王海濤

自原始社會(huì)，人類已開始利用巖石制作工具和武器，并逐漸學(xué)會(huì)在巖石中開采礦產(chǎn)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(xué)與人類生活緊密相關(guān)。近年來，巖石工程發(fā)展迅速，世界上已建成的大壩高度已達(dá)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(fù)雜的巖石工程還在日益增加，巖石力學(xué)的新理論、新方法、新技術(shù)亟待發(fā)展。

巖石力學(xué)是一門研究巖石在外界因素，如荷載、水流、溫度、化學(xué)、生物過程變化等作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、穩(wěn)定性及工程加固的學(xué)科。清華大學(xué)水利系副教授劉曉麗通過物理模型試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合的途徑，針對(duì)巖土力學(xué)與巖土工程問題，特別是地下工程的開挖，開展了深入細(xì)致的研究，取得了創(chuàng)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(xiàn)場”對(duì)于他來說是家常便飯，但身體上的疲憊從來不會(huì)影響他投入工作的熱情。

位于內(nèi)蒙古省的鄂爾多斯是個(gè)干旱缺水的地區(qū)，據(jù)劉曉麗調(diào)查，在當(dāng)?shù)孛渴褂?立方水需要花去9元，而在北京只需要5元，水資源對(duì)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(yè)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(huì)破壞煤層及上下巖層，貯存于其間的地下水系統(tǒng)便會(huì)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(fā)生重大突水事故，威脅煤礦工人安全。傳統(tǒng)做法是用水泵把地下水從工作面排到地表，自然蒸發(fā)而散。鄂爾多斯所在的西北地區(qū)水蒸發(fā)量是降水量的6倍以上，上述做法無疑是對(duì)寶貴的地下水資源極大的浪費(fèi)，水資源的短缺不但威脅著人的生活，也嚴(yán)重影響了地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

為了保水，傳統(tǒng)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(xù)保存在地下，但這樣做是以大量煤炭資源為代價(jià)。一方面是作為國家重要經(jīng)濟(jì)支柱之一的煤炭資源；一方面是關(guān)系國計(jì)民生的水資源。二者如何協(xié)調(diào)開采成為一大難題。

在水利工程方面經(jīng)驗(yàn)豐富的劉曉麗及其研究團(tuán)隊(duì)見狀后決定逆其道而行之?！按笥碇嗡?，疏而導(dǎo)之”，劉曉麗規(guī)劃保持原有的開采厚度，“這樣做水必定會(huì)大量涌進(jìn)采空區(qū)，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(qiáng)烈反對(duì)，他們大多認(rèn)為，水是煤礦的重大威脅，以前的做法都是“排水治災(zāi)”，現(xiàn)在卻要“儲(chǔ)水致災(zāi)”。

大膽創(chuàng)新，但不是無稽之談。劉曉麗及其團(tuán)隊(duì)用數(shù)據(jù)一步一步反復(fù)推導(dǎo)，嘗試無數(shù)次實(shí)驗(yàn)，最終將想法變成現(xiàn)實(shí)。建大壩把水截留在地下后，再建數(shù)個(gè)水庫，將他們一一連通，通過水庫間的調(diào)水，保證了煤炭開采的安全。并且“流水不腐”，水會(huì)隨著自身在水庫間的流動(dòng)得到凈化，在水庫中經(jīng)過多次循環(huán)流動(dòng)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(hù)了水資源。這是世界首座示范工程，和神華集團(tuán)合作建成，2014年開始運(yùn)行。目前，還有十多個(gè)煤礦、巖鹽礦等待劉曉麗及其團(tuán)隊(duì)去實(shí)踐這項(xiàng)技術(shù)和工程。在這項(xiàng)工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行過程中，劉曉麗及其團(tuán)隊(duì)研究分析了采動(dòng)影響下滲流場演化、水巖耦合巖體破壞機(jī)理、分布式水庫儲(chǔ)水機(jī)理、地下?lián)跛ㄖ€(wěn)定性、物理模型試驗(yàn)研究等關(guān)鍵科學(xué)問題。

美國工程院院士、賓夕法尼亞州立大學(xué)教授Derek Elsworth這樣評(píng)論煤礦地下水庫技術(shù)：“創(chuàng)新地將大量稀缺水資源儲(chǔ)存于煤礦地下水庫的技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了煤炭資源和水資源的協(xié)調(diào)、安全和高效開發(fā)，為煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了很好的范例?！?/p>

近8年來，劉曉麗及其團(tuán)隊(duì)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(chuàng)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(shè)計(jì)了國內(nèi)首座廢棄煤礦抽水蓄能工程；2013？2014年，他們設(shè)計(jì)并搭建了國內(nèi)外首個(gè)庫水巖耦合大型三維物理模型試驗(yàn)平臺(tái)（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(zhì)儲(chǔ)用技術(shù)”，既在煤礦地下水庫建設(shè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)于水質(zhì)差的煤礦地下水，研發(fā)小型模塊化凈水裝備，在地下實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，并供給生產(chǎn)和生活應(yīng)用。目前這項(xiàng)技術(shù)也正在示范工程實(shí)踐過程中。

從獨(dú)辟蹊徑的設(shè)想到切實(shí)可行的實(shí)踐，劉曉麗及其團(tuán)隊(duì)用科技創(chuàng)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(duì)與力學(xué)、結(jié)構(gòu)有關(guān)的物體有濃厚的興趣，因?yàn)槔蠋煹囊痪湓挕笆澜缟弦磺袞|西都和力學(xué)相關(guān)”更堅(jiān)定了他與力學(xué)的緣分。從那以后，劉曉麗對(duì)物理和力學(xué)的癡迷便一發(fā)不可收拾。

1997年，劉曉麗被遼寧工程技術(shù)大學(xué)理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)錄取?！傲W(xué)本身偏理論，必須和具體的學(xué)科結(jié)合，時(shí)任中國空間技術(shù)研究院副院長的馬興瑞（現(xiàn)為廣東省委副書記，省長）學(xué)長是我們學(xué)習(xí)的楷模，受他的影響，我立志也要搞航空航天?！?/p>

人生就像巧克力，你永遠(yuǎn)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(zhuǎn)做地下工程。這次，同樣因?yàn)槔蠋煹囊痪湓?。“上天容易，入地難”，一位在流體力學(xué)領(lǐng)域非常著名的老教授對(duì)他說。距飛機(jī)誕生那天已經(jīng)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(chǔ)上修改”，但要想進(jìn)入地下似乎就沒那么簡單了。地下的地質(zhì)情況異常復(fù)雜，受其固體狀態(tài)的影響更加阻礙了人類的探索。這一切對(duì)于劉曉麗來說卻更具吸引，也更具挑戰(zhàn)。“后來我就對(duì)地下的東西感興趣，和地質(zhì)相關(guān)，做地下工程”。

2001年，劉曉麗考取遼寧工程技術(shù)大學(xué)工程力學(xué)研究生，研究方向就此轉(zhuǎn)向土木和地下工程。“力學(xué)理論性很強(qiáng)，推導(dǎo)公式、研究數(shù)學(xué)，一旦和工程結(jié)合，就落地了，需要把工程做出來?！弊畹湫偷睦泳褪侨龒{工程。

3年后，劉曉麗又以優(yōu)異成績考入清華大學(xué)土木水利學(xué)院，師從工程地質(zhì)界德高望重的王思敬院士開始攻讀水利工程博士學(xué)位。求學(xué)過程中，王院士告誡劉曉麗做工程以外還要兼顧一些基礎(chǔ)研究，因?yàn)楣こ桃约夹g(shù)為主，在技術(shù)中碰到的很多問題是無法解釋的，這時(shí)候就需要發(fā)展新的理論。劉曉麗便開始在工程現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室間兩頭跑，雖然辛苦，但收獲頗多。

隨后，在導(dǎo)師的建議下劉曉麗又出國深造，遠(yuǎn)赴瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)（EPFL）從事隧道及地下工程研究。在瑞士，劉曉麗接觸了機(jī)械破巖的相關(guān)研究。他的導(dǎo)師Jian Zhao是TBM（Tunnel Boring Machine）高效破巖領(lǐng)域的國際知名專家。TBM即隧道掘進(jìn)機(jī)是利用機(jī)械刀具開挖巖石進(jìn)行掘進(jìn)，形成整個(gè)隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的隧道施工機(jī)械。TBM代替了人力，消除了人工地下施工的危險(xiǎn)，而且集鉆、掘進(jìn)、支護(hù)于一體，使用電子、信息、遙測、遙控等高新技術(shù)對(duì)全部作業(yè)進(jìn)行制導(dǎo)和監(jiān)控，使掘進(jìn)過程始終處于最佳狀態(tài)，因此得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在很多地鐵及隧道工程都使用TBM來開挖。對(duì)TBM高效破巖方面的學(xué)習(xí)對(duì)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(xué)進(jìn)行博士答辯。隨后，他得到了兩個(gè)工作機(jī)會(huì)：中石油勘探開發(fā)研究院和清華大學(xué)水利系。去哪兒？他面臨抉擇。中石油勘探開發(fā)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(yè)特別相關(guān)”，一直在高校接受理論化知識(shí)的劉曉麗深感自己真正接觸工程的經(jīng)驗(yàn)少之又少。他想腳踏實(shí)地做點(diǎn)實(shí)際的事情，但企業(yè)始終有它的局限性——需要服從領(lǐng)導(dǎo)分配，沒有自主權(quán)。再三考慮，劉曉麗最終選擇研究氛圍好，同樣有機(jī)會(huì)做工程的清華大學(xué)，成為了一名講師。

收獲巖土力學(xué)的科研碩果

4年后，在崗位上兢兢業(yè)業(yè)的劉曉麗升為副教授，博士生導(dǎo)師，他教師從業(yè)的職業(yè)生涯又邁上了一個(gè)臺(tái)階。期間，獲包括國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（第8）等獎(jiǎng)項(xiàng)4項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，其中國際期刊論文20余篇，應(yīng)邀出版專著1部。2015年，劉曉麗還得到國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目——“巖土力學(xué)與巖土工程”。在他看來，優(yōu)青項(xiàng)目是一次“對(duì)前期工作的總結(jié)，對(duì)日后工作的展望”。

日前，我國國家戰(zhàn)略提出需建立支撐可持續(xù)發(fā)展的能源資源環(huán)境技術(shù)體系，加強(qiáng)南水北調(diào)、三峽等重大水利工程建設(shè)與安全保障技術(shù)研發(fā)，這些重大工程則需要工程安全控制及評(píng)價(jià)技術(shù)、非常規(guī)水資源利用關(guān)鍵技術(shù)、煤礦地下水庫技術(shù)等的發(fā)展。基于此，劉曉麗及其團(tuán)隊(duì)提煉出“水巖作用及其多尺度效應(yīng)的研究”這一方向，他認(rèn)為開展這項(xiàng)基礎(chǔ)理論研究十分必要，也十分緊要。

針對(duì)巖石材料的連續(xù)和非連續(xù)狀態(tài)、多尺度特性，現(xiàn)有的理論并不完善，計(jì)算分析誤差也很大，劉曉麗希望圍繞“復(fù)雜條件下多尺度水巖系統(tǒng)模型”和“水巖系統(tǒng)的過程演化與耦合機(jī)制”這兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，提出“水巖作用系統(tǒng)”概念。在此基礎(chǔ)上，他已開展了三個(gè)層面的研究-多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過程演化研究、開挖擾動(dòng)條件水巖耦合作用機(jī)制研究和水巖耦合作用巖土介質(zhì)破壞過程研究。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guān)，即地質(zhì)體系統(tǒng)（應(yīng)力場）與地下流體系統(tǒng)（滲流場）相互聯(lián)系、相互作用。劉曉麗自2001年攻讀碩士學(xué)位以來就開始了水巖耦合機(jī)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(fù)雜和極具挑戰(zhàn)性。通過物理模型試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合等途徑，他針對(duì)巖土介質(zhì)的非均質(zhì)和各向異性等特點(diǎn)，圍繞水巖耦合及其多尺度特性開展了深入而細(xì)致的研究，并取得了一系列創(chuàng)新性研究成果。

在多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過程演化研究中，他提出“多尺度巖體結(jié)構(gòu)數(shù)字化描述方法”，解決了地質(zhì)體結(jié)構(gòu)多尺度間的內(nèi)在聯(lián)系（即尺度關(guān)聯(lián)）難題，發(fā)表相關(guān)論文被SCI檢索收錄5篇，EI檢索8篇，獲1項(xiàng)軟件著作權(quán)、巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)和水力學(xué)會(huì)大禹獎(jiǎng)，并多次收到學(xué)術(shù)大會(huì)的特邀報(bào)告邀請(qǐng)；他提出的“數(shù)字巖體模型構(gòu)建方法及數(shù)值模擬技術(shù)”，解決了數(shù)據(jù)不完備的地質(zhì)系統(tǒng)與理論嚴(yán)密的精細(xì)力學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法之間的相互脫節(jié)問題。其次，他發(fā)展了宏細(xì)觀多尺度數(shù)字巖體模型及其工程特性評(píng)價(jià)方法，基于數(shù)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(yīng)用水巖作用模型，采用水巖表征單元體分析了大壩上抬現(xiàn)象。此外，他建立的多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過程演化理論與數(shù)學(xué)模型完善了有效應(yīng)力原理，使物理意義更明晰，耦合機(jī)制更全面。

在開挖擾動(dòng)條件下水巖耦合作用機(jī)制研究中，他根據(jù)圍巖漸進(jìn)破壞過程與滲透空間結(jié)構(gòu)變異的關(guān)系建立了大型水巖耦合試驗(yàn)平臺(tái)。美國賓夕法尼亞州立立大學(xué)教授、美國工程院院士Derek Elsworth訪問清華期間參觀了這個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，交流中他說：“這簡直是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)，新平臺(tái)、新材料、新工藝、新開挖方式，我期待它表現(xiàn)卓越”。另外，劉曉麗還發(fā)現(xiàn)了裂隙巖體多流態(tài)地下水滲流變化特征，圍繞此研究發(fā)表的論文被SCI檢索收錄6篇，EI檢索5篇，申請(qǐng)專利4項(xiàng)，軟件著作權(quán)1項(xiàng)，并獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)；不僅如此，他還揭示了水巖作用系統(tǒng)中裂隙自愈合的作用機(jī)制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明水巖系統(tǒng)具有自愈合能力，這一點(diǎn)對(duì)于理解開挖擾動(dòng)引起的損傷發(fā)展具有重要意義。

在水巖耦合作用下巖土介質(zhì)破壞過程研究中，他提出了水力驅(qū)動(dòng)裂紋萌生和擴(kuò)展的模式，獲中國地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)谷德振青年科技獎(jiǎng)；此外，他建立了水力劈裂過程的連續(xù)-非連續(xù)數(shù)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(qiáng)滲壓作用下強(qiáng)固結(jié)和弱固結(jié)介質(zhì)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(gè)重大水利工程中得到應(yīng)用，為水庫蓄水過程大壩工程及庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

未來，他計(jì)劃圍繞“動(dòng)靜組合載荷下水巖系統(tǒng)超孔隙水壓力響應(yīng)及致裂機(jī)制”和“水力多尺度裂紋擴(kuò)展和多流態(tài)滲流評(píng)價(jià)與控制原理”這兩個(gè)巖土力學(xué)與巖土工程中的關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究。

劉曉麗的研究涉及到水利水電工程建設(shè)、資源和能源的開采與開發(fā)、核廢料地質(zhì)處置的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面，一直以來也都是國際巖石力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在傳統(tǒng)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(yīng)力與滲流的相互作用，但在實(shí)際工程中，靜力載荷（巖石賦存環(huán)境，如地應(yīng)力等）和動(dòng)力載荷（外部擾動(dòng)載荷，如地震或爆破等）是共存的，只有研究動(dòng)靜組合載荷作用下水巖耦合作用機(jī)制才能真實(shí)反映實(shí)際工程中水巖耦合系統(tǒng)的工程行為。但是，相關(guān)研究工作還很匱乏。

劉曉麗希望，從動(dòng)靜組合載荷下水巖系統(tǒng)超孔隙水壓力響應(yīng)、超孔隙水壓力致裂機(jī)制研究、動(dòng)靜組合載荷下水力致裂控制理論3個(gè)方面開展動(dòng)靜組合載荷作用下水巖系統(tǒng)超孔隙水壓力響應(yīng)及致裂機(jī)制研究。他致力于揭示動(dòng)靜組合載荷下巖體超孔隙水壓力的產(chǎn)生機(jī)制，建立動(dòng)靜組合載荷下滲流流態(tài)識(shí)別和水力致裂分析方法，形成一套動(dòng)靜組合載荷下工程水巖耦合穩(wěn)定性分析測試手段和安全控制技術(shù)，拓展和豐富水巖作用過程演化的理論和內(nèi)容。這無疑對(duì)于豐富水巖多物理場理論、研發(fā)新型水巖系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)和設(shè)備、評(píng)價(jià)水巖系統(tǒng)相關(guān)的巖石或巖土工程穩(wěn)定性產(chǎn)生重要科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

尋求科研的經(jīng)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(tái)灣成功大學(xué)來京與清華大學(xué)開展學(xué)術(shù)交流，劉曉麗十分看重類似的交流機(jī)會(huì)，“只有通過學(xué)術(shù)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(xué)教授來華交流會(huì)上，與會(huì)的20位專家被分為4組進(jìn)行小組討論，討論的問題是“巖石力學(xué)未來研究方向”，劉曉麗也在其中。會(huì)議結(jié)束時(shí)，大家達(dá)成了共識(shí)——深部地下工程、地?zé)?、核廢料處置3個(gè)問題將是巖石力學(xué)未來研究的主流問題，也是日后共同合作的方向。這個(gè)經(jīng)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(xué)、西澳大學(xué)、香港理工大學(xué)、美國賓夕法尼亞大學(xué)等高校建立了長期合作關(guān)系。

身為老師，劉曉麗常常鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新，“奇思妙想，不是天方夜譚”。他從不會(huì)給學(xué)生規(guī)定題目，而是讓他們自己想，他所做的就是評(píng)估方案的可行性和盡可能地為他們提供平臺(tái)和經(jīng)費(fèi)。

如今建樹頗多的劉曉麗在工作中游刃有余，殊不知，在剛?cè)胄械臅r(shí)候他也曾打過退堂鼓。地下的很多東西對(duì)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(gè)很小的螞蟻洞，如果探測不到，就很有可能對(duì)工程造成巨大影響。他說：“很多東西提前很難知道，很隨機(jī)，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(zhì)體，可能下次就會(huì)遇到”，這或許是每個(gè)剛?cè)胄腥说臒o奈。

后來，劉曉麗就找到自己的導(dǎo)師希望尋求解答，導(dǎo)師對(duì)他說：“對(duì)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(shí)，工程學(xué)就是通過無數(shù)次實(shí)踐來慢慢積累經(jīng)驗(yàn)，從而做出準(zhǔn)確的判斷。從那以后，劉曉麗柳暗花明。

生于1978年的劉曉麗認(rèn)為自己需要學(xué)習(xí)研究的還有很多，他也在腳踏實(shí)地的繼續(xù)奮斗向前。沒課的時(shí)候，他會(huì)跑到地質(zhì)現(xiàn)場做調(diào)查，再回到實(shí)驗(yàn)室做研究，始終保持著一顆勇于創(chuàng)新的心。再過幾十年，等劉曉麗老了的時(shí)候，當(dāng)他拿起錘子敲一敲，便會(huì)知道那是什么？？