黃土地上的行者
——記西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系教授王家鼎及其團(tuán)隊(duì)

吳應(yīng)清

王家鼎

無論有沒有去過黃土高原，人們只要一提到它，“面朝黃土背朝天”的形象便會躍然腦海。這是世界上最大、最厚、最連續(xù)的黃土覆蓋區(qū)，橫跨了青、甘、寧、陜、晉、豫、內(nèi)蒙古7省區(qū)，集中了地球上70%的黃土。

在這片土地上，也曾出現(xiàn)過發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)文化，但明清之后，苦難的記憶開始在一代代人中不斷上演。由于過度開墾，水土流失越發(fā)嚴(yán)重的黃土高原溝壑縱橫，交通成為當(dāng)?shù)厝嗣衩媾R的最大難題，也成為當(dāng)?shù)厝嗣褡顬槠惹械男枨蟆r至今日，在黃土高原上修路也并非易事，但我國的科研人員卻做到了。他們不僅打通了黃土高原通往外界的道路，還在黃土地上實(shí)現(xiàn)了“中國速度”。

2010年，鄭西高鐵開通運(yùn)行；2014年，大西高鐵開通運(yùn)行；2017年，寶蘭高鐵開通運(yùn)行……一條條高鐵軌道，一列列風(fēng)馳電掣般的高鐵列車成為黃土地上亮眼的風(fēng)景。這背后凝結(jié)了無數(shù)人的心血，其中就包括西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系教授王家鼎以及他的團(tuán)隊(duì)。

20年來，以王家鼎為首的西北大學(xué)地質(zhì)工程團(tuán)隊(duì)面向國家戰(zhàn)略，服務(wù)重大需求，瞄準(zhǔn)“一帶一路”沿線及黃土高原重大地質(zhì)災(zāi)害防控，重點(diǎn)解決了一系列鐵路建設(shè)中新型黃土滑坡、沉降防治技術(shù)瓶頸背后的關(guān)鍵科學(xué)問題，強(qiáng)化了我國黃土災(zāi)害研究的國際領(lǐng)先地位。其中，王家鼎主持的“重大工程黃土災(zāi)害機(jī)理、感知識別及防控關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，是他埋首黃土地20年，在多條鐵路建設(shè)攻堅(jiān)的實(shí)踐中孕育出的豐碩成果。截至目前，王家鼎已主持國家重大、重點(diǎn)項(xiàng)目5項(xiàng)，獲國家科技獎和省部級一等獎6項(xiàng)，發(fā)表論文200余篇，其中SCI論文50余篇，獲國家發(fā)明專利10項(xiàng)。

全新的探索

2200萬年以前，青藏高原已經(jīng)隆起至相當(dāng)?shù)母叨龋梢宰钃鮼碜杂《妊蟮乃瑏喼迌?nèi)陸從此陷入干旱，形成了大面積的沙漠。緊接著，強(qiáng)勁的冬季風(fēng)在沙漠中卷起沙塵暴，沿著青藏高原的邊緣向東推進(jìn)，但是在六盤山、呂梁山、太行山、秦嶺的阻擋下，沙塵顆粒在山脈之側(cè)不斷沉降。就這樣，黃土高原逐漸形成。

黃土高原的形成過程，決定了它不可能像其他高原那樣“堅(jiān)固”。黃土高原上的黃土結(jié)構(gòu)非常疏松，具有濕陷性、振陷性、崩解性，加之黃土高原特殊的地貌、氣候等因素，黃土地區(qū)滑坡、崩塌、泥石流等重大災(zāi)害分布廣、類型多、突發(fā)性強(qiáng)、群發(fā)周期顯著，危害極重，嚴(yán)重限制了黃土高原區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，威脅著區(qū)域人居安全和社會穩(wěn)定，也威脅著鐵路、公路、機(jī)場、礦山、輸油、輸氣、輸水等長輸生命線工程以及水利設(shè)施等工程的安全運(yùn)營，甚至嚴(yán)重影響國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。如何將各類工程及人民生命財產(chǎn)置于安全屏障里，抵御上下左右的災(zāi)害侵襲是地質(zhì)工程領(lǐng)域亟待解決的重大科學(xué)難題。

2004年，《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》發(fā)布后，中國開始進(jìn)入高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)時期。2005年9月25日，鄭西高速鐵路客運(yùn)專線開工建設(shè)。與普通鐵路不同的是，高速鐵路采用無砟軌道，對沉降要求極其嚴(yán)格，必須控制在1.5cm內(nèi)，兩軌間距的精準(zhǔn)定位更是在毫米級別。然而由于黃土結(jié)構(gòu)的疏松性，其很容易產(chǎn)生沉降，所以鐵道部門為了保證黃土路基鐵路的安全性，設(shè)立了關(guān)于如何解決高速鐵路的機(jī)車振動引起路基沉陷問題的重大科研項(xiàng)目，并公開招標(biāo)。

當(dāng)時，全國有4所大學(xué)競標(biāo)，由4位院士、17位全國著名專家，成立了一個評審小組，公開答辯，當(dāng)場決定項(xiàng)目所屬權(quán)。最終，王家鼎率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以高分成功中標(biāo)。他介紹說：“一方面，我們這個團(tuán)隊(duì)之前一直從事地震相關(guān)的研究，對工程抗震的相關(guān)工作比較熟悉；另一方面，黃土就在我們的‘家門口’，我們有著得天獨(dú)厚的研究優(yōu)勢，所以我們成功拿下了這一任務(wù)。”

在沒有任何前人經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)可以參考的前提下，王家鼎率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過3年的艱苦攻關(guān)，通過大量的野外實(shí)驗(yàn)、野外調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)計(jì)算等，終于拿出了第一份濕陷性黃土地基的動力特性與設(shè)計(jì)參數(shù)。

當(dāng)時，鄭西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司的相關(guān)負(fù)責(zé)人致電王家鼎，誠懇地說道，因?yàn)闀r間緊張，設(shè)計(jì)必須走在前面，能不能把已有的數(shù)據(jù)拿出來先交給設(shè)計(jì)部門進(jìn)行設(shè)計(jì)。對此，王家鼎團(tuán)隊(duì)夜以繼日，僅用一個星期就將相關(guān)數(shù)據(jù)整理了出來。

王家鼎至今還記得他拿出第一張數(shù)據(jù)表的心情，既激動又忐忑。他坦言，雖然所有的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過嚴(yán)格、客觀的計(jì)算得出，但是心里依舊十分緊張。“對我們而言，鄭西高鐵最大的困難就是，這是一次全新的探索。沒有前人的經(jīng)驗(yàn)，只能靠我們自己去走出一條路來。當(dāng)時，我們的心情很復(fù)雜，一是這么長時間的努力終于有了一份答案，但是這個‘答案’能否經(jīng)得起實(shí)踐的考驗(yàn)，我們也很緊張。”

鄭西高鐵從2010年開通運(yùn)營至今，沒有出現(xiàn)任何紕漏，時間證明了王家鼎團(tuán)隊(duì)的成果是科學(xué)有效的，是經(jīng)得起考驗(yàn)的。他們交出了一份不負(fù)眾望、令人滿意的答卷。

黃土地上的奇跡

在大面積濕陷性黃土地區(qū)修建高速鐵路，是一個世界性難題，也是全球奇跡。鄭西高鐵開創(chuàng)了黃土地區(qū)修建高鐵的先河，獲得了很多成功經(jīng)驗(yàn)。有了在鄭西高鐵中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在第二條鐵路——大西高鐵的相關(guān)研究工作上，王家鼎就從容了很多。

大西高鐵是我國黃土地區(qū)繼鄭西高鐵之后修建的第二條高速鐵路，也是國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重要組成部分。與鄭西高鐵不同的是，大西高鐵的路線主要位于山西、陜西境內(nèi)，沿途經(jīng)過的大多是山區(qū)，面臨的問題更加復(fù)雜和艱巨。其中，黃土濕陷、振陷、邊坡失穩(wěn)等復(fù)雜問題都需要設(shè)立科研項(xiàng)目進(jìn)行專門研究。

在這段高速鐵路的設(shè)計(jì)中，王家鼎團(tuán)隊(duì)與原鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院合作研究設(shè)計(jì)，獨(dú)立承擔(dān)了降雨、地震及列車振動引起的黃土邊坡失穩(wěn)（滑坡）研究、黃土路基振（震）陷研究、黃土濕陷研究以及路基加固黃土填料改良研究等多個科研項(xiàng)目。團(tuán)隊(duì)在鄭西高鐵研究成果和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過數(shù)年現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、大型現(xiàn)場浸水試驗(yàn)等多項(xiàng)試驗(yàn)以及分析計(jì)算等艱苦細(xì)致的科研工作，提出了新的觀點(diǎn)和方法，取得了創(chuàng)新性成果。相關(guān)成果獲得國家發(fā)明專利并直接應(yīng)用于大西高速鐵路的設(shè)計(jì)中，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

王家鼎善于從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而上升到理論上加以研究解決，提出一系列觀點(diǎn)和方法，再返回到實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)和指導(dǎo)。在之后的不斷攻關(guān)中，王家鼎團(tuán)隊(duì)在重大工程黃土災(zāi)害方面取得的相關(guān)理論和技術(shù)越來越完善、成熟。

在黃土振陷方面，王家鼎團(tuán)隊(duì)基于動力試驗(yàn)和微觀測試，發(fā)現(xiàn)了引起黃土振陷的宏觀敏感因子，揭示了在動力作用下黃土變形特征及結(jié)構(gòu)性對振陷的影響；突破了黃土動力學(xué)的理論瓶頸，創(chuàng)建了“長持時，小振幅”振動下基于塑形包絡(luò)的彈塑性累積模型和塑性應(yīng)變累積行為的“安定型”判別標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新了振陷理論。

在黃土濕陷方面，王家鼎團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了地層結(jié)構(gòu)對宏觀尺度上的濕陷性影響，通過原位大型浸水試驗(yàn)試坑外圍地層的豎向和側(cè)向變形監(jiān)測，揭示了其隨坑心距和深度變化規(guī)律，提出了濕陷巖橋（古土壤層）滯后塌陷理論，解開了樁基深部隱藏沉降信息的死結(jié)，創(chuàng)建了橋樁基古土壤濕陷段摩阻力“由正轉(zhuǎn)負(fù)”的計(jì)算方法。

承載高鐵的橋梁受深部濕陷層對樁摩阻影響極大，由于黃土、古土壤交錯分層，濕陷信息易被掩蓋。為此，他們還發(fā)明了浸水條件下土體內(nèi)部應(yīng)力、水分運(yùn)移和變形的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，破解了深部濕陷信息獲取的難題，成功應(yīng)用于鄭西高鐵、大西高鐵及西安地鐵等。

在邁入高鐵工程領(lǐng)域之前，王家鼎已經(jīng)從事地震型黃土滑坡、灌溉和暴雨引起黃土滑坡機(jī)理研究多年，他首次提出了“灌溉誘發(fā)黃土滑坡的黃土蠕、滑動液化機(jī)理”“地震誘發(fā)黃土滑坡的土體解體、斜拋和粉塵化機(jī)理”，推導(dǎo)出滑坡滑動軌跡、滑速和滑距等公式，這是國內(nèi)最早提出黃土滑坡機(jī)理的新觀點(diǎn)，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛引用和評述。

之后，在鐵路工程的實(shí)踐當(dāng)中，王家鼎又創(chuàng)新性地提出了振（震）動和水聯(lián)合作用對黃土邊坡的促松、促裂、促滲和促滑機(jī)理，用黃土結(jié)構(gòu)損傷描述了動力切斷土顆粒間黏結(jié)鍵的過程，以斷裂力學(xué)揭示了振動促使裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展的內(nèi)在機(jī)制，證實(shí)了振動對黃土的滲透有加速作用，再現(xiàn)了振（震）動與水的促滑過程，創(chuàng)新了振（震）動和水聯(lián)合作用對黃土邊坡的四促機(jī)理，刷新了黃土滑坡成因理論。

而這一創(chuàng)新成果的提出要重點(diǎn)從王家鼎團(tuán)隊(duì)參與的另一項(xiàng)重大鐵路工程說起。

攻克難中之難

2014年12月，連接我國東西部的重要煤炭運(yùn)輸通道——瓦日鐵路（工程名稱為山西中南部鐵路通道），正式建成通車。這是我國第一條按照30噸軸重重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的鐵路，也是我國一次性建成的最長的重載鐵路。它的建成對優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、降低運(yùn)輸成本、推動區(qū)域發(fā)展和交流具有重要意義。

“在大面積濕陷性復(fù)雜黃土場地上建造高鐵或重載鐵路往往被災(zāi)害包圍：上有隧道變形塌方，下有濕陷振陷沉降，左有滑坡變形側(cè)擠，右有河沖滑塌牽引。”如何將這么重的鐵路鋪設(shè)在地形復(fù)雜、沉降嚴(yán)重的黃土地上，并保證列車的安全，是一個重大的科學(xué)難題。

針對“30噸軸重”重載鐵路建造中的一系列黃土振陷、濕陷、滑坡及隧道塌方等災(zāi)害的重大科學(xué)難題和技術(shù)瓶頸，王家鼎率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)、中鐵十七局等單位合作，對此發(fā)起了攻關(guān)。

瓦日鐵路多經(jīng)過山路，隧道比例比較大。然而，在隧道開挖過程中，振動促使裂隙擴(kuò)展，水加速滲出，軟化土體，容易造成隧道變形或塌方。為此，王家鼎團(tuán)隊(duì)首次在開挖過程中利用了特制的探頭感知前方圍巖含水率和裂隙水壓力的變化，以模糊信息優(yōu)化處理法識別和預(yù)報圍巖涌水塌方，解決了這種特殊地層隧道的災(zāi)害感知技術(shù)難題。同時，他們還研制出第一臺振動促滲儀，攻克了黃土振動促滲的定量測試難題。

“隧道涌水的水量比較大，原有的方法很難將它堵住”，為解決這個問題，王家鼎團(tuán)隊(duì)研制出隧道污染涌水的特殊防腐封堵漿液與“高壓氣驅(qū)水、漿驅(qū)氣”的快速封堵技術(shù)。他介紹說：“這個方法主要是通過壓入高壓空氣將水壓回去，然后用一種遇水膨脹的輕質(zhì)材料將水堵住，最后再注入封堵漿液，這樣就有效解決了涌水問題。”

邊坡側(cè)移和路基沉降是軟土路基施工中常見的難題，在這方面，王家鼎團(tuán)隊(duì)也提出了獨(dú)到的見解。他們研制了具有高精度、高采樣率、安裝簡便及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)的多通道同步高速采集裝置，配合多種動態(tài)傳感器，解決了機(jī)車寬幅振動的多參數(shù)感知難題，提升了鐵路路基（含隧道基底）黃土振陷和邊坡變形的監(jiān)測水平。

團(tuán)隊(duì)合影

在大量室內(nèi)外試驗(yàn)基礎(chǔ)上，王家鼎團(tuán)隊(duì)獲得不同水泥配比改良黃土的振陷特性和振陷量，提出了壓實(shí)度≥95%、水泥配比≥6%的改良黃土抗振陷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，破解了鐵路路基因機(jī)車振動而產(chǎn)生沉降的科學(xué)難題；發(fā)明了水泥改良加筋黃土路基的構(gòu)筑方法，抗振陷效果提升30%。這些成果直接應(yīng)用于大西高鐵、巴基斯坦輕軌、晉中南和蒙華重載鐵路等，并納入行業(yè)規(guī)范。

值得一提的是，近些年，王家鼎團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了黃土濕剪試驗(yàn)儀，探索出一條黃土c、φ值的濕剪試驗(yàn)新途徑，結(jié)束了半個世紀(jì)以來黃土滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中不直接用c、φ試驗(yàn)值的歷史。該濕剪試驗(yàn)更符合滑坡先裂后水再滑的特點(diǎn)，且獲得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與反算法接近，在上百個黃土滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中檢驗(yàn)，結(jié)果可靠，可大面積推廣應(yīng)用。

如今，王家鼎率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在這片土地上取得的一系列重大原創(chuàng)新成果，已在國內(nèi)外10多條鐵路中加以應(yīng)用，取得了巨大的效益和影響。其中，他們參與的山西中南部重載鐵路通道工程還獲得號稱工程界的諾貝爾獎——菲迪克獎。王家鼎說道：“所有的成果都是集體的功勞，感謝各部門的支持和配合，也感謝團(tuán)隊(duì)成員的艱苦付出，正是因?yàn)榇蠹夜餐呐Σ湃〉昧私裉斓某煽儭！?/p>

“驟起狂風(fēng)黃土騰，厚積浩瀚與云平。濁流霸道橫沖撞，溝壑呻吟不忍聽。失沃高坡精髓在，仍彌王氣盡如虹。大河一去八千里，華北平原始落成。”在多年科研歷程中，王家鼎喜歡將自己的所見所聞所想寫進(jìn)詩中。行走在黃土高原30年，他率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)見證了這片土地上的各色風(fēng)景，也為這片土地帶去了不一樣的風(fēng)景。