、 非 均 勻 、 流 固 耦 合關(guān) 鍵 的 科 學 問 題?復 雜 地 質(zhì) 體 破 壞 狀 態(tài) 識 別 方 法地 質(zhì) 體 漸 進 破 壞 演 化 規(guī) 律 與 預 測 理 論?工 程 地 質(zhì) 災 害 的 跨 尺 度 計 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 算 模 型跨 尺 度 、 多 相 態(tài) 、 高 性 能建 立 新 的 模 型 ： 地 質(zhì) 災 害 演 化 過 程 統(tǒng) 一 力 學 模 型地 學基 礎 不 同 類 型 工 程 地 質(zhì) 災 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 動 性 理 念 一將 災 害 預 測轉(zhuǎn) 化 為 破 壞狀 態(tài) 的 判 斷 由 特殊 性到 普遍 性地 學基 礎 不 同 類 型 工 程 地 質(zhì) 災 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 動 性 理 念 一將 災 害 預 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 害 的 數(shù) 值 在 線 分 析 與 預 測 通 過實 踐升 華理 論工 程目 的 工 程 地 質(zhì) 災 害 的 數(shù) 值 在 線 分 析 與 預 測 通 過實 踐升 華理 論計 算手 段 集 中解 決關(guān) 鍵問 題力 學理 論 力 學 模 型非 連 續(xù) 、 非 均 勻 、 流 固 耦 合關(guān) 鍵 的 科 學 問 題復 雜 地 質(zhì) 體 破 壞 狀 態(tài) 識 別 方 法地 質(zhì) 體 漸 進 破 壞 演 化 規(guī) 律 與 預 測 理 論工 程 地 質(zhì) 災 害 的 跨 尺 度 計 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 算 模 型跨 尺 度 、 多 相 態(tài) 、 高 性 能建 立 新 的 模 型 ： 地 質(zhì) 災 害 演 化 過 程 統(tǒng) 一 力 學 模 型計 算手 段 集 中解 決關(guān) 鍵問 題力 學理 論 力 學 模 型非 連 續(xù) 、 非 均 勻 、 流 固 耦 合關(guān) 鍵 的 科 學 問 題復 雜 地 質(zhì) 體 破 壞 狀 態(tài) 識 別 方 法地 質(zhì) 體 漸 進 破 壞 演 化 規(guī) 律 與 預 測 理 論工 程 地 質(zhì) 災 害 的 跨 尺 度 計 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 算 模 型跨 尺 度 、 多 相 態(tài) 、 高 性 能建 立 新 的 模 型 ： 地 質(zhì) 災 害 演 化 過 程 統(tǒng) 一 力 學 模 型圖 1 總體學術(shù)思路本項目研究涉及到工程地質(zhì)學、巖土力學、流體力學、工程力學、科學計算、軟件工程等多學科領域的理論與方法，體現(xiàn)了多學科的綜合交叉與融合，吸收了各專業(yè)領域的國內(nèi)外相關(guān)專家，應用不同研究手段，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、流固耦合的力學模型，將誘發(fā)地質(zhì)災害因素轉(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、碎裂性破壞和運動性破壞的計算方法和程序，給出判斷各種階段地質(zhì)體的破壞程度的力學準則；通過往復比對現(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，進而通過可測物理量評價地質(zhì)體的破壞程度，實現(xiàn)地質(zhì)災害預測。 圖2為總體技術(shù)路線，圖3為工程地質(zhì)災害實時預測分析方法及集成軟件路線，圖4為工程地質(zhì)災害預測理論框架。?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 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 則發(fā) 展 散 體 流 動 的 數(shù) 值 分 析 方 法 ， 預 測 地 質(zhì) 災 害 成 災 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 害 實 時 數(shù) 值 在 線 分 析 與 預 測 集 成 軟 件 系 統(tǒng)研 究內(nèi) 容?建 立 工 程 地 質(zhì) 災 害 演 化 的 計 算 模 型形 成 工 程 地 質(zhì) 災 害 預 測 的 理 論 體 系?實 現(xiàn) 工 程 地 質(zhì) 災 害 實 時 監(jiān) 測 、 數(shù) 值 在 線 分 析 和 預 測研 究目 標研 究方 法 理 論 研 究?固 體 力 學流 體 力 學散 體 力 學 數(shù) 值 仿 真?有 限 元 方 法離 散 元 方 法CDEM和 PFE方 法 模 型 實 驗?邊 坡 漸 進 破 壞塊 體 傾 倒散 體 流 動現(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 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 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 則發(fā) 展 散 體 流 動 的 數(shù) 值 分 析 方 法 ， 預 測 地 質(zhì) 災 害 成 災 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 害 實 時 數(shù) 值 在 線 分 析 與 預 測 集 成 軟 件 系 統(tǒng)研 究內(nèi) 容 建 立 工 程 地 質(zhì) 災 害 演 化 的 計 算 模 型形 成 工 程 地 質(zhì) 災 害 預 測 的 理 論 體 系實 現(xiàn) 工 程 地 質(zhì) 災 害 實 時 監(jiān) 測 、 數(shù) 值 在 線 分 析 和 預 測研 究目 標研 究方 法 理 論 研 究固 體 力 學流 體 力 學散 體 力 學 數(shù) 值 仿 真有 限 元 方 法離 散 元 方 法和 方 法 模 型 實 驗邊 坡 漸 進 破 壞塊 體 傾 倒散 體 流 動現(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 力地 質(zhì) 勘 察 與 勘 探 資 料圖 2 總體技術(shù)路線當 前 狀 態(tài)評 價 平 臺 數(shù) 值 在 線 分 析 與 預 測災 害 成 形評 價 平 臺 災 害 發(fā) 生預 測 平 臺 成 災 規(guī) 模評 價 平 臺 總控層支撐層應用層破 壞 狀 態(tài)分 析 模 塊 漸 進 破 壞演 化 模 塊 液 固 耦 合破 裂 模 塊 地 質(zhì) 散 體運 動 模 塊監(jiān) 測勘 察數(shù) 據(jù) 庫實 時監(jiān) 測數(shù) 據(jù) 庫 地 質(zhì) 體 狀 態(tài)分 析 函 數(shù) 庫 漸 進 破 壞功 能 函 數(shù) 庫 液 固 耦 合功 能 函 數(shù) 庫 散 體 流 動功 能 函 數(shù) 庫基 于 多 核 CPU 和 GP集 群 的 并 行 高 性 能 算 法當 前 狀 態(tài)評 價 平 臺 數(shù) 值 在 線 分 析 與 預 測災 害 成 形評 價 平 臺 災 害 發(fā) 生預 測 平 臺 成 災 規(guī) 模評 價 平 臺 總控層支撐層應用層破 壞 狀 態(tài)分 析 模 塊 漸 進 破 壞演 化 模 塊 液 固 耦 合破 裂 模 塊 地 質(zhì) 散 體運 動 模 塊監(jiān) 測勘 察數(shù) 據(jù) 庫實 時監(jiān) 測數(shù) 據(jù) 庫 地 質(zhì) 體 狀 態(tài)分 析 函 數(shù) 庫 漸 進 破 壞功 能 函 數(shù) 庫 液 固 耦 合功 能 函 數(shù) 庫 散 體 流 動功 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)災害實時預測分析方法及集成軟件路線比 對地 質(zhì) 災 害 預 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 模 型計 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 害 預 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 模 型計 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)災害預測理論框架(三) 創(chuàng)新點與特色集中研究與工程問題相關(guān)的不同類型地質(zhì)災害預測中共性的關(guān)鍵科學問題，發(fā)展地質(zhì)災害分析的理論模型和數(shù)值方法，開發(fā)地質(zhì)災害預測的集成軟件系統(tǒng)，為實現(xiàn)工程地質(zhì)災害預測提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。本項目的創(chuàng)新點與特色如下：1. 在預測理論方面，將地質(zhì)災害成災階段預測轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體漸進破壞狀態(tài)的判斷，并建立相應的破壞準則，形成地 質(zhì)災害預測的新理論。2. 在預測方法方面，將實時監(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)災害預測方法。3. 在計算模型方面，針對地質(zhì)災害的演化過程，建立地質(zhì)體的連續(xù)、非 連續(xù)、散體、流動的多相態(tài)、跨尺度計算力學模型。4. 在軟件實現(xiàn)方面，基于超級計算平臺和高效算法，開發(fā)出預測工程地質(zhì)災害的集成軟件，形成基于現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值在線分析與預測系統(tǒng)，實現(xiàn)理論與應用、算法與軟件、監(jiān)測與預測的緊密結(jié)合。(四) 取得重大突破的可行性分析本項目針對國家重大科學與工程計算的基礎性問題，開展重大工程地質(zhì)災害的預測理論及數(shù)值分析方法研究。它依托于中國科學院力學研究所、北京大學、清華大學、北京科技大學、大連理工大學、中國科學院計算數(shù)學與科學工程計算研究所、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學院成都山地災害與環(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、德國的柏林工業(yè)大學和波蘭的西里西亞工業(yè)大學等歐盟相關(guān)研究院所。本項目擁有 4 個國家重點實驗室， 1 個國家工程(技術(shù))研究中心，3 個教育部重點實驗室，以及 1 個力學所與歐盟聯(lián)合實驗室。國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體 2 個，有中國科學院及中國工程院兩院院士 1 人，中國科學院院士 1 人，英國英國皇家學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，中國科學院“ 百人計劃” 入 選者 2 人，教育部“新世紀優(yōu) 秀人才” 計劃獲得者 5 人，形成了一支多學科交叉、知識結(jié)構(gòu)合理、以 優(yōu)秀中青年科學家為骨干、老中青 結(jié)合，并具有良好國際合作基礎的研究團隊。項目研究團隊擁有力學、地學、工程技術(shù)、計算數(shù)學、軟件工程等學科領域的專家和歐盟數(shù)位國際著名的科學家，通過集成和凝煉不同學科對工程地質(zhì)災害的科學認識，可在如下幾個方面取得重大突破。1. 工程地質(zhì)災害的預測理論。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；建立成災規(guī)模的指標體系和評估方法，確定災害擴展的范圍，最 終形成工程地質(zhì)災害預測的理論體系。中國科學院力學研究所在滑坡災害的研究方面開發(fā)了實時監(jiān)測滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，擁有幾十個滑坡的監(jiān)測 數(shù)據(jù)，開 發(fā)了基于移動通信的群測群防監(jiān)測系統(tǒng)，可將數(shù)百個滑坡的地表破壞信息定期傳輸?shù)綄嶒炇遥瑸榛聻暮︻A警和基礎數(shù)據(jù)積累提供了技術(shù)支持；與英國斯旺西大學合作建立了非連續(xù)介質(zhì)力學及其工程災害聯(lián)合實驗室，為防治地質(zhì)災害增加了強有力的支持。北京科技大學針對巖石工程分析和設計問題提出了“不確定性系統(tǒng)分析方法”，在解決復雜巖石力學問題 、提高理 論和數(shù)值分析的可靠性和實用性方面取得新的進展。此外，在地應力測量理論與技術(shù)方面獲得了豐 碩的成果和重要進展，研制的新型溫度補償?shù)貞y試技術(shù)，不僅可以很好地解決由于地層溫度變化對地應力測量值的影響，而且可以考慮地層的各向異性、不均勻性。采用水 壓致裂法進行了礦區(qū)地應力場測量， 創(chuàng)造了我國采用水壓致裂法測量地應力深度的新記錄，獲得了地應力場與構(gòu)造一致性關(guān)系。這一成果是構(gòu)建不同尺度地應力場及地質(zhì)參數(shù)、反演和確定地質(zhì)體當前狀 態(tài)的重要基礎。中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所近年來深入開展了地質(zhì)災害形成的內(nèi)外動力耦合作用機制方面的研究。研究了地質(zhì)歷史時期和現(xiàn)今發(fā)生的具有區(qū)域性、群發(fā)性和周期性等特點的重大地質(zhì)災害成因演化機制，以三峽水電工程庫區(qū)大型山體滑坡為研究對象，從 3 個方面研究地質(zhì)災害形成的內(nèi)外動力耦合作用機制：通過對大量古滑坡的空間分布特征和發(fā)育時間的研究，尋求滑坡時空分布的控制因素，揭示滑坡發(fā)育演化與地球內(nèi)外動力耦合作用的關(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)外動力耦合作用機制；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)外動力耦合作用機制。這些研究對 于工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)確定研究提供了堅實的基礎。大連理工大學十幾年來深入開展了散體力學的研究，針對靜態(tài)/準靜態(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行為的本構(gòu)模型。清華大學結(jié)合河流泥沙的運動特點，推導了固液兩相耦合雷諾平均應力模型，同時考慮非均勻泥沙的分組起動和在動水中的沉降規(guī)律對模型進行修正，揭示了顆粒的相對滑移及相互擠壓作用的影響，同時應用高濃度固液兩相流理論，對粘性泥石流運動機理進行系統(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展對地質(zhì)災害體的演化、 發(fā)生、 發(fā)展和堆積階段的機理，提出相應的破壞判據(jù)提供了良好的理論基礎，同 時也有助于建立地質(zhì)體破壞狀態(tài)和可測物理量之間的關(guān)系。中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所在泥石流觀測和實驗數(shù)據(jù)的獲取方面已積累了數(shù)十年的資料和經(jīng)驗，早在三十多年前就觀測到野外泥石流的波狀運動并持續(xù)對其運動機理和規(guī)律開展過研究工作，取得了一定的成果。中國科學院東川泥石流觀測研究站擁有良好的觀測和實驗條件，該站所在的蔣家溝平均每年雨季爆發(fā) 15 場泥石流，為 本項目的野外原型觀測提供了可能性。在中國科學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，為實驗的儀器安裝提供了最佳的平臺。該站新建的泥石流野外實驗場，為配合野外觀測實驗提供了良好的模型實驗條件。泥石流野外觀測的基礎硬件條件由觀測站提供，大型的室內(nèi)模擬實驗可以在中科院成都山地所的模擬實驗廳進行。這能為本項目提供地質(zhì)災害發(fā)展階段的災害規(guī)模和強度數(shù)據(jù)，通過反復比對來驗證和修正建立的預測理論。2. 工程地質(zhì)災害體跨尺度數(shù)值模型。在漸進破壞過程中，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，基于各 階段的運動過程和規(guī)律建立相應模型，并相互關(guān)聯(lián)形成跨尺度數(shù)值計算模型和高效算法。中科院力學所開發(fā)了連續(xù)介質(zhì)離散元模型(CDEM— Continuum based Distinct Element Method)，它針對 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)十個滑坡的機理分析，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。北京大學在計算力學、巖石力學和固體力學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實的基礎,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。在本項目中將首次采用有別于現(xiàn)有的基于強度破壞的理論，立足于將穩(wěn)定性的理論與方法應用到災害發(fā)生點的判別和后臨界的靜動態(tài)分析中。從這一角度研究地質(zhì)災害成形機制是更為合理、更為準確的，可能取得突破。大連理工大學建立了考慮顆粒間滾動摩擦、顆粒破碎的跨尺度分級以及基于特征線 SPH 方法的含液離散 顆粒模型；從細觀和宏觀兩個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、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)學模型和相應耦合問題的有限元方法，提出考慮大應變效應的梯度塑性連續(xù)體理論的有限元模型，并成功地應用于應變局部化分析；對含液多孔介質(zhì)在動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)災害體發(fā)生過程的研究提供了堅實的基礎。清華大學顆粒物質(zhì)理論研究的處于國際領先地位，在固液兩相流理論及在泥沙運動研究中的應用、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展。在簡單流動條件下求解 Boltzmann 方程， 獲得泥沙濃度、平均速度及脈動強度分布等理論成果，揭示出顆粒運動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，導出了顆 粒運動的本構(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)災害體發(fā)展階段的流動行為研究提供了堅實基礎。3. 工程地質(zhì)災害預測的集成軟件與數(shù)值在線分析系統(tǒng)。集成工程地質(zhì)災害在預測理論和數(shù)值模型的研究成果，開發(fā)出預測工程地質(zhì)災害發(fā)生條件、災害類型、成災規(guī)模的集成軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)理論與應用、算法與軟件的緊密結(jié)合。 該集成軟件系統(tǒng)基于地質(zhì)體災變狀態(tài)的監(jiān)測和在線分析信息，重點提煉地質(zhì)災害的力學模型、發(fā)展良好計算精度的高性能算法，并通 過工程案例進行實踐檢驗。中國科學院力學研究所擁有具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的計算軟件，建立了基于連續(xù)介質(zhì)力學模型的離散元方法(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，具有在計算過程中實現(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、復雜條件地質(zhì)體狀態(tài)，并開發(fā)了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的計算軟件。北京大學開發(fā)了 SAP84、NOLM 等受工程界歡迎的軟件系統(tǒng)；清華大學和大連理工大學開發(fā)了顆粒離散元的計算程序，將兩類模型相結(jié)合就可以形成跨越固體、流體的地質(zhì)災害模型，奠定新型計算方法的基礎 。中國科學院計算數(shù)學與科學工程計算研究所在數(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)展了自適應移動有限元法求解多介質(zhì)流問題的方法和計算界面問題的高精度方法，并在分布式并行機上對多介質(zhì)流體和波動場反演問題實現(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 GPU 計算方面積累了豐富經(jīng)驗。以上研究成果為本項目開發(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 大學開發(fā)了 FEM/DEM 結(jié)合的軟件， 實現(xiàn)了地質(zhì)體由連續(xù)到非連續(xù)的漸進破壞過程；西班牙國際計算力學中心已開發(fā)了有限元和離散元相結(jié)合的軟件平臺 PFEM 和前后處理軟件系 統(tǒng) GID，可以描述災害體的散體流動過程；波蘭西里西亞工業(yè)大學在區(qū)域性微震監(jiān)測、地音測量等領域形成了完整的測試與分析系統(tǒng)，在國際上處于領先水平；德國柏林工業(yè)大學在環(huán)境地質(zhì)、巖土工程等領域開展了大量的模型實驗和計算分析研究。以上工作為本項目進行地質(zhì)災害預測理論及數(shù)值分析方法研究提供了堅實的基礎。（五）課題設置及課題間相互關(guān)系根據(jù)項目研究目標、擬解決的關(guān)鍵科學問題和主要研究內(nèi)容，計劃設置以下六個課題：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)體漸進破壞過程的演化機理及計算模型課題三：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)災害體流動過程及其規(guī)律的跨尺度力學方法課題五：面向工程地質(zhì)災害模擬的高性能算法課題六：工程地質(zhì)災害預測的理論及方法不同類型工程地質(zhì)災害的發(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)災害孕育、成形、演化、發(fā)生、發(fā)展的不同階段對應著地質(zhì)體破壞的不同形式。綜合考慮地質(zhì) 體的各個發(fā)展階段及其相應的力學模型、計算方法和軟件開發(fā)， 項目組所設置的六個課題組按照如下的方式分工、合作。課題一針對地質(zhì)體復雜結(jié)構(gòu)和狀態(tài)這一制約地質(zhì)體運動規(guī)律的根本問題，開展地質(zhì)體災變過程中局部監(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)體漸進破壞、流固耦合的數(shù)值計算提供基礎。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)災害的孕育階段，在地震、開挖擾動、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)體漸進破壞的判別方法和強度準則。該課題確定的裂隙分布規(guī)律是課題三進行研究問題的初始條件，為課題四進一步分析地質(zhì)災害的發(fā)展及成災規(guī)模提供了前期計算依據(jù)。該課題中的數(shù)值算法將采用課題五的研究結(jié)果以提高計算精度和效率，也是課題六集成軟件中力學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)災害過程中地質(zhì)體的破壞演化階段。當?shù)刭|(zhì)災害成形后，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， 導致宏觀破壞現(xiàn) 象出現(xiàn)，并最終導致地質(zhì)災害的發(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算效率，也是課題六集成 軟件中力學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動性破壞的發(fā)展階段，建立地質(zhì)體災害發(fā)展的散體流動模型，主要研究地質(zhì)災害的發(fā)展階段、估算地質(zhì)災害的影響范圍。該階段的地質(zhì)體表現(xiàn)為宏觀的運動及流動特性，山體沿山坡加速運動、以及遷移的災害物質(zhì)最終達到靜止。因此，該課題建立的力學模型應該是流體與固體相互轉(zhuǎn)換的自然融合模型。該課題 的計算算法將采用課題五的研究結(jié)果提高計算效率，也是課題六集成軟件中力學模型的主要組成部分。課題五針對工程地質(zhì)災害中的大規(guī)模計算，發(fā)展求解連續(xù)介質(zhì)模型的新型計算格式以及散體流動模型的并行算法，建立適應于多核 CPU 和 GPU 耦合的新型高效并行算法，實現(xiàn)模擬跨尺度地質(zhì)災害的高效率計算。該課題為整個項目的模擬過程提供計算技術(shù)支持。課題六研究工程地質(zhì)災害預測理論和數(shù)值在線分析與預測方法，主要開展物理模型實驗、現(xiàn)場監(jiān)測，檢驗不同階段的力學模型和破壞準則，集成 軟件并應用于模擬工程地質(zhì)災害問題。 該課題將以上各課題給出的計算力學模型，充分發(fā)揮已有的勘查、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，在不斷預測校正模型的 過程中， 進行工程地質(zhì)災害數(shù)值在線分析和預測。該課題 的研究工作是其他課題的集成和最終實現(xiàn)。以上六個課題對不同類型工程地質(zhì)災害在各發(fā)展階段的理論模型及數(shù)值分析方法進行系統(tǒng)的研究，開 發(fā)預測工程地質(zhì)災害演化過程及破壞程度的集成軟件，建立工程地質(zhì)災害實時監(jiān)測和數(shù)值在線分析方法。它們圍繞項目中的關(guān)鍵科學問題從不同層面、不同角度開展 現(xiàn)場監(jiān)測、理 論分析、數(shù)值計算和軟件開發(fā)的研究工作。各課題間既有一定的獨立性，又聯(lián)系緊密，保 證了整體項目的科學性和系統(tǒng)性。課題設置及各課題之 間的關(guān)系如圖 5 所示。圖5 課題設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期目標：提出工程地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型劃分與判別準則，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)體力學參數(shù)的方法；獲得復雜地質(zhì)體地應力場分布規(guī)律與工程地質(zhì)災害模式的關(guān)系；建立復雜地質(zhì)體跨尺度地應力場反演和構(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)模型和地應場分布模型，探索工程地質(zhì)災害在成生過程中地質(zhì)結(jié)構(gòu)與應力狀態(tài)變化的敏感性關(guān)系，建立地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、地 應力狀態(tài)變化與地 質(zhì)災害的相關(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，為正確判斷和評價地質(zhì)體當前狀態(tài)奠定扎實的研究基礎。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)面分級體系與判別準則，揭示結(jié)構(gòu)面尺度與工程尺度的依存效應，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)破壞機制，科學合理地構(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力學模型的建立提供堅實的地質(zhì)基礎。2.地質(zhì)體結(jié)構(gòu)力學參數(shù)識別和確定方法（1）對于巖質(zhì)滑坡與崩塌，提出控制性結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)的試驗方法，自主研發(fā) 2～3 套試驗儀器和設備，確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的力學參數(shù)；根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面的動態(tài)響應特性，利用波動理論 ，通 過大量現(xiàn)場實驗，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（REV），提出 GSI（Geological Structural Index）與結(jié)構(gòu)體主要力學參數(shù)之間的理論關(guān)系；采用室內(nèi)外試驗、數(shù)值模擬、工程經(jīng)驗等綜合方法確定結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的力學參數(shù)。（2）對于堆積層滑坡，研制土石混合體室內(nèi)與野外試驗設備，進行土石混合體的靜載、 動載、滲流試驗， 獲得相應物理力學參數(shù) ；配合數(shù)值試驗方法，揭示土石混合體在動靜力、滲流作用下的力學性狀，為堆積層 滑坡穩(wěn)定性分析提供堅實的實驗基礎。3.地應力場演化規(guī)律與地災模式（1）不同地質(zhì)和工程條件下的地應力場分析：典型地質(zhì)災害體的初始地形與地層條件、構(gòu)造特征、巖層組構(gòu)、力學特性、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力場的分布和特點之間的關(guān)系；不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)體和工程尺度對地應力分布規(guī)律和地災模式的影響。（2）地應力場與地質(zhì)災害的關(guān)系：研究地質(zhì)災害體成生過程中地應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；地應力場狀態(tài)與地質(zhì)災害產(chǎn)生類型和規(guī)模的關(guān)系；復雜地質(zhì)環(huán)境（破碎帶、土石混合體）、環(huán)境影響和工程擾動條件下的邊坡體不同位置地應力場演變規(guī)律，揭示地應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。4.地應力場反演和構(gòu)建數(shù)值方法與地質(zhì)體狀態(tài)分析（1）地應力場反演與構(gòu)建：研究復雜地質(zhì)環(huán)境下跨尺度地應力反演理論與地應力場構(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力場計算方法和反演；連續(xù)介質(zhì)與非連續(xù)介質(zhì)有機結(jié)合的地應力場非線性數(shù)值計算方法；地質(zhì)體的初始應力狀態(tài)、邊界條件、初始條件，跨尺度 邊界條件的確立。（2）復雜地質(zhì)體當前狀態(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)災害成生過程中應力狀態(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 縫之間的對應關(guān)系；建立地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、地應力狀態(tài)變化與地質(zhì)災害的相關(guān)性，探索工程地質(zhì)災害演化過程中地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、地應力場變化特征；以地應力場和聲發(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，為正確判斷和評價地質(zhì)體當前狀態(tài)奠定扎實的研究基礎。經(jīng)費比例：21.7%承擔單位：北京科技大學、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所課題負責人：王金安學術(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)體漸進破壞過程的演化機理及計算模型預期目標：在工程擾動和環(huán)境荷載下，針對工程地質(zhì)災害在成形階段地質(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)在機理，并建立相應的判別準 則；發(fā)展不同尺度力學參量對應關(guān)系的均勻化方法和局部化模型；通過對工程尺度地質(zhì)體在災害成形階段的力學分析，建立內(nèi)部破壞狀態(tài)與可測物理量之間的對應關(guān)系，并重點研究地質(zhì)體內(nèi)部破裂程度與聲發(fā)射、波動特性及衰減規(guī)律、內(nèi)部滑移與地表位移、地表裂 縫之間的對應關(guān)系，確定地質(zhì)災害發(fā)生的前兆信息，并開 發(fā)相應的計算軟件。研究內(nèi)容：1. 巖土介質(zhì)細觀-宏觀尺度力學參數(shù)表征的均勻化方法在細觀(顆粒)尺度下，建立適用于巖土物理力學特性的非規(guī)則、分級破碎、含液的粘- 彈- 塑性 顆粒模型。通過對細觀尺度上巖土顆粒相互作用的離散元計算，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關(guān)系，提出不同尺度的計算方法。2. 地質(zhì)災害演化中的連續(xù)-離散狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過程及破壞準則通過大型原位實驗及室內(nèi)模型實驗，研究地質(zhì)體漸進破壞過程中的聲發(fā)射機制，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理；發(fā)展以顆粒簇解簇表示的顆粒斷裂破碎方式與準則，并進一步發(fā)展 計及顆粒破碎的計算模型；基于室內(nèi)模型試驗建立地質(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)災害漸進過程的跨尺度數(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)值方法對巖土地質(zhì)進行數(shù)值計算，通過對宏觀局部區(qū)域發(fā)生連續(xù)體-離散體狀態(tài)轉(zhuǎn)變的破壞模式識別，并對破壞區(qū)域進行局部化離散處理，從而獲得剪切帶由萌生到貫穿，乃至向地 質(zhì)體向流動轉(zhuǎn)化的漸進過程。研究地質(zhì)體內(nèi)部破裂程度與聲發(fā)射、波動特性及衰減規(guī)律、內(nèi)部滑移與地表位移、地表裂 縫之間的對應關(guān)系， 對地質(zhì)體的破壞程度 進行識別，并建立 對地 質(zhì)體漸進破壞過程的跨尺度數(shù)值方法，并研發(fā)相應的計 算軟件。經(jīng)費比例：13.5%承擔單位：大連理工大學、清華大學課題負責人：李錫夔學術(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)值方法預期目標：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)災害體在整體運動的破裂模型，發(fā)展能夠 描述地質(zhì)體碎裂過程的計算軟件；研究降雨、庫水漲落所引起的滑坡災害的發(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理，結(jié)合室內(nèi)試驗 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，建立能夠描述地質(zhì)體由破裂到碎裂發(fā)展階段的力學模型并給出基本的算法，發(fā)展相應的計算軟件。結(jié)合工程地質(zhì) 災害現(xiàn)場勘查和監(jiān)測結(jié)果，給出地質(zhì)災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)化的判別準則。2. 流體與地質(zhì)體破裂的相互作用機理發(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)預測方法。3. 流、固耦合模型試驗研究開展室內(nèi)及現(xiàn)場砂土和碎石模型試驗，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)費比例：15.5%承擔單位：北京大學、中國科學院力學研究所課題負責人：袁明武學術(shù)骨干：黃克服、劉曉宇、殷有泉、榮起國、唐少強、趙 穎、勵 爭、 孫樹立、陳永強課題 4、地質(zhì)災害體流動過程及其規(guī)律的跨尺度力學方法預期目標：研究地質(zhì)災害體發(fā)展階段形成的顆粒散體運動規(guī)律、松散顆粒與間隙流體的作用機制、流動前緣與邊界介 質(zhì)間的快速物質(zhì)交換和能量耗散機制等基本科學問題，建立地質(zhì)體流動的力學模型，發(fā)展高效計算方法，開發(fā)相應計算軟件；基于高性能計算， 結(jié)合三峽庫區(qū)試驗場，汶川震區(qū)的碎屑流和泥石流，以及尾 礦庫失流動等典型工程案例，揭示其形成過程和成災規(guī)律；針對震后 5 到 10 年地質(zhì)災害散體活躍期，開展成災規(guī)模和程度的研究，為科學分析和 預測工程地質(zhì)災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)時間和穩(wěn)定性，量化接觸網(wǎng)絡和不連續(xù)位移場的特征，分析顆粒性質(zhì)、 級配等因素的影響；研究在外荷載下（比如地震和開挖等）接觸網(wǎng)絡演變規(guī)律，揭示由靜態(tài)到失穩(wěn)轉(zhuǎn)變時接觸網(wǎng)絡特征的微觀機制，分析泥石流起動機理。揭示體系失穩(wěn)流動后，力 鏈網(wǎng)絡演變規(guī)律與宏觀力學性質(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)災害散體力學穩(wěn)定和塑性變形的動力學理論給出散體守恒變量（如能量、動量、 熵等）和對稱破缺變量（如彈性應變等）的一般運動方程，再用與散體材料有關(guān)的熱力學函數(shù)和遷移系數(shù)來封閉；應用于若干具有典型幾何特征的地質(zhì)災害散體應力、穩(wěn)定、蠕動和極限荷載分析，完整地分析地質(zhì)災害散體的穩(wěn)定和安全性，并在此基礎上進一步研判該理論與工程的關(guān)系，及其應用潛力3. 研究孔隙水復雜流動規(guī)律對松散顆粒體系的變形和強度的影響對于非飽和顆粒體系采用理論分析和數(shù)值計算手段，確定兩顆粒間隙流體的流動速 度 場 和 壓 力 方 程 ，分 析 應力變化情況與流體及顆粒參數(shù)的關(guān)系；對于飽和顆粒體系，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的強相互作用；綜合外荷載和降雨引起的顆粒接觸網(wǎng)絡演變規(guī)律和孔隙水作用，完善碎屑流、泥石流起動的力學機理分析，確定統(tǒng)一的地質(zhì)災害散體流變關(guān)系4. 研究松散地質(zhì)顆粒體流動前緣與邊界間的快速物質(zhì)交換和能量耗散機制采用野外觀測、物理模型實驗和離散模擬相結(jié)合的方法，研究碎屑流和泥石流的龍頭在底床的運動方式和物質(zhì)交換方式，龍頭與底床物質(zhì)之間的動量交換和接觸摩擦、龍頭的能量損 耗機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 機制，確定泥石流動力學模型5. 開發(fā)地質(zhì)災害散體流體運動過程計算模塊，基于高性能計算機開展大規(guī)模數(shù)值計算，研究散體起動、發(fā)生、運動和淤積全過程，揭示致災規(guī)律開發(fā)用于模擬泥石流、碎屑流和崩塌流流動過程的數(shù)學模型，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，在大尺度上驗證所建立模型的準確性。針對震后 5 到 10 年的地質(zhì)災害散體活躍期，開展碎屑流和泥石流等成災規(guī)律的研究，統(tǒng)計 分析并構(gòu)建成災規(guī)模評價指標體系和方法，形成基于機理的地質(zhì)流體災害預測理論方法和技術(shù)途徑，并開發(fā)實用、高效且準確度高的地質(zhì)流體災害預測計算模塊，集成到監(jiān)測和數(shù)值在線分析軟件中，應用于我國工程地質(zhì)災害預測中。經(jīng)費比例：15.5%承擔單位：清華大學、中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所課題負責人：段云嶺學術(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)災害模擬的高性能算法預期目標：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算方法及其在 GPU+CPU 耦合體系上的并行實現(xiàn)技術(shù)，建立起支撐工程地質(zhì)災害大規(guī)模數(shù)值模擬的高效核心算法與軟件。研究內(nèi)容：1. 復雜波動模型的高精度高效率計算方法。波在含有復雜結(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)共性的科學問題。這里將研究復雜地質(zhì)構(gòu)造和復雜介質(zhì)中波動方程的正反演問題，發(fā)展高效的幾何光學方法及全波 場計算類方法，構(gòu)造新型的高精度有限差分、有限體積或有限元格式，并進行收 斂性和穩(wěn)定性分析。2. 求解地質(zhì)流