岩石力学与工程地质的交叉融合与创新——记清华大学水利系副教授刘晓丽

本刊记者 王海涛

岩石力学与工程地质的交叉融合与创新
——记清华大学水利系副教授刘晓丽

本刊记者 王海涛

作国际学术会议报告

自原始社会，人类已开始利用岩石制作工具和武器，并逐渐学会在岩石中开采矿产资源，利用岩石作建筑材料，依托岩体建造地下工程，可见岩石力学与人类生活紧密相关。近年来，岩石工程发展迅速，世界上已建成的大坝高度已达300余米，地下工程的开挖深度也已超过3000米，然而更巨大、更复杂的岩石工程还在日益增加，岩石力学的新理论、新方法、新技术亟待发展。

岩石力学是一门研究岩石在外界因素，如荷载、水流、温度、化学、生物过程变化等作用下的应力、应变、稳定性及工程加固的学科。清华大学水利系副教授刘晓丽通过物理模型试验、理论分析以及数值模拟相结合的途径，针对岩土力学与岩土工程问题，特别是地下工程的开挖，开展了深入细致的研究，取得了创新性研究成果。

从“地上水库”到“地下水库”

坐在记者面前的刘晓丽前一天刚出差回来，“跑现场”对于他来说是家常便饭，但身体上的疲惫从来不会影响他投入工作的热情。

位于内蒙古省的鄂尔多斯是个干旱缺水的地区，据刘晓丽调查，在当地每使用1立方水需要花去9元，而在北京只需要5元，水资源对鄂尔多斯来说是极其宝贵的。然而，缺水的鄂尔多斯却拥有着丰富的煤矿资源，开采业的繁荣支撑了代代人在这里繁衍生息。

但不容忽视的问题是，在煤矿开采过程中会破坏煤层及上下岩层，贮存于其间的地下水系统便会遭到破坏，水资源不断渗流到开采空间，轻则影响开采过程，重则发生重大突水事故，威胁煤矿工人安全。传统做法是用水泵把地下水从工作面排到地表，自然蒸发而散。鄂尔多斯所在的西北地区水蒸发量是降水量的6倍以上，上述做法无疑是对宝贵的地下水资源极大的浪费，水资源的短缺不但威胁着人的生活，也严重影响了地区的生态环境。

为了保水，传统的办法是把开采的厚度大大减少，尽量防止煤层上下层岩石的破坏，这样便可把水继续保存在地下，但这样做是以大量煤炭资源为代价。一方面是作为国家重要经济支柱之一的煤炭资源；一方面是关系国计民生的水资源。二者如何协调开采成为一大难题。

在水利工程方面经验丰富的刘晓丽及其研究团队见状后决定逆其道而行之。“大禹治水，疏而导之”，刘晓丽规划保持原有的开采厚度，“这样做水必定会大量涌进采空区，但如果在地下建立大坝和水库，就可以把水截住并存留在地下”。想法刚一提出，刘晓丽便遭到了老专家和施工方的强烈反对，他们大多认为，水是煤矿的重大威胁，以前的做法都是“排水治灾”，现在却要“储水致灾”。

大胆创新，但不是无稽之谈。刘晓丽及其团队用数据一步一步反复推导，尝试无数次实验，最终将想法变成现实。建大坝把水截留在地下后，再建数个水库，将他们一一连通，通过水库间的调水，保证了煤炭开采的安全。并且“流水不腐”，水会随着自身在水库间的流动得到净化，在水库中经过多次循环流动后的地下水甚至可以直接饮用，既充分开采了煤炭资源又保护了水资源。这是世界首座示范工程，和神华集团合作建成，2014年开始运行。目前，还有十多个煤矿、岩盐矿等待刘晓丽及其团队去实践这项技术和工程。在这项工程设计、建设和运行过程中，刘晓丽及其团队研究分析了采动影响下渗流场演化、水岩耦合岩体破坏机理、分布式水库储水机理、地下挡水建筑稳定性、物理模型试验研究等关键科学问题。

和美国工程院院士Derek Elsworth交流

与王思敬院士一起考察地下工程

美国工程院院士、宾夕法尼亚州立大学教授Derek Elsworth这样评论煤矿地下水库技术：“创新地将大量稀缺水资源储存于煤矿地下水库的技术，真正实现了煤炭资源和水资源的协调、安全和高效开发，为煤炭工业可持续发展提供了很好的范例。”

近8年来，刘晓丽及其团队在“废弃矿山再利用”和“煤矿地下水处置及高效利用”方面一直在不断创新和突破，上述煤矿地下水库工程只是其工程研究中的一部分。2010～2011年，他们依托辽宁阜新露天煤矿设计了国内首座废弃煤矿抽水蓄能工程；2013～2014年，他们设计并搭建了国内外首个库水岩耦合大型三维物理模型试验平台（长8米，宽2米，高4米）。自2015年起，他们提出了“煤矿地下水原位净化及分质储用技术”，既在煤矿地下水库建设技术的基础上，对于水质差的煤矿地下水，研发小型模块化净水装备，在地下实现水质净化，并供给生产和生活应用。目前这项技术也正在示范工程实践过程中。

从独辟蹊径的设想到切实可行的实践，刘晓丽及其团队用科技创新解决了生活中的大问题。

“上天容易入地难”

20年前，还在读高中的刘晓丽就对与力学、结构有关的物体有浓厚的兴趣，因为老师的一句话——“世界上一切东西都和力学相关”更坚定了他与力学的缘分。从那以后，刘晓丽对物理和力学的痴迷便一发不可收拾。

1997年，刘晓丽被辽宁工程技术大学理论与应用力学专业录取。“力学本身偏理论，必须和具体的学科结合，时任中国空间技术研究院副院长的马兴瑞（现为广东省委副书记，省长）学长是我们学习的楷模，受他的影响，我立志也要搞航空航天。”

人生就像巧克力，你永远不知道下一颗是什么味道。刚刚立志的刘晓丽就突然决定放弃航空，转做地下工程。这次，同样因为老师的一句话。“上天容易，入地难”，一位在流体力学领域非常著名的老教授对他说。距飞机诞生那天已经过去了100多年，人类早已揭开了外太空的神秘面纱，“再做研究就是在此基础上修改”，但要想进入地下似乎就没那么简单了。地下的地质情况异常复杂，受其固体状态的影响更加阻碍了人类的探索。这一切对于刘晓丽来说却更具吸引，也更具挑战。“后来我就对地下的东西感兴趣，和地质相关，做地下工程”。

2001年，刘晓丽考取辽宁工程技术大学工程力学研究生，研究方向就此转向土木和地下工程。“力学理论性很强，推导公式、研究数学，一旦和工程结合，就落地了，需要把工程做出来。”最典型的例子就是三峡工程。

3年后，刘晓丽又以优异成绩考入清华大学土木水利学院，师从工程地质界德高望重的王思敬院士开始攻读水利工程博士学位。求学过程中，王院士告诫刘晓丽做工程以外还要兼顾一些基础研究，因为工程以技术为主，在技术中碰到的很多问题是无法解释的，这时候就需要发展新的理论。刘晓丽便开始在工程现场和实验室间两头跑，虽然辛苦，但收获颇多。

随后，在导师的建议下刘晓丽又出国深造，远赴瑞士洛桑联邦理工大学(EPFL)从事隧道及地下工程研究。在瑞士，刘晓丽接触了机械破岩的相关研究。他的导师Jian Zhao是TBM（Tunnel Boring Machine）高效破岩领域的国际知名专家。TBM即隧道掘进机是利用机械刀具开挖岩石进行掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。TBM代替了人力，消除了人工地下施工的危险，而且集钻、掘进、支护于一体，使用电子、信息、遥测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态，因此得到广泛应用，现在很多地铁及隧道工程都使用TBM来开挖。对TBM高效破岩方面的学习对刘晓丽的水利工程工作无疑是锦上添花。

1年后，刘晓丽回清华大学进行博士答辩。随后，他得到了两个工作机会：中石油勘探开发研究院和清华大学水利系。去哪儿？他面临抉择。中石油勘探开发研究院，“既要挖地下工程，还要把油气资源拿上来，是和我专业特别相关”，一直在高校接受理论化知识的刘晓丽深感自己真正接触工程的经验少之又少。他想脚踏实地做点实际的事情，但企业始终有它的局限性——需要服从领导分配，没有自主权。再三考虑，刘晓丽最终选择研究氛围好，同样有机会做工程的清华大学，成为了一名讲师。

收获岩土力学的科研硕果

4年后，在岗位上兢兢业业的刘晓丽升为副教授，博士生导师，他教师从业的职业生涯又迈上了一个台阶。期间，获包括国家科技进步奖二等奖（第8）等奖项4项；发表学术论文80余篇，其中国际期刊论文20余篇，应邀出版专著1部。2015年，刘晓丽还得到国家优秀青年科学基金项目——“岩土力学与岩土工程”。在他看来，优青项目是一次“对前期工作的总结，对日后工作的展望”。

日前，我国国家战略提出需建立支撑可持续发展的能源资源环境技术体系，加强南水北调、三峡等重大水利工程建设与安全保障技术研发，这些重大工程则需要工程安全控制及评价技术、非常规水资源利用关键技术、煤矿地下水库技术等的发展。基于此，刘晓丽及其团队提炼出“水岩作用及其多尺度效应的研究”这一方向，他认为开展这项基础理论研究十分必要，也十分紧要。

针对岩石材料的连续和非连续状态、多尺度特性，现有的理论并不完善，计算分析误差也很大，刘晓丽希望围绕“复杂条件下多尺度水岩系统模型”和“水岩系统的过程演化与耦合机制”这两个关键科学问题，提出“水岩作用系统”概念。在此基础上，他已开展了三个层面的研究-多尺度水岩耦合系统的过程演化研究、开挖扰动条件水岩耦合作用机制研究和水岩耦合作用岩土介质破坏过程研究。

据统计，90%以上的岩体边坡破坏、60%矿井事故、30%～40%的水利水电工程大坝失事都与水岩耦合作用有关，即地质体系统（应力场）与地下流体系统（渗流场）相互联系、相互作用。刘晓丽自2001年攻读硕士学位以来就开始了水岩耦合机理及分析方法的研究工作，但由于地下岩土中各种过程的任意性和不确定性，使得水岩耦合问题的研究变得复杂和极具挑战性。通过物理模型试验、理论分析以及数值模拟相结合等途径，他针对岩土介质的非均质和各向异性等特点，围绕水岩耦合及其多尺度特性开展了深入而细致的研究，并取得了一系列创新性研究成果。

在多尺度水岩耦合系统的过程演化研究中，他提出“多尺度岩体结构数字化描述方法”，解决了地质体结构多尺度间的内在联系（即尺度关联）难题，发表相关论文被SCI检索收录5篇，EI检索8篇，获1项软件著作权、岩石力学与工程学会优秀博士学位论文奖和水力学会大禹奖，并多次收到学术大会的特邀报告邀请；他提出的“数字岩体模型构建方法及数值模拟技术”，解决了数据不完备的地质系统与理论严密的精细力学模型和数值计算方法之间的相互脱节问题。其次，他发展了宏细观多尺度数字岩体模型及其工程特性评价方法，基于数字岩体模型，他首次提出了水岩作用分析的表征单元体概念，并应用水岩作用模型，采用水岩表征单元体分析了大坝上抬现象。此外，他建立的多尺度水岩耦合系统的过程演化理论与数学模型完善了有效应力原理，使物理意义更明晰，耦合机制更全面。

在开挖扰动条件下水岩耦合作用机制研究中，他根据围岩渐进破坏过程与渗透空间结构变异的关系建立了大型水岩耦合试验平台。美国宾夕法尼亚州立立大学教授、美国工程院院士Derek Elsworth访问清华期间参观了这个试验平台，交流中他说：“这简直是一项不可能完成的任务，新平台、新材料、新工艺、新开挖方式，我期待它表现卓越”。另外，刘晓丽还发现了裂隙岩体多流态地下水渗流变化特征，围绕此研究发表的论文被SCI检索收录6篇，EI检索5篇，申请专利4项，软件著作权1项，并获国家科技进步奖二等奖；不仅如此，他还揭示了水岩作用系统中裂隙自愈合的作用机制，实验结果证明水岩系统具有自愈合能力，这一点对于理解开挖扰动引起的损伤发展具有重要意义。

在水岩耦合作用下岩土介质破坏过程研究中，他提出了水力驱动裂纹萌生和扩展的模式，获中国地质学会工程地质专业委员会谷德振青年科技奖；此外，他建立了水力劈裂过程的连续-非连续数值模型，提出的MCZM(Multiscal Conhesive Zone Model)和IPFEM（Immersed Particle FEM）方法有效地解决了强渗压作用下强固结和弱固结介质水力破坏过程难以表征的难题。

目前，刘晓丽的研究成果已在多个重大水利工程中得到应用，为水库蓄水过程大坝工程及库区边坡稳定性分析提供了理论依据和技术支撑。

未来，他计划围绕“动静组合载荷下水岩系统超孔隙水压力响应及致裂机制”和“水力多尺度裂纹扩展和多流态渗流评价与控制原理”这两个岩土力学与岩土工程中的关键科学问题开展研究。

刘晓丽的研究涉及到水利水电工程建设、资源和能源的开采与开发、核废料地质处置的环境风险评价等方面，一直以来也都是国际岩石力学领域研究的热点和难点。在传统水岩耦合问题研究中，通常考虑静力作用或拟静力作用下应力与渗流的相互作用，但在实际工程中，静力载荷（岩石赋存环境，如地应力等）和动力载荷（外部扰动载荷，如地震或爆破等）是共存的，只有研究动静组合载荷作用下水岩耦合作用机制才能真实反映实际工程中水岩耦合系统的工程行为。但是，相关研究工作还很匮乏。

刘晓丽希望，从动静组合载荷下水岩系统超孔隙水压力响应、超孔隙水压力致裂机制研究、动静组合载荷下水力致裂控制理论3个方面开展动静组合载荷作用下水岩系统超孔隙水压力响应及致裂机制研究。他致力于揭示动静组合载荷下岩体超孔隙水压力的产生机制，建立动静组合载荷下渗流流态识别和水力致裂分析方法，形成一套动静组合载荷下工程水岩耦合稳定性分析测试手段和安全控制技术，拓展和丰富水岩作用过程演化的理论和内容。这无疑对于丰富水岩多物理场理论、研发新型水岩系统试验平台和设备、评价水岩系统相关的岩石或岩土工程稳定性产生重要科学意义和工程应用价值。

寻求科研的经世致用

采访过程中，不断有人敲响刘晓丽办公室的门，他的确很忙。采访之际，正值台湾成功大学来京与清华大学开展学术交流，刘晓丽十分看重类似的交流机会，“只有通过学术交流才能知道别人在做什么，与别人的差距”。

与神华集团合作者进行技术交流时合影

交流总能碰撞出新的火花。在一次莫纳什大学教授来华交流会上，与会的20位专家被分为4组进行小组讨论，讨论的问题是“岩石力学未来研究方向”，刘晓丽也在其中。会议结束时，大家达成了共识——深部地下工程、地热、核废料处置3个问题将是岩石力学未来研究的主流问题，也是日后共同合作的方向。这个经历只是刘晓丽众多交流中的一次，他热衷于与同行们分享交流，已和澳大利亚莫纳什大学、西澳大学、香港理工大学、美国宾夕法尼亚大学等高校建立了长期合作关系。

身为老师，刘晓丽常常鼓励学生创新，“奇思妙想，不是天方夜谭”。他从不会给学生规定题目，而是让他们自己想，他所做的就是评估方案的可行性和尽可能地为他们提供平台和经费。

如今建树颇多的刘晓丽在工作中游刃有余，殊不知，在刚入行的时候他也曾打过退堂鼓。地下的很多东西对于人类来说都是未知的，即使能探测但也受深度和精度的限制，“千里之提，溃于蚁穴”，即使是个很小的蚂蚁洞，如果探测不到，就很有可能对工程造成巨大影响。他说：“很多东西提前很难知道，很随机，这次成功不能保证下一次也成功，可能这次恰巧没有不良地质体，可能下次就会遇到”，这或许是每个刚入行人的无奈。

后来，刘晓丽就找到自己的导师希望寻求解答，导师对他说：“对于岩石工程，做很多研究不见得知道是什么东西，但是我拿锤子敲一下，一听声音就知道是什么了”。这句话使他至今难忘并受用一生。其实，工程学就是通过无数次实践来慢慢积累经验，从而做出准确的判断。从那以后，刘晓丽柳暗花明。

生于1978年的刘晓丽认为自己需要学习研究的还有很多，他也在脚踏实地的继续奋斗向前。没课的时候，他会跑到地质现场做调查，再回到实验室做研究，始终保持着一颗勇于创新的心。再过几十年，等刘晓丽老了的时候，当他拿起锤子敲一敲，便会知道那是什么……

科