分享到:

赖远明:高原冻土不了情

来源:中国科技网-科技日报 作者:杜 英 实习生 唐 琴 2015年05月25日 00:30
[导读] 数十年来,赖远明率领他的冻土与寒区工程研究室团队,在偏隅西部的兰州潜心研究,取得了骄人的成就,被誉为天路“精算师”。

原标题 赖远明:高原冻土不了情

赖远明院士。新华社记者 梁强摄

本报记者 杜 英 实习生 唐 琴

青藏铁路所创造的9项“世界纪录”中,有关冻土难题的占了4个:冻土里程最长的高原铁路、海拔最高和最长的冻土隧道、最长的高原冻土隧道、最长的高原冻土铁路桥。

多年冻土区筑路技术核心难题的彻底解决,使这条铁路有了“世界冻土工程博物馆”的美誉。我国在该领域的研究也因此挺身于冻土科研的“世界屋脊”。国际冻土协会主席杰里·布朗深有感慨地说:“青藏铁路代表了冻土工程的最新进展。在这一领域,其他国家需要借鉴中国的成就。”

实现这一切的是中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,赖远明是其学科带头人之一。数十年来,赖远明率领他的冻土与寒区工程研究室团队,在偏隅西部的兰州潜心研究,取得了骄人的成就,被誉为天路“精算师”。

-1℃,领先世界水平

青藏铁路要穿越连续多年冻土区550公里,其中高温冻土区275公里。

“一般来说,地表以下15米,年平均温度高于-1℃的冻土属于高温冻土。”赖远明解释道,高温冻土具有很强的不稳定性,由于季节变化和人类活动,特别容易产生冻融危险,造成土地沉陷、道路开裂、桥梁坍塌、钢轨扭曲,“就像冰袋,冷冻使水体积增大9%,冰溶化后体积会缩小。”

俄罗斯修建的西伯利亚铁路也曾穿越冻土区,但因为纬度高,其地温在-2.5℃以下,属于低温冻土区,相对稳定。青藏铁路建设所面临的是世界冻土科研前所未有的难题。

直击-1℃的高温冻土,赖远明和他的团队展开系统研究的“第一站”是寒区工程的冻害机理,“改善冻土计算理论长期依赖国外的现状,为设计提供理论依据”。

在数据和文献十分有限的情况下,赖远明发挥工程数学和工程力学的专业优势,提出了冻土工程温度、渗流和应力场耦合问题的数学力学模型,导出了有限元计算公式,并对寒区隧道冻胀荷载作用下的应力场和温度场进行了数值模拟,解决了路基温度计量难题,填补了寒区隧道计算理论方面的空白,为世界冻土工程提供了公认的计算模型。

“我们还对未来50年青藏高原气温上升2℃的路基温度变化进行了预报分析,结果表明抛石路基能够保证冻土路基的热稳定。”赖远明说,这项延伸研究解决了铁路建设中的气候变暖的影响问题。

在揭示路基降温机理和效果的基础上,赖远明团队研发了“凹”字状的U形复合抛石路基和无能耗自动温控通风路基等物理结构,成功应用在青藏铁路、公路建设中。青藏铁路建设总指挥部的应用文件特别提出,这种结构“减少修建旱桥30公里,补强路基约100公里,成功避免了路基融沉、道路纵裂等潜在病害的发生,节约路基长期整治经费。”

2008年,“青藏铁路工程”荣获国家科技进步特等奖,赖远明作为主要完成人榜上有名。

22cm,体现精准理念

对于科研试验,赖远明几乎到了苛刻的程度。

“冻胀量小于1%,降温效果4.27度,阴阳坡温差0度左右,降低坡面温度4—5度,通风散热效果提高1倍。”荧屏前的赖远明解释着他的冻土路基标准,“经过翔实的计算得来,还有提高的空间。”

从机械工程,到结构工程,再到寒区岩土工程和土木工程,赖远明接受的教育一直沿着力学展开。“力学的逻辑基础是数学,我的工作得益于比较扎实的数学根基。”赖远明说。

“主动冷却路基”是一种低成本、长寿命、高质量的冻土路基设计理念,由程国栋院士提出。但如何建模、采用什么结构,却是空白。“程国栋院士于我亦师亦友,确立研究课题后,从计算理论到数字模拟,一切都要白手起家。”非常尊重程国栋的赖远明主动挑起了填补空白的重任。

封闭边界的碎石层具有很好的热半导体特性,风力的自然对流换热对降温效果有较大影响,碎石的粒径和结构孔隙就成为决定因素。

之前道路工程的碎石粒径在0.5到30厘米之间,施工随意性和降温误差都比较大。有没有一个粒径拐点,降温效果能否达到最佳匹配?赖远明决定寻找这个重要的参数。

16组样品,持续的模型试验,从5厘米到30厘米分组测试,一组一组地筛查……200多天后,22厘米这个数字首次进入赖远明的视野。

“粒径不是越大调温效果就越好,需要统筹考虑四季气温变化。”赖远明在综合各种影响因素后,把22厘米确定为青藏高原道路路基最佳块碎石粒径……

一路走到巅峰,赖远明与冻土发生交集,竟缘于一个偶然的机会。他告诉记者,听到冻土是1994年在长沙铁道学院进修时,与来自中铁西北院同学的一次闲聊,“当时感觉浑身都起鸡皮疙瘩”。

从那以后,赖远明开始关注冻土世界。两年后,他被冻土工程国家重点实验室录取为博士研究生。“所以选择寒区岩土工程方向,就是因为这个专业的理论基础不成熟,可开垦的领域很多”。体验到冻土研究的迫切需求之后,赖远明更加一无反顾地埋头其中,并在2000年获得“百人计划”项目资助,成就了科研的“第一桶金”。

2011年,赖远明当选为中国科学院院士,成为这个令人瞩目的群体中年轻的一位。“即便天上掉馅饼,也会砸到早起的人头上”。这朴素的语言是奶奶教给他的。

每天半夜12点睡觉、早上6点起床,步行到公园晨练,8点准时进入实验室,是赖远明雷打不动的生活习惯。“老师的很多灵感是在步行中思考成熟的。”他的学生裴万胜告诉记者。

4905m,挑战生命极限

对于赖远明而言,每年几次的野外勘察极为重要。

“啃馒头,吃咸菜,住帐篷。遇到极端天气,几个星期不洗澡是常有的事。”同事喻文兵说。

昆仑山隧道长1686米,是世界多年冻土区第一长隧。2001年,隧道工程完成500多米时,赖远明进洞采取岩样。在这里,他经历了命悬一线的危险。

“隧道内刚刚放完炮,含氧量大约只有平地的30%左右,岩土采样的时间需要持续3个小时。”他的学生张明义回忆,刚开始的头疼症状,赖远明并没有在意。剧烈的头痛和呕吐后才被送往医院。从那以后,赖远明的后脑时常会有莫名疼痛,对记忆力也有不小影响。

“带回了珍贵的样品,解决了隧道衬砌和保温措施的参数优化设计问题。”赖远明对那次的受伤细语轻描。

2002年,赖远明刚接到解决青藏铁路寒区隧道冻土问题的任务时,他就将目光锁定在风火山隧道。

风火山隧道位于可可西里保护区边缘,海拔4905米,是目前世界上海拔最高的铁路隧道。西方媒体曾预言:在这样的地质带打隧道,是根本不可能的事。

“隧道的冻土层最厚达150米,覆盖层最薄处仅有8米,施工稍有不慎,就会导致塌方”。赖远明快速组织队伍,实地勘测,精准计算,建立了对流换热与围岩相变传热模型,解决了风火山隧道衬砌和保温措施的参数优化设计。与相关科研设计单位协同攻关,掌握了高原冻土路基和隧道施工的有效方法。如今,这两个铁路隧道已经安全服役10多年,创造了奇迹。2005年,该成果获国家科技进步二等奖。

降温机理与合理降温参数、块碎石路基场计算方法、流固耦合传热模型、U型块碎石路基结构、阴阳坡路基技术、复合通风路基结构、涎流冰防治、抗冻胀添加剂……赖远明和团队已经在冻土领域掌握了20多项的专利,节约投资20多亿元。这些技术和工程措施已经应用在寒区的公路和水库施工中。

“继续冻土地区修建高速公路和高速铁路的研究课题,展开冻土水盐热力特性分析研究。”他应记者要求介绍近期的工作时说,“科研一直在路上。”

“结缘冻土21载,这个学科已经从门可罗雀变得炙手可热,有很多与冻土密切的工程需要理论支持和解决方案。”采访结束时,赖远明告诉记者,冻土终将变成许多研究人员的“热土”。(科技日报兰州5月24日电)  

点击下载:
[责任编辑:wn174]
分享到:

网友评论表达个人看法,并不表明本网同意其观点或证实其描述。

验证码:

验证码
TEL:010-58884117 E-Mail:kepu@kepu.gov.cn 如果您有任何意见或建议,请联系我们!
版权所有:中国科普网 京ICP备05022684号-3