欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们
山水之间铸辉煌,实践之中书华章

来源:  发布时间:2023-04-11

——记华东勘测设计研究院水电水利工程院副院长褚卫江

吕腾波

 

 

 

20221220日,中国水力发电工程学会印发了《关于第四届水电英才奖奖励的决定》,表彰和奖励在水力发电各专业领域做出突出成绩、为我国水力发电科技进步作出积极贡献的10位青年科技工作者。中国电建集团华东勘测设计研究院(以下简称“华东院”)水电水利工程院副院长、浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司总经理褚卫江是这10位获奖者中的一员。这一奖项,是对他多年来持续深耕水电复杂岩土工程科研与设计工作的充分肯定与褒奖,背后折射出的是他用欢笑、汗水和泪水绘就的逐梦画卷。

 

在实践中发掘科研之乐

 

虽然从一开始就选择了土木工程,顺其自然地踏入水电工程领域,但直到博士毕业,褚卫江对自己的专业仍谈不上热爱。影响他留在这一领域的各类因素,无关乎理想,更多的还是基于生活和学习成本的理性权衡。“质变”是从他参与雅砻江锦屏二级水电站建设开始的。

2007年,褚卫江博士毕业并入职华东院,恰逢雅砻江锦屏二级水电站正式开工建设,他便随同团队来到了四川省凉山彝族自治州大山深处,负责深埋地下工程围岩稳定问题的研究。锦屏二级水电站的工程枢纽主要由首部低闸、“四洞八机”的引水系统及尾部地下厂房三大部分组成。其中由华东院承担设计的4条引水隧洞单洞长16.7千米,洞径12.414.6米,73.1%洞段埋深超过1500米,最大埋深2525米,实测地应力超过了100兆帕(MPa),是当时世界上埋深最大、规模最大的水工隧洞群。工程面临岩爆、高应力破坏、挤压大变形、超高压大流量突发涌水等工程难题,难度巨大。直到正式开工的时候,关于“这项工程是否能够成立”的问题,业内仍有许多质疑的声音。

隧洞建设正式开工后,当岩石掘进机工作至16001700米深时,强岩爆造成的阻碍已经使掘进机的优势难以发挥。“如何使掘进机继续前进”“要不要继续使用掘进机”成为当时讨论的热点。为探明深埋隧洞岩石应力变化的科学规律,以支撑接下来的工程建设工作,褚卫江与同伴每周至少要在隧洞内往返3次。

17千米深的隧道,潮湿、阴暗,还时不时地“下起小雨”,唯有随身携带的矿灯能够带来方寸光明。他们穿着雨衣,乘着运输矿渣的小火车默默深入,仿佛奔赴一条没有尽头的旅途,只有行至岩爆发生过的路段,才会短暂地停下收集资料。绝大多数时候,他们一定会错过午饭,饿着肚子忙前忙后。不进隧洞时,褚卫江几乎会把所有的时间都用在设计和修改方案上,连坐在江边欣赏风景的闲暇也不舍得多留。但就是在这样充斥着危险和忙碌的点滴日常中,褚卫江渐渐爱上了自己正在做的这份工作。“一路走来,我从中感受到了很多乐趣,工作期间一直很愉快,所以就顺理成章地留了下来。”说起那时的决定,他的语气难掩笑意。

享受科研之乐的同时,褚卫江也基于深入一线取得的深刻认识及大量的研究积累,首次全面揭示了深埋大理岩的脆--塑转换特征和高应力破裂的时效特征;从岩爆机理角度提出了3种分类方法和针对不同岩爆等级的控制措施,为解决锦屏二级强—极强岩爆问题提供了坚实的技术支撑。针对深埋隧洞高应力破坏不断扩展,并持续超过2年的技术难题,他提出了能够描述这种现象的“应力侵蚀”时间效应模型,帮助论证了18002500米埋深条件下支护结构的长期安全。这一系列成果,在我国后来开展的深埋隧洞相关研究中被普遍引用,其中的“应力侵蚀”模型在白鹤滩右岸厂房小桩号部位围岩持续变形、以色列哈亚邓厂房北侧端墙持续变形问题的处理中也发挥了指导设计作用。

由于此项工程在掘进过程中遇到的高地应力破坏、强烈岩爆、软岩大变形等各种技术难题极具代表性,给深埋岩石力学问题的研究提供了丰富的素材。褚卫江及其合作者还在之后的几年中,陆续以之为主要依托工程,以我国水电行业现行技术工作方法与流程为基础,以建设工程中面临的关键技术难题为对象,紧密围绕深埋水工隧洞中的岩石力学问题,对近几十年来深埋地下工程的研究思路和经验教训进行了全面的探索和总结,汇集成《深埋隧洞岩石力学问题与实践》一书,作为今后深埋地下工程研究工作和设计工作的借鉴。

 

敢挑重任 宠辱不惊

 

2012年,褚卫江任白鹤滩岩石力学咨询服务项目经理,为白鹤滩地下洞室群和高边坡的设计与建设提供数值分析、现场跟踪和稳定评价等工作。在白鹤滩水电站16台百万千瓦水轮发电机组全部投产发电,我国全面建成世界最大清洁能源走廊的今天,褚卫江谈及这段往事时,语气中满是自豪和怀念,仿佛又回到了那段激情奋战的岁月。

褚卫江说,如果将水电工程建设比作一门考试,那么锦屏二级水电站就是一张写满了经典例题的试卷范本,白鹤滩水电站则更像是一张杂糅了各类难题的综合试卷。“白鹤滩水电站的岩石力学问题主要有三大类问题,分别是脆性玄武岩高应力破坏问题、柱状节理玄武岩各向异性问题、大尺寸错动带的稳定性问题。”柱状节理玄武岩能否作为300米级特高拱坝的坝基?如何保证复杂地质环境世界最大规模地下厂房洞室群围岩稳定?如何保证复杂地质环境特大弯顶式圆筒调压室群安全建设?一道道难题接踵而至,却找不到相关的理论依据。

20158月,右岸厂房顶拱出现深度裂缝,监测数据显示持续变形,施工完全停滞。没有人知道这种裂缝将变形到什么程度,顶拱是否有塌陷、掉落的可能。施工方、承建方、设计方邀请了一批业内知名专家共同商讨。但由于这是中国水电工程史上一次新的尝试,大家对此次变形数据的认识都很模糊,会上多方进行了长时间激烈的讨论仍然没能得出确切的结论,因此也无人敢贸然推进下一步的建设工作。

这时,凭着对锦屏项目的积累、多年对岩石特性的分析研究,褚卫江大胆地在会上提出了自己的观点。他认为厂房周边岩质以隐晶质玄武岩为主,微裂隙众多,这是中高应力情况下的硬岩破裂时间效应问题,并预估变形时间将持续2年左右趋于稳定——众多专家没有定义的事被一个年轻小伙子下了定义,并给出了准确的预估时间,褚卫江收获的不是掌声,更多的是争议。与此同时,左岸1号尾水调压室(以下简称“尾调”)率先开展主洞开挖。白鹤滩水电站左、右岸各设4个圆筒形尾调,是世界上最大的尾水调压室。尾调的顶拱前期优化阶段,方案改了30多版,从顶拱的形状到开挖顺序都做了细致的设计。褚卫江将穹顶切分成48块区域,并明确标明开挖顺序,下置预锚,从战略层面尽量减少应力调整对穹顶的影响。2017年,白鹤滩水电站现场监测数据表明深度裂缝已趋于稳定,证实了他的“猜想”,如潮水般迟来的认可涌向褚卫江。

而此时的褚卫江已悄然脱离喧嚣中心,奔赴下一个山水间的项目——智利、非洲、越南、以色列……一项项海外工程咨询邀请纷至沓来。智利一家电站的深埋隧洞和埋深约1000米的地下厂房由于高应力破坏、岩爆风险等问题处于停工状态。检索到褚卫江发表的深埋地下工程的学术论文,电站业主爱依斯电力公司(AES)向他发出咨询的邀请。临危受命的褚卫江率领团队对这一项目进行了系统诊断,提出了专业的咨询意见。以色列哈亚邓电站是中国首个在发达国家作为工程总承包(EPC)承接的抽蓄电站,业主工程师(OE)来自德国知名咨询企业费奇勒(Fichtner),且这一项目地质条件差,地下工程围岩问题突出,业主针对设计和施工提出了极高的要求。但由于业主不认可中国规范标准和国内的经验,项目设计审批难度巨大。得益于既往的研究与工作经验,褚卫江团队给这一项目的设计审批和施工提供了长期的现场服务,以专业的计算分析报告赢得了业主和业主工程师的一致认可,帮助顺利推进工程建设……

这些海外经历一方面丰富了褚卫江的阅历,进一步提升了其专业技能,另一方面也让他深刻体会到国内土木工程领域发展面临的困境:“中国工程技术标准国际化还处在起步的阶段,很多时候我们不得不使用国外标准,为中国工程‘走出去’带来了很大困难。改变这一困境应当是这一领域所有科技工作者的责任,未来我们仍旧任重道远。”

(责编:袁园)

分享到:
杂志
本期封面

2024年5月

上一期 下一期