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揭开黄土深处那凶险的奥秘——彭建兵院士侧记

发布时间:2021-02-07 来源:西部大开发杂志 人气:
   
  从江城到古都,今年68岁的彭建兵把一生最美好的年华奉献给了大西北。
 
  回首往事,彭建兵把自己的科研历程分为四个阶段:25岁到35岁读书,积累,打基础。和志同道合的师兄弟们指点江山,激扬文字,行万里路的所见所闻积淀成“资料”和“知识”,书本上的经典开枝散叶,生根发芽。学科体系由模糊到清晰,由抽象到具象。导师的教诲,切身的感悟,启迪出灵光乍现的惊呼和跃跃欲试的冲动。36岁到45岁,尝试着发表独到的见解,目光由明亮变得敏锐,思想由肤浅变得深沉,可以对“丰富”和“浩瀚”条分缕析,深入腠理,科研进入起步阶段。46岁到59岁,由厚积而薄发,由渐进而跃升。如果以“功夫”而论,已经打通了“任督二脉”,可以“纵横江湖”了——很多科技成果奖就在这一时期荣获;60岁到现在,“功夫”渐趋炉火纯青,在自己深耕的领域可以自由驰骋,即使被称之开宗立派也不为过。
 
  “追凶”于黄土高原
 
  对于自己从事的地质灾害防治事业,这位南方才子幽默的称之为“追凶”——找出导致黄土高原形成、产生地质灾害的原因,揪出潜藏在大地深处的“凶手”,并提出防治措施。还大地以宁静,还社会以平安,确保国家重点工程修建于坚实的地基之上,确保黄土地上的人们生活得安全、祥和。为什么选择这一领域作为研究对象?因为黄土高原上的滑坡有近10万之多,严重威胁着黄土地上的城镇、重大工程和人居安全。“黄土高原如此生动鲜活,给了我们一个辽阔的精神世界和一个奇妙的地质世界,诱惑并驱使我们持续关注着这块浑厚、广漠和神奇的土地。我们年年行走在苍茫高原之上,去解读和破解黄土滑坡的地质密码,追踪着黄土滑坡的孕育、形成和演化的蛛丝马迹,寻找着黄土滑坡的‘元凶’‘主凶’‘帮凶’。”这是彭建兵的夫子自道。
 
  在我国华北地区与西北地区的交界处,有一片44万平方公里的黄土高原。这是一块占全球黄土分布的70%、世界上黄土覆盖面积最大的高原,从地理位置上看,东起太行山,西至乌鞘岭,南至秦岭,北抵长城,横贯山西、陕西、甘肃、青海、宁夏、内蒙古等7个省(区)。厚达数十米到数百米的黄土下,不仅蕴藏着久远的文明,也积蓄着无尽的宝藏。当然,也潜隐着巨大的摧毁一切的“恶之源”:滑坡、崩塌、泥石流、水土流失。直接后果或地面沉降,导致建筑物倒塌,交通线路扭曲断裂;或整体陷落,吞噬生灵和财产。上世纪90年代,陕西省子长县黄家川发生黄土崩塌,压死7人;延川县红旗沟也是黄土崩塌,压死15人。资料显示,不同区域的暗穴、地裂缝等深层“凶手”,肆无忌惮地肢解着城市的肌体,已经成为社会经济发展的巨大隐患。
 
  只要地壳在运动,只要人类创造财富、推进文明的采掘、探秘没有终止,全球各地必然都会有“凶手”出没,都会潜伏这样的危机。
 
  于是,战胜灾害、消弭危机的科学就召唤人类中的精英们承担使命,踏上征途。这些地质研究者就是找出灾害“凶手”的“侦探”、预防控制灾害的“医生”。“地质灾害过程充满了不确定因素,是难以预报和难以控制的,这也是它极富吸引力和挑战性的原因。”惟其如此,才引得“无数英雄竞折腰”,在这一领域大显身手;“灾害治理与预警虽然劳神费力,但关乎国家和人民的安危,我们责无旁贷”。这就是“为天地立心,为生民立命,为往圣继绝学,为万世开太平”的担当与境界!
 
  1988年,彭建兵参与了“西安市环境地质研究”和“渭河盆地活动断层及其对工程建筑的影响研究”两个项目,黄土高原灾害研究进入一个新的阶段。1992年到1994年,受西北水电设计院委托,他对黄河积石峡水库10个大型滑坡开展了系统研究,为后来的野外观察和理论思考奠定了坚实的基础。2002年,彭建兵又承担了原交通部重大科技项目“探测湿陷性黄土暗穴技术研究”。那数百万个黄土洞穴把那片高原“欺凌”的满目疮痍,看上去更像一个个神秘的眼睛,咄咄逼人地向探秘者投来挑战的目光:“来呀!你行吗?你敢吗?你能弄清我的前世今生吗?”年富力强的彭建兵以科学的态度对待科学,以真理的精神追求真理。为了查明这些暗穴的分布规律,他带领团队辗转于陇西、陇东、陕北、吕梁、汾渭等地,纵横穿越4万公里,实地调查了数百个黄土滑坡,取得了大量第一手宝贵资料,从微观洞穴到中观地貌再到宏观现象,从表面黄土到深层肌理再到地质结构,从个别案例到局部启迪再到发现真谛,逐步完成了“由表及里,由浅入深”,由现象到本质的飞跃。在120万字的《黄土高原滑坡灾害》专著和系列中英文论文中,他 基于详细地质编录和科学勘探,发现黄土滑坡具有显著的分布选择性和群发周期性,厘定出黄土高原八个滑坡高发区带。他笃定的确认:区域构造应力是黄土高原滑坡分区分带群发的主要驱动力,这是黄土滑坡的“第一元凶”;黄土边坡土体看似均匀,实际上普遍发育着断层、构造节理、垂直节理、卸荷裂隙和软弱层面等奇妙而又复杂的结构面,而黄土边坡构造应力是单体滑坡形成的主要驱动力,是黄土滑坡的“第二元凶”;黄土在微观上呈现特殊架空结构,细观上呈现疏松多孔、多裂隙结构特征。通过大量的土力学试验,彭建兵发现黄土的区域构造应力是黄土高原滑坡分区分带群发的主要驱动力,是黄土土体灾变的内在原因,是黄土滑坡的“第三元凶”,这 三大“元凶”孕育和形成了黄土滑坡的原型,是黄土滑坡发生的初始条件。
 
  2013年,是彭建兵在黄土高原“追凶”之旅的关键之年。借助承担国家“973计划”项目的有利条件,他联合国内多家科研单位的科学家全面开展了“黄土重大灾害及灾害链的发生、演化机制与防空理论”的系统研究。在陕西泾阳黄土南原,彭建兵通过现场勘探、观察和原型试验,终于揭开了动水驱动滑坡形成的谜底,由此建立了动水渗透作用下的黄土滑坡响应动力学模式,确定动水渗透作用是黄土滑坡的“主凶”。接下来,“我们研究发现,黄土地区许多灾难性的滑坡是由人类工程堆载或开挖卸载引起的。”据此,彭建兵的团队建立了工程扰动应力作用下的黄土滑坡响应系列,确定工程扰动应力是黄土滑坡的“帮凶。”
 
  至此,“凶手”全部归案,彭建兵的研究跨出了关键性的一步。他深知,地质世界是一方整体性的织锦,里面交会着各种错综复杂的势力,因此他还特别关注各种动力之间的巧妙协同作用,认为五种应力的跨尺度耦合协同作用是黄土大规模滑移成灾的主要驱动力。由此,提出了构造应力驱动、边坡结构控制、动水液化启动和工程应力促发的黄土滑坡多因耦合成因理论。
 
  “追凶”的历程是艰辛的,但彭建兵的感悟却充满了诗情画意。他在《黄土高原滑坡灾害“追凶”三十年》一文中这样写道:“自然界非常小心地守卫着她的地质秘密,你不得不动用全部的智慧和借助大量的勘探手段把那些埋藏在地质体内部的秘密袒露在人们面前,以无可争辩的事实诠释其本质。”
 
  也许,这才是真正意义上的“诗意地栖居”。
 
  揭开地裂缝的真面目
 
  2005年,彭建兵申报的“汾渭盆地地裂缝成因与大陆动力学”重点基金项目获得批准。他以西安地裂缝研究为突破口,以汾渭盆地地裂缝研究为创新基地,延伸到华北平原典型地裂缝的精细研究,完成了“西安-汾渭-华北”地裂缝研究三部曲。
 
  地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下,产生开裂,并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种地质现象,成因复杂,危害巨大。所过之处撕裂楼房、错断道路、毁坏管道,严重危及人类安全,我国16个省市遭遇这类灾害。其中,西安14条地裂缝最为显著,严重影响城市发展和人居安宁。“多年来我对西安地裂缝有着强烈的刨根究底的愿望和想揭密它的冲动。因为,认识它、解密它、监测它、防控它是我们西安地质人的责任所在。”围绕这一课题,彭建兵带领团队持续开展了长达20年的研究勘探,查明并揭示了西安地裂缝的时空分布规律。原来西安地区下伏土层中发育着一个构造破裂系统,这个地裂缝就是下伏破裂在地表的出露;而且3.5万年以来,西安地区经历过四次地裂缝群发周期,地裂缝形成的历史足够漫长;彭建兵以GPS观测数据为约束,通过反演计算发现:区域拉张应力是西安地裂缝群发的动力源;最后,他从大型物理模拟和数值模拟中得知,超采地下水引起的地面沉降是西安地裂缝复活及超常活动的主要原因。在查明地裂缝发育规律和成因的基础上,通过大型物理模拟试验发现地裂缝引起工程建筑物开裂模式为竖向拉裂、斜向陷裂、水平剪裂、平面褶裂、镜向开裂和三维扭裂等六类,提出了控制采水、合理避让、适应变形和局部加固的地裂缝综合减灾理论,形成了城镇地裂缝防控理论和技术,大大降低了西安地裂缝的灾害风险。这些研究成果,集中体现在121万字的《西安地裂缝灾害》专著和系列中英文论文中。
 
  与此同时,彭建兵带领团队在山西、山东、河北等华北5省区11万平方公里的土地上勘察、试验,发现那里的“一个个盆地,一条条土梁,一道道沟谷,一座座村镇,一位位汾渭人,都承载、记录和讲述着地裂缝的故事:大陆构造动力造成汾渭盆地数千万年的持续沉降,盆地构造动力自下而上驱动着盆地表土层伸展破裂,断裂构造蠕动形成了地裂缝的破裂原型,异常的水动力激发了地裂缝的扩展和复活,一道道裂缝将盆地与山脉分割开来,将平地破解成台地和洼地,将城市肢解的七零八落……”在这10年中,他在华北地区发现了1521条地裂缝,查明了汾渭盆地地裂缝的分布状况,揭示了地裂缝的区域分布规律,发现了地裂缝三向产出规律和运动规律、地裂缝的时间活动规律、生成规律和工程致灾规律,形成了我国地裂缝研究的系统基础资料。在此基础上,他编制了278幅不同比例尺地裂缝分布图,辅以大型物理数值模拟和理论分析,研究提出了城市地裂缝综合防治技术体系,突破了地铁、高铁、高速公路和长输管线等生命线工程的地裂缝减灾难题。这一阶段的研究成果,集中体现在130万字的专著《汾渭盆地地裂缝灾害》和系列中英文论文中。他说:“我们研究地裂缝不是为了荣誉或名利,只是因为乐在其中——发现大自然的运行规律,保障汾渭这块沃土上的城市、工程和人民的安宁,这就是我们持之以恒的原因”。
 
  近年来,彭建兵带领团队成功地突破了我国地铁、高铁建设中的地裂缝防控重大难题。西安14条地裂缝与拟建的15条地铁相交上百处,地铁隧道可能被地裂缝剪断,这个挑战在世界上是独一无二的。 针对这种情况,他带领团队开展通过多组大型物理模拟试验和数值模拟,再现了地裂缝活动下地铁隧道三维变形破坏的细节过程,在此基础上提出了“分段设缝、扩大断面、预留静空、结构防水”的地铁隧道适应地裂缝变形的结构应对措施,成功解决了西安地铁建设中的重大技术难题。大同—西安高铁24处与活动地裂缝相交,面临着重大灾难风险,这在世界高铁建设史上尚无先例。 他们通过大型物理模拟试验再现了地裂缝活动下高铁路基和桥梁的变形破坏细节过程,提出了基于适应变形和动态调整的高铁跨地裂缝的科学方案,为大西高铁工程建设提供了技术支撑,其成果也在我国其他长输生命线工程中得到推广应用。国家自然科学基金委专门刊登新闻对其进行评价:“地质学家为地铁、高铁成功穿越地裂缝(区)保驾护航”!
 
  此后,一系列重大的研究成果使彭建兵对中国地裂缝的认识逐步上升到一个全新的境界,他提出的“构造控缝、应力导缝、抽水扩缝和浸水开缝”的地裂缝成因系统理论,被国际学术界认为是“目前地裂缝成因最为流行和广泛接收的理论”,该成果获得了国家科技进步二等奖,彭建兵是排名第一的获奖者。
 
  如今,他的地裂缝研究又走向了国际,在国际合作重大项目支持下,已开始系统地研究东非裂谷地裂缝,并发现东非裂谷地裂缝的形成既与现代板块拉张构造运动有关,也与地球深部火山活动相关,还与地表水入渗侵蚀有关。基于这一成因认识提出了东非铁路安全跨越地裂缝的工程应对措施,不仅支撑了一带一路东非铁路建设,而且引领着国际地裂缝前沿研究。
 
  “每次步入黄土高原都如同追逐一个神秘的梦境,脚下踩着的黄土仿佛有种神奇的魔力,与我们有着深深的内心呼应,每每让我们涌出一种莫名的激动。”正因为如此,彭建兵依然醉心于脚下这方热土,默默地耕耘于斯,奉献于斯。
 
  链接
 
  彭建兵 1953年4月出生于湖北麻城,1978年毕业于武汉地质学院,1999年毕业于西安工程学院地质工程专业,取得工学博士学位。现任长安大学黄河研究院院长、地质灾害研究院院长,一级教授、博士生导师;自然资源部科技创新团体负责人,国家“973计划”项目首席科学家,国家重大基金项目首席科学家,陕西省师德楷模,陕西省杰出人才,李四光地质科学奖获得者,全国模范教师;学术兼职国家自然科学基金委员会地学部咨询委员会委员、中国地质学会工程地质专业委员会主任、国际减灾协会指导委员会委员。2019年11月22日,当选中国科学院院士。(文/王遂社  黄明)
责任编辑:刘玉

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