中國詩詞元素在“巖體力學”教學中的應用研究

曹 函，戴前偉，張紹和，劉磊磊，劉 飚，孫平賀

中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083

數學家哈代曾說過：“對物理中熱力學第二定律一無所知的文學家和對莎士比亞名著一竅不通的科學家同樣都是糟糕的。”[1]這生動詮釋了同時兼具科學素養與人文素養的重要性。工程科技思想的突破和創新也以人文學科為基礎，強化人文素養有助于增強工科人才的人道主義情懷，提升仿生學在工科領域的推廣應用，促進人類和自然的和諧共生。

“巖體力學”是地質工程等相關本科專業非常重要的專業基礎課，是以巖體賦存地質環境、物理與力學特征為主要研究對象，研究巖體在各種力場作用下變形與破壞及穩定性規律的理論及其實際應用的課程[2]。由于巖體具有顯著的非均質性及各向異性等特征，且理論性強、公式繁多，實驗驗證綜合性強。傳統的教學模式難以調動學生的積極性，影響教學質量和其他相關專業課程的學習。而博大精深中國古代詩詞具有歷史沉淀的文化底蘊，深入淺出地描述人與自然相處之道，不僅文學藝術價值精湛，而且對復雜自然現象剖析細致入微，這些傳統文化精髓對于提高工科學生的人文素養具有很大幫助。有研究表明：82%接受調查的大學生對古詩詞十分感興趣；80%的大學生還會偶爾運用詩詞表述專業現象或科學寫作[3]。一方面說明義務教育階段的傳統文化教育在大學階段得以傳承，另外一方面也說明傳統文化已逐漸滲透于專業學習。但這些現象主要呈現少數學生的自發行為，而未能將此理念融入系統的專業教育。

本文從“巖體力學”課程的教學內容和目標出發，深度挖掘中國古代詩詞的科學元素，并將這些元素同教學知識點相關聯，既讓人文教育在專業課堂中落地生根，還讓學生在地質工科的學習中積淀升華，探索人文素養和科學素養高度融合的教學新模式。

一、巖體賦存地質環境與古詩詞

孟子有云，“天時、地利、人和”三要素決定成敗的關鍵，其中地利可作為巖體力學中大型工程的選址依據，需綜合考慮地質環境、巖體力學參數對科學決策問題影響，既要關注巖體自身物理力學特征，又要考慮巖體所賦存地質環境對整體穩定性的影響。要求學生掌握巖體在復雜應力場作用下的變形破壞與穩定性分析方法，防止出現重大事故，又要能夠體現國計民生的人文關懷，滿足生態環境要求。以建成于20世紀80年代的獨庫公路為例，部分路段三面環山，基巖裸露，且巖石坡度高達50°，產匯流迅速，古冰磧和現代冰磧物極其豐富，巖體很容易失穩形成冰川泥石流災害。但工程人依然克服了不利地質條件，修建了長達542 km的獨庫公路，通過前期勘探進行合理科學的工程選址，使天山南北的行程縮短了一半，集中體現“天時地利人和”在工程建設中的重大作用。在先賢孔子編撰的《詩經》中記載：“興于詩，立于禮，成于樂。”孔子認識到可通過詩歌使人更好觀察自然、認識社會、調節情感并形成良好品行，并將這種品行不斷傳遞給世人。唐朝詩人張繼的《華清宮》同樣描述了古人在選址中尊重自然、順勢而成的景象：“天寶承平奈樂何，華清宮殿郁嵯峨。朝元閣峻臨秦嶺，羯鼓樓高俯渭河。”

二、硬度與《望廬山瀑布》

巖體的硬度是其表面抵抗外力的能力，也是局部破碎的極限值。在深地科學鉆探、地下空間工程中，硬度比單軸抗莊強度更具有實際意義，因為鉆頭或切削具對端面巖石的破碎方式多數是局部破壞，因此一般將巖體硬度指標作為衡量地層鉆進難易程度的關鍵參數[4]。不同巖體的硬度差異較大，這主要取決于其礦物組成、形成條件、受力狀態等。

唐朝著名詩人李白的《望廬山瀑布》（日照香爐生紫煙，遙看瀑布掛前川。飛流直下三千尺，疑是銀河落九天。）就將巖體硬度的差異通過瀑布的“飛流直下”描繪得惟妙惟肖。“掛”字很絕妙，化動為靜，且能夠將這這幅巨簾“掛”起來的也只有大自然；“直下”既寫出山的高峻陡峭，又呈現出水流之急；“三千尺”進一步描繪了地層之間的巨大落差，將瀑布這一“跌水”的地質現象呈現得淋漓盡致。結合巖體硬度分析得出：由于河床底部巖體硬度不均，堅硬巖石受到水流沖擊后較為完整，形成高位；而硬度較低的巖體則出現局部沖蝕，形成低位；二者之間的落差便形成了瀑布。代表性的瀑布是黃河壺口瀑布，河流周圍巖石是中細粒長石雜砂巖和礫巖夾粉砂質泥巖[5]，由于泥巖比較松軟，易于被流水沖蝕掉，造成其上砂巖懸空，形成瀑布陡坎。

三、潤濕性與《詠露珠》

巖體的潤濕性是指流體受分子作用在巖體表面的擴散過程，巖體-流體、流體之間的界面張力和極性物質在巖體表面的吸附等均會影響其潤濕效果。巖體的孔隙大小分布和比表面積、孔隙度和滲透率及礦物組成是巖石骨架自身特征，巖體的潤濕性一方面取決于巖石自身條件，一方面也受到周圍地質環境，即液體（氣體）和巖體相互作用的影響。巖體潤濕性的差異是造成其與外來液體不同的吸附過程的主要原因，同時巖體的潤濕性同時還影響著流體相滲透率和滲透曲線的形狀，一般可通過接觸角來評價（圖1）。

圖1 接觸角的定義與測量

巖體與外來流體接觸初始狀態呈現露珠狀，隨時間推移，逐漸吸附擴展，至最終穩定態。正如《詠露珠》中所描繪的“秋荷一滴露，清夜墜玄天。將來玉盤上，不定始知圓”。 田園派詩人韋應物用短短20個字生動地描繪了秋夜由空中掉下的一滴露水，散落到碩大碧綠的荷葉上，在明暗兩種顏色的對比下，露珠化身晶瑩剔透的水珠，在荷葉上不斷翻滾，非常具有觀賞性。而恰恰由于露珠的不斷運動，詩人才知道它是圓的而不是方的。從巖體力學的角度看，這首詩所描繪的正是荷葉的疏水特性，研究表明，荷葉的這種特性不同于巖體[6]，而是源于其疏水結構，才有了“大珠小珠落玉盤”之妙。在石油工程巖體力學中，巖體的潤濕性直接影響儲層的采收率，油氣介質與巖石接觸界面潤濕性的差異性導致地層親水或親油明顯不同，通過調整漿液性可實現巖石表面潤濕反轉，從而降低鉆采過程中的儲層傷害，如水化膨脹、水鎖傷害等。

四、風蝕作用與《錦石巖》

巖體在風力作用下脫離原地的現象，稱為風蝕作用，一般分為吹蝕作用和磨蝕作用兩種。研究表明風速對風蝕具有重要影響：砂巖在起風初始階段7 m/s時，就開始發生風蝕；而礫巖風蝕所需的臨界風速明顯高于砂巖，只有當風速達到15 m/s時，才有風蝕發生，砂巖風蝕速率幾乎是礫巖的4倍之多[7]。明朝詩人趙壁在《錦石巖》中將風蝕作用后的巖體相貌刻畫得入木三分，“群峰百態爭斗艷，無愧萬古冠嶺南”“碧血染成蘭蕙綠，丹心開作杜鵑紅”。詩句中所描繪的正是風蝕巖體后形成的雅丹地貌，取自維吾爾語“具有陡峭石壁的小山包”之意。在風的磨蝕作用下，靠近地表的巖體往往受到更強的剝蝕作用，并逐漸向里形成凹的形態。當上部的巖體較為松散時，在重力作用下易垮塌從而形成陡壁，雅丹地貌就此形成（圖2）。“是石是星麗太空，非風搖石石搖風”，明代詩人文三俊同樣描繪了風蝕作用的另外一種地質現象：風動石，亦稱為平衡巖。我國最著名風動石是在東南沿海花崗巖地區的銅山風動石，其花崗巖體經過積年累月的差異性風化、剝蝕作用，軟弱部分逐漸被侵蝕掉，原本一體的巖塊僅剩下堅硬難風化的部分得以保存，正所謂“吹盡狂沙始到金”（圖3）。風化后巖石的孔隙結構、抗壓強度、抗凍性能等物理力學性質均發生突變，進而影響其工程穩定性。室內巖體力學實驗可通過波速法等來定量描述巖石的風化程度。

圖2 雅丹地貌

圖3 銅山風動石

五、流固作用與《聽嘉陵江水聲寄深上人》

流固作用下巖體物理力學性質的演變，主要考慮流體侵蝕作用下巖石從微觀結構到宏觀力學特性的改變，從而影響巖體的整體穩定性。研究表明，水壓通過巖體微孔隙、天然裂隙滲入到內部時，其蠕變變形過程會加快，同時通過改變巖石礦物組分影響孔滲結構，對軟巖力學性質的改變則會更加明顯[8]。在非常規能源開采中，往往利用流體與巖體相關作用實現儲層的有效改造，比如水力壓裂技術，實驗研究表明，水力裂縫的形成過程伴隨著裂縫尖端區的拉張、剪切和復合破裂，而在這個過程中，會伴隨著能量的儲積與釋放，通過應力波形成微震信號[9]。這種微震波形最明顯特征是持續時間較短（不超過1 s），振幅也較小，可利用監測技術進行捕捉（圖4）。如果將這一現象放大，便會形成詩人韋應物筆下《聽嘉陵江水聲寄深上人》所描繪的生動景象：“水性自云靜，石中本無聲；如何兩相激，雷轉空山驚。”水作為自然界常見的流體，其特點本是安靜的；石頭中本來也沒有聲音，但為何兩者互相沖擊后形成的聲響令人驚奇呢？盡管詩人未曾知曉其背后的科學實質，但對這種沖擊后振動作用下引發的能量轉化卻洞察入微。

圖4 流固作用中應力波傳播與監測

六、巖體力學的研究方法與《滁州西澗》

自然科學的研究方法很多，諸如科學假說、理論計算、數學模擬等，而實驗研究作為一種受控研究方法，在巖體力學的學習與研究中具有重要作用。可通過設置一個或多個變量，通過不同賦值來評估這些變量對結果產生的效應。特別對于非均質的巖體材料，實驗研究的主要目的是建立變量間的因果關系，根據預先提出一種關系假設，再通過多次實驗操作來進行檢驗。比如在核廢料封存場地選址研究中，一般認為花崗巖是比較理想的圍巖，其具有分布廣、密度大、滲透低、隔水好、易開挖、抗輻射、自穩強等優點，但高放廢料處置后由于半衰期很長，在元素衰變中會產生大量熱量，研究表明圍巖累計溫度可達200 ℃左右[10]，因此可通過設置不同溫度來研究花崗巖的物性參數變化。同時，通過數值模擬實驗也可對周邊圍巖滲透性、穩定性以及放射性物質擴散等科學問題進行不同周期的預測。

中國古代很多科技成果的出現與推動是源于對現象的觀察和總結，這也是自然變量條件下的實驗結果。比如韋應物的另外一首詩《滁州西澗》（獨憐幽草澗邊生，上有黃鸝深樹鳴。春潮帶雨晚來急，野渡無人舟自橫。）便描繪了流體力學中不可壓縮流體的二維流動問題。流體在運動過程中，會對其中的物體產生合力和合力矩作用，直觀表現是：順水方向為非穩定平衡位置，受擾動后會改變空間位置；而橫于水流則是穩定平衡位置。這一數學推導過程比較復雜，直到20世紀初才有理論計算結果[11]，而韋應物的“實驗”觀察比這要早1200多年。

七、總結與展望

習近平總書記多次強調：“我們說要堅定中國特色社會主義道路自信、理論自信、制度自信，說到底是要堅定文化自信。”[12]在上下五千年的歷史中，中華民族留下了無數不朽作品，鑄就了燦爛的歷史文化星河。“茍日新，日日新，又日新”，作為國家級一流本科專業建設點，中南大學地質工程專業有責任和義務在專業課教學中弘揚優秀傳統文化，不斷探索新的教學模式和方法。

通過挖掘中國古代詩詞的科學元素，并將這些元素同“巖體力學”課程知識點相關聯，極大激發了學生的學習熱情。地質工程2018級學生對授課效果給予了高度評價；2017級部分學生在繼續深造中主動選擇了巖體力學作為主要研究方向。同行專家也對這種人文和理工相融合的教學模式給予肯定。在后續教學中將著重從以下幾個方面持續改進。

（1）進一步深挖中國古代詩詞中與巖體力學相關的科學元素及科學現象，關聯更多課程知識點，并鼓勵學生自我探索，努力發掘大自然鬼斧神工背后的力學依據和原理；

（2）結合虛擬仿真教研室的建設，組建由多學科教育教學背景的師資隊伍，促進多學科，跨學科的高度融合與深化；

（3）探索線上線下混合課程建設，擴大課程的受眾范圍。