攻克冻土难题 铺就神奇天路

——中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员吴青柏小记

本刊记者  张 欣     

 

     

 

序言

清晨我站在青青的牧场

看到神鹰披着那霞光

像一片祥云飞过蓝天

为藏家儿女带来吉祥

黄昏我站在高高的山冈

看那铁路修到我家乡

一条条巨龙翻山越岭

为雪域高原送来安康

那是一条神奇的天路

把人间的温暖送到边疆

从此山不再高路不再漫长

各族儿女欢聚一堂

那是一条神奇的天路

带我们走进人间天堂

青稞酒酥油茶会更加香甜

幸福的歌声传遍四方

    青藏高原——世界“第三极”，曾经是人类“生命的禁区”。

    1954年，青藏公路的贯通曾为我们打开了一扇窗，但这条路沿线气候条件恶劣，地质条件特殊。因而，这条公路通车后病害严重，曾不断进行整治和改建。而2006年7月1日青藏铁路全线贯通，一条天路为我们打开了一扇门：青藏高原已不再是难以逾越的天险，“生命的禁区”也不再是禁区。

    青藏铁路，是青海省西宁市至西藏自治区拉萨市的铁路，全长1956公里，大部分线路处于高海拔地区和“无人区”，铁路沿线共设有45个车站，目前旅客列车全程行车时间约为25小时，是世界上海拔最高、在冻土上路程最长、克服了世界级困难的高原铁路。

    从1956年铁道部第一勘测设计院对从兰州到拉萨的2000余公里线路进行全面的勘测设计工作开始，青藏铁路的建设便牵动着无数人的心。1984年，青藏铁路西宁至格尔木段建成通车，无数人欢欣鼓舞！但所有人都知道：更大的挑战还在后面——将铁轨铺到冻土之上，直到拉萨。

    多少个日日夜夜，多少人力物资，多少艰难困苦，常人无法想象。这其中，多年冻土、高原缺氧、生态脆弱是必须要克服的三大难题，多少科研人员为解决这三大难题，付出了最美的青春年华。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员吴青柏就是其中之一。

吴青柏其人

    吴青柏，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员，博士生导师，冻土工程国家重点实验室常务副主任。国家杰出青年基金获得者(2006)，获国务院政府特殊津贴，新世纪百千万人才工程国家级人选。可再生能源学会天然气水合物专业委员会副主任委员，中国地理学会冰川冻土分会理事，甘肃省地质学会常务理事。WCRP/CliC 及IUGG/IACS中国委员会委员。

    1984年，青藏铁路一期西宁至格尔木段通车。时年，吴青柏还是长春地质学院（现吉林大学）的大二学生，喜爱野外的他雀跃不已，想象着毕业后可以去那个离天最近的地方。这成了他学习的动力。在1986年大学毕业后，吴青柏一口气拿下了中国科学院兰州冰川冻土研究所硕士学位（1989年），中国科学院寒区旱区环境与工程研究获博士学位（2000年），并于2001-2003年在南京大学地球科学系作博士后研究，2006年11月-2007年5月在Colorado School of Mines天然气水合物研究中心做高级访问学者。

    他的心中一直装着那个关于西藏的梦想，所以他选择了冻土专业，选择了将自己的青春和毕生所学铺在青藏高原的通途之上。

心系冻土

    冻土，是指0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）/季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（数年至数万年以上）。地球上多年冻土/和季节冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有冻胀、融沉、流变性。

    吴青柏研究员从攻读硕士研究生学位开始，便一直醉心于冻土的研究。时至今日，他感觉在冻土研究方面有越来越多的问题值得研究，特别是对冻土工程与环境怀有极大的兴趣和好奇。

    多年来，他系统开展多年冻土变化研究, 揭示了多年冻土对气候变化和工程作用响应的区域差异，为青藏铁路冻土工程设计原则重大调整提供了决策依据；系统开展了工程与多年冻土相互作用，揭示了冻土对工程稳定性影响规律，为冻土工程设计理论奠定了科学基础；构建了冻土区天然气水合物形成和分解模拟实验体系，阐述了多年冻土与天然气水合物赋存关系。

    他先后主持了20余项科研项目，包括国家自然科学基金项目、气候变化“973”项目课题、交通部西部计划和铁道部重点项目等。先后发表论文210篇，其中SCI收录论文60余篇，EI收录69篇。

    在取得的这些成绩中，最浓墨重彩的一笔就是他曾承担中国科学院知识创新工程重大项目“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”的首席科学家。面对冻土——青藏铁路工程的三大难题之一，吴青柏选择了迎难而上，迎着一个又一个挑战，攻克了一个又一个难点。

攻坚克难

    围绕着青藏铁路建设，“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”项目设置了7项研究内容：青藏铁路建设中冻土工程结构稳定性研究，青藏铁路沿线路基冻融病害形成机理及其防治对策研究，青藏铁路气候与多年冻土间的相互作用，青藏铁路工程与多年冻土间的相互作用，铁路路基动荷载稳定性及含盐土工程特性研究，青藏铁路数字路基及仿真平台开发研究，青藏铁路那曲地区高原雷暴天气灾害预警和防御的应用研究。

    在所有这些研究内容中，冻土问题是中心，是重中之重。冻土问题不解决，铁路根本无法建设，后面的很多问题也就不存在了，所以首先要解决的就是冻土问题。围绕这个核心问题，吴青柏研究员和程国栋院士、马巍研究员一起带领团队，开展了一系列卓有成效的研究，取得了一系列的研究成果：

    一、系统地提出了以调控热的传导、对流、辐射为理论基础的冷却路基思路、筑路技术和调控原理，解决了青藏铁路冻土工程筑路技术难题。

    1. 在国际上创造性地提出了调控热的传导、对流、辐射为理论基础的冷却路基、降低多年冻土温度的设计新思路，设计新思路已全面应用于青藏铁路工程设计和施工中。

    2. 提出了一系列调控热的传导、对流、辐射的冷却路基工程措施，解决了气候变化和工程热扰动影响下冷却路基、降低多年冻土温度的冻土路基修筑技术难题。

    3. 揭示了冻土路基修筑技术的调控原理，从原理上解决了冷却路基措施的降温机制科学问题。

    二、突破了传统的冻土工程设计原则，提出了动态反馈设计理念，定量地给出了冷却路基工程措施的设计参数，提升了我国冻土工程设计理论和水平。

    1. 提出了冷却路基、主动降温新设计原则，很好地适应了气候变化影响下冻土工程热稳定性和路基稳定性变化，完善了冻土工程的设计理论。

    2. 提出了基于研究、设计和施工组织管理为一体的动态反馈设计理念，逐步推进研究成果的工程应用。

    3. 定量地给出了调控路基热的传导、对流和辐射设计参数，为青藏铁路冻土区工程设计提供了科学依据。

    三、建立了完善青藏铁路工程长期监测系统，提出了冻土路基稳定性评价方法，评价了路基下部多年冻土动态变化过程和路基稳定性，定量地给出了冷却路基措施的长效机制。

    1. 系统地构建了青藏铁路多年冻土工程稳定性长期监测平台，为青藏铁路运营、维护及路基稳定性评价提供了科学依据。

    2. 揭示了不同多年冻土区冻土路基下部冻土热状态的动态变化特征及其对路基稳定性的影响，为青藏铁路路基稳定性评价提供了科学依据。

    3. 提出了基于概率分析的冻土工程可靠性评价方法，建立了冻土路基稳定性综合评价系统，使路基稳定性分析评价更加科学化。

    4. 定量给出了冷却路基工程措施的长效机制, 进一步验证冷却路基工程措施的降温效果。

    四、集成数据平台、模型平台，开发的具有完全自主知识产权的青藏铁路地理信息系统及数字路基平台，为青藏铁路多年冻土区工程设计和工程稳定性预测以及青藏铁路信息化决策提供了重要技术支撑。

成绩属于过去

    树木的高度取决于其根的深度。火车能跑多快，取决于路基。而吴青柏研究员及其团队正是解决了路基的问题，才让通往拉萨的火车在高原尽情驰骋！建成后的青藏铁路冻土地段时速将达到100公里，非冻土地段达到120公里，这是目前火车在世界冻土铁路上的最高时速。

    鉴于在“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”科研项目中以及其他研究项目中做出的突出贡献，吴青柏研究员先后获国家科学技术进步奖特等奖(2008)、一等奖(2008,排名第3)、二等奖各1项(2005,排名第2)，中国科学院杰出科技成就奖(2005,三位突出贡献者之一),以及省部级科技进步奖一等奖和二等奖6项和西部突出贡献奖。

    对于吴青柏研究员来说，他先后承担的国家自然基金委项目，交通部、铁道部科技规划项目，中国科学院知识创新工程等重大项目，对他来说都有着特别的意义：“我所从事过科研项目都比较重要，国家自然基金委的项目主要是开展较为基础性的研究，而交通部和铁道部主要紧密结合工程实践来开展科学研究，中国科学院知识创新工程重大项目是基础和应用结合的项目。这些项目中对我影响最大的还是交通部青藏公路科研项目、中国科学院知识创新重大工程项目和基金委的杰出青年基金项目。交通部青藏公路科研项目是我科研生涯成长和认识科研作用的重要项目，中国科学院知识创新重大工程项目是我科研生涯走向成熟和领导科研团队能力培养的重要项目，自然基金委杰出青年基金项目是我在冻土工程研究进一步创新的推动项目。还有一个重要的项目就是中国科学院西部行动计划项目，是我开展多年冻土区天然气水合物项目研究的推动力。这些项目在我的科研人生中起到重要的作用，应最具代表性。”

    对于他获得的这些荣誉和奖项，他说：“荣誉只能说明我过去所从事的科研工作得到了社会的认可，是我辛勤努力、付出的回报，但更多的是鼓励和鞭策，也是鼓励我继续探索的动力。”

重新出发

    过去的已成为历史，吴青柏研究员游走在不同的身份之间：中国科学院天然气水合物研究中心首席研究员，博士生导师，冻土工程国家重点实验室常务副主任，兼任中国可再生能源学会天然气水合物专业委员会副主任委员??忙并快乐着！他始终把科研工作摆在第一位，兼顾冻土工程国家重点实验室的管理工作，还要关心团队中的年轻人。

    冻土工程国家重点实验室的团队非常年轻，而且每年都会有新人的加入。谈及此，吴青柏研究员的言语中都充满着希望：“青年人的培养是非常重要的，每年补充到实验室的青年人，我们会拿出15万元来支持他们继续博士未完成的科研工作，同时竭力支持年轻人能够出国深造，特别是注重团队对冻土事业责任感、团队意识和主人翁的精神。”

    虽然青藏铁路已经顺利开通，但关于冻土的科学研究还在继续。近期冻土工程国家重点实验室依然围绕着冻土问题开展一系列的科学研究：973项目“青藏高原重大冻土工程的基础研究”；“973”项目课题“冻土对气候变化的响应机理及其碳循环过程”；国家基金委创新群体项目“冻土与寒区工程”；国家基金委重点项目“寒区道路盐渍化路基盐份迁移过程及变形机理研究”、“气候变化及工程影响下青藏高原多年冻土区热融灾害评估”、“多年冻土热力稳定性对气候-生态环境-工程活动的复合响应过程和机理”，中国科学院西部行动计划项目“青藏高原多年冻土区天然气水合物钻探”；中国科学院百人计划项目2项。实验室自主课题：青藏高原多年冻土对气候变化的响应及其与生态环境互馈机制，高温高含冰量冻土物理力学特性研究，寒区道路热、力学稳定性分析方法及数值模拟平台。

    科学研究永无止境，吴青柏研究员也从未停下自己的脚步。他坚持探索、钻研、刻苦和孜孜不倦的追求精神，体味着取得成绩的工作之美，在科研的道路上砥砺前行。

结语

    正是有了无数像吴青柏这样的人，他们无私的付出着自己的青春和智慧，人类“生命的禁区”可以打破，多年冻土的难题可以攻克，还有什么是不可能的呢！愿吴青柏研究员的科研之路如青松翠柏一样常青！