「國家需要,就是我們的研究方向」,地大五代師生紮根滑坡災害研究

2022年06月29日09:06:27 教育 1975

一抔土、一塊石,從現場搬到實驗室,在旁人眼中毫無二致,在譚欽文眼裡,則有天壤之別。

李長冬是中國地質大學(武漢)教授,他和譚欽文是地大同事,同是地大地質工程學科首席教授唐輝明科研團隊的成員。李長冬、譚欽文研究的課題叫作「地質災害演化機理與防治」,簡單說,就是希望能像預報天氣一樣預報滑坡地質災害。

鑽深山吃鹹菜,野外監測半年

日前,在湖北省巴東縣一座大山腹內,人工開挖的908米深隧道群里,譚欽文小心翼翼將一個滑坡斷層坡面上的土壤切出0.5米×0.5米×1米的長方體,安裝好各種儀器,開始測量土壤的應力結構,「一抔土從觀測點搬到實驗室,環境一變,它的應力結構也就完全不同,要想得到更真實的情況,必須原位觀測」,譚欽文說。原位觀測相對於實驗室觀測而言,以最還原的方式測量對象。

滑帶土原位流變試驗,機器要24小時開着,人一刻不離守,譚欽文和他的同伴對着這個0.25立方米的土塊進行了長達180天的監測。早上7時帶着早點、中餐兩頓乾糧鹹菜進洞,傍晚7時出洞,趕一頓熱乎的晚餐,他們的「原位觀測」生活就這樣周而復始。

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譚欽文副研究員講述巴東黃土坡滑坡隧洞群現場試驗的故事。 長江日報記者高勇 攝

這個修建在滑坡體里的試驗場,是由中國地質大學(武漢)牽頭建設的湖北巴東地質災害國家野外科學觀測研究站,「巴東野外綜合試驗場地下隧洞群」位於三峽庫區最大的古滑坡體——黃土坡滑坡上,也是世界上唯一一個聚焦滑坡災害的大型野外綜合「地下實驗室」。

有了它,對於滑坡等地質災害就真正實現了空、天、地、地下四維立體觀測;而原位觀測與實驗室數據的較大差異,也刷新了人類對滑坡這個最主要地質災害的認識,這也是全球首次以原位觀測的方式獲得相關數據,有效揭露了滑帶土原位力學特性與結構特徵,為重大滑坡預測預報提供了重要理論與數據支撐。

李長冬說,要搞清楚滑坡災害到底怎麼形成的,就必須到災害體里去。對於研究滑坡災害來說,在古滑坡體內開展滑帶原位實驗,獲取的寶貴一手數據,是十分重要且必須的,然而對於全世界大多數工程地質學家來說,確實「可想而不可及」。依託隧洞群提供的觀測條件,譚欽文等人在滑坡體內完成了多項複雜試驗,取得多項重要科研成果。

「原位觀測就是我們常說的出野外,出野外是地質人的本色,我們團隊成員每年長期在野外工作,鑽深山,攀陡坡,冒酷暑,吃鹹菜,」李長冬說,「幸虧譚欽文的女朋友也是學地質的,出野外半年,她都能理解。」

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李長冬教授開展MTS試驗機岩石力學試驗。 長江日報記者高勇 攝

別人可以研究,中國必須研究

地質災害預測是百年來的世紀難題,地質結構極其複雜,而引發地質災害的因素又多種多樣,所以以往的地質災害預測只能依據歷史經驗做粗略的預估。

偏偏,「我國是全世界地質災害最嚴重的國家,沒有之一;湖北省又是我國地質災害最頻繁和強烈的地區之一」,唐輝明說起自己團隊的故事,從冰冷的數據開始,「在我國每年發佈的地質災害報告中,滑坡災害是最主要的,佔到70%以上。湖北省地質災害威脅人口66萬,威脅財產494億元,全國範圍而言,數據會更大。」

唐輝明是中國地質大學(武漢)地質工程學科首席教授,紮根重大滑坡演化與過程控制30多年,他也是「滑坡災害演化機理和治理」課題團隊的負責人,李長冬、譚欽文都是這個團隊的成員。這個師生數十人的大團隊,涵蓋了工程地質、水文、機電、計算機等多個學科人才,他們利用學科交叉融合,致力於有組織的大科學研究。

一場暴雨可能引發一次山體滑坡,湮沒一個村鎮;一次山體運動也可能引起一次滑坡,堵塞河道,衝垮公路鐵路……研究地質災害,最主要的就是研究滑坡。對於世界上大多數國家來說,滑坡只是一種地質災害;而對於少數國家來說,滑坡是一種迫在眉睫的地質災害。中國正是這少數國家之一,別人可以研究滑坡,中國必須研究滑坡。

「我們目睹了太多滑坡災害,作為研究者,我們很心痛,也很焦急。」唐輝明說,隨着我國重大戰略的實施,工程活動與地質環境的矛盾日益突出,「滑坡災害的預報和防治至關重要,也極其緊迫。」

除了受限於技術手段,人類難以精準預測、預報滑坡,還在於未完全找到滑坡發生的規律和滑坡形成的機制。從最基本的滑坡機理開始,唐輝明組建團隊之初就要求大家從最難的地方入手。「這是一項很不容易的研究,我們也多次遭遇瓶頸,但困難常有,我卻從未喪失過信心。我們的目標很明確:要就不做,做就要做好,做世界第一!」

為了採集數據,他們自己做感測單元芯片,製造傳感器等監測工具,自主研發了一套滑坡多場關聯監測系統,利用衛星遙感、無人機拍攝、多種傳感器監測等現代科技手段,立體追蹤滑坡體的多場演化特徵數據。

「各種數據一目了然。」李長冬指着一台筆記本電腦說,電腦的屏幕上正不斷刷新遠在浙江的一套監測系統傳來的數據,「拿着手機也可以看,一旦哪些數據異常,機器會自動作標記。」

有了海量數據,他們着手建模,分析其中的機理,並重新對滑坡的發生機制進行分類。「全世界研究滑坡預測的團隊有很多,但進行基於物理力學過程的滑坡預測研究是我們的特色和創新,越根本越原創。面向國家重大需求,我們一定要努力將滑坡演化過程預測做到最好。」

他們以發生的啟滑過程將滑坡重新分為三類,又按照每一類的機理研究,研究相應的啟滑力學機制。「別看簡單的分類,它意味着我們對於滑坡的認識進入了一個全新的境界。」中氣十足的唐輝明豪氣干雲。

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唐輝明教授指導岩石力學試驗數據處理。 長江日報記者高勇 攝

五代人的心血所在

李長冬講了一件預測的故事:十多年前,他們在巴東做高邊坡現場監測,發現有些數據變化很劇烈。從機理來說,滑坡進入了快速發展期,他們連忙聯繫了當地政府,並提交了應急預案。當地政府很快採納並及時對坡體進行了加固治理,成功避免了滑坡災害的發生。

從預測滑坡發生,到滑坡沒有發生,如同醫生治病,治未病而不是已病。「我想我們的預測,不是驗證它已發生了有多麼准,而是不讓它發生,消弭災害於無形。越早預報,損失越小。」李長冬說。

自1952年中國地質大學成立起,地質災害的研究就一直延續至今,中國地質大學從北京遷到武漢,這個學科也就完整地搬到了武漢。唐輝明屈指算了一下,從自己的導師——地大地質學科奠基人晏同珍教授,到現在年輕的80後、90後青年教師以及研究生,滑坡災害研究已經傳承了五代。數十年來,從老一輩長期野外觀測積累的數據,到現今高端儀器全方位採集的數據,唐輝明說,滑坡災害的預測和防治是幾輩人的願望所系、心血所在。

譚欽文的同事龔文平生於1989年,目前已是工程學院教授、博士生導師,也是滑坡地質災害研究團隊的青年骨幹。他曾用不到兩年半的時間獲得美國博士學位並留校任教,卻因立志報國,毅然放棄海外優越條件全職回國,投身祖國的地質災害防災減災和人才培養事業。

「我身在川東北山區,從小耳濡目染,深知地質災害的危害性。」2008年5·12汶川地震誘發了大量次生地質災害,人員傷亡與財產損失更使他備受震撼,決定從事地質災害研究。

來到地大後,為獲取地質災害關鍵現場數據,他克服重重困難,翻山越嶺,常常吃住在野外,足跡踏遍湖北、四川、重慶、貴州、雲南等我國地質災害高發區域,獲得多項原創科研成果。

和龔文平一樣,近十年來,地大師生長期輪流駐守,為三峽庫區地質災害特別是滑坡災害的防控提供了基礎性長期觀測資料。如今他們的科研成果已經廣泛應用於三峽庫區、白鶴灘水電站川藏鐵路等國家大型工程。「國家需要,就是我們的研究方向。」龔文平說。

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張永權副研究員展示自主研發的滑坡大變形柔性測斜儀感測單元。 長江日報記者高勇 攝

(長江日報記者周劼 陳曉彤 通訊員魏海勇 王俊芳)

【編輯:趙可】

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