2019国家自然科学奖提名项目公示.DOC

1、2019年度国家自然科学奖提名项目公示 项目名称 涉水边坡稳定性分析及区域滑坡敏感性测评的整体方法 提名单位 中国岩石力学与工程学会 提名意见： 针对降雨和库水位变动引起的边坡（高坝）稳定性分析、区域内的滑坡敏感性测评展开研究，主要创新点如下： 1. 建立了边坡地下水渗流的 Signorni 型变分不等式模型。该模型消除了出渗点的奇异性，非线性弱于其他变分不等式，其适定性已被澳大利亚等国的数学家所论证，并已在水利、堤防和港口建设中取得应用。 2. 发现并证明了适用于岩土类材料的 Phi-Nu不等式，已在边坡稳 定性分析中取得了广泛应用，并被一些大型商用软件（如 Abaqus）所采纳。 3. 提

2、出了边坡稳定性分析的整体方法，实现了三维稳定性分析的严格极限平衡法，解决了解的不收敛问题。基于 Logistic 回归分析，揭示了年概率暴雨条件下滑坡发生概率的空间分布特征，据此可对区域内的滑坡敏感性做出测评。 研究始于 1996 年香港政府 RGC 项目：自然边坡失稳与泥石流机制； 2002年研究领域扩展至三峡库区边坡和高坝稳定性分析，并陆续获得了包括国家杰出青年基金在内的多个自然科学基金和部门基金的资助。 八篇代表性论文 SCI 严格他引 984 次，其中一篇获 2015 年 Elsevier 最佳论文奖；相关论文 81 篇， SCI 严格他引 2830 次，其中一篇中文期刊论文 CNKI

3、 严格他引 744 次。 部分成果于 2008年获中国岩石力学与工程学会首个自然科学一等奖。 提名该项目为国家自然科学奖 二 等奖。 项目简介 采用 确定性 分析和 概率统计方法 ， 针对 与 降雨 /库水位 变动有关的边坡（高坝）稳定性分析和区域内滑坡敏感性测评展开研究。主要科学发现如下 ： 1. 建立了边坡地下水渗流的 Signorni 型变分不等式 模型，该模型 消除了自由面出渗点的 奇异 性，非线性 弱于其他变分 不等式 ；基于该 不等式的有限元法可在 固定网格上 求解 无压渗流场， 其 适定性和良好的数值特性 已被 Monash大学数学家 Alnashri 和 Droniou 发表

4、在 数值 分析顶尖 刊物 上的论文 详细 论证 。 2. 发现并证明了 适用于 岩土 类 材料的 不等式： sin 1 2。不等式 有以下 双重 意义： 首先 ， 可 使 基于 强度折减法 的边坡 稳定性分析结果更加合理 、计算效率成倍提高 ； 其 次 ， 可 作为 常规 岩土力学试验结果的 一个检验准则： 若峰值 摩擦角 和峰 前 泊松比 不 满足 该 不等式 ， 就意味 着试验 结果 不合理 。 3. 提出了边坡稳定性分析的整体方法 ， 实现 了 经典 条分法 框架内无法 实施的 三维严格极限平衡法 ；同时 ， 通过 将安全系数的求解归结为一个代数特征值问题 ， 彻底解决了 极限平衡法中

5、解的不收敛问题。 确定 临界滑面 的 EPS（等效 塑性应变 ） 法被 随后 提出的、具有严格数学力学基础的 Cauchy 法所 论证。 基于Logistic 回归 分析， 揭示了 年概率暴雨条件下滑坡发生概率的空间分布 特征 ， 据此 可 对区域 内 的 滑坡 敏感性做出 测评 。 研究始于 1996 年香港政府 RGC 项目：自然边坡失稳与泥石流机制； 2002年研究领域扩展至三峡库区边坡和高坝稳定性分析，并陆续获得了包括国家杰出青年基金在内的 多个自然科学基金和部门基金的资助。 八篇代表性论文的 SCI 严格 他引 984 次 ，其中一篇获 2015 年 Elsevier 颁发的 “Ou

6、tstanding Paper Award”；相关论文 81 篇， SCI 严格 他引 2830 次 ， 其中一篇中文期刊论文 CNKI 严格他引 744 次 。 发明 专利 5 项 （ 含一项美国 发明 专利 ） 。 许多著名 科学 家 对项目成果进行了 引用 和积极评价，如 美国科学院院士Turcotte 在国际顶级期刊 PNAS（美国 科学院院报 ） 上 评价： 滑坡频率 -体积模型很合理 地 呈现出幂次定律分布特征；加拿大皇家科学院院士 Clague 指出： 基 于GIS 和多元统计分析的滑坡预测模型可以对滑坡的主控因子进行深层次的解析 ；中国 科学院院士陈祖煜 及其 团队对稳定性分析

7、方面的成果进行 了 积极推广 。 不等式已被 写入 公路 行业 边坡 技术 规范（ 征求 意见 稿 ）， 并 被一些大型商用软件（如 ABAQUS）所采纳。 边坡稳定性 分析 理论 和方法 在包括三峡工程在内的多个大型水电工程和地质灾害防治工程中得以成功应用 ， 部分 成果 已 被其他专家写入 土木工程研究生 教材 。 基于 Signorni 型变分不等式所开发的渗流分析软件已 被 设计部门应用于 堤防、港口和 边坡工程 ，其研究和应用领域已被国际 国内 同行推广 至非稳态、 非饱和渗流分析等方面。 部分成果于 2011 年 获国际计算岩土力学学会（ IACMAG） “ Excellent C

8、ontributions Award”， 2008 年获中国岩石力学与工程学会首个自然科学一等奖 。 重要科学发现 1. 重要科学发现 1） 建立 了边坡地下渗流场的 Signorini 型变分不等式提法【 学科代码 ： 50615】 既然水是诱发滑坡的最重要因素，就要求对坡内的地下渗流场有准确的把握。 边 坡内的渗流 一般 属于 有 自由面 的 无压渗流 ， 自由面的位置 是未知的 。 传统的数值求解方法先假定自由面的位置，然后布置网 格并解得相应的渗流场，最后再校核 该 渗流场是否满足自由面边界条件；若不满足，则调整自由面至新的位置并重新生成网格。 这一过程 通常 被 称为网格 自适应 法

9、 。应用 表明 该 方法 不仅效率低、精度差，而且对于渗透特性相差较大的 边坡 ，即便对于经验非常丰富的分析者，也难以取得收敛的 结果 。 为了解决上述问题，数学家也付出了艰辛的努力，试图在固定网格上求得 渗流 场和 自由面。因此，无压渗流问题也 是 微分方程 自由边值问题研究的重要课题，变分不等式方法是解决自由边值问题的 重要的方法。以 JT Oden为代表的数学家 所 建立的无压渗流问题的变分不等式具 有强烈的非线性，出渗点是其中的一个奇 异 点，无法被精确定位 ； 基于这些变分不等式的有限元法具有强烈的网格依赖性 ，因此 极少被应用于工程问题的求解 。 在此期间，一些工程 数值分析 专家

10、，如 KJ Bathe 和 CS Desai 等， 基于 物理直觉 建议 了 利用 固定网格 来 求解无压渗流 问题 的 有限元法 。但这些方法 在理论上 不够 严密 ， 也 无法 精确 定位出渗点， 还 同样存在网格依赖性。 论文 1通过将仅适用于饱和区内的 Darcy定律延拓至全域，在出渗边界 引入 Signorini 边界条件， 建议 了 新的 无压渗流问题的变分不等式提法。 基于 这一提法的有限元法 可 在 固定网格上求解无压渗流场。 与其他 提法 相比， 新提法消除 了出渗点的奇 异 性，非线性强度最低。Monash 大学 数学家 Alnashri 和 Droniou 专门 发 文论

11、证了 惩罚形式 的 变分不等式提法的适定性 （ Siam J Numer Anal 56, 2018: 2375- 2405） ，并证明了Signorini 型 变分不等式提法 具有 良好的数值特性。 图 1 显示了 基于 Signorini 型变分 不等式提法 （ P） 和现有提法 （ LP）在 粗（ C） 细 （ D） 网格上的 所 得到的 某心墙坝 内的自由面 ， 表明前者无网格依赖性， 而 后者有明显的网格依赖性。 P：新建议； LP： Lacy & Prevost 11(1987)； C： 粗网格； D： 加密 后的网格 图 1 Signorini 型 变分不等式与现有提法的结果对比

12、 经 中交第二航务工程勘察设计院有限公司 、 湖北省水利水电规划勘测设计院 等设计部门十多年来的 应用 效果表明：基于 Signorini 型变分不等式的有限元软件具有良好的数值特性。 2） 发现并证明了 不等式【 学科代码 ： 50615】 发现并证明对于岩土类材料都 满足 不等式： sin 1 2，其中 为内摩擦角， 为泊松比 （论文 2） 。不等 式有以下三重意义。 首先 ，在强度折减法中，如果遵守 不等式，不仅 可 使极限平衡状态下的塑性区分布更趋合理，而且还会使得计算效率大幅提高。 图 2 是 Itasca公司 的测试结果 ， 显示了 不 遵守 不等式 会 导致大量的伪塑性区，而 遵

13、守不等式 可使得 塑性区 集中 在滑裂面 附近 ，迭代 效率也 提高了 2 倍 。 正 因如此， 不等式才被 Abaqus 制作成了标准插件： SlopeSR（附 件 9），也被写入 公路 行业 的 边坡 技术 规范（ 征求 意见稿 ） （附 件 10）。 a) 不满足 -不等式： 57 次迭代 b) 满足 -不等式： 19 次迭代 LP-CLP -DLP-CP -D , P -C图 2 是否满足 不等式 计算结果对比 其 次 ，可作为 常规 岩土力学 试验的一个 检验标准 ：如果试验所测得的 峰值 摩擦角 和 峰 前 泊松比 违反了 不等式，就说明试验结果 不合理 。 最后，体现了 “简单就

14、是美 ”这一科学意义上的审美 原则 。 不等式的证明是基于这样一个事实： K0 应力状态下的土体或者光滑厚壁圆筒内的土体永远不会屈服。 3） 实现了三维严格极限平衡法【 学科代码 ： 50615】 按照是否满足所有平衡条件 ， 可 将极限平衡法分为简化方法和严格方法。严格方法无一例外地需要迭代求解，都存在不收 敛的 案例 。对于二维问题，有以 Spencer 法为代表的严格条分法；但是对于三维问题，经过长达 40余年的努力， 仍然 没有一个方法是能满足全部六个平衡条件 的 严格方法，至多只能满足五个平衡条件。即便如此，也 都 存在不收敛的 案例 。因此，实现三维严格极限平衡法就成为边坡稳定性分

15、析的一个著名难题。 项目 所 提出的边坡稳定性分析的整体方法可实现三维严格极限平衡法。整体分析法无需对滑体进行条分，仅需对滑 体 表面做三角 剖分 ， 这 极大地简化了前处理，提高了滑体的离散精度。同时，整体分析法将安全系 数的求解归结为一个代数特征值问题 ，从而 彻底解 决了解的不收敛问题：我们知道，即便对于线性代数方程组 ， 还有可能出现多解或无解情况，但对于特征值问题而言，则永远有解，且可在有限次运算内取得特征值问题的精确解。 图 3 三维 严格极限平衡法 边坡和坝体计算模型 论文 3 在三维 严格极限平衡法 中 引入 条分法中 常用 的 Morgenstern-Price假定， 并 求

16、得相应的滑面正应力，实现了整体分析法与经典条分法的无缝对接，证明了即便在条分法框架内也能实现 三维 严格极限平衡法。 整体 分析法已在包括三峡工程在内的多个水电工程和防 灾 减灾工程中取得了应用， 图 3 分别 显示了 三维 严格 极限平衡法在 某滑坡 治理 工程 和某 重力坝 深层抗滑稳定分析中 的 计算模型。 4）提出了临界滑面的 EPS 法【 学科代码 ： 50615】 边坡稳定性分析包括指定滑面的安全系数求解和临界滑面的 定 位，比较起来后者的难度更大。对于二维问题，确定临界滑面的理论和方法都相对成熟。但是对于三维问题，无论是极限平衡法还是强度折减法，理论上 和 技术上 都尚 未成熟

17、：采用 极限平衡法需要指定滑面 的几何形式； 采用 强度折减法难以 精确定位 临界滑面 ， 因为它 含在 范围 较大 的塑性区内。 从理论上证明 了 临界滑面服从一个一阶拟线性偏微分方程， 其 特征线方向 N（ 或 滑面的 Monge 轴 方向 ） 即为 该点的下滑方向 。 这样， 若 指定 了滑面内任意一条异 于 特征线的 初始线 ，则 滑面 由过 该 初始线的所有特征线而组成 。从而， 构成了一阶拟线性偏微分方程的 Cauchy 问题。 为了 选择 较好 的 初始线 ，令其切线方向 T 正交 于滑面 法向 B 和特征线 方向 N， T, N, B即为初始 线 上 的 Frenet 标价；然

18、后， 通过 指定初始线上的一点 （ 初始点 ），并求解 Frenet 方程所 对应 的 一阶 常微分方程组的初值问题来求得初始线。 最终， 仅需指定滑面 经过 的 一点 （即 初始点 ） 即可确定 临界 滑面，从而使得临界滑面的确定建立在坚实的数学力学基础之 上。 图 4 EPS 方法的相关计算结果 为了使方法更加实用， 论文 4 提出了被 SW Sloan 教授称为 EPS 法（等效塑性应变法）的 滑面定位技术。 EPS 法 利用 了临界滑面的局部鞍点属性，即Cauchy EPS 滑面每一点的等效塑性应变在竖向取极大值 。该方法 可 适用于二维和三维 分析， 与 有严格 数学力学基础的 Ca

19、uchy 法结果 一致，且具有良好的网格无关性 ，如 图 4 所示。 5）建立了暴雨 触发区域 滑坡 敏感性 测评的整体方法 【学科代码 ： 50615】 降雨型滑坡的 防治和预测预报，除需 对 边坡的 水文条件 和 滑坡机理进行深入研究外，还须对 区域 内边坡的 地形 、地貌、暴雨特征 等与 滑坡事件 之间的统计 关系进行 研究 ， 而这正是 论文 5 的 核心 内容 。 研究表明 ： 坡度 、岩性、坡高、坡向和土地使用类型 对 区域内 滑坡 敏感性测评具有统计学意义上的重要性 ； 而坡形和边坡 与 小流域分水岭 的 距离 与 滑坡 敏感性 的关联度不大 。 对香港地区 1984-1997

20、年间的降雨资料和滑坡记录进行 了 系统分析，发现：如果将不同规模的滑坡统一考虑进行预报，采用 12小时滚动雨量作为预报参数比 24小时滚动雨量更为有效；如果考虑滑坡体积的影响，随着滑坡体积的增大，有效的预报参数由 12 小时滚动雨量变化为 24 小时滚动雨量，证实 了前期降雨量对滑坡发生的影响小 （论文 6） 。 运用 GIS 和 RS 技术，综合考虑滑坡发生的各种影响因素，采用 Logistic多 元 回归 分析 得到了滑坡发生的空间概率分布 （论文 7） 。在此基础上，综合过去暴雨事件及其空间分布特征，以及该暴雨事件造成的滑坡分布，建立了滑坡发生概率与静态环境因素和动态触发因素 （ 暴雨特

21、征 ） 之间的动态统计预测模型，得到不同年概率暴雨条件下滑坡发生概率 的 空间分布， 从而 可通过气象部门发布的暴雨空间分布 预报 来实时预测滑坡可能发生的位置 （论文8） 。 因为考虑 的因素 包括 静态环境因素和动态 触发因素 ，所以 这一 过程 构成了区域 内滑坡敏感性 测评 的 整体方法 。通过对不同空间尺度区域进行的应用研究和验证表明，该方法所得结果具有较高的准确性，可应用于暴雨滑坡的时空预测预报和动态场景模拟。 客观评价 1. 国际国内 的 一些工程 数值分析专家 对论文 1 建议的 Signorini 型变分 不等式进行了 改进和 推广 。例如 ，周创兵 教授（杰青）对 这一成果

22、的评价是：Signorini 型 变分 不等式 提法从 理论上消除了出渗点的奇性，有效地克服了网格依赖性和数值不稳定 （ Int J Numer Methods Geomech 35, 2011: 1034-58） 。 同时， Signorini 型变分 不等式也引起了数学家的 关注 。例如， Monash 大学数学系的 Alnashri 和 Droniou 在 数值分析的顶尖刊物 Siam J Numer Anal上 专门发文论证了惩罚 形式的 Signorini 型变分 不等式的适定性 （ 56, 2018: 2375-2405）。而且 证明 该 方法 即使 对于扭曲网格 仍然能 取得非常

23、好的结果 。 瑞典 和德国数学家 Berninger， Kornhube 和 Sander 还将 Signorini 变分 不等式 提法 推广至非稳态非饱和渗流 分析（ Siam J Num Anal 49, 2011: 2576-97）。 2. 帝国 理工 学院 的 SK Sarma 教授 是享誉世界的边坡工程专家，以他的名字命名的 Sarma法 是 最重要 的 条分法 之一。 继 1973年 发明 Sarma法 之后， Sarma和同事 于 2006 年 又发表了 “增强 型极限平衡法 ”。随后 ， 他们采用了 有限元法 来验证这一方法 ，并于 2008 年 在 Geotechnique

24、这一 岩土 力学顶尖 刊物 上 发表 了验证结果（ Geotechnique 58, 2008: 481487）。项目建议 的 迭代有限元强度 折减法（论文 2）被 认为是 计算安全系数 的代表性方法 。 3. 论文 2 提出 的 不等式 已在边坡稳定性分析中被广为采用，其目的是为了 提高 计算 效率并 获得理想 的 、 边坡在极限平衡态下的塑性区 分布 。 很多学者 都将 不等式编入了 自编程序 ， 例如 ：新兰威尔斯 大学 HA Taiebat 教授 在Computers and Geotechnics 49 (2013) : 279288 中 写道 ：“郑 等建议在进行强度折减 边坡 稳

25、定性分析时调整 泊松比， 本项研究中我们 所 采用的有限元 程序 也实现了 郑 的方法 ”。著名软件 商 Abaqus 在 了解这一情况后， 将 不等式制作 成了独立插件 SlopeSR（附件 9） 。 4. 不等式不仅 在边坡稳定性分析中被广为采用，而且也作为一个 检验新 材料准则是否 合理 的法则。例如 以色列 科技大学的 GB Muravskii 教授 在ZAMM- Zeitschrift fur Angewandte Mathematik und Mechanik 92(2012): 565-572中 写道 ： “确定 系数 K很简单 。 然而 ，这 一简化 可能为 导致伪失效 。 郑

26、 建议适当调整泊松比 来 避免这种伪失效 ”。 中国科学院 院士 陈祖煜 教授不仅发文论证遵守 不等式的 必要性，对其做了更精细的推广，还在其主编的 文集“ Landslides and Engineering Slopes. 2008 Taylor & Francis, London” 中收入了 4 篇 不等式的应用 论文。 5. 重庆大学周小平 教授 （长江 、杰青 ）对于三维 严格 极限 平衡法 （论文 3）所 取得的成就给予了很贴切也很高的评价， 他们 在 Eng Geol 195 (2015): 292-300时 写 道 ：“本文 基于郑 2007 年 提出的无条分法 对三维 滑坡就

27、行了严格极限平衡分析。 郑于 2009 年通过 将三维极限平衡法归结为一个代数特征值问题而 彻底解决了解的不收敛问题 ； 2012 年郑又 提出 了 将 2D严格 极限平衡法 拓广 至 3D的普适方法 ” 。 6. 确定 临界滑面的 EPS 方法（论文 4）除了 在边坡稳定性的安全系数法中被普遍接受 之外 ， 在 可靠度分析中也开始得到应用。例如 突尼斯 国家工程学院的 K Farah 等教授 就把 EPS 方法 全盘应用于可靠度分析方法， 他们 在 Procedia Engineering 10 (2011) 14021407 中 写道： “它 是 在 边坡稳定性评价中满足 所有平衡条件的可

28、用工具，郑已经实现了这一工具 ”， 随后 Farah 等把 EPS 方法 又 复述了一遍。 论文 4 于 2015 年 荣获 Elsevier 颁发 的 “Outstanding Paper Award”（ 附件11） ， 该奖是 根据 过去 5 年 的 论文 表现， 由 Computers and Geotechnics 主编 们 推荐 的 。 2011 年 ， 时 任 国际岩石 力学 学会 主席 的 冯夏庭教授在第 十二届 国际岩石力学大会 上做了题为“ New rock mechanics developments in China”的 大会报告 ，将 三 维严格极限平衡法 以及 确定临

29、界滑面的 Cauchy 方法 作为中国 在 新世纪 岩石力学 发展 成就的代表性成果 （ 附件 12） 。 7. 国际 许多 著名滑坡研究专家 对 滑坡敏感性 测评 方面 所 取得的成果 给予 引用和 积极评价，如： 英属哥伦比亚大学（ UBC）教授 O Hungr 在总结滑坡发育的地质特征时把项目 的研究成果作为代表性成果进行报道 。 美国佐治亚理工学院（ GIT）副校长RL Bras 教授将 项目所 采用的 Logistic 回归方法视为滑坡敏感性分析的典型方法 。 日本九州大学 Paudel 教授在研究滑坡发生频率和高程之间的关系将 论文 5的研究结果作为参照与验证，得出了相似的结论 （

30、 Geomorphology 88, 2007: 2133）。 美国科学院院士、康奈尔大学教授 Turcotte在国际顶级期刊 PNAS上 在 详细引述 了 论文 6 的研究成果 后总结 到 ： “论文 6 得出的滑坡频率 -体积之间很好并且很合理的呈现出幂律分布特征 ” (PNAS 99, 2002: 2530-2537 )。 加拿大皇家科学院院士 Clague 教授引用论文 7 来阐述基于地理信息系统和多元统计分析的滑坡预测模型，并指出该成果可以扩展对控制冰碛坝失稳的主控因子进行深入剖析 (Global and Planetary Change 56, 2007: 153171)。 香港理

31、工大学 Chau 教授把 文 8的 成果 与 相关 研究进行对比，取得了一致的结论，认为滑坡体高程是控制香港地区边坡稳 定性的主要因素 (Landslides 2, 2005: 280290)。 8. 第一完成人于 2011 年 获国际 计算 岩土力学协会颁发的 “Excellent Contributions Award”（ 附件 13）， 证书上写道： “鉴于你 在 岩土力学 和工程中边坡稳定性、渗流分析、 及其 数值分析方面的杰出贡献 ， 特发此奖 ”。 中国 岩石力学 与工程 学会于 2008 年 开始 设立 “自然 奖 ”、“发明 奖 ”和 “科技 进步奖 ”，每 两年评奖一次。 该

32、 学会 将 首个自然科学一等奖 授予第一 完成人负责的项目： “边坡 稳定性分析及其相关问题的研究 ”（ 附件 14）。 代表性论文专著目录（不超过 8 篇） 序号 论文专著 名称 /刊名 /作者 年卷页码 （ xx 年 xx卷 xx 页） 发表时间（年月 日） 通讯作者（含共同） 第一作者（含共同） 国内作者 SCI 他引次数 他引总次数 论文署名单位是否包含国外单位 1 A new formulation of Signorinis type for seepage problems with free surfaces. International Journal for Numerical Methods in Engineering 64(2005): 1871-1888. 2005年 08月 28日 郑宏 郑宏 郑宏 ，刘德富，李焯芬，谭国焕 29 66 否 2 Slope stability analysis based on elasto- plastic finite element method. International Journal for Numerical Methods in Engineering 64(2005): 1871-1888. 2005年 07月 24日 郑宏 郑宏 郑宏 ，刘德富，李春光 53 76