巖石力學與工程地質的交叉融合與創新

王海濤

自原始社會，人類已開始利用巖石制作工具和武器，并逐漸學會在巖石中開采礦產資源，利用巖石作建筑材料，依托巖體建造地下工程，可見巖石力學與人類生活緊密相關。近年來，巖石工程發展迅速，世界上已建成的大壩高度已達300余米，地下工程的開挖深度也已超過3000米，然而更巨大、更復雜的巖石工程還在日益增加，巖石力學的新理論、新方法、新技術亟待發展。

巖石力學是一門研究巖石在外界因素，如荷載、水流、溫度、化學、生物過程變化等作用下的應力、應變、穩定性及工程加固的學科。清華大學水利系副教授劉曉麗通過物理模型試驗、理論分析以及數值模擬相結合的途徑，針對巖土力學與巖土工程問題，特別是地下工程的開挖，開展了深入細致的研究，取得了創新性研究成果。

從“地上水庫”到“地下水庫”

坐在記者面前的劉曉麗前一天剛出差回來，“跑現場”對于他來說是家常便飯，但身體上的疲憊從來不會影響他投入工作的熱情。

位于內蒙古省的鄂爾多斯是個干旱缺水的地區，據劉曉麗調查，在當地每使用1立方水需要花去9元，而在北京只需要5元，水資源對鄂爾多斯來說是極其寶貴的。然而，缺水的鄂爾多斯卻擁有著豐富的煤礦資源，開采業的繁榮支撐了代代人在這里繁衍生息。

但不容忽視的問題是，在煤礦開采過程中會破壞煤層及上下巖層，貯存于其間的地下水系統便會遭到破壞，水資源不斷滲流到開采空間，輕則影響開采過程，重則發生重大突水事故，威脅煤礦工人安全。傳統做法是用水泵把地下水從工作面排到地表，自然蒸發而散。鄂爾多斯所在的西北地區水蒸發量是降水量的6倍以上，上述做法無疑是對寶貴的地下水資源極大的浪費，水資源的短缺不但威脅著人的生活，也嚴重影響了地區的生態環境。

為了保水，傳統的辦法是把開采的厚度大大減少，盡量防止煤層上下層巖石的破壞，這樣便可把水繼續保存在地下，但這樣做是以大量煤炭資源為代價。一方面是作為國家重要經濟支柱之一的煤炭資源；一方面是關系國計民生的水資源。二者如何協調開采成為一大難題。

在水利工程方面經驗豐富的劉曉麗及其研究團隊見狀后決定逆其道而行之。“大禹治水，疏而導之”，劉曉麗規劃保持原有的開采厚度，“這樣做水必定會大量涌進采空區，但如果在地下建立大壩和水庫，就可以把水截住并存留在地下”。想法剛一提出，劉曉麗便遭到了老專家和施工方的強烈反對，他們大多認為，水是煤礦的重大威脅，以前的做法都是“排水治災”，現在卻要“儲水致災”。

大膽創新，但不是無稽之談。劉曉麗及其團隊用數據一步一步反復推導，嘗試無數次實驗，最終將想法變成現實。建大壩把水截留在地下后，再建數個水庫，將他們一一連通，通過水庫間的調水，保證了煤炭開采的安全。并且“流水不腐”，水會隨著自身在水庫間的流動得到凈化，在水庫中經過多次循環流動后的地下水甚至可以直接飲用，既充分開采了煤炭資源又保護了水資源。這是世界首座示范工程，和神華集團合作建成，2014年開始運行。目前，還有十多個煤礦、巖鹽礦等待劉曉麗及其團隊去實踐這項技術和工程。在這項工程設計、建設和運行過程中，劉曉麗及其團隊研究分析了采動影響下滲流場演化、水巖耦合巖體破壞機理、分布式水庫儲水機理、地下擋水建筑穩定性、物理模型試驗研究等關鍵科學問題。

美國工程院院士、賓夕法尼亞州立大學教授Derek Elsworth這樣評論煤礦地下水庫技術：“創新地將大量稀缺水資源儲存于煤礦地下水庫的技術，真正實現了煤炭資源和水資源的協調、安全和高效開發，為煤炭工業可持續發展提供了很好的范例。”

近8年來，劉曉麗及其團隊在“廢棄礦山再利用”和“煤礦地下水處置及高效利用”方面一直在不斷創新和突破，上述煤礦地下水庫工程只是其工程研究中的一部分。2010？2011年，他們依托遼寧阜新露天煤礦設計了國內首座廢棄煤礦抽水蓄能工程；2013？2014年，他們設計并搭建了國內外首個庫水巖耦合大型三維物理模型試驗平臺（長8米，寬2米，高4米）。自2015年起，他們提出了“煤礦地下水原位凈化及分質儲用技術”，既在煤礦地下水庫建設技術的基礎上，對于水質差的煤礦地下水，研發小型模塊化凈水裝備，在地下實現水質凈化，并供給生產和生活應用。目前這項技術也正在示范工程實踐過程中。

從獨辟蹊徑的設想到切實可行的實踐，劉曉麗及其團隊用科技創新解決了生活中的大問題。

“上天容易入地難”

20年前，還在讀高中的劉曉麗就對與力學、結構有關的物體有濃厚的興趣，因為老師的一句話——“世界上一切東西都和力學相關”更堅定了他與力學的緣分。從那以后，劉曉麗對物理和力學的癡迷便一發不可收拾。

1997年，劉曉麗被遼寧工程技術大學理論與應用力學專業錄取。“力學本身偏理論，必須和具體的學科結合，時任中國空間技術研究院副院長的馬興瑞（現為廣東省委副書記，省長）學長是我們學習的楷模，受他的影響，我立志也要搞航空航天。”

人生就像巧克力，你永遠不知道下一顆是什么味道。剛剛立志的劉曉麗就突然決定放棄航空，轉做地下工程。這次，同樣因為老師的一句話。“上天容易，入地難”，一位在流體力學領域非常著名的老教授對他說。距飛機誕生那天已經過去了100多年，人類早已揭開了外太空的神秘面紗，“再做研究就是在此基礎上修改”，但要想進入地下似乎就沒那么簡單了。地下的地質情況異常復雜，受其固體狀態的影響更加阻礙了人類的探索。這一切對于劉曉麗來說卻更具吸引，也更具挑戰。“后來我就對地下的東西感興趣，和地質相關，做地下工程”。

2001年，劉曉麗考取遼寧工程技術大學工程力學研究生，研究方向就此轉向土木和地下工程。“力學理論性很強，推導公式、研究數學，一旦和工程結合，就落地了，需要把工程做出來。”最典型的例子就是三峽工程。

3年后，劉曉麗又以優異成績考入清華大學土木水利學院，師從工程地質界德高望重的王思敬院士開始攻讀水利工程博士學位。求學過程中，王院士告誡劉曉麗做工程以外還要兼顧一些基礎研究，因為工程以技術為主，在技術中碰到的很多問題是無法解釋的，這時候就需要發展新的理論。劉曉麗便開始在工程現場和實驗室間兩頭跑，雖然辛苦，但收獲頗多。

隨后，在導師的建議下劉曉麗又出國深造，遠赴瑞士洛桑聯邦理工大學（EPFL）從事隧道及地下工程研究。在瑞士，劉曉麗接觸了機械破巖的相關研究。他的導師Jian Zhao是TBM（Tunnel Boring Machine）高效破巖領域的國際知名專家。TBM即隧道掘進機是利用機械刀具開挖巖石進行掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。TBM代替了人力，消除了人工地下施工的危險，而且集鉆、掘進、支護于一體，使用電子、信息、遙測、遙控等高新技術對全部作業進行制導和監控，使掘進過程始終處于最佳狀態，因此得到廣泛應用，現在很多地鐵及隧道工程都使用TBM來開挖。對TBM高效破巖方面的學習對劉曉麗的水利工程工作無疑是錦上添花。

1年后，劉曉麗回清華大學進行博士答辯。隨后，他得到了兩個工作機會：中石油勘探開發研究院和清華大學水利系。去哪兒？他面臨抉擇。中石油勘探開發研究院，“既要挖地下工程，還要把油氣資源拿上來，是和我專業特別相關”，一直在高校接受理論化知識的劉曉麗深感自己真正接觸工程的經驗少之又少。他想腳踏實地做點實際的事情，但企業始終有它的局限性——需要服從領導分配，沒有自主權。再三考慮，劉曉麗最終選擇研究氛圍好，同樣有機會做工程的清華大學，成為了一名講師。

收獲巖土力學的科研碩果

4年后，在崗位上兢兢業業的劉曉麗升為副教授，博士生導師，他教師從業的職業生涯又邁上了一個臺階。期間，獲包括國家科技進步獎二等獎（第8）等獎項4項；發表學術論文80余篇，其中國際期刊論文20余篇，應邀出版專著1部。2015年，劉曉麗還得到國家優秀青年科學基金項目——“巖土力學與巖土工程”。在他看來，優青項目是一次“對前期工作的總結，對日后工作的展望”。

日前，我國國家戰略提出需建立支撐可持續發展的能源資源環境技術體系，加強南水北調、三峽等重大水利工程建設與安全保障技術研發，這些重大工程則需要工程安全控制及評價技術、非常規水資源利用關鍵技術、煤礦地下水庫技術等的發展。基于此，劉曉麗及其團隊提煉出“水巖作用及其多尺度效應的研究”這一方向，他認為開展這項基礎理論研究十分必要，也十分緊要。

針對巖石材料的連續和非連續狀態、多尺度特性，現有的理論并不完善，計算分析誤差也很大，劉曉麗希望圍繞“復雜條件下多尺度水巖系統模型”和“水巖系統的過程演化與耦合機制”這兩個關鍵科學問題，提出“水巖作用系統”概念。在此基礎上，他已開展了三個層面的研究-多尺度水巖耦合系統的過程演化研究、開挖擾動條件水巖耦合作用機制研究和水巖耦合作用巖土介質破壞過程研究。

據統計，90%以上的巖體邊坡破壞、60%礦井事故、30%？40%的水利水電工程大壩失事都與水巖耦合作用有關，即地質體系統（應力場）與地下流體系統（滲流場）相互聯系、相互作用。劉曉麗自2001年攻讀碩士學位以來就開始了水巖耦合機理及分析方法的研究工作，但由于地下巖土中各種過程的任意性和不確定性，使得水巖耦合問題的研究變得復雜和極具挑戰性。通過物理模型試驗、理論分析以及數值模擬相結合等途徑，他針對巖土介質的非均質和各向異性等特點，圍繞水巖耦合及其多尺度特性開展了深入而細致的研究，并取得了一系列創新性研究成果。

在多尺度水巖耦合系統的過程演化研究中，他提出“多尺度巖體結構數字化描述方法”，解決了地質體結構多尺度間的內在聯系（即尺度關聯）難題，發表相關論文被SCI檢索收錄5篇，EI檢索8篇，獲1項軟件著作權、巖石力學與工程學會優秀博士學位論文獎和水力學會大禹獎，并多次收到學術大會的特邀報告邀請；他提出的“數字巖體模型構建方法及數值模擬技術”，解決了數據不完備的地質系統與理論嚴密的精細力學模型和數值計算方法之間的相互脫節問題。其次，他發展了宏細觀多尺度數字巖體模型及其工程特性評價方法，基于數字巖體模型，他首次提出了水巖作用分析的表征單元體概念，并應用水巖作用模型，采用水巖表征單元體分析了大壩上抬現象。此外，他建立的多尺度水巖耦合系統的過程演化理論與數學模型完善了有效應力原理，使物理意義更明晰，耦合機制更全面。

在開挖擾動條件下水巖耦合作用機制研究中，他根據圍巖漸進破壞過程與滲透空間結構變異的關系建立了大型水巖耦合試驗平臺。美國賓夕法尼亞州立立大學教授、美國工程院院士Derek Elsworth訪問清華期間參觀了這個試驗平臺，交流中他說：“這簡直是一項不可能完成的任務，新平臺、新材料、新工藝、新開挖方式，我期待它表現卓越”。另外，劉曉麗還發現了裂隙巖體多流態地下水滲流變化特征，圍繞此研究發表的論文被SCI檢索收錄6篇，EI檢索5篇，申請專利4項，軟件著作權1項，并獲國家科技進步獎二等獎；不僅如此，他還揭示了水巖作用系統中裂隙自愈合的作用機制，實驗結果證明水巖系統具有自愈合能力，這一點對于理解開挖擾動引起的損傷發展具有重要意義。

在水巖耦合作用下巖土介質破壞過程研究中，他提出了水力驅動裂紋萌生和擴展的模式，獲中國地質學會工程地質專業委員會谷德振青年科技獎；此外，他建立了水力劈裂過程的連續-非連續數值模型，提出的MCZM（Multiscal Conhesive Zone Model）和IPFEM（Immersed Particle FEM）方法有效地解決了強滲壓作用下強固結和弱固結介質水力破壞過程難以表征的難題。

目前，劉曉麗的研究成果已在多個重大水利工程中得到應用，為水庫蓄水過程大壩工程及庫區邊坡穩定性分析提供了理論依據和技術支撐。

未來，他計劃圍繞“動靜組合載荷下水巖系統超孔隙水壓力響應及致裂機制”和“水力多尺度裂紋擴展和多流態滲流評價與控制原理”這兩個巖土力學與巖土工程中的關鍵科學問題開展研究。

劉曉麗的研究涉及到水利水電工程建設、資源和能源的開采與開發、核廢料地質處置的環境風險評價等方面，一直以來也都是國際巖石力學領域研究的熱點和難點。在傳統水巖耦合問題研究中，通常考慮靜力作用或擬靜力作用下應力與滲流的相互作用，但在實際工程中，靜力載荷（巖石賦存環境，如地應力等）和動力載荷（外部擾動載荷，如地震或爆破等）是共存的，只有研究動靜組合載荷作用下水巖耦合作用機制才能真實反映實際工程中水巖耦合系統的工程行為。但是，相關研究工作還很匱乏。

劉曉麗希望，從動靜組合載荷下水巖系統超孔隙水壓力響應、超孔隙水壓力致裂機制研究、動靜組合載荷下水力致裂控制理論3個方面開展動靜組合載荷作用下水巖系統超孔隙水壓力響應及致裂機制研究。他致力于揭示動靜組合載荷下巖體超孔隙水壓力的產生機制，建立動靜組合載荷下滲流流態識別和水力致裂分析方法，形成一套動靜組合載荷下工程水巖耦合穩定性分析測試手段和安全控制技術，拓展和豐富水巖作用過程演化的理論和內容。這無疑對于豐富水巖多物理場理論、研發新型水巖系統試驗平臺和設備、評價水巖系統相關的巖石或巖土工程穩定性產生重要科學意義和工程應用價值。

尋求科研的經世致用

采訪過程中，不斷有人敲響劉曉麗辦公室的門，他的確很忙。采訪之際，正值臺灣成功大學來京與清華大學開展學術交流，劉曉麗十分看重類似的交流機會，“只有通過學術交流才能知道別人在做什么，與別人的差距”。

交流總能碰撞出新的火花。在一次莫納什大學教授來華交流會上，與會的20位專家被分為4組進行小組討論，討論的問題是“巖石力學未來研究方向”，劉曉麗也在其中。會議結束時，大家達成了共識——深部地下工程、地熱、核廢料處置3個問題將是巖石力學未來研究的主流問題，也是日后共同合作的方向。這個經歷只是劉曉麗眾多交流中的一次，他熱衷于與同行們分享交流，已和澳大利亞莫納什大學、西澳大學、香港理工大學、美國賓夕法尼亞大學等高校建立了長期合作關系。

身為老師，劉曉麗常常鼓勵學生創新，“奇思妙想，不是天方夜譚”。他從不會給學生規定題目，而是讓他們自己想，他所做的就是評估方案的可行性和盡可能地為他們提供平臺和經費。

如今建樹頗多的劉曉麗在工作中游刃有余，殊不知，在剛入行的時候他也曾打過退堂鼓。地下的很多東西對于人類來說都是未知的，即使能探測但也受深度和精度的限制，“千里之提，潰于蟻穴”，即使是個很小的螞蟻洞，如果探測不到，就很有可能對工程造成巨大影響。他說：“很多東西提前很難知道，很隨機，這次成功不能保證下一次也成功，可能這次恰巧沒有不良地質體，可能下次就會遇到”，這或許是每個剛入行人的無奈。

后來，劉曉麗就找到自己的導師希望尋求解答，導師對他說：“對于巖石工程，做很多研究不見得知道是什么東西，但是我拿錘子敲一下，一聽聲音就知道是什么了”。這句話使他至今難忘并受用一生。其實，工程學就是通過無數次實踐來慢慢積累經驗，從而做出準確的判斷。從那以后，劉曉麗柳暗花明。

生于1978年的劉曉麗認為自己需要學習研究的還有很多，他也在腳踏實地的繼續奮斗向前。沒課的時候，他會跑到地質現場做調查，再回到實驗室做研究，始終保持著一顆勇于創新的心。再過幾十年，等劉曉麗老了的時候，當他拿起錘子敲一敲，便會知道那是什么？？