重大工程灾变滑坡演化与控制的基础研究

项目名称： 重大工程灾变滑坡演化与控制的基础研

起止年限：依托部门：究

唐辉明 中国地质大学（武汉） 2010.9至2015.9 教育部 湖北省科技厅

首席科学家：

二、预期目标

总体目标：

揭示重大工程灾变滑坡演化机理，建立滑坡演化过程控制理论。研究典型重大工程灾变滑坡易发区滑坡地质过程，建立重大灾变滑坡孕灾模式；揭示大型水库运行条件下滑坡演化与致灾机理和高地应力区工程卸荷滑坡演化与致灾机理；建立滑坡-防治结构协同工作模型，揭示滑坡-防治结构相互作用机理，提出构建滑坡防治结构适宜性评价方法与长期安全性评价体系；研究滑坡演化多场灾变信息识别模式与判据，实现滑坡演化状态辨识。建立滑坡演化过程预测预报理论，研究滑坡不同演化阶段的关键控制因素、最佳控制时间和有效控制方法；建立重大工程灾变滑坡演化过程控制理论，为我国重大工程灾变滑坡的预测与防治提供关键理论，促进减灾防灾学科基础理论发展。

五年预期目标:

本项目以重大工程灾变滑坡演化与控制研究的关键科学问题为导向，通过五年研究，取得预期目标如下：

以长江三峡地区和西南三江地区为典型研究区：

探索地质体组成特征、建造-构造-改造地质过程，确定滑坡成生的基础地质背景与地质模型；探索建造过程、构造过程、改造过程以及大型水库运行条件、高地应力工程卸荷等不同控制因素与滑坡空间分布特征的相关性，揭示关键地质过程因素对滑坡演化的控制规律；建立重大灾变滑坡区滑坡孕灾模式。

揭示库水变动带岩土体物质组成劣化、结构衰变以及强度折减机理；建立典型库岸滑坡的三维地质模型；揭示边坡岩体卸荷演化过程与变形破坏规律，建立高地应力工程卸荷区滑坡的物理模型；开展库岸滑坡物理模型试验，建立典型库岸滑坡的仿真数值模型；建立高地应力区工程卸荷滑坡模式；揭示降雨－库水联合作用下库岸滑坡演化机理；研究工程卸荷滑坡的阶段运动特征，揭示高地应力区工程卸荷滑坡的演化机理。揭示大型水库工程重大滑坡致灾机理；揭示高地应力区工程卸荷滑坡致灾机理；

研究典型防治结构承载特征及其力传递模型，建立防治结构动态响应模型；揭示滑坡-防治结构体系协同变形规律；研究滑坡岩土体流变特性；揭示滑坡-防治结构体系相互作用机理；揭示复杂环境条件下滑坡-防治结构体系的非线性变

形破坏时效规律；构建长期安全性评价指标体系。研究滑坡不同演化阶段滑坡-防治结构体系协同工作原理；研究多因素耦合作用下滑坡-防治结构体系的非线性流变特征，提出基于长期安全性的滑坡防治结构优化设计方法。提出滑坡防治结构适宜性评价方法；提出相关滑坡-防治结构体系长期安全性评价理论；

构建滑坡多场特征信息采集技术体系；研究滑坡演化多场灾变信息采集、识别模式及方法。完善滑坡多场特征信息采集技术体系；建立滑坡的多场信息融合的关联准则及关联模型，提出基于不同演化机理的滑坡多场信息融合与建模理论。；研究重大工程灾变滑坡演化过程的分叉及其临界特征，揭示滑坡物质能量状态迁移及时空演化规律；形成滑坡多场特征信息采集技术和预警新体系。

建立重大工程灾变滑坡不同演化阶段的综合预测预报模型与判据。确定滑坡不同演化阶段的关键控制因素和最佳控制时间。建成基于多场特征信息采集技术系统的边坡变形和滑坡预警示范区，提出防治工程效果评价方法与评判准则，建立长期安全性组合评价模型及相应的判别标准，提出工程控制优化设计方法，建立重大工程灾变滑坡有效控制方法体系。建立滑坡演化过程预测预报理论，构建滑坡演化过程控制评价体系，建立重大工程灾变滑坡演化过程控制理论

在滑坡演化与控制研究领域，取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后与博士生90名，凝聚高水平研究队伍，培育本领域的优秀科学家及创新团队。以“地质过程与矿产资源”国家重点实验室、“岩土力学与工程”国家重点实验室、教育部“长江三峡库区地质灾害研究中心”和“长江三峡库区地质灾害研究”985优势学科创新平台、水利部“岩土力学与工程”重点实验室、南京大学“光电传感工程监测中心”等学科平台为依托，建立国内一流滑坡演化与控制研究平台，为滑坡灾害预测与防治研究的持续开展奠定基础。在国内外核心学术期刊发表论文200篇以上，其中SCI、EI收录论文150篇以上，有重要国际影响的论文30篇以上，出版著作6部。

三、研究方案

1．项目总体研究思路

本项目以国家重大工程安全的重大需求与解决重大工程灾变滑坡控制的关键科学问题为导向，围绕重大工程滑坡演化与重大工程滑坡过程控制这一核心问题开展研究工作。以重大工程灾变滑坡孕灾模式研究为基础，以重大工程滑坡演化致灾机理、滑坡-防治结构相互作用机理及其长期安全性、滑坡演化阶段判识与重大工程滑坡控制为主线，以建立重大工程滑坡控制理论为目标，通过工程调研、野外监测、物理模拟、理论研究、数值仿真、多学科交叉等综合手段，重点研究重大工程灾变滑坡演化与致灾机理，滑坡-防治结构相互作用机理、重大工程灾变滑坡演化阶段判识与过程控制理论等科学问题，在滑坡演化机理和过程控制的基础理论方面取得突破性进展，为我国重大工程灾变滑坡的预防与控制及大规模基础建设的地质环境保障提供重要的理论支撑。

2、研究的技术路线及可行性

本项目将采用现场调查、室内实验、理论分析、数值仿真和现场试验监测相结合的研究方法对重大工程灾变滑坡演化过程及其防治控制开展深入细致的研究工作。

（1）重大工程灾变滑坡区地质过程研究

选择长江三峡、西南三江等典型地区，解剖其中代表性地段，采用地质详查、勘探及监测等综合方法，开展岩性组成与组合特点、历史构造变形与新构造活动规律及地貌形成演化等系统研究，构建研究区建造-构造-改造地质过程；通过建立区域的岩石组成、构造及地貌过程与滑坡演化数据库，分析滑坡空间分布规律，研究滑坡关键地质因素，揭示不利地质条件组合类型；通过解剖典型重大工程灾变滑坡结构与演化，探索岩石建造、构造过程、改造过程与滑坡之间的耦合关系。揭示滑坡演化与关键地质因素和地质过程之间的相关性，建立重大灾变滑坡区滑坡孕灾模式。

（2）重大工程典型主控因素下滑坡演化与致灾机理研究

以三峡库区为例，首先对典型库岸滑坡滑带土和对应基岩进行室内水岩作用机制实验和化学实验，揭示库水位变动带岩土体物质组成结构劣化、强度折减机

理；其次，根据实验结果，研究降雨-库水位变动联合作用下库岸滑坡演化的固（M）-液（H）-化学（C）相互作用的时序、空间、量化因果关系，建立M-H-C耦合条件下的滑坡演化的多尺度多维非线性本构模型，揭示渗流场、应力场、化学场的变化和耦合规律。针对库水变动带饱和-非饱和岩土特性，结合包气带优势流野外示踪技术和其它探测手段，基于非达西流的库岸滑坡渗流场，开展降雨-库水位变动联合作用下的室内物理模型试验和现场原位模型试验，并与数值仿真、现场实时监测数据进行对比分析，揭示库岸滑坡在降雨-库水位变动联合作用下的滑坡演化与致灾机理。

以西南三江地区为例，建立工程卸荷高陡斜坡的实体模型，研究不同高地应力不同工程卸荷方式下滑坡的启动条件和主控因素，提出高地应力区工程卸荷滑坡模式。研究工程卸荷滑坡运动过程，划分卸荷滑坡演化阶段，解析各阶段的运动特征，揭示高地应力区工程卸荷滑坡的演化机理。依据运动学和动力学理论，研究高地应力区卸荷灾变滑坡运动学特征及致灾征兆，建立卸荷滑坡演化过程的非连续介质力学数值仿真模型，揭示工程卸荷条件下滑坡快速启动、高速运动和远程堆积等引起的破坏效应。确定高地应力释放速率、量级等致灾因子及其阈值，提出灾变滑坡的判别方法，揭示工程卸荷条件下重大灾变滑坡致灾机理。 （3）滑坡-防治结构体系相互作用与长期安全性研究

进行重大工程灾变滑坡典型防治结构实体材料模型试验和数值模拟，研究滑坡演化过程中作用于防治结构上荷载的动态规律；研究各类型防治结构承载特性和滑坡-防治结构体系的应力应变响应规律，建立相互作用模型，提出变形协调方程，揭示各类型滑坡-防治结构相互作用机理；采用流变试验、数值模拟等手段，揭示复杂条件下下岩土体流变特性及其对滑坡-防治结构体系内力的影响；基于多场信息采集和现场长期监测结果，建立工程尺度下地质体与防治结构体系的流变模型；揭示多因素耦合作用下滑坡-防治结构体系的非线性变形破坏时效规律。进行物理模型试验和数值模拟，研究不同滑坡类型不同演化阶段植入防治工程后的演化规律，比较不同防治工程结构防治效果，提出滑坡-防治工程结构适宜性评价方法。建立长期安全性组合评价模型及相应的判别标准，构建滑坡-防治工程结构长期安全性综合评价体系。

（4）重大工程灾变滑坡演化多场信息表征与状态判识

以长江三峡及西南三江地区重大工程灾变滑坡为例，运用系统论、信息论和

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