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科学中国人杂志社

归档日期:06-22       文本归类:杨玉明      文章编辑:爱尚语录

  20世纪下半叶发生了3次震惊水利水电工程界的重大工程事故:法国Malpasset双曲拱坝溃坝,意大利Vajout双曲拱坝近坝库区左岸发生2.5亿立方米的大滑坡,美国Teton土坝在岩基坝段溃决。有学者从岩石水力学的观点讨论了工程事故的原因,虽然至今尚未取得完全一致的结论,但对事故分析的研究加深了人们对岩石水力学的认识,使人们将目光放到了裂隙岩体的渗流特性研究上。

  裂隙岩体的渗流特性和力学特性是相互作用的,它们共同影响着地下采矿、深部核废料储存设施和隧道等地下工程的稳定性,准确预测裂隙岩体的渗流特性对指导工程实践具有重大意义。中国矿业大学副研究员刘日成在学生时代就开始致力于复杂岩体裂隙网络的分形特性和非线性渗流机理方面的研究工作,在建立具有真实几何特征的复杂裂隙网络模型并通过试验和数值模拟评估裂隙岩体的线性、非线性渗流特性方面进行了一系列科研探索并取得了多项重要成果。

  在刘日成青春的记忆里,他一直是“别人家的孩子”:2006年9月,考入山东大学攻读城市地下空间工程专业;2010年7月,被保送为山东大学岩土工程专业硕士研究生;2011年4月,参与中日韩水环境保护项目赴日本长崎大学攻读硕士学位,并获得日本JASSO学习奖励费奖学金;2013年4月,被录取为岩土工程专业博士研究生,师从日本工程院外籍院士蒋宇静教授。

  博士期间,刘日成利用公式推导法对裂隙岩体渗流特性评估进行了研究,他首次提出了通过岩体裂隙的流量和开度的6-DT次方成正比(DT是评价裂隙表面粗糙度的分形维数),发现了裂隙网络渗透性和裂隙网络分形维数Df呈指数函数关系,成功地建立了代表裂隙网络几何特征的分形维数与裂隙网络渗透性的数学关系,取得了预测深部裂隙岩体渗透性的解析解,为评估裂隙岩体渗流特性提供了一种基于分形理论的新方法。

  其中代表性文章已被引用90次,被Elsevier出版社列为25篇最热门论文,并于2016年6月获日本岩石力学学会优秀期刊论文奖。该奖是日本岩石力学界最具影响力的期刊论文奖,刘日成成为以第一作者获得该奖的首位中国人。

  2016年8月,刘日成选择回国发展,落脚中国矿业大学。4个月后,刘日成被破格晋升为中国矿业大学副研究员。与此同时,他被派往日本长崎大学进行为期6个月的学术访问。时隔不到一年,刘日成再次回到了长崎大学,他曾在这里有过5年的求学时光,这里见证了他在科研路上的成长与蜕变。

  2017年11月,距离第一次学术访问结束不到5个月,刘日成入选了日本学术振兴会外国人特别研究员(JSPS)项目。该项目是日本资助青年学者开展科研的最高奖项之一,每年资助名额较少,竞争激烈。据日本学术振兴会官方数据统计,该项目2017年度一共收到全球不同学科的2473份申请,最终获批249项,具体到岩石力学专业,大概只有2~3名获批者,获批率仅为10%左右。刘日成能够成功申请到该项目,表明其在岩体裂隙网络分形特性与渗流机理方面的研究工作得到了高度认可,具有广阔的研究前景。

  在裂隙网络建模中,由于地下岩体内实际的裂隙网络由数以百计甚至数以千计的裂隙和交叉点组成,且裂隙分布具有随机性、各向异性等特点,准确描述和再现裂隙空间分布特征(比如密度、倾角、走向、开度、长度等)及表面几何特性(比如表面粗糙度等)十分困难。虽然在近年来的研究中利用CT成像技术和3D打印技术可重复制作一系列具有相同表面形状的粗糙裂隙试验模型和包含复杂裂隙的天然煤岩模型,有利于明确剪切过程中裂隙岩体的力学行为和分析裂隙网络的空间分布特性,但这些技术往往具有成本高、效率低等特点,因此亟需一种简单、快速、价廉、准确的描述裂隙几何空间分布特性的方法。

  2017年,刘日成主持了江苏省自然科学基金青年项目“深部岩体裂隙网络分形特性与渗流特性研究”,针对岩体裂隙分布的复杂性,项目团队构建了裂隙网络渗流可视化试验系统,克服了不同流速下裂隙网络模型的密封难题。团队通过可视化系统捕捉到了溶质通过裂隙交叉点时发生的流线偏转、旋转、溶质混合等细节特征,得到了流量和压力的线性和非线性关系曲线,以此分析了裂隙交叉点和表面粗糙度等几何特征对渗流造成的影响,为揭示裂隙网络渗流机理提供了一种有效的试验方法和基础试验数据的支撑。

  虽然大量的室内和现场试验已经表明,通过裂隙网络的流量和压力梯度呈非线性相关,随着压力梯度的增大,渗透系数逐渐降低。然而,在迄今为止的模型预测中,人们往往忽略了由裂隙表面粗糙度和裂隙交叉引起的惯性效应的影响。假设裂隙网络内的流体流动服从立方定律,即通过裂隙网络的流量和压力梯度线性相关,随着压力梯度的增大,渗透系数保持恒定的常数,这种简化将高估裂隙岩体的过流能力,与真实渗透系数相比存在一定的偏差,这种偏差将对地下工程的稳定性设计及安全性评估带来困难,甚至可能造成灾难性的后果。因此,为提高模型预测的精确度,亟需高效地建立复杂岩体裂隙网络模型并定量分析非线性渗流机理的室内试验和数值模拟计算方法。

  2018年,基于江苏省自然科学基金青年项目的科研工作与成果,刘日成主持了国家自然科学基金青年基金项目“基于分形理论的三维岩体裂隙网络非线性渗流机理研究”。项目团队建立了复杂裂隙网络数值模型,通过求解Navier-Stokes方程分析了裂隙岩体内的非线性渗流机理,基于水力梯度提出了区分线性流动和非线性流动的新判据,建立了评估非线性渗流特性的Forchheimer方程所含参数的数学表达式,为裂隙网络数值模拟选择恰当的流体流动控制方程提供了具体的评判标准,为准确评估现场大尺度裂隙岩体的渗流特性建立了有用的方法。

  获得这两个科研项目资助后的一年半时间里,刘日成以第一作者发表SCI论文12篇,以通讯作者发表SCI论文6篇,以第一发明人申请发明专利2项。2018年9月,刘日成获得了中国岩石力学与工程学会青年科技奖金奖,该奖获得者在全国范围内仅有5人。

  2018年11月初,刘日成参加了第10届亚洲岩石力学大会并在会议上作了口头报告。这是他第二次参加亚洲岩石力学大会了,两年前,在第9届亚洲岩石力学大会上他也作了报告,那时他才刚刚博士毕业,对未来的科研之路满怀一腔热血。如今,他斗志更满,力求在复杂岩体裂隙网络分形特性与渗流机理领域取得更多的成果。

  刘日成,中国矿业大学副研究员,硕士生导师。主要从事岩体裂隙网络分形特性与渗流机理方面的研究工作,负责国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后基金等课题6项;以第一/通信作者发表SCI期刊论文27篇(其中14篇论文影响因子大于2.8分),其中4篇第一作者论文入选ESI高被引论文(Highly Cited Papers),2次入选Computers and Geotechnics期刊25篇最热门论文,1次入选日本岩石力学学会优秀期刊论文奖,1次入选日本岩石力学学会优秀博士学位论文奖,1次入选长崎大学校长奖;2017年入选日本学术振兴会外国人特别研究员(JSPS fellow),2018年入选中国科协第三届“青年人才托举工程”、中国博士后国际交流计划派出项目,获中国岩石力学与工程学会的青年科技奖金奖;另以第一作者发表EI期刊论文6篇,以第一发明人申请发明专利4项。

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