重大工程灾变滑坡演化与控制的基础研究

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、信息论和现代工程地质学等研究方法，研究物质能量交换条件下滑坡地质系统演化过程的力学、物理、化学等多场信息的描述与处理方法、岩土体物质组成与结构的演变及能量耗散效应规律。以“3S”技术、分布式光纤传感技术、声发射技术、同位素示踪技术为主要手段建立多场信息采集高新技术系统，提取滑坡多场信息特征，进行多场数据的融合与建模，利用模式识别技术建立滑坡多场演化灾变模式及识别方法。结合滑坡演化机理分析与实时监测系统，建立多场耦合作用模式下的灾变滑坡判据体系，划分演化阶段，实现滑坡过程状态判识。

（5）重大工程灾变滑坡演化过程控制理论

基于长江三峡及西南三江地区典型重大工程灾变滑坡演化过程和致灾机理，结合工程地质类比法、自然历史分析法等预测预报方法与多场信息滑坡过程状态判识方法，根据不同孕灾模式下不同演化阶段的特点，确定滑坡演化过程预测综合判据与阈值，提出滑坡演化过程预测预报方法。采用系统论、信息论、控制理论及现代工程地质理论，确定滑坡演化控制关键因素与最佳控制时间等。根据滑坡演化阶段特点开展滑坡演化过程控制优化理论与方法研究，构建重大工程灾变滑坡演化过程控制技术方法体系。基于滑坡演化过程控制信息数据库，采用概率方法、统计方法、不确定性方法，建立滑坡演化过程控制效果评价指标体系并提出相应的方法体系。最终建立基于滑坡演化、致灾机理、相互作用机理、过程预测、过程控制与效果评价的重大工程灾变滑坡演化过程控制理论。

本项目总体技术路线见图1。

图1 总体技术路线框图

本项目实现首席科学家领导下的项目专家组负责制，首席科学家对项目的执行全面负责，项目专家组负责项目的学术组织与具体实施。课题组长负责各课题的组织与实施。首席科学家和项目专家组依据《国家重点基础研究发展规划项目管理暂行办法》的规定履行职责。

本项目设立首席科学家、课题组长和专家组联席会议制度，定期检查、交流、会商进展。首席科学家依托联席会议整合资源、及时部署，保障协同攻关力度。本项目搭建专门的网络平台，供项目组成员共享信息、及时交流。

通过项目的实施，培养一大批具备全局环境意识，注重工程伦理，具有深厚理论基础的应用基础研究的青年人才，为协调人类工程活动与地质环境，促进我国中西部重大工程影响区域经济社会和谐发展储备高端人力资源。

本项目提出的研究内容和关键科学问题，在本项目研究骨干队伍中已经具有良好的研究工作基础和研究构想。研究方案和学术思路的确定，考虑了国际上学科前沿的发展趋势和学术队伍的优势，突出了有限度的研究重点和内容，是能够完成预定研究目标的。

3 与国内外同类研究工作相比，本项目的创新和特色

（1）创新点

① 提出基于地质过程的重大工程灾变滑坡演化机理

通过长江三峡及西南三江等典型地区的剖析，研究地质体及其表生作用过程、构造活动过程、地貌改造过程与滑坡时空分布之间的关系，建立我国重大工程灾变滑坡区滑坡孕灾模式，揭示复杂环境条件下水库和工程卸荷滑坡的演化与致灾机理。

② 揭示滑坡-防治结构相互作用机理

以库水位波动、降雨等作用下典型重大工程灾变滑坡-防治结构体系的演化规律及其变形破坏时效规律为基础，建立滑坡-典型防治结构协同工作模型与滑坡-防治结构体系变形协调方程，揭示滑坡-防治结构相互作用机理。

③ 形成滑坡多场特征信息采集技术和预警新体系

借鉴信息和光电传感等高技术领域中的最新研发成果，结合滑坡多场特征信息和发生与发展的规律，研发和集成出与常规监测方法相融合的、适合滑坡演化过程与阶段的多场特征信息采集和预警的新型技术体系和方法。

④ 建立滑坡演化过程控制理论 

揭示滑坡物质能量状态演化、迁移规律，构建重大工程灾变滑坡演化多场灾变信息识别模式和演化阶段滑坡演化过程预报模型，提出基于重大工程灾变滑坡演化机理的关键控制因素、最佳控制时间、优化控制手段的理论与方法，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。

（2）特色

① 本课题集基础科学理论前沿性、重大工程实践急需性、基础理论应用性、多学科专业交叉性于一体。对滑坡地质灾害长期定量预测预报和防治具有重大的科学理论意义与实际应用价值。

② 以重大工程灾变滑坡系统演化地质过程控制理论为总目标，全面系统地从库岸滑坡演化地质过程、高地应力区工程卸荷滑坡演化地质过程等方面进行滑坡地质过程控制理论研究，以系统论、信息论、控制论为理论基础，结合重大工程灾变滑坡演化过程与致灾机理，建立重大工程灾变滑坡演化过程控制理论，形成滑坡多场特征信息采集技术和预警新体系，具有突出地质过程、基础理论和技术方法于一体的特色。

③ 联合七家单位的国家级省部级大型科研平台协同进行国家重大基础研究计划研究。 相关单位已在与本建议项目相关领域进行了数十年的研究工作，取得了一批国际先进甚至国际领先的研究成果，中国地质大学（武汉）在工程地质与地质工程理论与实际工程应用方面具有国际先进水平，长江水利委员会长江科学院“水利部岩土力学与工程重点实验室”在高地应力区工程卸荷及应力释放规律研究方面具创新性成果，中国科学院武汉岩土力学研究所在水作用下岩土体特性与工程防治方面具有突出成果，中国人民后勤工程学院在建立广义岩土塑性力学理论方面取得重大进展，南京大学在地质灾害分布式光纤传感监测技术方面居于国际先进水平，因此研究基础起点高、发挥了各有关单位的研究优势，具有鲜明特色。

4、课题设置

根据项目研究总目标、拟解决的关键科学问题和主要研究内容，计划设置以下6个课题：

1、重大工程灾变滑坡区地质过程及孕灾模式；

2、大型水库运行条件下滑坡演化与致灾机理；

3、高地应力区工程卸荷滑坡演化与致灾机理；

4、滑坡－防治结构体系相互作用与长期安全性；

5、重大工程灾变滑坡演化多场信息表征与状态判识；

6、基于演化过程的重大工程灾变滑坡控制理论。

课题1、重大工程灾变滑坡区地质过程及孕灾模式

预期目标：

以长江三峡地区、西南三江地区为例，研究重大工程灾变滑坡易发区的建造-构造-改造地质过程，确定滑坡发育的关键地质因素，建立我国重大工程灾变滑坡区滑坡孕灾模式，为重大工程灾变滑坡演化与控制研究提供地质基础理论。

研究内容：

① 长江三峡地区地质过程与重大灾变滑坡

通过对三峡库区地貌过程及非正常地貌事件的剖析，建立地貌过程与滑坡发育之间的联系；通过巴东组、侏罗系红层等典型易滑岩组中滑坡特性的认识，研究三峡库区典型地层滑坡专属特性；通过三峡库区多层次滑脱、多序次破裂等历史构造及新构造过程的解析，研究构造过程对重大灾变滑坡的控制作用。

② 西南三江地区地质过程与重大灾变滑坡

以西南三江高地应力区为例，研究高原快速隆升的幅度、方式、速率以及活动断层的时空分布与现代区域应力场的关系，揭示新构造运动、活动构造、高地应力及深切河谷表生改造对重大灾变滑坡的控制作用。结合滑坡空间分布特征、演变与建造过程、地貌过程与构造过程之间的相关性研究，研究区域应力场-地貌演化-滑坡之间的耦合关系。

③ 重大工程灾变滑坡区孕灾模式

基于长江三峡及西南三江地区地质过程与重大灾变滑坡发育关系，研究滑坡主导地质因素，揭示不利地质条件组合类型，建立重大灾变滑坡区滑坡孕灾模式，如易滑岩组滑坡孕灾模式、易滑构造滑坡孕灾模式、高地应力释放滑坡孕灾模式，为重大工程灾变滑坡演化机理与防控研究提供依据。

经费比例：16%

承担单位：中南大学、中国地质大学（武汉）、长江水利委员会长江科学院

课题负责人：方理刚

学术骨干：邓清禄、郑建平、Timothy M. Kusky、卢  波

课题2、大型水库运行条件下滑坡演化与致灾机理

预期目标：

研究降雨－库水位变化－地下水联合作用下库岸岩土体饱和非饱和特性、滑坡渗流场和应力场的变化特征，揭示滑坡体的岩土性质变化及滑坡变形破坏规律，建立库岸滑坡多场多尺度非线性耦合模型，揭示大型水库运行条件下滑坡演化与致灾机理。

研究内容：

① 库水变动带岩土特性研究

选择三峡库区典型库岸地段，开展干湿循环条件下岩土饱和、非饱和物理力学性质研究，结合现场试验与监测成果，研究库水变动带多相介质（包括滑带岩土体）的物理、水理和力学性质变化特性，研究库水位变动带岩土体物质组成变化、结构衰变以及强度衰减规律。

② 降雨-库水条件下库岸滑坡渗流特征

研究库岸滑坡岩土介质的强非均匀特征、水文地质参数及边界条件，建立典型库岸滑坡的地质模型和实体物理模型，开展不同地质条件、降雨（不同频率、强度、历时）及库水位波动条件下的库岸饱和-非饱和渗流特征理论和试验研究，揭示库水位变动和降雨联合作用下库岸滑坡渗流场变化规律。

③ 多场耦合作用下滑坡演化规律

以库岸滑坡渗流场、岩土体水力特性、强度特性及不同尺度的结构模型研究为基础，研究渗流场、应力场和化学场相互作用的时序、空间和量化关系，建立库岸滑坡多场多尺度非线性耦合模型，提出考虑岩体破坏和多场耦合的非连续力学数值模型。研究多场耦合(H-M-C)作用下的库岸滑坡渗流场、应力场变化特征，揭示降雨－库水变动联合作用下不同类型库岸滑坡的演化规律。

④ 大型水库工程重大滑坡致灾机理

基于降雨－库水位变动联合作用下滑坡模式和滑坡运动特征，研究大型水库灾变滑坡运动学特征及致灾征兆，揭示滑坡启动和速滑等引起的破坏效应。确定库岸滑坡致灾关键因素及其阈值，提出库岸灾变滑坡的判别方法，揭示大型水库运行条件下重大灾变滑坡致灾机理。

经费比例：17%

承担单位：中国科学院武汉岩土力学研究所、中南大学、中国地质大学（武汉）

课题负责人：焦玉勇

学术骨干：苏爱军、黄理兴、李云安、王  浩

课题3、高地应力区工程卸荷滑坡演化与致灾机理

预期目标：

紧密围绕本项目拟解决的关键科学问题二“重大工程灾变滑坡演化与致灾机理”，建立高应力区复杂条件下表征岩体结构特征的快速多尺度建模方法；提出深切河谷地区地应力场反演的多目标信息集成分析方法；建立高应力区工程强卸荷作用下边坡岩体的孕灾机制和滑坡演化动力学分析方法，揭示边坡岩体力学特性的卸荷演化规律和工程卸荷条件下重大灾变滑坡致灾机理；建立卸荷作用下高应力区工程卸荷滑坡安全评价标准。

研究内容：

① 高应力区高陡边坡地应力分布特征与岩体结构特征

研究复杂条件下岩体结构几何特征参数的快速获取方法，建立表征岩体结构特征的三维多尺度模型可视化技术。采用多目标优化分析理论，建立复杂地质条件下考虑河谷发育历史和卸荷效应的初始地应力场多源信息集成反演分析方法。

② 卸荷作用下边坡岩体力学特性和岩体结构特征的演化规律

采用物理模型试验、岩石力学试验和物探测试等手段，研究高地应力区高陡边坡在不同工程卸荷条件和不同应力路径下的应力调整机制以及岩体结构特征的演化规律，建立卸荷岩体本构模型。研究复杂地质条件和高地应力区高陡边坡开挖卸荷岩体分区方法、卸荷岩体本构特性以及卸荷力学参数的确定方法，揭示边坡岩体力学特性的卸荷演化过程与变形破坏规律。

③ 卸荷作用下边坡灾变孕育与滑坡演化过程

结合物理模型试验和非连续数值分析方法，研究不同工程卸荷方式下灾害滑坡的孕育机制、滑坡的启动条件和主控因素，建立高地应力区工程卸荷滑坡模式。研究卸荷边坡灾害滑坡运动过程，划分滑坡演化阶段，解析各阶段的运动特征和边坡岩体的力学特性，揭示高地应力区工程卸荷滑坡的演化机理。研究高地应力区卸荷灾变滑坡运动学、动力学特征及致灾征兆，建立工程卸荷滑坡演化过程的非连续介质力学数值仿真分析技术和物理模型试验分析方法。

④ 卸荷作用下灾害滑坡致灾机理

基于非连续变形数值分析方法，实现对高应力区工程卸荷作用下，边坡岩体力学特性演化和孕灾过程以及失稳运动的全过程模拟，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。

经费比例：16%

承担单位：长江水利委员会长江科学院、中国人民后勤工程学院、中国地质大学（武汉）

课题负责人：尹健民

学术骨干：郑颖人、刘佑荣、赵尚毅、唐晓松

课题4、滑坡－防治结构体系相互作用与长期安全性

预期目标：

研究滑坡-防治结构协同工作模型，揭示滑坡-防治结构相互作用机理。研究滑坡-防治结构体系的变形破坏时效规律，提出滑坡防治结构适宜性评价体系，建立滑坡-防治结构体系长期安全性评价理论。

研究内容：

① 滑坡-防治结构体系相互作用机理

选取重大工程灾变滑坡典型防治工程结构，研究结构承载特征，构建滑坡-防治结构模型。研究滑坡演化过程中作用于防治结构体上荷载的动态变化规律，揭示防治结构动态响应机理；研究滑坡-防治结构体系协同变形规律，建立变形协调方程，揭示滑坡-防治结构体系相互作用机理。

② 复杂环境条件下滑坡-防治结构变形破坏时效规律

研究滑坡岩土体流变特性，揭示滑坡岩土体流变机理。基于滑坡-防治结构体系相互作用机理和滑坡岩土体流变特性，研究降雨、库水波动及工程卸荷等作用下滑坡应力场与防治结构内力变化过程，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。

③ 滑坡防治效果与防治结构适宜性研究

基于重大工程灾变滑坡演化过程中滑坡-防治结构的相互作用机理与变形破坏时效特征，研究滑坡在不同演化阶段植入典型防治结构后，滑坡-防治结构的演化与稳定性变化规律。提出防治工程效果与防治结构适宜性的评价方法，为重大工程灾变滑坡工程控制方法选择提供理论支撑。

④ 滑坡防治工程长期安全性研究

基于重大工程灾变滑坡演化过程、滑坡-防治结构相互作用机理与变形破坏时效规律，研究滑坡-防治结构体系长期安全性综合评价模型，确定滑坡体与防治结构变形破坏评价因子，构建长期安全性评价指标体系及综合判别标准，提出基于长期安全性的滑坡防治结构优化设计方法，创建滑坡-防治结构体系长期安全性评价理论。

经费比例：17%

承担单位：中国地质大学（武汉）、中南大学、长江水利委员会长江科学院

课题负责人：胡新丽

学术骨干：刘宝琛、邬爱清、丁秀丽、王亮清

课题5、重大工程灾变滑坡演化多场信息表征与状态判识

预期目标：

基于典型灾变滑坡物质能量系统演化过程与机理，提出滑坡地质系统演化过程的多场信息描述方法，确定滑坡演化多场特征信息，构建多场特征信息采集体系与融合方法。建立滑坡演化多场灾变信息识别模式，实现滑坡演化状态辨识，形成滑坡多场特征信息采集技术和预警新体系。

研究内容：

① 滑坡物质能量特征信息获取与识别

以长江三峡及西南三江地区重大工程灾变滑坡为例，研究典型灾变滑坡岩土体物质组成与结构的演变规律及能量耗散效应，建立滑坡地质系统演化过程的多场信息描述方法。基于不同孕灾模式下的滑坡演化机理，筛选不同演化阶段的多场特征信息，研究以“3S”技术、分布式光纤传感技术、声发射技术、同位素示踪技术为主要手段的滑坡多场特征信息采集体系，研发出适合滑坡多场特征信息采集的新技术和新方法，建立滑坡演化多场灾变信息模式及其识别方法，形成滑坡多场特征信息采集技术新体系。

② 滑坡演化多场信息融合与建模

以长江三峡及西南三江地区重大工程灾变滑坡的多场信息采集与识别为基础，研究不同孕灾模式滑坡的多场信息数据配准与预处理方法；构建强非线性系统多场信息数据融合方法，挖掘滑坡多场信息的逻辑共生关系，建立滑坡的应力场、渗流场、温度场、化学场与变形场多场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多尺度、多分辨率的融合与建模理论。

③ 滑坡信息时空演化规律与状态判识

基于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。依据滑坡演化机理和多场信息数据，开展以强非线性、不确定、多层次、变量类型混杂为特征的复杂系统时蕴过程分析。结合工程地质类比与多场灾变信息模式识别，研究多场耦合作用模式下的灾变滑坡判据体系，划分演化阶段，实现滑坡过程状态判识和预警。

经费比例：17%

承担单位：南京大学、中国地质大学（武汉）

课题负责人：施  斌

学术骨干：晏鄂川、罗、熊承仁、张  丹

课题6、重大工程灾变滑坡演化过程控制理论

预期目标：

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，提出重大工程灾变滑坡有效控制方法。建立滑坡过程预测预报理论，构建滑坡演化过程控制评价体系，创立重大工程灾变滑坡演化过程控制理论。

研究内容：

① 滑坡过程预测预报

以长江三峡及西南三江地区重大工程灾变滑坡为例，基于滑坡演化机理，结合工程地质类比法、自然历史分析法等预测预报方法与多场信息滑坡过程状态判识方法，根据不同孕灾模式下不同演化阶段的特点，确定滑坡过程预测综合判据与阈值，提出滑坡过程预测预报方法，创建滑坡过程预测预报理论。

② 滑坡演化过程控制关键因素研究

以长江三峡及西南三江地区重大工程灾变滑坡为例，基于不同孕灾模式下的滑坡演化机理，在不同演化阶段滑坡状态特征、主要影响因素及多场特征信息研究的基础上，确定关键因素及可控因素。结合多场信息滑坡过程状态判识，运用现代控制理论，提出滑坡最佳控制时间。

③ 滑坡演化过程控制方法

基于重大工程灾变滑坡演化过程和致灾机理，提出与不同演化阶段与状态相适应的综合控制方案；针对关键因素选择适宜的控制手段。基于滑坡-防治结构体系相互作用机理和适宜性评价体系，提出工程控制技术优化理论。构建重大工程灾变滑坡演化过程控制技术方法体系。

④ 滑坡演化过程控制评价体系

基于重大工程灾变滑坡演化机理分析与实时监测系统，针对不同演化状态、不同滑坡模式及不同类型控制方法，以滑坡多场特征信息识别、融合与灾变滑坡判据体系为基础，提出滑坡演化过程控制效果评价的关键评价因子及评价标准，创建滑坡演化过程综合控制效果指标体系和评价方法体系。

经费比例：17%

承担单位：中国地质大学（武汉）、华中科技大学

课题负责人：唐辉明

学术骨干：曾志刚、岳中琦、吴益平、王小平

课题一是本项目研究的地质背景基础。以长江三峡地区、西南三江地区为例，研究重大工程灾变滑坡易发区的建造-构造-改造地质过程，确定滑坡发育的关键地质因素，建立我国重大工程灾变滑坡区滑坡孕灾模式，分析地质过程以及大型水库运行条件及强卸荷等不同控制因素与滑坡时空分布关系，揭示关键过程因素与滑坡演化规律之间的相关性。该课题为其它课题提供基础地质依据。

在课题一研究的基础上，第二、第三课题分别研究大型水库运行条件下及高地应力区工程卸荷作用下滑坡演化与致灾机理。课题二研究降雨入渗、库水位变化联合作用条件下库岸岩土体饱和非饱和特性、滑坡渗流场和应力场的动态变化特征，研究滑坡在多尺度多场耦合作用下的演化规律，探索复杂环境下滑坡地质体的岩土性质变化及滑坡变形破坏过程，揭示滑坡地质体在水库运行条件水岩土多场耦合作用下滑坡地质体演化规律与致灾机理。课题三研究高陡岩质边坡在卸荷过程中的应力应变及其演变特征、岩体结构特征与力学特性，建立卸荷岩体本构模型和破坏准则。研究卸荷滑坡的运动特征、演化规律与关键因素，揭示其演化与致灾机理。课题二、课题三与课题一共同解决“重大工程灾变滑坡演化与致灾机理”这一关键科学问题，为课题四到课题六的研究提供滑坡演化过程的阶段特征规律。

在课题二、课题三研究的基础上，课题四和课题五分别研究滑坡－防治结构体系相互作用与长期安全性与重大工程灾变滑坡演化多场信息表征与状态判识理论和技术方法。课题四研究滑坡-防治结构协同工作模型，揭示滑坡-防治结构相互作用机理。研究滑坡-防治结构体系的变形破坏时效规律，提出滑坡防治结构适宜性评价体系，建立滑坡-防治结构体系长期安全性评价理论。课题四解决“滑坡-防治结构体系相互作用机理”这一关键科学问题。为课题六重大工程灾变滑坡演化过程控制理论提供防治结构方法选择的科学理论和方法。课题五研究重大工程灾变滑坡演化多场信息表征与状态判识理论，提出滑坡地质系统演化过程的多场信息描述方法，确定滑坡演化多场特征信息，构建多场特征信息采集体系与融合方法。建立滑坡演化多场灾变信息识别模式，实现滑坡演化状态辨识，形成滑坡多场特征信息采集技术和预警新体系。为课题六综合预测预报模型与判据及建立重大工程灾变滑坡演化过程控制理论体系提供支持。

在课题一到课题五研究的基础上，课题六研究重大工程灾变滑坡演化过程控制理论，建立重大工程灾变滑坡不同演化阶段的；确定滑坡不同演化阶段的关键控制因素和最佳控制时间，提出重大工程灾变滑坡有效控制方法。建立滑坡过程预测预报理论，构建滑坡演化过程控制评价体系，创立重大工程灾变滑坡演化过程控制理论。课题六与课题五共同解决关键科学问题“重大工程灾变滑坡演化阶段判识与过程控制”。

上述六个课题组成“重大工程灾变滑坡演化与控制的基础研究”项目，围绕关键科学问题从不同层面、不同角度开展研究工作，各课题间既有一定的性，又联系紧密，实现研究内容和工作方式相辅相成，保证了项目的科学性和系统性。

四、年度计划

一、研究内容

我国地质条件复杂，地形地貌多样，尤其是西部新构造活动地区，地质改造作用十分强烈，滑坡灾害频发。在重大工程规划、建设和运行过程中，科学有效地避免和减轻重大工程灾变滑坡的危害，是摆在我们面前的一项刻不容缓的课题。重大工程灾变滑坡的演化是一个复杂的不确定的多场耦合作用过程，复杂环境条件下的滑坡演化多场动态信息识别与演化阶段判识是实现滑坡有效过程控制的重要基础。目前基于演化过程的滑坡控制理论研究非常薄弱，严重滞后于工程实践，不能满足重大工程规划、建设、运营过程中减灾防灾的需求。针对国家重大工程建设的重大需求和滑坡控制亟待解决的重大基础难题，本项目凝炼出以下三个拟解决的关键科学问题：

1、重大工程灾变滑坡演化与致灾机理

重大工程灾变滑坡受控于滑坡区域地质过程和工程活动双重因素。区域的地层岩组组成及空间分布格局、构造变动历史与地貌改造过程控制着滑坡的成生与演化。滑坡区的不同主导地质因素及其不利组合，构成了滑坡不同的孕灾模式。

长江三峡工程及西南三江水电群等重大工程分布区的工程灾变滑坡具有典型性，在不同的滑坡孕灾模式下，其主控因素是降雨-库水位波动、高地应力条件下的开挖卸荷。水库运行条件下水对库岸滑坡形成过程的影响及其作用机理是滑坡演化研究的难点；高山峡谷高地应力区数百米级高陡工程边坡地质条件及卸荷演化过程复杂，现有理论与分析方法不能满足工程快速卸荷下开挖与支护的需求。因此，降雨入渗-库水位波动-地下水联合作用下滑坡演化过程与致灾机理、高地应力区工程卸荷作用下的滑坡演化机理是重大工程灾变滑坡演化过程控制研究的关键科学问题。针对该科学问题，研究大型水库运行和高地应力区工程卸荷作用下滑坡演化过程和关键控制因素，建立降雨入渗-地下水-库水位变化联合作用以及工程卸荷条件下的滑坡模式，解析滑坡运动过程，揭示滑坡启动与速滑等引起的破坏效应，为创建滑坡演化过程控制理论奠定基础。

2、滑坡-防治结构体系相互作用机理

功效优良的防治结构能“有机地”嵌入或“融合”于滑坡地质体中，通过其与复杂环境条件下滑坡地质体之间的相互作用和协同工作，充分发挥地质灾害治理功能，达到抗滑效果，保证工程安全。目前，滑坡-防治结构体系相互作用机理的研究开展较少，滑坡防治工程实践中基本未考虑滑坡-防治结构相互作用的影响，缺乏基于相互作用的滑坡防治结构设计理论，滑坡防治效果及其工程长期安全性难以保障。因此，滑坡-防治结构体系相互作用机理是实现重大工程灾变滑坡系统演化过程控制的关键科学问题之一。针对该科学问题，建立库水位波动、降雨、工程卸荷等作用下滑坡-防治结构协同工作模型，揭示基于流变理论的滑坡-防治结构变形破坏时效规律，提出滑坡-防治结构体系长期安全性评价理论，可为重大工程灾变滑坡演化过程控制理论的建立提供关键基础理论与方法。

3、重大工程灾变滑坡演化阶段判识与过程控制

因此，亟需创建重大工程灾变滑坡演化过程控制理论。针对该关键科学问题，研究滑坡演化多场灾变信息识别模式与判据，建立滑坡演化过程预测预报理论，确定滑坡不同演化阶段的关键控制因素和最佳控制方法，提出重大工程灾变滑坡有效控制与评价体系，为重大工程灾变滑坡的有效控制提供理论支撑和方法指导。

围绕上述关键科学问题，以长江三峡地区和西南三江地区为例，深入研究地质过程与重大灾变滑坡时空演化关系，建立灾变滑坡孕灾模式。研究复杂环境条件下滑坡多场耦合作用过程，揭示重大工程灾变滑坡演化机理。研究滑坡-防治结构相互作用机理，提出长期安全性评价方法。研究滑坡演化多场灾变信息识别与判据体系，实现滑坡演化状态判识。建立基于滑坡演化机理的过程预测预报理论，提出重大工程灾变滑坡有效控制方法与评价体系，建立重大工程灾变滑坡演化过程控制理论。具体研究内容如下：

1、重大工程灾变滑坡区地质过程及孕灾模式

通过三峡库区地貌过程及非正常地貌事件的剖析，建立地貌过程与滑坡发育关系，研究巴东组、侏罗系红层等易滑岩组滑坡特性，解析三峡库区多层次滑脱、多序次破裂等历史构造及新构造过程，研究构造过程对滑坡的控制作用，奠定大型水库运行条件下滑坡机理与控制的研究基础。通过西南三江地区强卸荷区快速隆升的幅度、方式、速率、第四纪活动断层的分布、活动时间和区域应力场分布特征的研究，确定深切峡谷斜坡应力场与区域应力场的形成与演变关系，揭示滑坡时空分布特征、演变与区域应力场演变过程之间的相关性和第四纪高原快速隆升对滑坡的控制作用，奠定高山峡谷区强卸荷作用滑坡演化机理与控制研究基础。基于长江三峡及西南三江地区地质过程与重大灾变滑坡发育关系，研究滑坡主导地质因素，揭示不利地质条件组合类型，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

以长江三峡库区为例，研究周期性吸水与释水条件下孔隙裂隙多相介质的物理、水理和力学性质变化规律，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，研究库水位变动和降雨联合作用下典型滑坡饱和-非饱和渗流场演化规律。建立库岸滑坡多场多尺度三维非线性耦合模型，研究降雨与库水联合作用条件下，库岸滑坡渗流场、应力场和化学场的时空演化过程及其阶段性，进行多场相关的应变、位移的互反馈敏感性分析，开展相应的H-M-C耦合实验与现场实时监测，揭示降雨-库水联合作用下滑坡演化与致灾机理。

以西南三江地区为例，研究卸荷作用下边坡灾变孕育与滑坡演化过程，划分滑坡演化过程阶段，解析各阶段的运动特征，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

选取重大工程灾变滑坡典型防治工程结构，包括抗滑桩、预应力锚索（杆）结构等，研究结构承载特征，构建滑坡-防治结构模型。研究作用于滑坡防治结构体上荷载的动态变化规律，揭示防治结构动态响应机理；研究滑坡-防治结构体系协同变形规律，建立变形协调方程，揭示滑坡-防治结构体系相互作用机理。研究复杂因素作用下滑坡岩土体流变特性，确定其长期强度。研究降雨、库水波动及工程卸荷等作用下滑坡应力场与防治结构内力变化过程，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。研究滑坡在不同演化阶段植入典型防治结构后，滑坡-防治结构的演化规律。提出防治工程效果评价方法与评判准则，创建防治结构适宜性的评价方法和指标体系。研究滑坡-防治结构体系长期安全性综合评价模型，构建长期安全性评价指标体系及综合判别标准，提出基于长期安全性的滑坡防治结构优化设计方法，创建滑坡-防治结构体系长期安全性评价理论。

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，研究滑坡演化过程中岩土体物质组成与结构的演变及能量耗散效应，揭示滑坡物质能量状态迁移及其临界特征。以“3S”技术、分布式光纤传感技术、声发射技术、同位素示踪技术为主要手段，构建滑坡多场特征信息采集技术体系。研究不同孕灾模式滑坡的多场信息数据融合方法，挖掘滑坡多场信息的逻辑共生关系，建立滑坡的应力场、渗流场、温度场、化学场与变形场多场融合的关联模型，提出基于不同演化机理的滑坡多场信息多尺度、多分辨率的融合与建模理论。研究重大工程灾变滑坡演化时空演化规律，开展以强非线性、不确定、多层次、变量类型混杂为特征的复杂系统时蕴过程分析。研究多场耦合作用模式下的灾变滑坡判据体系，划分演化阶段，实现滑坡过程状态判识。

5、重大工程灾变滑坡演化过程控制理论

以长江三峡及西南三江地区重大工程灾变滑坡为例，基于滑坡演化机理，根据不同孕灾模式下不同演化阶段的特点，确定滑坡演化过程预测综合判据与阈值，提出滑坡演化过程预测预报方法，建立滑坡演化过程预测预报理论。基于不同孕灾模式下的滑坡演化机理，结合多场信息滑坡过程状态判识，运用现代控制理论，提出滑坡关键控制因素和最佳控制时间。基于重大工程灾变滑坡演化过程和致灾机理，提出与不同演化阶段与状态相适应的综合控制方案；基于滑坡-防治结构体系相互作用机理和适宜性评价体系，提出工程控制技术优化理论。建立重大工程灾变滑坡演化过程控制技术方法体系，提出滑坡演化过程控制效果评价的关键评价因子及评价标准，构建滑坡演化过程综合控制效果指标体系和评价方法体系，建立重大工程灾变滑坡演化过程控制理论。