劉日成：于裂隙里窺探科研的魅力

□ 范國軒

專家簡介：

劉日成，中國礦業大學副研究員，碩士生導師。主要從事巖體裂隙網絡分形特性與滲流機理方面的研究工作，負責國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中國博士后基金等課題6項；以第一/通信作者發表SCI期刊論文27篇（其中14篇論文影響因子大于2.8分），其中4篇第一作者論文入選ESI高被引論文（Highly Cited Papers），2次入選Computers and Geotechnics期刊25篇最熱門論文，1次入選日本巖石力學學會優秀期刊論文獎，1次入選日本巖石力學學會優秀博士學位論文獎，1次入選長崎大學校長獎；2017年入選日本學術振興會外國人特別研究員（JSPS fellow），2018年入選中國科協第三屆“青年人才托舉工程”、中國博士后國際交流計劃派出項目，獲中國巖石力學與工程學會的青年科技獎金獎；另以第一作者發表EI期刊論文6篇，以第一發明人申請發明專利4項。

20世紀下半葉發生了3次震驚水利水電工程界的重大工程事故：法國Malpasset雙曲拱壩潰壩，意大利Vajout雙曲拱壩近壩庫區左岸發生2.5億立方米的大滑坡，美國Teton土壩在巖基壩段潰決。有學者從巖石水力學的觀點討論了工程事故的原因，雖然至今尚未取得完全一致的結論，但對事故分析的研究加深了人們對巖石水力學的認識，使人們將目光放到了裂隙巖體的滲流特性研究上。

裂隙巖體的滲流特性和力學特性是相互作用的，它們共同影響著地下采礦、深部核廢料儲存設施和隧道等地下工程的穩定性，準確預測裂隙巖體的滲流特性對指導工程實踐具有重大意義。中國礦業大學副研究員劉日成在學生時代就開始致力于復雜巖體裂隙網絡的分形特性和非線性滲流機理方面的研究工作，在建立具有真實幾何特征的復雜裂隙網絡模型并通過試驗和數值模擬評估裂隙巖體的線性、非線性滲流特性方面進行了一系列科研探索并取得了多項重要成果。

把青春滲透在巖體裂隙里

在劉日成青春的記憶里，他一直是“別人家的孩子”：2006年9月，考入山東大學攻讀城市地下空間工程專業；2010年7月，被保送為山東大學巖土工程專業碩士研究生；2011年4月，參與中日韓水環境保護項目赴日本長崎大學攻讀碩士學位，并獲得日本JASSO學習獎勵費獎學金；2013年4月，被錄取為巖土工程專業博士研究生，師從日本工程院外籍院士蔣宇靜教授。

博士期間，劉日成利用公式推導法對裂隙巖體滲流特性評估進行了研究，他首次提出了通過巖體裂隙的流量和開度的6-DT次方成正比（DT是評價裂隙表面粗糙度的分形維數），發現了裂隙網絡滲透性和裂隙網絡分形維數Df呈指數函數關系，成功地建立了代表裂隙網絡幾何特征的分形維數與裂隙網絡滲透性的數學關系，取得了預測深部裂隙巖體滲透性的解析解，為評估裂隙巖體滲流特性提供了一種基于分形理論的新方法。

其中代表性文章已被引用90次，被Elsevier出版社列為25篇最熱門論文，并于2016年6月獲日本巖石力學學會優秀期刊論文獎。該獎是日本巖石力學界最具影響力的期刊論文獎，劉日成成為以第一作者獲得該獎的首位中國人。

2016年8月，劉日成選擇回國發展，落腳中國礦業大學。4個月后，劉日成被破格晉升為中國礦業大學副研究員。與此同時，他被派往日本長崎大學進行為期6個月的學術訪問。時隔不到一年，劉日成再次回到了長崎大學，他曾在這里有過5年的求學時光，這里見證了他在科研路上的成長與蛻變。

2017年11月，距離第一次學術訪問結束不到5個月，劉日成入選了日本學術振興會外國人特別研究員（JSPS）項目。該項目是日本資助青年學者開展科研的最高獎項之一，每年資助名額較少，競爭激烈。據日本學術振興會官方數據統計，該項目2017年度一共收到全球不同學科的2473份申請，最終獲批249項，具體到巖石力學專業，大概只有2～3名獲批者，獲批率僅為10%左右。劉日成能夠成功申請到該項目，表明其在巖體裂隙網絡分形特性與滲流機理方面的研究工作得到了高度認可，具有廣闊的研究前景。

用科研支撐地下工程的安全

在裂隙網絡建模中，由于地下巖體內實際的裂隙網絡由數以百計甚至數以千計的裂隙和交叉點組成，且裂隙分布具有隨機性、各向異性等特點，準確描述和再現裂隙空間分布特征（比如密度、傾角、走向、開度、長度等）及表面幾何特性（比如表面粗糙度等）十分困難。雖然在近年來的研究中利用CT成像技術和3D打印技術可重復制作一系列具有相同表面形狀的粗糙裂隙試驗模型和包含復雜裂隙的天然煤巖模型，有利于明確剪切過程中裂隙巖體的力學行為和分析裂隙網絡的空間分布特性，但這些技術往往具有成本高、效率低等特點，因此亟需一種簡單、快速、價廉、準確的描述裂隙幾何空間分布特性的方法。

2017年，劉日成主持了江蘇省自然科學基金青年項目“深部巖體裂隙網絡分形特性與滲流特性研究”，針對巖體裂隙分布的復雜性，項目團隊構建了裂隙網絡滲流可視化試驗系統，克服了不同流速下裂隙網絡模型的密封難題。團隊通過可視化系統捕捉到了溶質通過裂隙交叉點時發生的流線偏轉、旋轉、溶質混合等細節特征，得到了流量和壓力的線性和非線性關系曲線，以此分析了裂隙交叉點和表面粗糙度等幾何特征對滲流造成的影響，為揭示裂隙網絡滲流機理提供了一種有效的試驗方法和基礎試驗數據的支撐。

在第十五次中國巖石力學與工程學術年會上作報告

雖然大量的室內和現場試驗已經表明，通過裂隙網絡的流量和壓力梯度呈非線性相關，隨著壓力梯度的增大，滲透系數逐漸降低。然而，在迄今為止的模型預測中，人們往往忽略了由裂隙表面粗糙度和裂隙交叉引起的慣性效應的影響。假設裂隙網絡內的流體流動服從立方定律，即通過裂隙網絡的流量和壓力梯度線性相關，隨著壓力梯度的增大，滲透系數保持恒定的常數，這種簡化將高估裂隙巖體的過流能力，與真實滲透系數相比存在一定的偏差，這種偏差將對地下工程的穩定性設計及安全性評估帶來困難，甚至可能造成災難性的后果。因此，為提高模型預測的精確度，亟需高效地建立復雜巖體裂隙網絡模型并定量分析非線性滲流機理的室內試驗和數值模擬計算方法。

2018年，基于江蘇省自然科學基金青年項目的科研工作與成果，劉日成主持了國家自然科學基金青年基金項目“基于分形理論的三維巖體裂隙網絡非線性滲流機理研究”。項目團隊建立了復雜裂隙網絡數值模型，通過求解Navier-Stokes方程分析了裂隙巖體內的非線性滲流機理，基于水力梯度提出了區分線性流動和非線性流動的新判據，建立了評估非線性滲流特性的Forchheimer方程所含參數的數學表達式，為裂隙網絡數值模擬選擇恰當的流體流動控制方程提供了具體的評判標準，為準確評估現場大尺度裂隙巖體的滲流特性建立了有用的方法。

獲得這兩個科研項目資助后的一年半時間里，劉日成以第一作者發表SCI論文12篇，以通訊作者發表SCI論文6篇，以第一發明人申請發明專利2項。2018年9月，劉日成獲得了中國巖石力學與工程學會青年科技獎金獎，該獎獲得者在全國范圍內僅有5人。

2018年11月初，劉日成參加了第10屆亞洲巖石力學大會并在會議上作了口頭報告。這是他第二次參加亞洲巖石力學大會了，兩年前，在第9屆亞洲巖石力學大會上他也作了報告，那時他才剛剛博士畢業，對未來的科研之路滿懷一腔熱血。如今，他斗志更滿，力求在復雜巖體裂隙網絡分形特性與滲流機理領域取得更多的成果。