潜心研究防灾减灾技术为城市建设保驾护航——彭建兵教授与他的“西安地裂缝成因与减灾关键技术”项目

发布时间:2017-06-02作者:冯秋香来源:校报编辑部字体: 设置

当地铁飞驰着穿过幽深的隧道,身处整洁、明亮车厢内的乘客们一定不会想到,他们所处的这座古城的地下,由东北向西南近乎平行地分布着14条地裂缝。而现已开通的西安地铁二号线,在修建的过程中就由北向南地穿越了10条地裂缝。地裂缝是一种地表土层破裂的地质灾害,对人类的危害极为严重,其防灾减灾属世界难题。我国华北、华东和汾渭地区发育大量的地裂缝灾害,严重危及着城镇、高速铁路、高速公路、长输管线的安全。在城市建设的过程中,如何最大程度地减轻地裂缝的破坏力和给城市建设造成的损失,是大掌柜彩票教授彭建兵和他的科研团队潜心探索了二十多年的课题。如今,他们的艰苦研究终于收获了甜蜜的果实。在2012年度国家科学技术奖励大会上,由彭建兵教授主持完成的“西安地裂缝成因与减灾关键技术”项目获得2012年度国家科学技术进步二等奖。而在获奖之前,他们更多的成就感来自科研成果对工程建设实践的一次次指导,和对重大工程问题的一次次解决。

  

理论创新:五个创新点填补国内外地质工程领域研究空白

  

西安的地裂缝灾害是世界上最严重的,北东东向展布的14条地裂缝横穿西安市区,规模之大,活动历史之长,危害之严重是世界上独一无二的。彭建兵教授科研团队在国家自然科学基金重点项目“汾渭盆地地裂缝成因与大陆动力学”和多项面上、青年基金项目及其它国家项目的资助下,针对我国当前防灾减灾和国际减灾的重大战略需求,紧紧围绕西安地裂缝持续开展了系统的研究工作,在西安地裂缝的时空发育规律、成因机理、定位探测、高精度监测和减灾关键技术研究等方面取得了一批原创性的、填补国际空白的学术成果。

这一成果主要有五个创新点:查明了西安地裂缝的时空分布规律,发现西安地区第四系中的构造破裂系统等重要地质事件,揭示了西安地裂缝形成的地质背景及原因;创新提出了构造控缝、应力导缝和抽水扩缝的地裂缝耦合成因理论,破解了西安地裂缝成因之疑;研发了地裂缝地面沉降监测新技术,精准地跟踪监测着西安地裂缝的活动状况;在国际上率先解决了地铁工程地裂缝减灾重大技术难题,突破了世界首例地铁隧道地裂缝防治的关键技术;创新研发了城市地裂缝综合减灾技术,推出了防控地裂缝基础上的西安地下水合理开采方案和城市工程建()筑物的地裂缝减灾措施,形成了城市地裂缝综合减灾技术示范。

这一科研成果在国际工程地质领域也具有十分重要的开创性和示范作用。国际工程地质与环境协会主席CarlosDelgado教授在考察西安地裂缝及本项目研究工作后认为:“大掌柜彩票研究团队围绕西安地裂缝灾害持续开展了20余年的研究工作,取得了一系列十分难得的重要研究成果……这些成果在国际上都是领先的,为国际地裂缝研究尤其是地裂缝的工程减灾技术的研究提供了很好的范例。”

  

实践应用:15条地铁线路与14条地裂缝

  

对西安地裂缝灾害的关注始于1950年代。西北大学的留学生楼因为地裂缝而发生开裂破坏,是地裂缝导致建筑灾害的最早的例子,但并未引起学界的注意;到上世纪八九十年代,随着城市建设的不断发展,为满足建设需求而大量开采地下水,这使得地裂缝导致的建设问题日益严重,对于地裂缝相关问题的研究方才发展起来。彭建兵教授及其团队的研究工作始于1988年,20多年来,他和团队成员经过大量的实地勘测与实验研究,解决了一项又一项重大工程技术难题,为城市建设提供了强大的技术支撑。

同时,随着新问题的不断出现,他们的科研内容也在不断地被刷新。2005年,西安开始地铁二号线的修建工作。这是在中国黄土地区修建的第一条城市轨道交通线路,在国内外城市轨道交通建设历史上没有先例可循,因此施工前期的地质勘察和技术指导尤其重要。受相关部门委托,彭建兵科研团队与中铁第一勘察设计院集团有限公司、西安市地下铁道有限责任公司合作开展了一系列地铁修建技术难题攻关,为在地裂缝环境下地铁的修建工作提供了科学的规划指导和有力的技术支撑,并对修建过程中遇到的重大难题展开有针对性的研究,提出了地铁隧道穿越地裂缝带的防治措施,最终确保了地铁二号线的顺利完工和安全运营。

在西安的城市建设历程中,由地裂缝导致的建筑物受损、古城墙开裂、道路错台、桥梁错位、管道错断和水管破裂比比皆是,已造成上百亿元的经济损失,危及近二十万人的生活安全,还严重制约着西安国际化大都市的发展。如何在这样的地质条件下修建安全的寿命长达100年的地铁轨道,必须要借助科学研究的强大力量。

根据西安市地铁规划,短期建设的地铁线路有6条,长期规划的线路有15条。西安地铁与地裂缝相交上百处,地铁隧道如何适应其变形?在地铁的百年寿期内,预留位移量和设防长度为多少,才能保证地铁隧道在地裂缝运动作用下保持安全?地裂缝活动时地铁隧道的变形破坏模式有哪几种?相应地,有哪几种适应地裂缝变形的结构措施?在原有科研成果的基础上,彭建兵教授和他的团队成员经过了大量的实地考察,获得了准确可靠的第一手资料,运用理论分析、大型物理模拟实验、数字模拟技术等研究方法,创新提出了地铁隧道的地裂缝设防参数的计算公式和合理量值;创新开发了地裂缝减灾大型物理模拟技术,模拟再现了地裂缝危害地铁隧道的力学机制与过程;发现了地裂缝危害地铁隧道的四种变形破坏模式即正交时整体式衬砌的拉裂破坏、斜交时整体式衬砌的拉张-扭剪破坏、正交时盾构隧道的剪切破坏、斜交时盾构隧道的扭转-剪切破坏,提出了地铁隧道适应地裂缝变形的四种结构措施。目前,这些成果已成功应用到西安地铁13号线的设计与施工中,并继续支持着其它地铁线路的建设。项目“地铁二号线修建关键技术研究”也获得了2012年陕西省科学技术一等奖。

不仅是在西安市,在地质灾害预警工程方面,项目成果已成为我国地质灾害监测预警与防治工作的典范,被推广应用到20余个省市。项目形成的监测技术解决了北京、上海、江苏、大同、哈尔滨、太原等多个省市地面沉降监测难题。提出的建筑物避让与防灾技术已被应用于西安、北京、大同等10余个城市的规划与建筑设计中。提出的北京昌平未来科技城地裂缝减灾对策,为该科技城建设提供了重要技术支持。

  

科研工作谈:解决问题重于获得奖项

  

大掌柜彩票西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室常务副主任黄强兵是彭建兵科研团队的骨干之一,说起他们敬爱的彭老师,他十分感慨:“彭老师的身上具有强烈的求知欲和进取精神,他是一位在国内颇有影响的工程地质学科带头人,而且都60岁的人了,还坚持在科研第一线。看到他那个样子,我们年轻人就更加不能放松。跟着彭老师做这些年的科研令我觉得非常值得,这不仅是对个人的学术知识和科研能力的提升,更重要的是能够用我们的科研成果切实解决一些城市建设中的重大工程问题,为国家和地方发展做出自己的贡献,这更有意义。”

“西安地裂缝成因与减灾关键技术”项目共培养了博、硕士67人,培训地质灾害监测与防治技术人员350余人,形成了全国地裂缝防治人才培养的主要基地;项目已获省部级科学技术一等奖3项,发表核心期刊论文247篇,其中SCI收录论文41篇、EI收录论文102篇,出版学术专著3部,获国家专利8项,软件著作权3项,在国内外产生了重大学术影响,并将我国地裂缝研究推进到国际前沿水平。

作为一个科研团队的负责人,彭建兵教授十分注重团队的人员构成和青年人才的培养。他认为:“现代科学技术的综合性和交叉性越来越强,一个人能力再突出,也是分身无术的。今天任何一项重大科研成果,都是集体智慧的结晶。在这个团队里,工程地质专家研究和揭示地质原型,地球物理专家探测深部构造和隐伏构造,大地测量专家监测追踪着灾害体的活动状况,岩土力学专家再现灾害体的形成机理,水文地质专家揭示水事活动诱灾过程、信息系统专家建立地质灾害信息管理系统……不同的专家有着不同的科学思路和技术长处,我们常在一起‘华山论剑’,交流各自的心得和成果,形成了一种激励学术思想和研究思路交叉的学术氛围。这些年,我感到最大的乐趣在于调动了一批年轻同志共同讨论科学技术问题,一批有才华的学生也在不断促进着我的科学思维高速运转。在一系列大项目的涵养下,我们这个团队里一批三十多岁的年轻学子正在快速成长,他们基本上都承担着国家自然科学基金项目,他们中的一些人有望在近年内成为国家杰出青年基金获奖者。我更感到欣慰的是,我们这个团队已成为国内工程地质学界的优秀学术团队之一。”

科学研究是无止境的,在今后的日子里,团队将借助教育部重点实验室和多方共建的地质灾害防治研究院这两个平台,沿着两条主线平行开展研究工作:一是在地裂缝研究方面,继续以国土资源大调查项目和基金项目为依托,从汾渭盆地走向大华北,走向全国;二是在黄土地质灾害研究方面,以国土资源大调查项目和基金项目为依托,着手于整个黄土高原地质灾害链的研究。

在彭建兵教授和他的团队成员看来,荣誉和成果属于昨天,最重要的事情是:面对明天,大步向前。

(原载于《大掌柜彩票报》》2013411日总第211期)