陶志剛：砥礪創(chuàng)新，為滑坡災(zāi)害裝上滑動(dòng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的“眼睛”

文／本刊記者 王 郁

“這是我們針對(duì)滑坡研發(fā)的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，這邊是研制的具有負(fù)泊松比效應(yīng)的NPR新型錨索……”中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院副教授陶志剛興致勃勃地向記者介紹著。多年來(lái)，他在中國(guó)科學(xué)院院士何滿潮的指導(dǎo)下，與深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)成員們共同研發(fā)了多種有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為巖土做診斷“樂(lè)在其中”

陶志剛師從中國(guó)科學(xué)院何滿潮院士，以滑坡地質(zhì)災(zāi)害（含發(fā)震斷裂活動(dòng)）深部力學(xué)監(jiān)測(cè)預(yù)警和NPR新型結(jié)構(gòu)材料超常力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)為主要研究方向，主要從事巖土工程、地質(zhì)工程、邊坡工程、地震工程、隧道工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及控制等方面的教學(xué)和科研工作。2013年3月，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)博士后出站。

2013年5月，陶志剛進(jìn)入北京礦冶研究總院礦山所工作，2014年6月調(diào)入中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）工作。2017年1月至11月期間，在本溪鋼鐵（集團(tuán)）南芬露天鐵礦掛職副總工程師，負(fù)責(zé)采場(chǎng)下盤(pán)危險(xiǎn)邊坡滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警、治理和技術(shù)攻關(guān)；2017年12月至今，在山西省柳林縣國(guó)土資源局掛職副局長(zhǎng)，負(fù)責(zé)柳林縣危險(xiǎn)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)和全縣地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)升級(jí)。

陶志剛所從事的巖土工程，是土木工程里極為重要的一門(mén)學(xué)科，包括土力學(xué)、巖石力學(xué)和地質(zhì)學(xué)3個(gè)分支，三方面缺一不可。研究巖土工程，不僅要牢固掌握其基本概念與原理，還要對(duì)巖土的物理力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)度變形計(jì)算、穩(wěn)定性分析等理論與方法做到心知肚明，更要在這些理論與原理的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用到土木工程、地質(zhì)工程和隧道工程的實(shí)際操作中，真正服務(wù)于民。因此，一入巖土工程深似海，陶志剛不但要時(shí)刻想著研究，也要深入礦山當(dāng)起“工程師”，還要時(shí)不時(shí)充當(dāng)“業(yè)務(wù)員”，廣泛聯(lián)系合作企業(yè)，將研發(fā)的新材料、新裝備應(yīng)用到對(duì)各種地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際監(jiān)測(cè)中。

這份聽(tīng)起來(lái)有些令人“叫苦連天”的工作，陶志剛卻始終樂(lè)在其中。

近五年，陶志剛作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然科學(xué)基金1項(xiàng)、中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目4項(xiàng)、浙江省山體地質(zhì)災(zāi)害防治協(xié)同創(chuàng)新中心開(kāi)放基金1項(xiàng)；作為技術(shù)骨干參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金和浙江省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等12項(xiàng)國(guó)家縱向研究課題。2018年被評(píng)為中國(guó)能源研究會(huì)優(yōu)秀青年能源科技工作者。兼任中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)軟巖工程與深部災(zāi)害控制分會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)古遺址保護(hù)與加固工程專業(yè)委員會(huì)委員，山西省柳林能源與環(huán)境院士工作站副站長(zhǎng)。

滑坡預(yù)警系統(tǒng)——為礦場(chǎng)做心電圖

本溪鋼鐵（集團(tuán)）礦業(yè)公司南芬露天鐵礦是單體露天礦山，1999年以來(lái)，在特殊地形和長(zhǎng)期礦山開(kāi)采綜合影響下，采場(chǎng)下幫邊坡形成了多處較大規(guī)模的滑坡體，滑坡體長(zhǎng)252m，寬250m，滑動(dòng)方向270°，滑坡體的體積約52萬(wàn)m3，壓礦近千萬(wàn)噸，10年來(lái)不能開(kāi)采，給企業(yè)造成了重大損失。

在“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”與本溪鋼鐵（集團(tuán)）礦業(yè)公司南芬露天鐵礦的共同資助下，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和南芬露天鐵礦的專家、教授和科研人員組成攻關(guān)小組，陶志剛作為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)針對(duì)邊坡巖體大變形災(zāi)害監(jiān)測(cè)過(guò)程中天然滑動(dòng)力難以測(cè)量的問(wèn)題，以及滑動(dòng)力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)錨索的材料強(qiáng)度時(shí)，錨索斷裂、力學(xué)信號(hào)傳輸系統(tǒng)破壞、整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效，無(wú)法對(duì)滑坡全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)的難題，通過(guò)對(duì)不同材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇和組合試驗(yàn)，定型了具有恒阻大變形力學(xué)性能的纜索，確定了恒阻裝置的結(jié)構(gòu)組成、材料參數(shù)和幾何參數(shù)?；诤阕璐笞冃卫|索和北斗衛(wèi)星通訊平臺(tái)，研發(fā)出滑動(dòng)力3S遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，從根本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與超前預(yù)警預(yù)報(bào)的目的。

相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于遼寧省南芬露天鐵礦采場(chǎng)下幫邊坡滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警工程中，及時(shí)掌握了滑坡體穩(wěn)定狀態(tài)，從而對(duì)因滑坡影響10年不能開(kāi)采的千萬(wàn)噸鐵礦石進(jìn)行回采，取得較好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了加固—防治—監(jiān)測(cè)—預(yù)警一體化的目標(biāo)。

陶志剛與團(tuán)隊(duì)取得的“恒阻大變形纜索研發(fā)及滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”成果于2011年6月通過(guò)中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)的鑒定驗(yàn)收，被認(rèn)定為“達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平”。2014年度中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2017年度山東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

打造錨索發(fā)展“加速器”

近年來(lái)，在軟巖大變形和巖體滑坡錨索拉斷等問(wèn)題的解決中，普通錨索已漸漸變得有些“力不從心”，為此，從礦山回到“平原”不久的陶志剛，又于2016年與實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“恒阻大變形錨索負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究”中就這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究。

采訪中，陶志剛特別提到，其實(shí)在項(xiàng)目研究之前，實(shí)驗(yàn)室就已經(jīng)在國(guó)家原“973”計(jì)劃和國(guó)家自然基金重大項(xiàng)目的支持下，對(duì)負(fù)泊松比（NPR）新型錨索復(fù)合材料開(kāi)展研制。其中發(fā)明的具有特殊結(jié)構(gòu)的NPR新型錨索復(fù)合材料，突破了巖體大變形災(zāi)害控制受制于傳統(tǒng)PR材料抵抗變形能力不足的技術(shù)瓶頸。此外，實(shí)驗(yàn)室還發(fā)明了以NPR錨索為主體的綜合技術(shù)，解決了礦山巖體大變形災(zāi)害難以控制的大問(wèn)題，已在吉林、遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙古、河北等16個(gè)省份的露天煤礦、金屬礦開(kāi)采以及煤礦地下井工開(kāi)采等工程中得到應(yīng)用，近3年累計(jì)新增銷售額12.5651億元。

盡管如此，針對(duì)恒阻大變形錨索負(fù)泊松比效應(yīng)的理論和試驗(yàn)研究尚屬空白。對(duì)此，陶志剛以恒阻大變形錨索為試驗(yàn)對(duì)象，采用室內(nèi)靜力拉伸試驗(yàn)、連續(xù)紅外熱成像探測(cè)、離散激光測(cè)溫、環(huán)向應(yīng)變測(cè)量與數(shù)值模擬計(jì)算等理論和方法，研究恒阻大變形錨索的徑向和軸向變形規(guī)律、溫度效應(yīng)、熱紅外成像效應(yīng)、應(yīng)力場(chǎng)演變特征及能量吸收特性等，從而揭示了恒阻大變形錨索負(fù)泊松比的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和能量吸收機(jī)理。

其中，他首先利用HWL-2000恒阻大變形錨索靜力拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，在處于靜力拉伸的條件下，就恒阻大變形錨索徑向和軸向變形規(guī)律這一問(wèn)題與團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了探討，繼而揭示了幾何尺度上的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)特性。接下來(lái)，他們利用激光點(diǎn)陣測(cè)溫系統(tǒng)、貼式測(cè)溫傳感器和熱紅外成像系統(tǒng)，通過(guò)紅外圖像及紅外溫度場(chǎng)的分析與反演，獲得了恒阻大變形錨索能量吸收的熱紅外機(jī)理和負(fù)泊松比熱紅外響應(yīng)特征，揭示了溫度與恒阻大變形錨索負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)應(yīng)變片組群構(gòu)建了恒阻大變形錨索環(huán)向應(yīng)變場(chǎng)探測(cè)網(wǎng)，再通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行插值計(jì)算，獲得了恒阻大變形錨索環(huán)向應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)變場(chǎng)演化規(guī)律，最終探明了應(yīng)變與恒阻大變形錨索負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系。

目前，項(xiàng)目剛剛結(jié)題，從研究開(kāi)始到結(jié)束，這兩年來(lái)陶志剛有過(guò)苦惱，有過(guò)辛酸，但也收獲了快樂(lè)與成就。在他看來(lái)，有苦有甜，這正是科研最好的意義。陶志剛作為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)人進(jìn)行了“恒阻大變形錨桿研發(fā)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”科研課題的研究，課題已于2011年3月通過(guò)教育部科技發(fā)展中心專家組的鑒定驗(yàn)收，在恒阻器設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)上達(dá)到“國(guó)際領(lǐng)先水平”；同年，項(xiàng)目申請(qǐng)人作為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)人進(jìn)行了“恒阻大變形纜索研發(fā)及滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”科研課題的研究，已于2011年6月通過(guò)中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)的鑒定驗(yàn)收，研究成果達(dá)到“國(guó)際領(lǐng)先水平”。

在中國(guó)科學(xué)院院士何滿潮的指導(dǎo)下，陶志剛在雙體災(zāi)變力學(xué)理論深化、滑坡（發(fā)震斷裂活動(dòng)）災(zāi)害、隧道圍巖大變形災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用等方面做出了突出貢獻(xiàn)，累計(jì)在全國(guó)17個(gè)省市（地區(qū)）建設(shè)滑坡災(zāi)害滑動(dòng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)432個(gè)，參與成功預(yù)報(bào)12次滑坡和裂縫災(zāi)害，均提前4—13小時(shí)發(fā)出臨滑預(yù)警。