2008年,“青藏鐵路工程”榮獲國家科技進(jìn)步特等獎,賴(lài)遠明是獲獎人之一衡存。
東起西寧,南至拉薩牵囤,翻越了唐古拉山,跨越了長(cháng)江之源令涮,9年前,全長(cháng)1956千米的青藏鐵路正式通車(chē)。這條被稱(chēng)作鐵路建設史上奇跡的“天路”克服了多個(gè)世界級困難,其中一大困難便是凍土路程最長(cháng)处面,多年凍土地段長(cháng)達550千米。鋼軌要在雪域高原上得以延伸,必須讓這些凍土保持冰凍屁置。
但極特殊的是,青藏高原大多是高溫凍土——0攝氏度以下、零下1.5攝氏度以上含有冰的巖石和土壤炼亡。極小的溫度上浮就會(huì )讓它們融化。中國科學(xué)院寒區旱區環(huán)境與工程研究所賴(lài)遠明院士長(cháng)達6年的研究,讓數百千米的凍土在鐵軌下能夠堅固支撐。
192天的實(shí)驗,只為確定鐵軌下要鋪多大的碎石頭
“高溫凍土是個(gè)調皮分子,它極易受到工程影響以及全球氣候變暖而融化,從而導致地基下沉逐工、變形。”賴(lài)遠明介紹,“天然地表零下1.5攝氏度糕档,但是用粗顆粒土、混凝土等修筑路面后將比天然地表溫度高出約3攝氏度浑忘,這就相當于給底下的凍土安了一個(gè)熱源。”
同時(shí),全球氣候變暖對高溫凍土也有著(zhù)不可估量的影響设难。“氣象學(xué)家測算未來(lái)50年青藏高原的氣溫將上升2.2—2.6攝氏度。”這2.6攝氏度也必須加入減溫范圍。
怎樣讓凍土溫度保持零下贝淤?過(guò)去的做法通常是“被動(dòng)保溫”,即在地表鋪上隔熱材料霜售,減少外部熱量下傳巫扯,然而這種被動(dòng)抵御的方式并不持久。時(shí)任蘭州冰川凍土研究所所長(cháng)篙泣、也是賴(lài)遠明恩師的程國棟院士曾提出“主動(dòng)冷卻路基”的方法,但主動(dòng)冷卻路基如何修建裆柄,這在國內外凍土工程學(xué)研究中還是一個(gè)空白。
1999年马临,舉世矚目的青藏鐵路工程亟待上馬,這一年圃星,賴(lài)遠明入選“百人計劃”鳄疚。事實(shí)上,當時(shí)賴(lài)遠明并不完全滿(mǎn)足“百人計劃”的入選要求袄着,“當時(shí)要求在國外具有兩年以上科研工作經(jīng)歷的條件,我只出國學(xué)習了一年霜威。”賴(lài)遠明回憶。但在求賢若渴的程國棟院士的極力推薦下昏滔,他被破格錄取了哮兰。程院士的理由是:國家太需要這樣既懂土木工程、又懂凍土寂贱,并愿意扎根西部的優(yōu)秀人才了免有!
當時(shí)的凍土專(zhuān)家多是地質(zhì)地理專(zhuān)業(yè)背景,主要研究?jì)鐾恋奶烊粚傩脏麓海y以在凍土路基結構設計方面提出精準的解決方案。比如國內外凍土專(zhuān)家都發(fā)現了一個(gè)現象:碎石層下的溫度較普通土層下要低呈慕。但是要達到最好的降溫效果,碎石的粒徑是多少橘抵、縫隙應該多大踪少、怎樣鋪設糖橡?難以得出一個(gè)量化的答案。
賴(lài)遠明沒(méi)有讓恩師失望返吻,經(jīng)過(guò)192天16組的實(shí)驗,搞清了碎石層降溫的機理,提出具有良好降溫效果的粒徑范圍是10—30厘米。這個(gè)數字突破了防止高溫凍土升溫的第一道難關(guān)。“我的結構力學(xué)背景派上了用場(chǎng)稻嘱。”研究生期間攻讀結構力學(xué)專(zhuān)業(yè)的賴(lài)遠明發(fā)揮了他在彈粘塑性力學(xué)、有限元和數值分析等方面的知識技能盔鬼,建立了研究?jì)鐾恋貐^開(kāi)放邊界塊碎石路基溫度場(chǎng)和流場(chǎng)特性的數學(xué)模型,提出了分析塊碎石路基對流換熱降溫規律的計算方法鱼虽,解決了青藏鐵路塊碎石路基這類(lèi)含有流體——固體耦合傳熱溫度計算的關(guān)鍵科學(xué)難題。他在力學(xué)上的深厚功底也成為他此后屢破難題的法寶脯黎。
解決了凍土路基酝既,1公里就省2000萬(wàn)
地表鋪上塊碎石層來(lái)降溫消減了施工帶來(lái)的升溫,但未來(lái)50年青藏高原氣候升溫2.6攝氏度帶來(lái)的“威脅”仍未被完全抵消。賴(lài)遠明因此獨創(chuàng )了一種“冬冷夏涼”的路基結構聚霜。
“不僅在路基下部梳侈,在路基兩側也鋪上碎石層。構成一個(gè)U形。”賴(lài)遠明在紙上仔細地畫(huà)出這一結構,“冬天漱办,冷空氣能在這種結構中自然對流懂蓉,夏天蜒舟,這種結構能讓熱空氣流動(dòng)更慢飘膛,起到隔熱的效果。”這種路基結構的設計仍然少不了精確計算,兩側碎石塊的粒徑和鋪設厚度要結合地表上下溫差、空氣密度等多個(gè)因素考慮事格。賴(lài)遠明建立了一個(gè)復雜計算模型來(lái)模擬幾十年中溫度升高的情況。“據我們測量,這種結構下的凍土地表溫度不僅沒(méi)有升高,還在逐年下降娜珍,這為抵御氣候變暖爭取了更多余地胀糜。”賴(lài)遠明說(shuō)橱乱。
2008年旬痕,“青藏鐵路工程”榮獲國家科技進(jìn)步特等獎,賴(lài)遠明是獲獎人之一。“如果不用您設計的凍土路基,青藏鐵路還能不能安全修建起來(lái)倚舀?”面對記者的疑惑闸餐,賴(lài)遠明很謙虛地擺擺手:“這只是青藏鐵路修建中眾多困難之一释固,如果不用這種結構瘸窄,也可以通過(guò)架橋鋪設鐵路俗呆,讓火車(chē)在橋上跑。”但是如果這樣,每鋪設1公里鐵路,就要多付出2000多萬(wàn)元的成本。
除了解決凍土路基的問(wèn)題,賴(lài)遠明和團隊還解決了青藏線(xiàn)“第一長(cháng)隧”昆侖山隧道和世界最高海拔鐵路隧道“風(fēng)火山”隧道的修建難題。由于資料匱乏捷夜,賴(lài)遠明根據凍土物理學(xué)和凍土力學(xué)基本理論榕酒,反復研究了凍害對隧道的破壞機理族沃,建立了凍土隧道傳熱模型须肆,解決了青藏鐵路風(fēng)火山隧道茅信、昆侖山隧道襯砌和保溫措施的參數優(yōu)化設計問(wèn)題击洲,消除了凍脹和融化對這兩座凍土隧道的破壞作用拭灾。
如果成功是1,少0.1分的努力都不行
從江西省龍南客家山村走出声畏,如何走上了萬(wàn)里之外的青藏高原匹涮,并致力于研究“凍土”這一冷門(mén)的領(lǐng)域翘骂?“越冷門(mén)的領(lǐng)域亟待解開(kāi)的秘密就越多知谒,青藏高原作為世界之巔炬灭,高海拔造就了其不同于其他凍土區的特點(diǎn)毕骡,很多問(wèn)題連凍土之國俄羅斯也沒(méi)能解決丑恶。”興趣引領(lǐng)賴(lài)遠明入門(mén)激喉。
“從小就喜歡物理和數學(xué)舱跑,記得上大學(xué)時(shí)做了4000多道數學(xué)題,理論力學(xué)寫(xiě)完了十幾個(gè)練習本。”除了起早貪黑地學(xué)習,連上一趟街買(mǎi)點(diǎn)生活必需品惹虏,賴(lài)遠明都要嚴格控制時(shí)間,“就花10分鐘,恨不得爭分奪秒地學(xué)習。”
賴(lài)遠明相信,成功如果是1屡旺,只有各方面的努力都達到1,才算成功,“如果每個(gè)方面少一分努力,成功的概率就會(huì )驟降。不信你算一算,0.9乘以0.9的結果與0.8乘以0.8是不是差很多?”
刻苦的動(dòng)力還來(lái)自一顆感恩的心掏父。賴(lài)遠明牢記讀書(shū)生涯中得到的寶貴支持:“上大學(xué)時(shí)拓巧,免除了我所有學(xué)費和醫療費用玉转, 國家每個(gè)月還給我21元助學(xué)金短硼,讀研究生時(shí)每個(gè)月能領(lǐng)到57元助學(xué)金岖疲。”不善言辭的賴(lài)遠明說(shuō)得實(shí)在邦墅,也只有在自己的日記中曾寫(xiě)下“寸草報春暉”這樣對他來(lái)說(shuō)最華麗的語(yǔ)言俐东。
全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎贞远、國家科技進(jìn)步特等獎钮瘪、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、全國先進(jìn)工作者、全國優(yōu)秀科技工作者、中國科學(xué)院院士……各種榮譽(yù)和頭銜背后,賴(lài)遠明不忘初心。遠在龍南的弟弟賴(lài)遠東說(shuō),每次打電話(huà)給大哥,他都在一線(xiàn)搞試驗或在工作。“養兵千日用兵一時(shí),希望我可以一直為國家科技事業(yè)沖鋒陷陣。”賴(lài)遠明說(shuō)。