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岩石力学的未来在中国(二)

2014-09-30

二、 中国岩石力学与岩石工程发展前景展望

       人类进入21世纪以来,信息革命的浪潮席卷全球,经济一体化的进程加速,数字地球(Digital Earth)系统正以空前的规模和速度推动着人类向知识经济社会迈进。作为地球科学的一个重要组成部分,我国岩石力学与岩石工程也面临一系列新的机遇和挑战。

1.宏观形势分析[77]-[79]

     (1) 我国在岩石力学发展方面的有利条件

        1)我国是世界上最大的发展中国家。改革开放以来,国民经济大约以每年8?10%的速度递增。进入21世纪以来,在全球经济不太景气的情况下,只有中国“一花独放”,正在进行大规模的基础经济建设。这一前提为我国岩石力学的发展,创造了前所未有的良好条件。

        2)我国有960万km2的陆地,300万km2的海域,6500多个岛屿,海岸线总长超过1.8万km,幅员辽阔,构造复杂。山地面积约占陆地面积的2/3,在岩石力学领域有巨大的发展潜力。

       3)我国岩土工程市场规模之大,举世罕见。如前所述,我国已建及在建诸多工程项目普遍引起国际社会的关注。近年来,除国内项目外,在国际范围内,我国的影响也与日俱增。例如:我国计划建设4条陆路大通道,分别从西藏连接印度,从云南连接缅甸,从黑龙江及新疆连接俄罗斯。此外,还要建设联接巴基斯坦和伊朗的铁路大通道。建成后,将使我国拥有通往出海口的西南走廊。

       在对外工程承包方面,我国已挤身国际工程承包商前5强,不但在亚洲、非洲,而且在欧洲、美洲也取得骄人业绩。

       4)我国具有广大人才市场。我国的科技人员在岩石力学与岩石工程理论研究和工程实践方面的成就在国际岩石力学界受到普遍的重视。

       5)中国大陆处在太平洋板块、欧亚板块和印度洋板块丁字型交接部位。中国地块本身又是在不同地质时期由若干小板块拼合而成,板块之间的交接地带都是构造活动比较活跃的地区。上述各种条件都决定了我国的地质构造极其复杂。多年来的工程实践说明,在岩石力学领域,一些发达国家行之有效的方法,在中国时常无能为力。例如在隧道掘进机(TBM)快速开挖、煤层小构造探测、煤层气开发利用等方面都遇到这一类问题。这就要求我们必须根据自己的特点发展适合我国国情的岩石力学与岩石工程。

      6)与时俱进,持续创新,构建环境友好、资源节约型的和谐社会,已成为国人的共同目标。与全国人民一样,工作在岩石力学领域的科技人员也正为此艰苦奋斗,自强不息。

     (2) 发展中存在的主要问题

       1)人口多、底子薄,资源相对贫乏。和世界人均占有量相比,我国人均可耕地为世界人均量的1/3,森林为1/6,矿产为1/2。

       2)严重缺水,我国淡水资源总量为28000亿m3,占世界总量的8%,但人均占有量仅为世界人均量的1/4,排名第88位。更为严重的是,水资源时空分布不均,长江流域及其以南地区,径流量占全国的80%以上,而北方及西北广大地区只占12%,而且降水时间多集中在夏秋季。

       3)地质灾害严重、生态环境脆弱

       我国是地震、滑坡、泥石流等多发国家之一。其中地震灾害尤其严重,我国国土面积占全球的1/16,但从20世纪以来,地震灾害却占全球的1/2,是大陆地震发生最多的国家。我国大约有45%的大中城市处于Ⅶ度地震烈度区。

       我国水土流失面积已占国土面积的16.7%,全国年水土流失总量达46亿吨,重点是黄河流域,但长江流域的问题也不可忽视,长江上游地区森林覆盖率50多年来已由30%减少到15%,导致水土流失加剧。

我国是世界上沙漠化、石漠化最严重的国家之一。沙漠化的面积约为国土总面积的18%,石漠化正以每年2500km2的速度扩展,其危害不亚于沙漠化。

       4)资源利用率较低,环境污染未能得到有效控制

       我国一方面资源不足,另一方面资源利用率不高,严重浪费。许多地区对资源采取粗放式经营,相当一部分地区甚至靠掠夺性的开采取得短期的经济效益。

       我国单位产值的能耗是发达国家的几倍到十几倍,甚至高于印度。近年来虽有所改善,但总体上,未能达到节能降耗,减少排放的目标。根据国家统计局发布的《2006年国民经济和社会发展统计公报》显示,2006年中国能源消费总量为24.6亿吨标准煤, 万元GDP能耗为1.21吨标准煤,单位国内生产总值能耗同比下降1.23%,未能完成原计划下降4%左右的节能目标。又如,根据环保部门的统计,2006年水污染情况继续恶化,二氧化硫排放量上升了4.2%,从总体上看,没有完成年初确定的污染物排放减少2%的目标。

       5) 虽然我国在岩石力学领域已经取得了长足的进步,但我们也应该清醒地看到,以往的工作主要是围绕着传统工业产业的需求进行的。尽管在理论和实践中有中国特色,但总体上是发达国家工业化时期岩石力学工作的延续和发展。

      在岩石工程设备制造业,岩石力学理论自主创新,科技成果转化为生产力方面都还比较薄弱。迄今为止,以我国科学家命名的高新科技理论、方法尚属罕见。在信息技术,深海勘探,外星探索,热干岩开发,可燃冰利用,高放核废物处理等方面,也有诸多不足之处。

       6)再如,国际岩石力学学会为纪念主要创始人L .Müller教授的逝世,自1991年起,实行缪勒奖(Müller Award)。每4年一次,奖励对象是全世界范围内最杰出的岩石力学专家,先后获奖的有加拿大 E.Hoek教授,美国N. G. W. Cook,教授,美国H.H.Einstein教授,美国C.Fairhurst教授。及澳大利亚E.T.Brown教授。迄今为止,尚无一位中国专家获此殊荣。

2.面临的新问题[77]-[79]

      (1) 信息技术

       当前信息技术日新月异,正有力地推动着社会发展和人类进步。1998年美国副总统戈尔提出了“数字地球(Digital Earth)”这一新概念之后,在全球又掀起了一个新高潮。在岩石力学方面,美国于1994年率先提出了“岩石网络”(“Rock Net”),1995年组织召开了“因特网与地球科学专题学术会议”,1997年又提出了“岩石数字化信息网络”(“Cyber Rock”)。国际岩石力学学会(ISRM)近年来也不遗余力地推动岩石力学信息网络在各成员国的推广应用。在举办国际岩石力学会议时,绝大部分会议通报、注册登记、会费交纳均在网上进行。为便于广大会员及时得到信息,国际学会在网址上专门设置了一个信息平台(Communication Platform)。同时,还决定建立互动网络(Interactive wibsite),进一步增加电子出版物,减少纸张出版物(Publication in paper form)。国际岩石力学学会信息通报《ISRM News Journal》及会议论文提要等都可从网上查询。至于岩石力学方面的电子出版物(CD-ROM),在一些发达国家已非常普遍。

       最近,美国麻省理工学院(MIT,Masachusetts Institute of Technology)宣称,他们将进一步通过互联网进行远程教育。在2007年年底以前,将包括岩石力学在内的大约1800门的全部课程在网上免费提供在线服务。此前,该学院于2003年以来曾执行一项开放式授课计划(Open Course Ware)课程门数只有几百个。

       2005年美国国家科学研究委员会(NRC, National Research Council)在针对岩土工程的研究报告中提出要建立新一代数字化基础设施信息系统(cyberinfrastructrue).在这个系统中,能考虑岩土工程的多维、多重物理力学现象和时空关系,建立更加符合实际的计算模型,实现人力资源、技术支持和计算机能力的完美结合[80]。

       此外。美国下一代新网络公司N3(Next New Network)首创的新型网络电视最近开始播放,也会给我们带来一些启示。

       我国在“数字地球”方面,有一定的基础。1999年11月在北京成功地举办了“数字地球国际会议”(ISDE),影响深远。数字城市的进程也在加速。近来,我国还开通了《中国信息》(China Info)网络,实现了科技期刊编辑、出版、发行工作的电子化,推动了科技信息交流的网络化进程,许多期刊已经入网。但在岩石力学领域,尚处于发展中阶段。今后,除应加强通用技术,如电子通信(E-mail)、热线电子通信(Hot-mail)、主页(Homepage)、内部网络(lntranet)、外部网络(Extranet)外,还要根据岩石力学的特点,建立一套适合国情的数字化信息网络,如远程规划、远程咨询、远程教育、远程设计、远程施工、远程监理,促进信息交流、资源共享与优化配置,并将它有机地汇入“数字地球”系统之中。

      在信息技术中,全球定位系统(GPS),地理信息系统(GIS),遥感系统(RSS),地球科学信息系统(GSIS)等已进一步得到发展和应用。它们不但可用于宏观分析,也可用于解决一些具体技术问题。3S系统与Internet结合在一起应用更加广泛:如城市三维建模(3-Dimensional City Model,3DCM),隧道掘进机施工中的遥测、遥控等。如2002年我们在意大利Geodata咨询公司总部所在地都灵可以直接从微机屏上获取远在葡萄牙Porto地下铁道一台土压平衡盾构(EBP TBM,ф=8.8m)的所有施工图象和施工参数,据此发出指令,真正做到运筹于帷幄之中,决胜于千里之外及无纸化操作。

       此外,虚拟现实技术(VRT, Virtual Reality Technology)已经在国内外成功地应用于土木、水利、采矿等领域的岩土工程。

       最近,俄罗斯科学家经过近30年的不懈努力,找到了一种从太空探测地球内部能源和资源的独特方法。这种空间地质勘探新技术,为人类开发地下资源开创了全新的未来,很值得我们学习和借鉴。

      (2) 环境问题

       近几十年来,大规模岩土工程建设已经向人类敲起警钟。最突出的例子是前苏联从20世纪30年代起,在伏尔加河上修建了一批梯级水电站。建成后,固然带来巨大的经济效益,也带来难以收拾的环境问题,如地力下降、河口渔业衰退、黑海水位下降等。其他国家,如埃及、荷兰、美国、委内瑞拉等也出现类似问题。据美国航天局(NASA)Goddard 研究中心观测结果,近40年来,由于巨型水库的蓄水量不断增加(已超过1万亿m3),而且主要是集中在较高的地理纬度上,所以导致地球的极点发生偏移,自转速度加快。因此,世界各国都纷纷建立严格的环境评价制度,力图重新建立人与自然协调发展的关系。

       我国的情况也不容乐观,与水利、采矿等有关的环境问题时有发生。如我国新疆罗布泊原有3000km2的面积,1952年以后,由于上游大量修建水库工程,水源断绝、彻底干涸,形成一片荒原,近1-2年来才开始整治。再如黄河三门峡水库于60年9月蓄水后曾出现严重淤积、河床抬高、土地浸没、水质恶化等问题,直接影响到“八百里秦川”的粮食生产,不得不进行改建。改建以后,问题仍未彻底解决。到2000年底,库区累计淤积泥沙已达63亿吨,潼关水位高程比建库前抬高了5m。造成陕西三门峡库区洪水、冰凌、渍涝和盐碱化灾害频繁,库区生态环境恶化,人民生活非常贫困,仍需采取积极措施根治库区灾害[81]。

在工程建设与环境保护方面,应该强调以下几个问题:

       1)必须从思想上明确,“人定胜天”不过是一厢情愿的妄想。为了人类的可持续发展,必须走人地协调发展的道路。我国春秋时代的著名思想家老子在《道德经》中提出的“人法地、地法天”的哲学观点,至今仍有重要的现实意义。[82]

       2)环境恶化的进程,有时比较快,有时可滞后几十年、上百年,必须从长远的观点看问题。

       3)工程建设的规模不一定越大越好。在这方面,没有必要无条件地去争“世界第一”。

       4)环境保护不仅涉及地学领域的诸多方面,也涉及到政治、经济、生态、心理、伦理等其他学科,必须从全国、甚至全球的角度来考虑问题。

       5)自从1992年里约热内卢各国首脑会议通过《可持续发展全球行动计划》以来,环境问题日益受到各国高层领导和人民群众的重视。但是,情况并未因此而好转。相反,近年来,全球变暖,冰川融化,海平面上升的趋势有所加剧,直接威协到人类的生存和发展。就我国而言,青藏高原冰川的加速消失,已经使水资源短缺的形势更加严峻。

    全球变暖的罪魁祸首是人类自己--向大气圈排放超量CO2,目前美国的CO2排放量居世界首位,中国居第2位。如不采取有效措施,在2-3年内,中国将超过美国,成为全球最大的空气污染源。

      6)值得庆幸的是,温家宝总理在2007年第十届全国人大五次会议政府工作报告中,在承认中国未能实现节能排污目标的同时,敦促国民关注环保,同时强调必须加大节能降耗和治理污染力度,改变经济增长方式,以确保我国经济长远的健康发展。温总理还明确表示要采取决定性措施,取缔一些不符合标准的热电站、水泥厂、冶炼厂和其它污染严重或技术落后的厂矿。

      更值得强调的是:胡锦涛总书记在中国共产党第17次全国代表大会的报告中更明确提出,今后要“建设生态文明,基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、消费模式”,进一步为工程建设和环境保护指明了方向。

      今后,在国民经济基础建设中,我们一定要严格遵循国家颁布的《中国人口、环境与发展白皮书》、《建设项目环境保护办法》、《环境影响评价法》和《关于加强大型公共建筑工程建设管理若干意见》等一系列规定,切实贯彻执行,切忌以牺牲环境为代价的“急利好利”,“好大喜功”的短期行为。

对于涉及到全局性生态平衡的特大型工程,一定要进行严格的风险分析(Risk analysis)和风险评估(Risk Assessment),把问题研究透、解决好,否则就会带来大浪费,大污染,大破坏。

      (3) 能源、资源开发利用

        1)水电、水利资源

       虽然从总体上看,我国是一个缺水的国家,但水电资源居世界首位。根据2005年11月发布的《中华人民共和国水力资源复查成果》,全国水力资源理论蕴藏量为6.94亿kw,年理论发电量为6.08万亿kw.h;技术可开发装机容量为5.42亿kw,技术可开发年发电量为 2.47万亿kw.h。

      在发达国家,水电开发率至少为50%,有的达98%,而我国的开发率仅为20%左右,潜力巨大。今后的开发重点是西南、西北地区。这些水电站的特点是规模巨大,有的坝高超过300m,有的装机超过1000万kW,其中不少工程将在极其复杂的地形、地质条件下修建。山高谷深、地形复杂、大流量、多泥沙、新构造、强地震、高边坡、高地应力、岩溶发育、深厚覆盖层等都是将要遇到的难题。

      在水资源开发方面,我国已建成引大入秦跨流域调水工程以及引黄入晋引水工程。今后还要建设一些调水工程,其中以南水北调西线工程最富挑战性。该工程地处青海高原,从长江上游跨流域调水至黄河上游。规划分三期实施,其中第1期调水40亿m3,第二期调水50亿m3,第三期调水80亿m3,总调水量为170亿m3。仅第一期工程就包括6座大坝,7条隧洞。输水线路总长255.9km,其中绝大部分是隧洞,累计总长为252.6km,约占线路总长的99%,单洞长度6.6-72km,最大埋深为1150m,沿线海拔高度3400-4800m,存在高寒缺氧、地形、地质、气候、环境条件非常复杂等诸多难题[83]。

       今后,建设地下水库及现代水网系统,寻找高质量饮用水源,水资源的重复利用等也是需要迫切解决的问题。

在水资源开发利用方面,近年来潘家铮院士发表的一些论文,如“新世纪、新水利”、“水利工程不能只言利不言弊”、“水电与中国”等具有普遍的指导意义[84]-[86]。在这些论文中,潘院士创造性地提出了“不要只研究水对人造成的水害,还应研究人对水造成的‘人害’”,“要开设一门‘水害学’,专门研究水利工程产生的危害”,“从传统水利走向现代水利”等科学发展观,值得我们深入学习领会。

      2)煤炭

       世界上最丰富的化石能源是煤炭。燃烧煤炭最大的缺点是污染环境,破坏臭氧层,危及生态平衡。为了缓解这一难题,各发达国家,尤其是美国,都大力开发洁净煤技术(Clean Coal Technology, CCT),力求通过高科技手段将煤炭转换成洁净、高效能源。

       洁净煤技术的要点在于:①让煤在超高温下充分燃烧,减少能量损失,提高发电效率;②将燃烧时产生的CO2分离出来,注入地下储存,减少向大气中的排放;③煤炭气化,减少污染物排放。

       在洁净煤技术开发方面,美国处于国际领先地位。根据美国《基督教科学箴言报》2007年12月19日的报导,政府将与电力企业联手投资17.6亿美元在伊利诺斯州马顿兴建一座“清洁煤炭”电厂,电厂的装机容量为27.5万kw,预计2013年前投产。

       该厂将利用“整体煤气化联合循环发电技术”对煤炭进行气化处理,从中提取氢气。通过燃烧氢气推动?轮机发电,所产生的CO2排放量只有目前火电厂的10%。

       我国煤炭产量居世界第一,污染物排放量居世界第二。鉴于问题十分重要,已将发展洁净煤技术列入“中国21世纪议程”。

       在煤炭开采中,今后需要进行研究的还有:

       ①自动化采煤技术;②巷道快速掘进成套技术;③深部矿井(埋深1000m以上)开采技术;④煤、瓦斯、地下水、矿井火灾综合监测及防灾技术;⑤改善矿区生态环境技术;⑥无人矿山开采技术;⑦湿化开采技术等。

另外,液体煤(Liquified coal, 或Coal to Liquid, CTL)或称煤制油技术,近年来作为一种新兴产业,在国际市场上也日益受到重视。预计到2020年全球液体煤产量将从目前的每天15万桶增至60万桶,到2030年则将增至180万桶。

       我国在国际煤炭液化市场上居重要地位。自从2006年神华集团在煤制油项目上取得实破性进展以来。计划建厂14座从事这方面的工作。对此,美国《防务新闻》周刊报导说:在煤炭液化市场上,中国已抢占先机。

       特别应该指出的是,我国的煤矿安全生产形势十分严峻。据《中国煤炭报》报导,2003年上半年,煤矿特大事故发生率(死亡人数超过10人)与上年同期相比增长10.3%。国际劳工组织估计,中国每10万人的死亡率约为美国的5倍。近年来虽有所改善,但仍有上千名矿工葬身黑窑之中。如2007年3月10日,辽宁抚顺老虎台煤矿发生特大透水事故,造成22人丧生,7人下落不明,同年12月5日山西省洪洞县新窑煤矿发生瓦斯爆炸特大事故,造成105名矿工遇难,18人受伤,损失巨大,伤亡惨重,社会影响恶劣,引起广泛关注。

       此外,我国还面临一个非常严峻的问题--每年有近2亿t的煤在地下燃烧殆尽。这些大火有的是采矿引起的,但大部分是自燃。我国政府已将调查、治理北方煤火列入21世纪议程。近年来,与荷兰合作,在宁夏贺兰山中央山脉煤田区所执行的综合灭火措施已初见成效。工作中,开发的“煤火系统”软件居国际先进水平,为彻底消灭中国煤田大火打下了良好的基础。

      3)煤层气

       煤层气(Coal Bed Methane)是一种新型能源。先采气、后采煤,不但可以从根本上排除瓦斯事故,而且可使煤炭建井费用降低1/4以上。

    近年来,美国、北欧、澳大利亚等20多个国家都致力于煤层气的勘探和开采。美国已成立煤层气开发公司20多个。我国煤层气资源居世界前列。截止至1999年10月底,全国累计勘探打井157口。初步估算具有36.8万亿m3的资源量,超过陆上常规天然气总量。但迄今为止,还没有进行规模较大的商业性生产。2007年8月,中石油与澳大利亚燃气厂商Arrow Energy公司在新疆达成协议,联手在当地开采煤层气。必须指出的是:为了有力地发展我国的煤层气产业,必须建立符合我国地质情况(如低压、低渗、构造破坏严重等)的地质理论和勘探、开采方法,不可套用国外技术。

    4)石油、天然气

    当前,全世界约有2/3的石油不能用常规技术开采出来。因此,石油工程岩石力学日益受到重视,曾多次召开国际会议(如OilRock SPE/ISRM会议)进行研讨。近年来,国际上开发了定向钻探技术、深海油田浮动钻塔开采技术及空气射流开采技术。石油开采的重点转向深海、极地、沼泽等困难地区。油气勘探的范围扩展到地下2 000m~8 000m。在这个范围内,围压及孔隙压可达200Mpa,温度可达200℃,出现许多特殊的岩石力学问题。我国在陆相地层成油理论、砂岩油田高含水开采、3次强化采油技术、陆相薄互层油储地球物理勘探、复杂油气田波场特征研究等方面取得了重要进展,但总体水平有待提高。在天然气开采方面,开发程度比较低,生产规模比较小,油气产量之比远低于国际水平。但近来有所突破。2007年3月我国宣布在四川东北地区达州海相地层中发现的普光气田已探明储量为3560.72亿M3,为中国第二大气田。从上世纪50年代开始,我国科技人员就开始在海相地层中找油气田的努力,历时半个多世纪,终于攻下了这个难关。在2007年3月举行的国家科技奖励大会上,海相深层碳酸盐岩天然气成藏机理、勘探技术与普光大气田的发现,被授予国家科学技术进步一等奖。

    2007年5月,中国宣布在渤海湾发现储量10亿吨的冀东南堡大油田。在长达20年的勘探过程中,科技人员强化精细三维地震勘探,并配套应用新技术,克服了重重困难,取得突破性进展。中石油集团公司将凭借南堡油田的开发,落实科学发展观,与当年大庆油田原始、粗放式的开发方式不可同日而语。

    在石油地下洞室储存方面,我国有一定的基础。在天然气尤其是液化天然气地下储存方面处于初期阶段。

    值得注意的是,我国石油的年消费量,仅次于美国,2006年原油进口量与上一年相比增加了14.2%,达到1.4518亿吨,原油的进口依存度也达到47%。石油消费及进口量均居世界第二,形势不容乐观。

    在2007年9月召开的“中国油气论坛2007--油气勘探新领域技术研讨会”上,世界石油大气中国国家委员会主席王涛表示,根据新的资源评估结果,我国石油资源约为650亿吨,目前探明率为39%左右。我国天然气资源为25万亿m3,目前探明率约为24 .6%。今后,加大石油、天燃气岩石力学的研究势在必行。

    除力学方法以外,最近加拿大和英国的科学家发现利用微生物技术,可使老油井快速生产天然气。经过两年的实验研究,研究人员能够在玻璃试管中将石油在很短的时间内快速转化为可利用的甲烷--天燃气的主要成分。而在此之前,这一过程需要在地下经过好几万年才能完成。这套新方法模拟了微生物将石油降解为甲烷的缓慢自然过程。这种在地下存活了几亿年的微生物在无氧条件下能促使石油发酵并放出天然气。在实验室内,通过给微生物注入“奇迹生长”(Miracle. GH)催化剂肥料,可以加速这一过程。研究人员于2007年12月12日在“自然”(Nature)周刊网站上发表了他们的报告,并认为给深埋地下的一些制造气体的微生物提供催化剂就可以让难以开发的老油田重新“焕发青春”产生大量能源。

    5)天然气水合物(Natural gas hydrate)[87]-[88]

    天然气水合物又称“可燃冰”或冷冻天然气(Frozen natural gas)。它是由气体分子(主要是甲烷)和水分子组成的类冰固态物质,是在海底高压、低温条件下形成的,主要分布在大陆边缘的海洋底部及陆地长年冻土区,其最大储量约为常规可燃矿物的2.84倍。1立方米的可燃冰能释放出164立方米的天然气,是今后重要的替代能源。

    美国从20世纪60年代开始对“可燃冰”进行调查,1981年制定了“可燃冰”十年研究计划,1998年又把“可燃冰”作为国家发展的战略能源列入长远规划,每年投入2000万美圆,准备在2015年投入商业开采。日本于1992年开始研究开发海洋“可燃冰”,1995年投入150亿日圆制订了5年期的“甲烷水合物研究及开发初步计划”,目前已基本完成周边海域的“可燃冰”调查与评价,并计划在2010年进行试生产。

    近五年来,加拿大、德国、澳大利亚、法国、英国、比利时、巴西、挪威、印度等国都在进行“可燃冰”的开发研究。

    在我国,“可燃冰”的储量远大于煤层气。据中国地质调查局的初步调查,整个南中国的“可燃冰”的资源相当于700亿吨石油,是我国常规油气资源量的一半。此外,在我国青藏高原多年冻土区“可燃冰”的开发前景也十分广阔,

    2007年6月,国土资源部召开了新闻发布会宣布,经过9年的不懈努力,耗资5亿元,中国地质调查局在我国南海北部“神狐海域”首次钻探获得可燃冰实物样品,成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划系列可燃冰实物样品的国家。初步预测,我国南海北部陆坡可燃冰远景储量可达上百亿吨油当量,大约在2030年前后可进行商业性开采。在开采工作中必须注意的是:天然气水合物性质很不稳定,一旦失控,会造成灾难性后果,大量泄漏,会加剧全球的温室效应。

    6)核能

    近年来,出于安全和环境保护的需要,欧美大部分发达国家基本上停建或提前关闭核电站,核电设备和技术处于买方市场。与此相反,亚洲一些国家包括中国、日本、印度、韩国、伊朗、东南亚各国等都致力于核电建设。

    值得注意的是:近1-2年来,国际社会对开发核电的态度有很大的转变。在西方国家,反对核电的抗议浪潮趋于减弱,有的地方甚至烟消云散。2005年3月,来自74个国家的能源部长和官员在法国召开核能会议,重新提倡利用核能。尽管情况不能完全令人满意(如英国最大的塞拉菲尔德核电站于2005年5月发生核泄漏);又如,2007年7月16日,日本新?发生6.8级强地震,从而引起柏崎刈羽核电站失火以及放射性物质泄漏。17日又在排气筒处发现多种放射性物质,约有百个核废物筒在地震中翻倒,引起全社会的关注。但是,在权衡轻重之后,大批专家,包括反对核能的生态学家都认为,从长远的观点看问题,核能是满足全球电力需要,避免全球变暖比较可靠、有效的最佳选择。2005年6月28日,世界上首个国际热核实验反应堆项目(ITER),经过多方协商,最终敲定在法国马塞附近的卡达拉舍着手建设。这一重要举措,无疑会极大地增强人们对开发核能的信心。

    但是,我们也应该清醒地注意到,主要来自核电站的高放废物处置仍然是一个全球为之困惑的难题。虽然经过大约半个世纪的不懈努力,问题未获圆满解决。到现在为止,还没有一个国家已经建成可以安全、永久储存高放废物的设施[89]-[90]。

    为了解决上述世界难题,科学家提出不同的方案,例如太空处置、冰层处置、海底处置、岩熔处置及深部地质处置等。经过反复比较、论证,都认为深部地质处置是最佳方案。这种方案的实质是利用深达500-1000米的地下岩石洞室(结晶岩、岩盐、粘土岩等)作为永久处置库或称地质处置库,再通过工程屏障永久隔离高效废物[91]-[92]。

    在库址选择时,不但有许多岩石力学难题,如热力学?流体力学?岩石力学?化学(T-H-M-C)的耦合作用等,还涉及构造地质、水文地质、水文化学、地球物理、地球化学等方面的问题。此外,还要综合考虑政治、经济因素。由于含钚核废料的半衰期为2.4万年,因此,所要考虑的时间因素至少为1万年,甚至10万年以上。

为了更有效地解决上述问题,各国除自行研究外,还广泛进行国际合作,如著名的STRIPA计划,DECOVALEX计划,Asp?计划等。

    从总体上看,美国在这方面的研究处于领先地位。近期在美国发生的两件事已广泛引起国际社会的关注[93]:

    ① 将核能辐射剂量的设防标准从1万年提高到20-30万年。

    ② 启动地球科学实验室计划(Earth Lab Program),提出在高放废物处置中还应该考虑微生物的作用,即从目前所关注的T-H-M-C耦合过程之外,又加上一个微生物过程,形成深部热力学--水文地质学?岩石力学?化学?微生物学耦合过程(T-H-M-C-B,Deep Coupled Thermal-Hydrological-Mechanical and Biological Processes Research)。

    近年来,我国核电建设发展较快,预计到2010年核电装机容量将达到2000MW,2020年达到4000MW。按此规划推类,到2010`年我国积累燃料将达1000t,到2015年将达2000 t,2020年以后,每年将产生1000 t乏燃料。

    为顺利解决高放废物处置问题,我国于1985年制定了“高放废物深地质处置研究发展计划”(即SDC计划,后称DGD计划)。经过20余年的不懈努力,完成了高放废物深地质处置总体规划和总体技术研究、选址和场址评价研究、处置库概念设计调研、缓冲回填材料性能研究、天然类比研究、国外性能评价调研及计算机模拟等大量工作。初步确定甘肃北山为高放废物处置库的重点预选区,开展场址评价方法学研究,选择内蒙高庙子膨润土作为缓冲回填材料。2005年8月,国防科工委在北京组织召开高放废物处置研讨会。2006年中国岩石力学与工程学会正式建立了废物地下处置专业委员会,并于7月12日召开了成立大会暨首届学术交流大会,出版了论文集。上述举措无疑会进一步推动学科发展和科技进步[94]-[95]。

    在核电发展战略方面,潘家铮院士向国务院领导提出的“关于加速发展我国核能的建议”具有普遍的指导意义[96]

    在国际合作方面,我国与国际原子能机构(IAEA,International Atomic Energy Agency),开展了两期技术合作项目。此外,还与美、法、日、德、瑞士、瑞典、比利时等国建立了技术联系,参加了国际合作DECOVALEX计划中的一些课题研究。2004年5月在三峡工程现场组织召开了国际核废物处置中关键岩石力学研讨会。2005年,在国际岩石力学学会年会上,国际岩石力学学会批准了以我国科学家王驹博士牵头的地下废物专业组织(Interest Group on Underground Waste Disposal)。在该专业组织中,高放废物处置是最重要的一个主题。2006年7月,我们与美国科学观察家公司(Monitor Scientific)合作成功地举办了核废物管理和处置性能评价研讨会(Workshop on Performance Assessment for Nuclear Waste Management and Disposal),成效显著。

    如前所述,近年来,各国科学家正致力于核聚变研究。这种反应堆,不会产生放射性污染,是解决地球能源危机的根本途径。2007年3月中国科学院宣布,国家重大科学工程项目全超导非园截面核聚变实验装置(EAST,也称“人造太阳”)通过国家验收,为我国全面参与国际热核实验反应堆项目(ITER)创造了良好条件。

       7)海洋能

       海洋能包括:潮汐发电,波浪能发电,海洋温差发电和海流能发电。

       最近挪威科学家提出修建河、海水渗压发电计划,它的原理是,利用低浓度的液体(河水)向高浓度的液体(海水)流动时产生的渗透压力,推动涡轮机发电。研究人员准备在河流入海口处,用面积巨大的薄膜将河水和海水隔开,再利用河水的渗透压力产生电能,虽然距离商业生产还比较遥远,但是挪威能源集团已准备提供1300万欧元的开发费用。欧盟对这个项目也十分热心,近年来,在关键技术--对隔膜材料(必须具有结实、耐用、透水性好以及阻止盐分通过的性能)的研究取得了诸多进展。目前,每平方米隔膜的发电功率为3w,而专家认为必须超过5w,才能带来经济效益。

       作为一种清洁、可再生的“蓝色能源”,海洋能的开发利用日益受到人们的重视。据科学家估计,地球上潮汐能的发电量高达90万亿kW。目前,英国、美国、法国、日本、印度等已建成几十座潮汐电站。英国政府于2007年9月17日批准建立世界上最大的波浪能发电站,该电站将建在英国西南部度假胜地康沃尔半岛的圣艾夫斯湾,装机容量为20MW,耗资约6600万美元。计划于2009年投入运行,投产后,可在25年内减少CO2排放30万吨。

       我国海岸线长达18000余km,潮汐能源达1.9亿kW,可开发装机总容量为2179万kW,年发电量可达624万kW?h,可供开发200kW以上的潮汐港湾424处。

      为解决沿海地区能源短缺,保护生态环境,我国已将海洋能开发列为重点项目。最大的潮汐试验电站是浙江江厦潮汐电站,共有5台机组,总容量为3200kW,年发电量1100万kW?h。尽管潮汐能的发电成本较高,仍有巨大的开发前景。

       随着21世纪海洋高科技的飞速发展,海洋能发电将占更加重要的地位。

       8)热干岩发电技术

       在地壳浅部的某些构造部位,埋藏有热干岩(HDR,Hot Dry Rock)。这是一种干净的新能源。据估计,它包括的能量为地球全部石油、天然气和煤炭蕴藏能量的30倍。

       从上世纪70年代中期开始,美国、日本、法国、澳大利亚等国都单独或合作执行热干岩发电计划。在美国新墨西哥州芬顿山(Fenton Mountain)执行的国际合作计划中,钻井深度为4250-4660m。从注水井注入冷水21300m3,在热干岩中形成孔底循环,迅速将冷水变为高温、高压蒸气。在产出井地面可收到200℃的干蒸气,直接进入汽轮机发电,容量达10MW。日本从1975年开始进行基础研究,1985年正式启动HDR计划,以新能源开发组织(NEDO, New Energy and Industrial Technology Development Organization)为主,进行系统的现场试验研究。

       特别值得提出的是,最近日本国家资源与环境研究院(NIRE)提出了一项新技术,称为潜孔钻井同轴热交换系统,简称DCHE(Downhole Coaxial Heat Exchange System),可在同一个钻井中注水加热后发电。钻井深度约3000m,每一口井可发电6-9MW。

      在热干岩发电计划中,主要的岩石力学课题为:1. 高温高压下热干岩的力学性质;2. 热干岩人工致裂技术;3. 热干岩体中水力学-岩石力学-热力学的耦合作用等。

       我国对热干岩的开发利用正在探索中。

       最后,需要特别提出的,为了缓解能源紧张形势,我国政府于2005年颁布了《中华人民共和国可再生能源法》,(2005年2月28日第十届全国人大第14次会议通过),以法律的形式为我国可再生能源(包括风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能、水能)的开发指明了方向,其中大部分与岩石力学有关。

       (4) 地下工程

       人口爆炸、资源短缺、环境恶化、土地衰退、物种减少,人类赖以生存的地球表面已不堪重负。在这种情况下,各国除采取综合性的政治、经济措施以外,都日益注重地下空间和地下工程的开发利用。虽然有的科学家提出了21世纪在海上、空中建造大城市,实现人类海市蜃楼的梦想,但比较可行的还是“入地”。国际上一种非常普遍的观点是:“19世纪是桥的世纪,20世纪是高层建筑的世纪,21世纪则是人类开发地下空间的世纪”。号召人们“往深处想”(“Think Deep”),迎接岩石工程的“第四次浪潮”(“The Forth Wave of Rock Engineering”)。当前,许多发达国家都把地下空间当成一种新型的国土资源,并在总体上称之为“地下产业”。为适应形势的发展,国际上成立了不少与地下工程有关的组织。其中比较著名的是:国际隧道协会(ITA, International Tunneling Association),国际地下空间开发利用协会(ACUUS, Association for the Construction and Use of Underground Space),国际城市地下空间联合研究中心(ACUUS,Associated Research Centers for Urban Underground Space),隧道工程与快速开挖会议(RETC,Rapid Excavation & Tunelling Conference),美国地下建筑协会(AUA,American Underground-Construction Association),意大利隧道学会(SIG, Societa Italiana Gallerie)等。

       近几十年来,随着地下电站(水电、火电、核电、地热电),地下城市,地下储存(热能、超导电能、石油、天然气、CO2,压缩空气),地下铁道及轻轨建设,深部矿山及深海石油开采,放射性核废物地下储存,国防、人防工程的发展,岩石力学的研究重点日益转向地下,不但注意人工洞室的开挖,而且注意利用天然洞室或废旧矿井做地下工程。

       近年来,地下空间利用日益成为众所关心的热点。在一些发达国家,大城市的地下铁道网络已基本形成。当前纷纷把重点转向综合性地下城市建设,并制定了相应的总体规划及法律、法规。在日本新宿已建成一个地下城市的雏型,还计划在东京青山地区深10m,50m,100m的地下分三层修建球形地下城,使地下同地上一样成为一个现代化大城市。最近日本提出了地下爱丽丝城(Alice City)规划,开发深度达200m。日本还计划在市中心区50-100m深处建设地下飞机场,使其成为新的地下交通枢纽。2001年1月,日本政府决定在东京地表以下40m深处,建两条宽13m,双车道的外环高速公路,取代原计划的地表高架桥方案。除了为居民提供交通方便外,地下物流(UFT, Underground Freight Transport),包括管道运输,密封舱管线运输,地下物流系统的环境、安全、效益与立法等也是国际上关注的一个热点。迄今为止,已召开过4次国际会议(ISUFT),其中第4届是在上海召开的(2005年)。第5届地下物流国际会议将于2008年3月20-22日在美国Texas州Dallas举行。美国堪萨斯市利用矿山采空区建立了一个30万平方英尺的商业、工业中心。明尼苏达、得克萨斯等地区约有一万多户中产者移居地下。在德国、意大利等国家也有类似举动。据估计,到21世纪末,人类约有1/3将重新“穴居地下”。

       我国在地下工程开发方面还有许多潜力可挖。今后,迫切需要解决的问题是制订统一的开发规划和与之配套的法律、法规,使这项工作有法可依、有章可循。

       此外,还建议注意以下几个问题:

       1)发展全断面隧道掘进机技术

       无论是大、中型隧道,还是微型隧道工程,都应优先考虑采用掘进机施工方案。在城市微型隧道施工中,应大力推广非明挖技术(Trenchless Technology, TT)。

全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的研制和使用,体现了一个国家的综合科技和工业水平。

       近年来,我国在这方面取得了可喜的进展。2001年9月中国岩石力学与工程学会在北京组织召开了隧道掘进机及工程应用国际研讨会,会上潘家铮院士做了重要讲话。此后,学会理事长钱七虎院士在全国政协会议上数次联合若干政协委员提出了隧道掘进机本地化生产的建议。中国岩石力学与工程学会也通过中国科协将类似建议呈报中共中央、国务院、人大常委会等领导机构。

       2005年具有我国自主知识产权的掘进机“先行号”问世,开创了国产地铁盾构的新纪元。该掘进机为土压平衡式,直径6.34M,是由上海隧道工程股份有限公司机械厂研制成功的。此外,沈阳、大连、广州等重型机械厂也分别 与国际著名厂商 Wirth、Robbins、Herrenkneht等联合研制了不同型式的掘进机并投入生产。2007年沈重集团和沈矿集团合作组成北方重工集团有限公司,并将国际著名的法马通(NFM)公司并购。同年8月28日在沈阳举行了“北方重工揭牌仪式暨并购法国法马通(NFM)公司新闻发布会”,标志着我国TBM制造业跃上了一个新台阶。2007年12月15日深夜来自北方重工集团的全断面隧道掘进机自沈阳,运抵北京。该机直径11.97m,全长60 m,总重1600吨,总功率11870KW。这台被拆卸成36个部件,经过7昼夜运到北京的“巨无霸”主要用于北京西站--北京站直径线开挖。在这期间,我国还出版了几本专著。例如《岩石隧道掘进机(TBM)施工及工程应用》,《全断面岩石掘进机》,《盾构法隧道施工技术及应用》等[97]-[[99]。

       今后,进一步完善我国的掘进机工业体系及工程应用仍然是摆在我们面前一项重要作务。

        2)加强地下防护工程研究

        当前国际形势虽有所缓和,但天下并不太平。如美国在国会否决了禁止核试验条约不久,就研制出一种称为“蓝色太平洋”的超级计算机。该计算机可以精确地模拟核试验。2003年4月美国国会取消研制小型核弹头的禁令,政府加大了研制低当量核武器的力度。在这种情况下,我国必须加强地下防护工程的研究,岩石动力学应列为该项研究的重点。

       3)充分利用黄土资源建造地下工程

       我国黄土覆盖面积约为63万km2,大部分具有地层完整、强度较高、自稳能力较强的特点。我国劳动人民在黄土中修建民居有几千年的历史,但只限于民居显然是不够的,应该运用近代岩土力学原理和方法加以充分利用。

      (5) 海洋产业

       全球海洋总面积为3.6亿km2,占地球表面积的71%。海洋是生命的摇篮,是现代地球科学的发祥地和实验场。众所周知,板块构造学说主要来自对海洋的研究。此外,海洋中除潮汐能等可再生资源以外,还蕴藏着丰富的矿产资源和生物资源。近来,科学家还在地中海等海底以下发现丰富的淡水资源。海水淡化也是解决水资源短缺的一个重要途径。据初步估计,分布于海洋底的多金属矿产资源有万亿吨之多。当前伴随着全球人口激增、资源短缺和环境恶化,世界各国都竟相开发利用海洋资源,扩大人类生存和发展的空间。随着形势的发展,海洋开发势必成为一个规模宏大,举足轻重的产业。

       近几十年来,为了研究全球构造和资源调查,国际间执行了一系列多国合作计划,如深海钻探计划(DSDP,Deep Sea Drilling Program, 1968-1983),大洋钻探计划(ODP,Ocean Drilling Program)(1985-1995)及国际岩石圈计划(ILP,International Lethosphere Project, 1980-1999)等。

       通过执行这些计划,人们对岩石圈的结构和演化,板块构造模式,海洋环境,海洋底部的地质构造,地形地貌,水与岩石之间的耦合关系,油气及固体矿产资源等有了进一步的认识。采用的方法主要是地球物理勘探、岩芯钻探、空间技术等。

       在海洋矿业开采方面,各国都集中精力研制智能化遥控海底采掘生产系统,如英国已研制出可深入海底1万m的多功能机器人。预计在2010年后,可开始商业性开采。

       新中国成立以后,特别是改革开放以来,我国广泛开展海洋地质调查,已完成调查海域面积180万km2。海洋油气田新兴产业得到飞跃发展,远洋考察、极地考察也取得了重要成果。迄今为止,我国科学家对大洋已成功地进行了18次考察。最近,正在进行第19次考察活动。2007年2月科考队在西南印度洋板块海底热液活动区,取得了一系列宝贵的科研成果。如前所述,2007年5月,我国宣布,经过长达20年的勘探过程,在渤海湾发现冀东南堡油田,储量达10亿吨。

       经联合国批准,我国在东太平洋洋脊的C-C区(Clarion-Clippoton)获得了15万km2的专属勘探区,重点开展了一系列勘探、研究工作。1997年我国研制成功“CR-01”6000m水下机器人。2003年5月国务院批准了《全国海洋经济发展规划纲要》,决定有计划地对海洋进行保护性开发。

    从总体上看,我国在这方面与发达国家相比,还有一定的差距。今后充分利用高新技术,建立海洋产业是我国面临的重大课题。

    (6) 外星探索(Extraterrestrial Research)

    地球是人类的摇篮,但人类不能永远生活在摇篮里。为了拓宽生存空间,科学家把注意力首先转向月球和火星。在21世纪初叶,比较现实的是开发月球。据估计,月球上有丰富的钛、?等贵金属和氦?3,极有开采价值。

      如前所述,科学家正在探索使用“氦-3”同位素热核反应堆发电。但在地球上,“氦-3”储量不大,估计只有20吨,而在月球表面储量有几百万吨。据科学家估计,只需4吨氦气就足以满足美国一年的能源需求,只要有2架航天飞机就足以承担运输任务。因此,开发月球资源无疑是解决地球能源危机的一个新途径。

      自上世纪70年代美国和前苏联宇航员分别登上月球并在月球表面进行了钻探取样以来,人类再也没登上月球。如今,人们对月球的兴趣重新被点燃,甚至考虑在月球上建立居住点。近年来参加这项活动有美国宇航局、欧洲航天局(Smart-I计划)等。近1-2年来,日本、印度、巴西等也争相踏上探月之旅,太空探索趋于全球化。

2007年9月14日,日本首颗探月卫星“月亮女神”发射升空,2007年12月11日,美国宇航局宣布将实施一项新的探月计划,目标是探测月球的内部结构和演化历史,项目的全称为“重力恢复和内部实验室”(Grail),整个项目的耗资3.75亿美元,据美国“新太空探索”计划,美国宇航员在2020年前“重返月球”。

      为了探测和开发月球资源,为人类造福,2007年10月24日,由我国自行研制的“嫦娥一号”月球探测器在西昌卫星发射中心由长征三号甲运载火箭发射成功,使中华民族数千年的奔月梦想开始变为现实。

    “嫦娥一号”上载有分光仪分析记录月球表面的化学成分,有激光测高仪描给月球表面的地形,还有摄相机,拍摄三维月球表面的照片。此外,卫星上还有微波辐射计,用来测量月球的辐射热,还能探绘月球表面土层的深度。这些测量数据可以显示出月球内部的铀和钍等放射性物质的含量,进而揭示出月球的起源。

      2007年11月27日,国家航天局正式发布了“嫦娥一号”传回的第1幅月面图象,温家宝总理出席发布仪式并讲话。12月12日中共中央举行大会隆重庆祝首次月球探测工程圆满成功,胡锦涛主席发表重要讲话。

       我国今后还要实施第二期和第三期工程。中国探月第二期工程的主要目标是发射月球着陆探测器并携带巡视探测器,实施月面软着陆,在着陆区附近开展详细探测。第三期工程将发射月球着陆探测器,在着陆区附近进行探测,并采集月球样品返回地球。中国暂无送人上月球计划。

      在火星探测方面,美国一直居领先地位。2004年1月3月和24日,“勇气”号和“机遇”号先后登陆火星两侧对称地区,进行了大量探测工作。“勇气”号经过9个月的奋力攀登,在8月21日到达了赫斯本德山顶峰。登上顶峰以后,不仅用两台高分辨率彩色立体CCD全景相机对周围环境进行了拍摄,而且还用火星岩土探测仪对山顶的岩土进行了一系列科学实验,包括钻探,α粒子X射线光谱分析,矿物成份分析,颗粒分析等,取得了丰富的成果。

       (7) 城市化问题

       城市是现代世界经济活动的轴心。近200年来,全球城市人口已从3000万增加到目前的30亿。预计到2008年,全世界将有一半人口生活在城市。在一些国家,尤其是发展中国家,城市的飞速发展,以及大都市的不断涌现,带来了持续增长的人口,日益污染的空气,全面恶化的环境。据人口普查,我国人口城市化水平在2000年是36.9%,预测到2020年,这个数字将达到50%。在这种背景下,要满足人们不断提高的物质和精神生活需求,需要在经济发展和建设可持续发展城市之间寻求新的平衡点。为了建设新型的生态城市,我们需要解决一系列问题:如地下空间开发,快速交通网络,地下储能、储水,城市垃圾处理,水资源合理利用,水土流失,地面开裂,地面塌陷及其它极端灾害事件:如干旱、洪涝、地震、山崩、滑坡,泥石流等。上述各个问题均与岩土工程密切相关。

    与发达国家相比,我国在以下几个方面还存在较大的差距:

    1) 地下污水处理系统;

    2) 地下储水系统,包括地下水库、地下含水层储水,雨水收集利用等;

    3) 地下高速公路;

    4) 地下物流系统;

    5) 垃圾处理及污染土地和地下水修复技术,包括物理修复、化学修复、生物修复及综合生态修复等。

       当然,更重要的是要制定科学的、统一的规划,做到有序开发。在决策过程中,要更多地取得公众的理解和支持,提高公众的知情权、参与权与监督权。

      在城市规划中,要从更长远的观点,更深入的层次,更宽广的视野来看问题。在认真学习发达国家先进经验的同时,我们一定要充分吸取他们的教训,切不可重复别人犯过的错误。例如:从上个世纪90年代开始,一些发达国家陆续停止修建高架桥,代之以地下高速路。在美国波士顿,市政当局于1994年开始拆除建成于1959年的6车道高架桥,代之以在高架路下修建一条8-10车道的地下高速路和另一条通往机场的4车道地下隧道。一拆一修,耗资上百亿美元。我们一定要以此为戒,杜绝类似事件在我国发生[100]。

      (8) 历史文物保护

       历史文物是全世界人民共同的宝贵遗产。近年来历史文物保护工作越来越受到重视。国际岩石力学学会于1995年专门成立一个石质文物保护委员会(Commission on Preservation of Natural Stone Monuments)从事这方面的工作。该委员会在主席谷本亲伯(C. Tanimoto)教授(日本)主持下,对埃及金字塔、狮身人面雕像等进行了系统的研究工作,取得了丰硕的成果。

       我国是历史上四大文明古国之一,历史文物之多,举世罕见。改革开放以来,随着综合国力的不断增强,文物保护工作日趋活跃。上世纪80年代,我国科技人员在陈宗基教授指导下,成功地对甘肃麦碛山石窟进行了加固。此后,中国敦煌研究院组织科研人员对丝绸之路,尤其是敦煌石窟文物保护进行了系统的研究,提出不少有价值的论文,并成功地主办了数次国际研讨会。近年来,中国敦煌研究院李最雄教授出版了两本专著:《丝绸之路古遗址保护》和《丝绸之路石窟壁画彩塑保护》,很值得学习、参考[101]-[102]。上世纪90年代以来,中国科学院地质与地球物理研究所等单位的科研人员对浙江龙游石窟保护进行了大量工作。2004年9月中国岩石力学与工程学会与浙江龙游县人民政府联合主办了“中国龙游石窟保护国际学术讨论会”,会后出版了论文集[103],有力地推动了这方面的工作。2004年11月在国际岩石力学学会的年会上(日本京都),国际岩石力学学会石质文物保护委员会主席谷本亲伯(C. Tanimoto)教授先后邀请傅冰骏、杨林德教授做主题报告,前者的报告题目是:“中国古丝绸之路石质文物保护”,后者的报告题目是:“中国龙游石窟的价值和保护”。两个报告,深受欢迎。

       对此,谷本亲伯(C. Tanimoto)教授在致国际岩石力学主席团和全体理事的工作报告中(包括书面的和口头的)特别提及中国岩石力学与工程学会在这方面的贡献,感谢中国学会、中国同行对国际石质文物保护委员会的密切合作和一贯支持。2004年11月19日谷本亲伯(C. Tanimoto)教授致函傅冰骏教授,更直截了当地说:“你们把我救了”(I was saved by you)。由此可见,中国在国际舞台上的地位[104]-[105]。

       当然,目前的工作还远远不能满足要求。今后需要运用高科技手段,在全国范围内创造性地把这项工作进行下去。

       特别应该指出的是:石质文物保护不仅仅是一个科学技术问题,也涉及到许多管理方面的问题。必须明确:石质文物既是我国、也是全世界人民共同宝贵遗产。把石质文物当成“摇钱树”,单独追求经济利益、票房价值,将导致无法弥补的严重后果。

       (9)管理系统[106]

        随着全球经济一体化进程的加速,工程管理科学越来越受到人们的重视。近年来各国针对不同项目,开发出多种管理信息系统(MIS, Management Information System),对整个工程进行统一、全面、系统、全过程的管理和监控。此外,还出台了一系列规章、制度,如著名的菲迪克条款(FIDIC,Federation International Des Ingenierrs Conseils)管理体制。FIDIC成立于1913年,至今已有90多年的历史。以此为基础,在发包承包过程中,经常采用BOT方式(Build-Operate-Transfer,建设-运营-移交)。此外,还有其它方式如PM(Project Management项目管理)、BOOT(Build-Own-Operate-Transfer,建设-拥有-运营-移交)、BOM(Build-Operate-Maintain,建设-运营-管理)、CM方式(Construction Management,建设管理)、MD方式(Design Management,设计管理)、DB方式(Design-Build设计-建设)与交钥匙(Turnkey)方式等。在管理科学中,价值工程学或称工程经济学(Value Engineering)普遍受到重视。为适应形势的发展,在发达国家专门成立了合同顾问工程师协会(Association of Contractual Consulting Engineers)和注册仲裁工程师协会(Association for Chartered Institute of Arbitrators),从事与工程经济有关的活动。

       为了避免工程建设中的“长官意志”,短期行为,一些著名的研究、咨询机构,注重风险分析。如意大利Geodata咨询公司开发出地下工程风险评价管理系统(RMP,Risk Management Plan)。该系统将工程造价,完工期限,风险程度有机地进行综合分析,然后用定量的方式加以表达。在领导层(政治家)和工程技术人员之间架起一座桥梁,对科学地进行宏观决策很有帮助。近年来,该公司还与美国麻省理工学院(MIT)等合作,共同开发出隧道开挖决策辅助系统(DAY),进一步推动了这方面的工作。

        在国际范围内还有两点值得我们关注的是:

        1)价值工程学,这门学科的独特之处在于创新,通过创新保证工程质量,追求“最佳”、“最值”,而不是单纯削减造价。目前,欧美一些发达国家及日本等都出台相关立法,规定政府重大投资项目必须通过价值工程评估才能拨款。为适应形势的发展,在全球范围内成立了国际价值工程学会(ISVE, International Society for Value Engineering).

      2)法律工程学(Forensic Engineering),这是一门交叉、边缘学科。在一些发达国家,用法律条款或以严谨的司法观点来处理相关问题的案例日益增加。

近年来,我国在工程管理方面有不少进步。在三峡水利工程建设中,中国三峡开发总公司于1995年10月与加拿大Monenco Agra公司签订了合作开发三峡工程管理信息系统(TGPMS,Three Gorges Project Management System)的商务协议。实施后,效果良好。但从总体上看,我国在工程管理方面还比较落后。例如,我国的岩土工程勘测、设计、研究、施工体制结构基本上是按照前苏联的模式设立的,绝大部分属国家所有,分属各大行政部门,这种条块分割、分工过细的格局,显然赶不上形势的发展。

      还有一个值得注意的问题是,当前,在国际交往,尤其是对外承包工程方面,我国缺少兼通经济、法律、技术及熟悉国际“游戏规则”(包括市场标准、操作方法、市场运行规则等)方面的国际化项目管理人才。培养大批优秀的具有国际化视野和技能的项目管理人才已经成为当务之急。此外,由于现代资讯科技正在强烈地冲击着企业的管理方式、经营方式和传统观念,我们必须密切注意新动向,适应不断发展的新形势。

3.岩土工程基础建设中几个值得思考的问题

       (1) 工程规模越大越好吗?

      近年来,工程规模越大越好的观点不时见诸报端。实际上大规模工程建设,是一把双刃剑,在造福人类的同时,也带来诸多生态、环境方面的负面影响。规模越大,出现的问题越多。问题的出现有时比较快,有时可滞后几十年,甚至几百年。因此,工程规模不一定越大越好,片面追求“世界第一”,宣传“举世瞩目”,会把人们带入误区。

       (2)TMB(隧道掘进机)只适用於长隧道开挖吗?

       一般认为,当隧道全长大于6km,或隧道长度与直径之比大于600时,才采用掘进机方案。但近年来,随着科学技术的不断进步,这一传统观念已被工程实践所打破。例如在欧洲,一些发达国家、尤其是瑞士,有不少长度3km左右的隧道都采用掘进机开挖。再如,我国香港地区的葵青隧道(连接九龙半岛及新界地铁工程的一部分),全长只有1.8km,同样采用掘进机开挖。该隧道穿越一段坚硬岩层和一段旧填海区的软土,开挖直径8.75m,衬砌后直径7.62m,原计划采用钻爆法及明挖回填方案施工。经全面技术、经济比较后,最后采用混合式隧道掘进机(Mixed TBM)方案,成功地完成了开挖支护任务。     

       (3)地下工程的造价一定高于地面工程吗?

       一提到地下工程方案,往往是摇头者多,点头者少,主要原因是在不少人的心目中地下工程造价太高,竞争不过地面工程。这种传统的观念束缚着人们的头脑,限制了地下工程的发展,在绝大多数发展中国家尤其如此。实际上这并不是一个普遍规律,对具体情况要做具体分析。如日本政府原计划采用全线高架方式建设东京外环高速公路,由于沿线居民强烈反对这种严重污染环境的地面工程,一直不能付实施。2003年1月决定废除高架高速公路计划,代之以地下高速公路计划。建设地下高速公路不用花拆迁费和征地费,也无需给土地所有人支付补偿,可以降低造价、缩短工期。可行性研究表明,每公里的建设费用大约为800亿日圆,比高架式公路节约20-30%,建设工期可以从15年缩短到8年。至于环境效益更不待言。上述情况,很值得我们借鉴。

       (4) “城市扩张”是发展方向吗[107]?

       城市扩张(Urban Sprawl)也可以叫做“摊大饼”。这是一个全球性的问题。

上世纪第二次世界大战以后,英国提出“大伦敦规划”。后来受到“有机疏散理论”的冲击,城市功能从高度集中到有机疏散的方向发展,在伦敦周边建设了十几个功能齐全的中小城镇。

       进入21世纪以来,人们普遍认识到建立生态化城市的重要性。为达到这个目的,一方面努力开发地下空间,另一方面尽量缩小城市规模,力争建立更多的环境友好,布局合理的精巧城市(Compact City),而不是“摊大饼”。“让我们看见壮丽的天际线”,“让我们拥有更多的视野权和采光权”,“让我们生活在更加宁静的环境中”已成为人们的共识。立交桥、高架桥、摩天大楼已不是现代化城市的标志,更不值得去宣传、去歌颂。迄今为止,我国城市发展的某些方面令人担忧,不少媒体还把“摊大饼”当成一种光荣的事业去宣传。在这个问题上,我们要从全局的观点,更深的层次,反思城市的发展、生态的保护及人类自身的行为。

      (5)筑坝还是拆坝?

       由于筑坝在生态环境方面带来一些负面影响,从上世纪六七十年代以来,在国际上出现一股势力。这股势力源自美国,近年来波及全球,包括中国。这些人士把筑坝说的一无是处,甚至上升到侵犯人权的高度,一时闹得沸沸扬扬,大有黑云压城城欲摧之势。

    毫无疑问,我们承认筑坝中有忽视生态环境保护和移民权益等问题,要在研究水利学的同时研究“水害学”。今后做到有序开发,合理利用。但是不能因噎废食,停止建坝,正如我们不能因为开现代化的汽车发生些事故,就放弃汽车再回到老祖宗时代去赶牛车一样。的确,美国等一些发达国家拆了一些坝,但都是没有使用价值的坝,像美国在上世纪三十年代修建的Boulder大坝,至今仍在正常运转发挥效益。该坝为拱形重力坝,最大坝高221.3m,库容:35.2 ? 106m3,装机19台,总容量为208万kw,于1931年动工,1935年完工。建成后,发挥了发电(每年超过40亿KWH)、灌溉(美国 100万英亩,墨西哥50万英亩)、供水(为拉斯维加,洛杉矶等城市1800万居民及商业区提供高质量水源)、旅游(每年接待游客约900万人)等综合效益,在水库附近还建成了一座野生动植物保护区,改善了自然环境。1994年,美国土木工程师学会将该工程列为美国近代七大土木工程奇迹之一,作为永久纪念。

       在这方面,建议认真学习一下潘家铮院士的论文“也谈水电开发和拆坝问题”,进一步提高认识[108]。

       (6)科学钻井能用于核废料长期储存吗?

       科学钻井用于核废物储存是刘广志院士提出来的。刘院士在“探矿工程要不断创新才能实现跨越”一文中提出:“在美国和欧洲一些国家,曾利用这种深井长期储存核废料,既安全又可靠。核废料存在井底,经局部封闭后,上部还可以进行其它实验工作,一孔多用,一举多得。我国也应充分利用这口难得的硬岩深井”[109]。

       毫无疑问,我们在拜读刘院士的论文之后深受启发、教育,但对在科学钻井中储存核废物这一论点则不敢苟同。本着学术上百家争鸣的方针,以下提出几点浅见向刘院士及有关同行请教。

       如前所述:

       1)核废物处置尤其高放废物处置是一个全球为之困惑的难题,各国经过大约半个世纪的努力,至今这个难题未获圆满解决。到现在为止,还没有一个国家已经建成可以安全、永久储存高放废物的设施。

       2)为解决上述难题,科学家提出了不同方案。如太空处置、冰层处置等。经过反复比较、论证,都认为深部地质处置是最佳方案。此外,在工作过程中,要考虑的时间效应是少为1万年甚至几十万年。处置库的成败,关系到当代人类社会乃至千秋万代的宁静与安全,因此也是一项“通天工程”。在一些发达国家运用了最高权力机构,如国会、总统、总理等监管此事,如美国Yucca Mouutain高放废物处置库场地的选定是由布什总统于2002年批准的。其它发达国家的情况大致相同。

       3)在处置库选址方面,国际原子能机构(IAEA)早在1982年就发布了指导性的文件[110]。1994年颁布了安全导则NO.111-G-4.1《地质处置设施选址》,2005年又编制了DS334《放射性废物地质处置设施的设计和运行》,用于代替NO.111-G-4.1安全导则。美国、加拿大、德国、法国及我国也分别根据本国的具体情况制订了有关文件。

       虽然在一些次要问题上,上述导则有所区别,但人文、社会、经济条件和自然条件是共同关心的问题,主要包括:核工业布局,人口密度,居民健康及安全环保,土地资源,矿产资源,动植物资源,废物运输中的风险,公众和当地政府的态度,以及地形、地貌、气候、水文、火山、地应力、大地热流、地震、岩石物理力学性质、构造稳定性、水文地质、水文化学、地球化学、未来人类活动及自然变化趋势等[111]-[113]。

       选址是一个综合、反复过程。国际原子能机构提出分4个阶段进行,即规划与总体研究,区域调查,场址初选,场址终选,并规定了各个阶段的工作内容。选址也是一项长期过程,一般需要20-30年左右的时间。由此可见,这项工作不仅涉及到一系列岩石力学难题,而且涉及到诸多政治、经济和社会问题。不仅要考虑地质?热力学?水文地质学?岩体力学?化学?微生物?工程(G-T-H-M-C-B-E)的耦合关系,还要考虑自然科学和社会科学的耦合关系,不但专业知识跨度很大,而且还有诸多自然和社会的不确定因素。

      为此国际原子能机构颁布了“乏燃料安全管理与放射性废物安全管理公约”,在公约中对核废物储存地点的选择提出了明确的要求。

       鉴于问题十分复杂,在国际范围内,包括美国和欧洲一些国家,都没有利用科学深井作为长期储存核废物的工程实例。

       在适宜的地质建造中,利用钻井进行液体放射性废物深部处置,前苏联自上世纪50年代以来进行了大量科学研究和工程实践[114]。工作的要点在于详细的前期调查研究工作和正确的科学决策。采用上述方法,由于较难预测放射性核素的分布范围和未来潜在的风险,在国际上尚有不少争议。

       总之,核废物储存地点的选择绝不是想象中的那么简单,否则美国的Yucca Mountain项目用不着布什总统亲自拍板定案。由此可见,利用我国江苏东海的第一口科学钻井长期储存核废物的建议是很难行得通的。

       特别值得注意的是,把核废物长期储存在经济比较发达、人口比较稠密的地区(如中国沿海省份)是选址工作中的一项“大忌”,对此千万不能掉以轻心。

       (7)“以市场换技术”行得通吗?

    “以市场换技术”的口号曾经在我国风靡一时,影响范围主要在装备制造业和经济界。有关人士认为:只要市场开放了,技术也会随之而来。事实上,能否如愿以偿呢?

       实践证明,这条路是行不通的。以过去的汽车工业为例,我国在一波又一波的引进中,逐渐失去了自己的汽车生产技术和能力。结果市场让出去了,原有技术也丢了,关键技术的转让少而又少,真正成了依附型工业。

      在岩石力学与岩石工程领域,尤其是在施工机械设备(如隧道掘进机)制造方面也在不同程度上存在类似的问题,应该引起我们的高度重视。

当前,我国已经把建设科技创新型国家作为国策,使科技创新成为推动可持续发展的强大动力。但是“具有中国自主知识产权”的挑战刚刚开始,任重道远,还需要我们加倍努力。

三、对今后工作的意见和建议

      拥有五千年文明史的中华民族在历经磨难之后,重新走在伟大复兴的道路上。我国国民经济已连续4年以10%以上的速度增长。但是,形势不容乐观,不少地区经济发展是以破坏环境为代价的。为此,我国政府已决定改变经济增长方式,把保护环境作为经济发展的基础,使经济发展与绿色环保同行。

       关于工程建设与环境保护问题,重申以下观点可能是有益的[115]:

       1.大规模工程建设,在某些方面已超过了地球的承载能力。我们赖以生存的岩石圈已不堪重负。环境恶化的进程有时比较快,有时可滞后几十年或几百年。对于高放核废料处置所要考虑的时间效应至少为一万年,甚至几十万年。

       2.资源开发与环境保护是人类生存、社会发展的两大主题。在可持续发展过程中,人类只能按自然规律办事,谁违反自然规律,谁就要受到大自然的惩罚,甚至加倍惩罚。

      3.人类在大规模基础建设中,还有不少问题处于“必然王国”,严重问题的出现往往是事先预料不到的。当然,我们不可采取悲观主义的态度,因噎废食,不搞建设,但必须充份认识到问题的严重性,事先做好风险分析和价值评估,避免不良后果。

      4.岩土工程建设绝不是一个单纯的技术问题。它不但涉及地学领域的诸多学科,还涉及到政治学、经济学、社会学、生态学、心理学、伦理学(ethics)等一系列学科。它是一项复杂的系统工程,必须从全国,甚至全球的角度来考虑问题。

      在此基础上,对今后的工作提出以下意见或建议。

       1.从更宽广的范围来研究岩体[116]

       由研究局限的岩体走向解决山体、地体等大范围、大尺度工程和资源开发、环境保护问题

       从传统的一些岩体工程向“上天、入地、下海、登极”进军,向严重自然灾害(如冰川融化、海平面上升、石漠化、沙漠化、高烈度地震、海啸,巨型山崩等)的预测和防治,大规模杀伤性暴力攻击的防护进军。在研究过程中,要充分运用近年来兴起的一些新技术,如3S系统生物技术、纳米技术(nanotechnology)、数字基础设施信息技术(cyberinfrastructure),虚拟现实技术(VRT)等

       2.要更加注重多种因素的耦合作用

       以往的注意力主要集中在岩体力学本身,后来考虑到岩体力学?水力学的耦合作用。目前,根据不同情况要考虑以下耦合作用:

       1)热力学--水力学--岩石力学--化学(T-H-M-C)模型耦合。

       2)热力学?水力学?岩石力学?化学?微生物学(T-H-M-C-B)模型耦合;

       3)地质?热力学?水力学?岩石力学?化学?微生物学?工程(G-T-H-M-C-B-E)模型耦合;

       4)地球内动力及外动力多种性质不同荷载作用的耦合。

       进一步应该考虑到的是:

       5)自然科学与社会科学的耦合;

       6)岩石圈?生物圈?大气圈的耦合

       3.采用新途径解决复杂系统的耦合问题

       对于开放的复杂岩体系统工程,建议推广应用钱学森先生提出的系统科学理论和方法。如:“系统论”、“控制论”、“信息论”及与非线性科学有关的混沌理论,耗散结构论,协同论,突变论,分形分维理论,神经网络等新理论、新方法来指导我们的工作。

       此外,运用王思敬院士等提出了多重综合集成(Multiple Meta-synthetics)途径,包括多源知识的综合集成,多种手段的综合集成及多尺度的综合集成,作为解决上述问题的基础,也值得学习、应用[116]

       4.岩石力学研究必须与工程实践相结合[117]

    “岩石力学的强大生命力在于密切联系工程实际”已成为人们的共识。半个多世纪的工程实践说明,岩石力学不同于数学、天文学,其中许多问题无法单纯依靠计算来解决。当前,人类可以准确无误地把飞行器送上太空,探索宇宙奥秘,但对复杂的裂隙岩体却常常无能为力。迄今为止,各种事故仍不断发生,以致国际上某些权威人士认为:岩石力学与其说是一门科学(Science),不如说是一门艺术(Art)。虽然有些夸张,但是足以说明问题的复杂性。

      根据统计资料,世界上许多岩石工程的失事,大都不是由于计算错误,而是由于对工程地质条件、岩体条件的宏观判断错误造成的。为了提高宏观判断水平,除了要掌握扎实的、系统的理论知识以外,很重要的一条就是迈开双脚走出办公室,到现场去观察、思考、认识问题,取得第一手资料,丰富自己的感性认识,从实践中发现问题,解决问题,发展理论。

       近年来,与非线性科学有关的一些新理论、新方法已不同程度地渗入到岩石力学领域。一系列数值分析方面的新方法、新程序,例如不连续变形分析法(DDA法)、流形元法(MM法)、连续介质和三维连续介质快速拉格朗日分析法(FLAC,FLAC3D),通用和三维离散元程序(UDEC,DEC3D),二维及三维颗粒流程序(PFC2D,PEC3D),ADINA程序,ABACUS程序和ANSYS程序以及多种方法的耦合程序等,也在不同程度上得到应用。

       毫无疑问,这方面的工作在很大的程度上推动了学科发展和科技进步,应该继续加强,而不是削弱。但目前存在的问题,不在于计算方法本身,而在于所采用的岩体力学参数,边界条件,地质力学模型与计算模型是否与实际情况相符。为了使计算结果更加符合实际,光有书本知识和计算技能是不够的,最好能亲自参加勘测,动手实验,并熟悉设计、施工、运行全过程。通过实践,搞清楚岩体工程的实际情况与理论假定有什么区别。这样才能在理论研究与工程实际之间架起一座桥梁,才能提高岩石力学总体水平,更好地为工程建设服务。

       5.加强与有关专业之间的密切合作和人才培养

       当前,信息革命的浪潮席卷全球,给人类社会带来了巨大冲击。在信息社会中,传统的学科分工现已不符合时代要求,各种学科的交流、交叉、融合、渗透已成为总的发展趋势。

       为了给科技创新营造一个良好的环境,我们一方面要加强各个专业(包括规划、勘测、试验、设计、监测、运营等)人员之间的密切合作;另一方面要大力培养一批高素质的跨学科的综合性人才。我们不仅需要精通本专业的专家,更需要兼通各个专业,博专结合、以博带专、一专多能的“杂家”。在此基础上期望能涌现出若干国际级的大师(Great Master)。对于这个问题,潘家铮院士早在1984年就提出来了[118]。二十多年后,情况虽然有很大的好转,但仍需继续努力。此外,加速培养大量熟悉“国际游戏”规则的项目管理人员也刻不容缓。

结束语

       我国正在科学发展观的道路上阔步前进。展望未来,我们充满信心和希望。深信广大岩石力学工作者必将克服重重困难,为实现我国从岩石力学大国到岩石力学强国的转变,为人类的可持续发展,做出更加辉煌的成就。

       同时,我们也深信,我国青年一代的岩石力学与岩石工程工作者必将加倍努力,“青出于蓝而胜于蓝”,在新长征的道路上,做出更大的贡献。