重大工程地质灾害的预测理论及数值分析方法研究

项目名称：重大工程地质灾害的预测理论及数值分

析方法研究

首席科学家：李世海中国科学院力学研究所起止年限：2010年1月-2014年8月

依托部门：中国科学院

一、研究内容

(一) 关键的科学问题

长期的研究和实践表明，工程地质灾害预测需要判断和掌握地质体的当前状态，揭示地质灾害的成灾机理和过程，建立地质体破坏的准则，定量地描述地质体的破坏规律和灾害发生的规模。因此，工程地质灾害预测需要从大量的具体案例中提炼出共性问题，集中解决三个关键科学问题：(1) 复杂地质体破坏状态识别方法，（2）地质体渐进破坏演化规律与预测理论，（3）工程地质灾害成灾过程的跨尺度计算方法。在解决上述关键问题的基础上，就可以为各种不同类型的工程地质灾害预测的科学化、规范化提供理论依据。

1、复杂地质体破坏状态识别方法

复杂地质体的力学行为具有很强的随机性和不确定性，地质监测或勘察通常只能获得地质体状态的局部信息，不能为地质灾害预测提供足够的数据。通过对地质体演化过程中状态参数的连续监测和数值在线的分析，可以不断积累监测信息，间接获得更多的地质体内部破坏状态信息，提高地质灾害预测的准确性。因此，将复杂地质体破坏状态识别方法研究作为关键的科学问题，基于地质体监测和勘察数据，建立实时监测信息与地质体内部破坏状态之间的联系，依托高性能数值计算平台发展数值在线分析方法，不断跟踪地质灾害体的变化，逐步实现由局部推演全局、由现在预测未来，达到工程地质灾害预测的目的。

2、地质体渐进破坏演化规律与预测理论

地质灾害体在多种诱发因素作用下，通常经历局部再破坏、贯穿性破坏、碎裂性破坏和运动性破坏几个阶段。研究地质体的破坏由一个阶段演化为另一个阶段的过程对地质灾害预测至关重要。因此，本项目将地质体渐进破坏演化规律与预测理论作为关键的科学问题，将预测地质灾害成灾阶段转化为对地质体破坏状态的判断，建立地质体内部破裂与灾害前兆信息之间的联系，研究地质体各破坏阶段的破坏机理和判断准则，通过往复地比对现场数据和数值模拟结果，建立可测物理量和内部状态之间的联系，发展地质灾害的预测理论。

3、工程地质灾害成灾过程的跨尺度计算方法

地质灾害的演化是一个跨尺度的力学行为，用理论分析和室内实验的方法难以定量地描述复杂结构地质体跨尺度的运动规律，这就需要建立地质体成灾全过程的力学模型，定量地描述地质灾害体由连续到非连续的转化过程，揭示孔隙-裂隙介质中流体与地质体破裂的相互作用机理，研究散体流动规律，预测地质灾

害成灾规模和范围。因此，将研究工程地质灾害跨尺度动态数值分析方法作为关键科学问题，研究地质体跨尺度破坏发展过程，发展工程地质灾害预测中的高效数值求解方法，实现跨尺度的数值模拟，进而开发出能够解决实际工程问题的集成软件系统。

(二) 主要研究内容

围绕着本项目的研究目标，在凝炼不同地质灾害共性科学问题的基础上，建立复杂地质体非连续、非均匀、流固耦合的跨尺度力学模型；针对地质灾害发生的不同阶段，捕捉地质灾害孕育、成形、演化、发生、发展过程中的宏观现象，提出相应的判断准则，发展定量描述地质体破坏形式及破坏程度的方法；基于可测宏观物理量和数值模拟，建立宏观现象与地质体内部破坏之间的联系；在不断解决具体工程问题的基础上，提出工程地质灾害预测的理论，发展高效率的计算方法和数值在线分析技术，开发出实用、专业的工程地质灾害预测的集成软件系统。具体研究内容如下：

1、通过地质调查、观测数据和工程灾变实例，构建不同尺度的工程地质体结构模型，识别和确定地质结构体力学参数，获取地质体当前状态的基本信息根据地质调查、观测数据和工程灾变实例，分析地质构造、岩层组构、岩体物理力学性能、地下水、地应力状态和分布规律等单因素和耦合地质因素对工程地质体灾变状态的影响，研究工程地质体结构模型构建方法以及地质体结构力学参数识别和确定方法。研究复杂地质环境和工程扰动条件下的地应力场演变规律，发展构建地应力场的数值方法。考虑复杂岩体物理力学参数的离散性、随机性和不确定性，研究表征区域地质体力学特性的建模方法，提取反映地质体当前状态的基本信息，建立跨尺度边界条件，开发出复杂地质体结构模型构建的软件系统。

2、研究地质体由局部破坏到贯穿性破坏的发展过程，建立地质体内部破裂与灾害前兆信息之间的联系，发展描述地质体由连续到非连续渐进破坏过程的数值模型

针对地质体由局部破坏到贯穿性破坏的发展阶段，研究岩土材料由连续介质向非连续介质转变的力学过程，发展细观与宏观力学参量对应关系的均匀化方法和局部化方法；建立地质体在破裂、滑移、失稳过程中声发射的基本规律，研究应力波在不同破坏程度岩土介质中的传播特性，由此确定地质体破坏状态的判别标准。为模拟地质灾害演化的渐进过程，研究地质体在灾害演化过程中由连续体

向离散体、局部破坏向整体破坏逐步转化的跨尺度计算模型，开发相应的计算软件。

3、研究地质体由贯穿性破坏到碎裂性破坏的发展过程，揭示孔隙-裂隙介质中流体与地质体破裂的相互作用机理，建立相应的流固耦合计算模型，发展地质体稳定性分析的理论方法和临界状态的判别准则

研究地质体由贯穿性破坏到碎裂性破坏的发展过程，建立地质灾害体在整体运动的破裂模型，发展能够描述地质体碎裂过程的计算软件；研究降雨、库水涨落所引起的滑坡灾害的发生与发展，揭示孔隙-裂隙介质中流体与地质体破裂的相互作用机理，结合室内试验和现场监测，分析地质体中承压水潜水以及库水涨落条件下可测物理量的差异，建立可测物理量的变化与破坏状态之间的联系，给出发生碎裂性破坏的前兆信息，并开发相应的计算软件。

4、研究地质体由碎裂性破坏到运动性破坏的演变过程，发展散体流动的数值分析方法，预测地质灾害成灾规模和范围

针对地质体由碎裂性破坏到运动性破坏的发展阶段，建立地质体流动的力学模型，研究地质流体流动前缘与边界介质间的快速物质交换和能量耗散机制，确定地质流体流变性质与流态特征参数之间的关系，描述高压水诱发岩体破裂后的水沙流动和地层损失过程，发展跨尺度地质流体数值计算方法；通过大规模数值模拟确定灾害扩展的范围，揭示成灾规律，建立成灾规模的指标体系和评估方法，为分析和预测地质流体成灾规模和程度提供新的理论方法和技术途径，开发相应的计算软件。

5、研究工程地质灾害预测中的高效数值求解方法，发展基于多核CPU和GPU 集群体系的并行优化算法

针对复杂灾害孕育阶段地质体的波动模型，研究求解连续介质模型的新型高性能计算格式；发展求解粘塑性流-固耦合问题的并行自适应算法，大规模颗粒运动方程的并行算法；发展大型离散方程组的高效并行算法；从求解非连续介质模型的CPU串行或并行算法出发，建立适应于多核CPU和GPU耦合的新型高效并行算法，研究从模型、算法和程序上提高GPU计算精度的技术，进而开发一系列专用计算软件。

6、通过工程监测及验证性模型试验，发展工程地质灾害的预测理论、数值分析方法及集成软件系统，实现地质体灾害状态的数值在线分析和预测开展工程监测及典型地质体破坏的模型试验，验证不同破坏阶段力学模型和计算结果；基于现场动态监测数据和数值分析，追踪地质灾害孕育、成形、演化、