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计算机科研与技术

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日志

 
 

[秦四清]恭喜成功获得2015年国家自然科学基金  

2015-08-19 21:37:54|  分类: 论文写作发表 |  标签: |举报 |字号 订阅

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自从我2008年开始专注于地质灾害物理预测的基础研究后,因对接横向项目不感兴趣,逐渐由“土豪”成为了“贫农”。虽然有老课题结余经费的助力,但预计到2010年的时候会“揭不开锅”。花钱的地方实在太多,研究生培养、实验室运转、交办公室房租等,每年都需要不菲的“银子”。科研也好,生活也罢,钱不是万能的,但没有钱是万万不能的。木有基本的科研经费支撑,温饱都会成为问题,哪能静心做科研吶。

在2009年下半年,对崩滑灾害失稳机理有了突破性的新认识,发现的滑面多锁固段脆性破裂规律得到了诸多实例的回溯性验证。有了New idea后,准备2010年申请个重点基金项目。在写本子的时候,因有New idea支撑,思路十分清晰,用了3天的时间一挥而就,后面精心修改用了半月时间。可能是本子的创新性、逻辑性与故事性较强的缘故吧,函评时得到了5A1B的评价。

上会答辩前,用了半个月时间精心准备PPT,演讲和回答问题都令人满意,结果获高票通过。今年6月份,一位当年的会评专家来京和我聊天时透露了一个“秘密”,他说“你可能不知道当时会评的情况,小同行专家是准备‘灭’掉你的申请的,因为滑坡预测是个世界性的科学难题,大家搞了这么多年,谁也没有高招。但听了你的答辩报告后,大家改变了主意,因为你有了新招儿,把不可能的事儿变成了可能,重点基金嘛就是支持有新想法的、有重要意义的探索项目。”看来,有可行性的新想法是基金中标的“硬通货”;再者,写好逻辑性与故事性强的本子,可让评审专家清晰地理解拟申请项目的“脉络”,助其做出客观的评判。

我觉得国家自然科学基金的评审是相对公正的,世界上也没有绝对公平的事儿。对于非“大牛”学者,自己能做到的是壮大自己,而不是怨天尤人。当你比别人“高半头”的时候,申请基金时有可能“被灭”;当你比别人“高一头”的时候,评审专家很难“灭你”。世界上没有什么“救世主”,自己的命运掌握在自己手里,俺觉得基金“中标”的正能量途径是——用强劲的创新实力“征服”评委。

抱歉,说着说着跑题了,赶紧“纠偏”回到正题吧。

因知道2015年重点基金要结题,结题后又会面临“断顿”困扰;再者,在岩石破裂过程研究中我们又发现了一个有趣的问题。简言之,在浅源强震孕育过程中,锁固段被加载至膨胀点时,Benioff应变开始出现加速现象,但加速持续一段时间后,大部分震例普遍出现不同寻常的现象——应变速率急剧降低。这与室内岩样剪切蠕变试验揭示的破坏特征完全不同,也与锁固型滑坡监测位移曲线反映的锁固段破裂加速至宏观破裂阶段的变形特征不同。基于以上考虑,从2014年10月份,打算写个面上基金申请项目。这次申请,因怕不中“丢人”,从思路定位、问题凝练、文献查阅、编写本子到润色调整,用了很长时间。写完后,请几位朋友看了看,觉得不错,在申请书提交截止时间前两个小时,上传了本子。

昨天从我所得知,今年的基金申请再次“中标”。非常感谢基金,基金伴我渡过了学术生涯的“困难”时期。有了基金的助力,静心科研就有了基本保障,才能坐得住“冷板凳”。

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俺觉得,写好立项依据与凝练出精华的科学问题,是基金申请的重中之重,必须下功夫。下面晒晒俺们2010年重点基金项目《斜坡失稳的广义临界位移准则与预测方法》中的立项依据部分,可供打算申请基金的青年朋友们参考。

(一)、项目的立项依据(约2700字)

地质灾害如滑坡、崩塌、强震等,常以突发性、难以预测性、毁灭性的灾难给人类造成重大人员伤亡与经济损失。尽管诸多学者[1-26]在灾害学研究中已做出了巨大努力,但对世界上许多灾难性地质灾害屡屡预测失败的现实表明,我们对地质体致灾机制知之甚少。由于地质系统本身的固有复杂属性[1]或深部岩土体力学属性与地质结构的难以准确描述性[2],依据目前的认识,通常人们认为崩滑等灾害的预测是非常困难的,因为崩滑预测模型不可能同时考虑众多复杂因素的相互影响,其中斜坡几何、地质条件的复杂性,位移-时间关系的非线性,以及季节性因素的叠加作用是最重要的影响因素[3]。然而,为评估及减轻崩滑灾害,坡体破坏过程的预测问题必须被解决。

目前崩滑灾害预测问题研究主要有两种方法。其一是基于试验和力学分析研究坡体失稳的演化机理,并利用这些结果做出进一步预测。然而,由于上述影响因素相互作用导致的高度非线性及衍生的复杂性,描述滑坡演化过程的动力学方程[4]还未能正确写出,即使这些方程能够正确写出,准确确定方程中的诸多几何及力学参数仍然十分困难。唐春安指出[5],在非线性和不连续问题的理论研究方面有一种越来越复杂化而难以实际应用的趋势。另一个研究方法是依据经验、统计模型进行滑坡时间预测[6-9]。然而,基于加速蠕变的突变破坏统计预测[10]已经导致了不正确的预测结果,例如对阿尔卑斯山Kilchenstock滑坡预测失败了两次。Rat[11](1988)曾坦率地指出,由于缺乏严格的物理基础,统计预测通常是很不可靠和很有“诡计”的。为此,应该从新的理念出发,发展解决滑坡预测问题的新方法。

锁固段可定义为在滑面上具有较高强度的应力集中部位,例如所谓的岩桥、凸起体(asperity)及土拱或支撑拱。在国内,锁固段概念最早被张倬元教授等[15]提出。之后这一概念从内涵和外延得到了进一步的拓展。例如,已有研究发现岩质斜坡[16]的稳定性受岩桥控制,大型堆积层斜坡[17]的稳定性受土拱或支撑拱控制。但过去的认识仅认为地质体的稳定性受一个锁固段控制,也未建立相关的理论方法。据最近我们的研究发现,岩质斜坡、大型堆积层斜坡和黄土斜坡的稳定性受其滑面或剪切带上的一个或多个锁固段控制。当所有的锁固段被剪断,滑坡将不可避免地发生。

作为立项依据,我们对锁固段在地质体中的客观存在性以斜坡为例做如下论证:①滑面介质是不均匀的,强度相对高的区段必然存在;②在实际监测中发现,大型滑坡总有一个或多个相对变形较小的区域,如新滩滑坡和三峡凉水井滑坡,该区域则为锁固区域,一旦该区域被突破,滑坡将不可避免地发生,根据滑坡宏观破坏现象和位移加速现象,凉水井滑坡曾做过一次失败的预报,造成了长江封航3天,损失2.1亿元的严重后果。这说明该滑坡可能存在多锁固段;③若没有锁固段存在,那么任何斜坡在每年的雨季,特别是最大降雨量的年份都会失稳。因为在雨季尤其是最大降雨量的年份,滑面介质的抗剪强度都是最低的,都应该失稳,显然实际斜坡失稳并不遵循这一规律;④不用锁固段概念,不能从物理上解释斜坡的加速蠕变特征,某些斜坡,如小湾水电站斜坡,在加固后仍然失稳,说明其加固是在天然斜坡的锁固段断裂后加固的,人工加固方法(如抗滑桩、锚索、锚杆)提供的抗滑力一般远小于自然锁固段提供的抗滑力,因此,在天然斜坡的锁固段断裂后加固,只会延缓其破坏时间,而不能阻挡其破坏的必然发生。

从大量岩石力学试验成果[15]知道,在岩石变形达到了其体应变膨胀界限后,将进入不稳定破裂阶段,在此阶段即使施加的差应力保持不变,其破裂的传播将朝着最终的宏观破坏自发地发展。此阶段一个最重要的特征是在其对应的蠕变—时间曲线上,位移将会出现加速现象。在变形达到其峰值强度点时,锁固段将被剪断。对一个锁固段情况,意味着滑坡的发生将不可避免,对此种滑坡,过去的基于位移量或位移速率的经验与统计预测方法,可能会得到成功的预测结果。对多锁固段情况,将会出现多个加速阶段。因此,仅根据位移速率的激增判断滑坡的发生,可能会得到错误的预报结果。

在过去的斜坡稳定性分析中,大多没有考虑锁固段的抗剪作用,这会导致稳定性分析结果过于保守。对此,我们在2009年发现了适用于地质体破坏预测分析的一个普适性规律:依据重正化群理论导出了锁固体的临界破裂概率(膨胀起点),基于微元体破裂的Weibull分布本构模型,构建了锁固段峰值强度点、峰后应力应变曲线拐点(残余强度)与膨胀起点的力学联系。地质体演化到膨胀点后,在其蠕变曲线上有一个有趣的现象——位移加速现象。我们把锁固段峰值强度点视为崩塌、倾倒等脆性破坏的临界失稳点,把峰后应力应变曲线拐点视为蠕变型滑坡的滑动起始点,用加速蠕变起点的监测位移值作为已知值,就可以预测未来崩滑体失稳时的临界位移值。

在此基础上,我们还导出了多锁固段斜坡失稳临界位移准则。该项研究发现了可能具有普适意义的、适用于地质体破坏预测的两个常数1.48和2.59。我们认为,对于一个特定的斜坡,其临界滑动位移值应该是一个定值。若不超过这一定值,则滑坡不会发生。但是,降雨等外界环境因素可能加速坡体的破坏进程。这表明斜坡临界滑动位移可能是一常量,而失稳时间为一变量。这也表明预测斜坡的临界滑动位移比预测其失稳时间更容易实现。

位移监测是判断斜坡稳定性和演化趋势的常用技术方法之一。如果预先知道了斜坡滑动的临界位移值,那么就可以较准确地估计其可能发生滑坡的时间,以采取合理的应急措施保障公共安全。

根据初步建立的多锁固段渐进破坏理论和方法,对包括新滩滑坡、Vaiont滑坡、盐池河山崩在内的35个崩滑实例进行了验证分析,取得了很好的结果。该方法已在三峡库区滑坡监测中开始进行尝试性应用。但在研究中发现,还有下述问题有待深化和完善:

(1) 斜坡滑面锁固体的地质界定与识别方法问题。这是一个新的课题,包括锁固体的地质分类,地质、地球物理与监测综合识别方法。

(2) 我们在2009年建立的理论与方法是针对沿滑面锁固段的一维空间问题,并已取得了良好的预测效果,若扩充到二维和三维问题,毫无疑问效果会更好。

(3) 虽然大量的实例已证实了该理论方法的可靠性,但还没有从室内物理模拟实验的角度,对多锁固段渐进破裂过程与地表和深部位移演化特征之间的对应关系进行深入剖析。显然,从室内试验角度深入揭示多锁固段膨胀—断裂过程与位移特征的物理关系,不仅可检验理论的正确性,还可能揭示一些未知的科学规律,从而改进和发展理论。

(4) 如何根据预测理论与监测技术,提出实用的监测与预测方法,也是有待解决的问题。

只有解决了这些问题,才能形成较为成熟和具有实用意义的斜坡失稳预测方法。本项目研究正是对我们已有认识的进一步深化,其研究结果无疑具有重要的科学意义和应用价值。

参考文献(略)


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