地質工程學家王家鼎:把脈黃土,夯實安全生命線
發布時間:2024-05-11 09:41:43 來源:西北大學
中國西北,黃土高原。風起時飛沙走石、漫天塵土,風止時千溝萬壑,縱橫交錯。這片黃土地上,譜寫著中華民族五千多年的文明之歌,也與一眾地質人結下不解情緣,西北大學地質學系王家鼎就是其中一位。
“黃土結構疏松,具有濕陷性、振陷性、崩解性,因此易發生滑坡、塌陷、泥石流等重大災害,黃土地區大型工程下的防災減災問題,就是我三十年來研究的課題?!苯?,王家鼎團隊申報的《特殊巖土體小變形大風險智能化監測防治技術及中外工程應用》獲得2023年度陜西省科技進步一等獎,這也是他投身地質工程研究30余年來的眾多碩果之一。
王家鼎,西北大學二級教授、博士生導師,入選陜西省三秦學者,陜西省杰出人才,享受國務院特殊津貼。長期從事工程地質與災害地質研究,在水-力耦合下黃土災害方面取得了地震滑坡、振動促滲、濕剪促滑等關鍵理論和技術問題的突破,先后主持國家重大科研儀器研究項目1項,國家自然科學基金重點項目1項、國家自然科學基金面上項目3項、國家重點研發計劃課題1項以及鐵道部等省部級重大科研項目10余項。以第一完成人獲國家科技進步獎二等獎1項、陜西省技術發明獎一等獎1項、陜西省科技進步一等獎2項;作為參與人獲得國際FIDIC獎1項、中鐵建等省部級科技獎一等獎2項、二等獎3項。發表學術論文260余篇,其中SCI80余篇,出版專著7部,授權國家發明專利18項(含國外)。
“踏去來,五岳三江”:成為地質郎
王家鼎出生在陜西藍田,在爺爺與父親的文學啟蒙和熏陶下,詩情文采俱佳。高中時期,王家鼎尤其喜愛聽堂兄給他講青海地質隊的故事。堂兄口中壯麗的山河、奇妙的經歷,化成了他心中對“浪漫野外”的無限憧憬和對地質專業的濃厚興趣。
1979年王家鼎參加高考,順利考入西安地質學院(現為長安大學)應用地球物理專業。1983年本科畢業,他憑借著扎實的專業基礎,考入中國科學院蘭州地震研究所,攻讀地震工程專業碩士,專注抗震減災的方向。留所工作后,正式開啟了“踏去來,五岳三江”的地質人生。
蘭州多年,他手拿地質錘,走過戈壁荒灘,也攀過懸崖峭壁?!斑@輩子從事了地質工作,就得要有奉獻精神、吃苦精神,否則真是干不了這一行?!?8歲那年,王家鼎為勘測采樣攀在懸崖壁上,工作即將完成之際,遇到上方塌方,頭頂不斷有碎石滾落,返回的路線也被沖的不見蹤影……千鈞一發之際,是同事用繩索硬將他拉了上來?;叵肫?0多年前的遇險經歷,他仍心有余悸。
在王家鼎的地質生涯中,與災害搏斗、與時間賽跑的防災減災工作占很大比重。他曾多次深入甘肅、陜西等山區為地質災害提供災情研判和救援指導?!昂翁幖疑?,殘垣斷壁,遍野人哭徹”,人民受苦、村落受災的種種慘象烙印在王家鼎心間,“自責啊!恨自己沒有更好的辦法讓村民們免于災難”,這些刺激轉化為研究的動力不斷鞭策著王家鼎,后來,他以原創性的理論參與泥石流滑坡預報,打通生命通道,受到各級表彰。
悠悠歲月,靜聽錘爽。多年的野外磨煉讓王家鼎蛻變成長為一名意志堅定,技術過硬的地質人。1994年,王家鼎懷著對家鄉的眷戀,帶著一身專業本領和一批重大科研成果調入西北大學。
“鐵龍飛過不黃天”:也做高鐵人
2004年,中國開始進入高速鐵路的大規模建設時期,鄭西高鐵是我國在黃土地區建設的第一條高鐵。然而在大面積濕陷性黃土地區修建高速鐵路,是一個世界性難題。鐵道部公開招標關于如何解決高速鐵路的機車振動引起路基沉陷問題的重大科研項目,由王家鼎牽頭的西北大學團隊也參與其中。
回想籌備競標的過程,王家鼎直言艱辛且難忘,“那是夏天最熱的時候,我和碩博學生們在實驗室待了一個半月”,伴隨著降不下的氣溫和做不完的實驗,厚厚一沓論證書也終于問世,王家鼎團隊多年來有關黃土動力學的研究成果凝聚其中,論證清晰,數據嚴謹。功夫不負有心人,憑借扎實的基礎與得天獨厚的優勢,王家鼎團隊高分中標,并獲得院士評委的好評:“把項目交給西北大學是非常正確的選擇,他們在黃土家門口研究黃土,真正把問題說透了?!?/p>
項目緊急,任務艱巨,王家鼎不敢有絲毫松懈,大年初五便前往鄭州。從鄭州到西安500多公里,每個重點路段都要勘探、采樣、進行振動和波速測試,為取原狀土研究,最深挖掘至30米。那個夏天,王家鼎開車沿鄭西線走了3趟,取回的土樣堆滿了地質學系的后院。
實驗室中部分原始土
沒有前人經驗,沒有數據參考,王家鼎與團隊艱苦攻關,終于拿出了第一份濕陷性黃土地基的動力特性與設計參數,“這一路上500多公里,土質不一樣、黃土厚度不一樣、收縮程度不一樣,我們一段一段做了實驗,整理了滿滿三大張表。當我把這個表交出去的時候,我的手都在發顫。從來沒有人研究過火車的震動參數到底有多大,到底能引起多大的下沉,這個數據拿出去,我們是要負責任的!”實踐證明,他們為鄭西高鐵的設計和施工提供了可靠的技術支撐。
鄭西高鐵
有了鄭西高鐵的經驗,團隊后續的研究工作從容了很多,隨后又參與了大西高鐵、寶蘭高鐵、鄭太高鐵的建設設計,并獨立承擔了黃土邊坡失穩(滑坡)研究、黃土路基振(震)陷研究、黃土濕陷研究等科研項目。王家鼎在研究中創新了機車振動引起黃土路基振陷理論、首創了深部黃土濕陷的巖橋 (古土壤層) 滯后塌陷理論、提出了柔性生態護坡工法及邊開挖邊防護理念等。
為攻克黃土振動促滲的定量測試難題,王家鼎率領團隊在國家重大科研儀器研制項目的資助下自主研制了首臺達到國際先進水平的振動促滲儀,利用該儀器進行的大量試驗也幫助團隊創新性地提出了振動和水聯合作用對黃土邊坡的促松、促裂、促滲和促滑機理,刷新了黃土滑坡成因理論,填補了該領域空白。除此之外,團隊自主研制的高精度、高采樣率的24通道同步高速采集裝置獲得了國際專利,解決了機車寬幅振動的多參數感知難題。
震動促滲測試系統原理圖
“五促效應”演化示意圖
“游目騁懷莽隴原,鐵龍飛過不黃天”王家鼎在詩中描寫了寶蘭高鐵通車后的所見所感?!笆苎献约簠⑴c建設的高鐵,平穩安全又沒有揚塵,那種喜悅和自豪的感覺難以言表!我們用專業解決了工程實踐中重大科學問題,并將科技成果應用到國計民生,這種成就感,什么都換不來!”。
王家鼎驕傲地稱自己也是高鐵人:“我們高鐵人的座右銘就是‘不為利益來,而為人民往’!”一份成就感,一顆事業心,這便是王家鼎多年來初心不改,赤誠依舊的秘訣。
王家鼎團隊成果在國內黃土地區鐵路網的應用情況
在鄭西高鐵、大西高鐵相繼順利通車后,王家鼎又率領團隊投身重載鐵路工程上?!白钪氐蔫F路如何行駛在最軟的地基上”,成為他面前的新難題。
我國第一條按照30噸軸重重載鐵路標準建設的瓦日鐵路(山西中南部鐵路通道)2009年開工建設。瓦日鐵路經過的滑坡、溜塌、采空區等不良地質發育地區多,建造隧道易發生變形與塌方,為此,王家鼎團隊研制出特殊探頭,識別和預報圍巖涌水塌方,解決了這種特殊地層隧道的災害感知技術難題。
施工到呂梁山脈時,在實地又遇到了重大難題:鐵路邊上一處滑坡無論如何也找不到滑動面,若采取避繞處理,需增加13億投入。一籌莫展之際,王家鼎來到現場。反復勘測后,他將目光鎖定在滑坡舌部可能剪出口部位的山溝。為尋找“癥結”所在,王家鼎在腰間綁上安全繩,沿著山溝陡峭的崖壁,深入40多米深的谷底泥潭。時間一分一秒地過去,寒風凜冽,泥水透過膠鞋傳來刺骨的冰冷。就在大家幾乎想要放棄的時候,“找到了!”王家鼎憑著獨有的經驗找到了滑動面。
“就像是沒有明顯癥狀的疑難雜癥,要找到病根,只能憑借醫生豐富的經驗和細致敏銳的觀察判斷。”王家鼎十分自豪,“辛苦點怕啥,我們為國家節省了13個億”。類似的境況王家鼎還遇見過很多,經常應各設計院、勘察院的邀請到工程現場“出診”?!霸O計單位的工程實踐加上我們科研院校的研究成果,充分融合就能解決真正的工程問題?!?/p>
成果理論體系
多年來,王家鼎團隊與國內外設計施工單位合作,開展了我國及“一帶一路”共建國家高速鐵路、重載鐵路和高山機場建設運營中的防災減災重大科學難題和技術方法的研究,構建了黃土災害防預的多項關鍵技術,不僅填補了行業空白,更服務了國家的重大需求。2020年,由王家鼎團隊與中國鐵路設計集團、中鐵十七局和中鐵西北研究院等合作完成的“重大工程黃土災害機理、感知識別及防控關鍵技術”獲國家科技進步獎二等獎。
“所有的成果都是集體的功勞,各部門的支持與配合以及團隊成員的艱苦付出成就了這份榮譽?!蓖跫叶Χ嗄陙韴猿值摹爱a學研用”道路取得了累累碩果。多方合作的科技成果直接應用于大西高鐵、巴基斯坦輕軌、晉中南和蒙華重載鐵路等國內外20多條鐵路和機場的建設運營中,納入了行業規范,產生了巨大的社會效益和經濟效益,攬獲了“菲迪克獎”“越南政府榮譽獎”“老撾政府榮譽獎”“中國優秀測繪工程獎一等獎”等一系列國內外工程大獎?!拔业膶I是應用學科、工程學科,我們與設計單位、施工單位的關系就像魚兒離不開水,瓜兒離不開秧?!?/p>
公誠勤樸:我是西大人
90年代初調入西北大學時,王家鼎在城市與資源學系負責教授城市規劃的相關課程,繼續著滑坡、泥石流、樓房勘察、災害防治的研究。2000年,地質學系開展一級學科博士學位授權點的申報工作,王家鼎應邀參與,補足了地質工程二級學科的缺項。
扎根西大30余年,王家鼎對“公誠勤樸”的理解與踐行不斷深入。在自主研發的專利儀器上,赫然看到西北大學的?;找约啊癤D-SVP2023土振動促滲儀”的命名。
“我是一個教書人,培養地質工程人才是我的使命”,作為西北大學地質工程專業創建人、帶頭人,王家鼎為學科的建設與發展嘔心瀝血。主講多個核心課程、編著課程教材、培養教學梯隊……從白手起家到碩果累累,王家鼎走了二十年。
王家鼎的授課以生動鮮活著稱,工程實踐中大量案例在教學中信手拈來,他希望能將自己的經驗與知識毫無保留地回饋給學生。他不僅重視課堂上的教學,也十分注重培養學生的野外實踐能力。陡崖上的手把手教學、一對一講解,讓已畢業20年的袁金輝至今記憶猶新。他主張學生多做工程實踐,用地質錘寫出“硬氣文章”。
為西大工程地質在全國范圍內保持聲譽,王家鼎堅持每年招收足量碩博生,“西大地質要培養有胸懷,能吃苦,肯上進的人才”,二十多年來,他已經將103名碩士、博士、博士后送上一線工作崗位。他們活躍在中國鐵路設計集團、中交一院、西北水電等勘察設計院及同濟、長安、太原理工等高校,從事工程地質相關工作。
“沒有謝婉麗、谷天峰、張登飛這一批具有拼搏精神、奉獻精神的研究人才,我們的團隊不可能取得這樣的成果”,托舉更多更亮的新星,為地質事業注入源源不斷的新力量,成為王家鼎如今最大的心愿。
一山一水,盡覽詩囊。自少年起,王家鼎就喜歡將自己的所見所聞所想寫進詩中。2010年,王家鼎詩集《生命的行者》由陜西人民出版社出版。他的詩詞中,真切的意象飽含對生活之熱愛,對理想之追求,清晰的意境閃著礦石一樣的光,映出地質與詩詞交織的浪漫一場。
30多年的工作記錄、生活寫照,構成了這位黃土行者的靈魂吟唱,未來,他也將繼續在這片黃土地上研究著、記錄著,思考著……
