岩石力学的未来在中国.docx

1、岩石力学的未来在中国岩石力学的未来在中国现状和展望傅冰骏1 张镜剑2 李仲奎31中国岩石力学与工程学会 100029 北京2华北水利水电学院 450011 郑州3清华大学 100084 北京摘要：本文为庆贺潘家铮两院院士80寿辰及钱七虎院士70寿辰而作，主要论述了中国岩石力学与工程以往取得的成就，并对今后的工作进行了展望。在此基础上，提出了一些意见和建议。关健词：岩石力学与岩石工程; 中国；成就; 展望The Future of Rock Mechanics Lies with ChinaAn overview and outlookFU Bingjun1(1.Chinese Society

2、for Rock Mechanics and Engineering，Beijing 100029)ZHANG Jingjian2(2.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou, 450011)LI Zhongkui3(3.Tsinghua University, Beijing China，100084)Synopsis: This paper is dedicated to Prof. PAN Jiazheng-Fellow, both of the Chinese Academ

3、y of Sciences and Chinese Academy of Engineering and also to Prof. QIAN Qihu, Fellow of the Chinese Academy of Engineering for congratulating their 80th and 70th birthday. It describes some achievements over the past years and the an outlook to the future in the field of rock mechanics and rock engi

4、neering in China. After that, comments and suggestions related to some topics common concerned are put forward .Key words: rock mechanics and rock engineering; China; achievement; outlook引 言 岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石的力学以及与力学有关现象的一门新兴科学。它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用价值，而且也是力学和地学相结合的一个基础学科1。 岩石力学的

5、发生与发展与其它学科一样，是与人类的生产活动紧密相关的。早在远古时代，我们的祖先就在洞穴中繁衍生息，并利用岩石做工具和武器，出现过“石器时代”。公元前4000多年，新石器时代的巨石文化在欧洲曾风行一时。目前，屹立在英格兰南部举世闻名的巨石阵（Stonehenge）就是其中的一个遗迹。公元前2700年左右，古代埃及的劳动人民修建了金字塔。公元前6世纪，巴比伦人在山区修建了“空中花园”。公元前613-591年我国人民在安徽渒河上修建了历史上第一座拦河坝。公元前256-251年，在四川岷江修建了都江堰水利工程。公元前254年左右（秦昭王时代）开发出钻探技术。公元前218年在广西开凿了沟通长江和珠江水

6、系的灵渠，筑砌石分水堰。公元前221-206年在北部山区修建了万里长城。在20世纪初，我国杰出的工程师詹天佑先生主持建成了北京-张家口铁路上一座长约1公里的八达岭隧道。在修建这些工程的过程中，不可避免地要运用一些岩石力学方面的基本知识。但是，作为一门学科，岩石力学研究是从20世纪50年代前后才开始的。当时世界各国正处于第二次世界大战以后的经济恢复时期，大规模的基本建设有力地促进了岩石力学的研究与实践。岩石力学逐渐作为一门独立的学科出现在世界上，并日益受到重视。1962年国际岩石力学学会（ISRM, International Society for Rock Mechanics）的成立，标志着

7、岩石力学的发展进入一个新纪元。 目前国际上已建和在建的大坝，最大高度超过300m，地下洞室的最大开挖跨度超过50m，矿山开采深度超过4000m，边坡垂直高度达1000 m， 石油开采深度超过9000m，深部核废料处理需要考虑的时间效应至少为1万年，研究地壳形变涉及的深度达50-60km，温度在10000C以上，时间效应为几百万年。今后，随着能源、交通、环保、国防等事业的发展，更为复杂、巨大的岩石工程将日益增多。但是，国际上有许多工程由于对岩石力学缺乏足够的研究，而造成工程事故。其中最著名的是法国马尔帕塞（Malpasset）拱坝垮坝及意大利瓦依昂（Vajont）工程的大滑坡。 马尔帕塞薄拱坝，

8、坝高60 m，坝基为片麻岩，1959年左坝肩沿一个倾斜的软弱面滑动，造成溃坝惨剧，400余人丧生。瓦依昂双曲拱坝，坝高261.6 m，坝基为断裂十分发育的灰岩。1963年大坝上游左岸山体发生大滑坡，约有2.5-3.0亿立米的岩体突然下塌，水库中有5000万立米的水被挤出，击起250 m高的巨大水浪，高约100 m的洪波溢过坝顶，死亡3000余人。近年来，虽然岩石力学得到突飞猛进的发展，但与岩体失稳有关的大坝崩溃，边坡滑动，矿山瓦斯爆炸，围岩地下水灾害等惨剧仍时有发生。诸如此类的工程实例，都充分说明能否安全经济地进行工程建设，在很大程度上取决于人们是否能够运用近代岩石力学的原理和方法去解决工程上

9、的问题。当前世界上在建和拟建的一些巨型工程及与地学有关的重大项目都把岩石力学作为主要研究对象。 如前所述，生产活动是推动岩石力学发展的动力。进入21世纪以来，在全球范围内，经济发展及基础建设的格局发生了相当大的变化。中国的和平崛起已成为不争的事实，连一向以严谨著称的美国时代周刊也在2007年1月22日的刊头以“中国世纪”为题加以报导。近年来，随着国民经济的持续、稳定发展，我国的大规模基础建设越来越为世人所瞩目。目前，我国已建或在建的三峡水利枢纽、南水北调、西气东输、西电东送、青藏铁路、越江跨海隧道、深部采矿等工程无不令国际同行惊羡不已。岩石力学与工程在我国已经成为名符其实的朝阳产业。而在欧美一

10、些发达国家由于经济发展缓慢，基础建设规模萎缩，岩石力学与工程已丧失昔日辉煌，沦为夕阳产业。两者之间形成鲜明的对比。 基于上述事实，国际岩石力学学会前任主席、美国科学院院士C. Fairhurst教授在2004年12月21日给本文第一作者的来信中明确地提出了“岩石力学的未来在中国”这一论点2。目前，上述论点已成为国际岩石力学界的共识。 但是，我们也应该清醒地认识到，现阶段我国只能算是一个岩石力学大国，算不上岩石力学强国。在科技创新方面，与国际先进水平相比还有不少差距。要实现从岩石力学大国到岩石力学强国的转变，还需要做出长期、艰苦的努力。因此，在这个重要的转折时期，对我国岩石力学发展的现状和未来提

11、出一些粗浅的看法，也许是有益的。一、中国岩石力学与岩石工程的主要成就1简单的发展历程1-9 在解放前的旧中国，连年战乱，民不聊生，岩石力学研究基本上是空白。中华人民共和国成立以后，随着水利、水电、采矿、交通、建筑、冶金，国防等建设工程的发展，提出了大量急待解决的岩石力学问题，从而使这门学科逐步发展壮大起来。上世纪50年代初，一些单位就建立了岩石力学实验室，初步开展了若干研究工作。而系统地、全面地对岩石力学进行研究，是从1958年开始的。当时，为适应长江三峡水利枢纽建设的需要，在国家科委领导下成立了三峡岩基研究组，以长江流域规划办公室及中国科学院为主体，在陈宗基教授指导下，集中了全国水利、水电、

12、建工、矿冶、高等院校等18个单位100余名科技人员，下设大坝地基、地下结构、岩质边坡、动力特性、灌浆加固等5个专业组，在室内外开展了大量试验研究工作，例如：岩体流变试验，隧洞压水试验，地应力测试，振动爆破试验等。根据科研工作的需要，还研制成功一批仪器设备，例如：岩石三轴仪（垂直总荷载5000kN，侧向压力150Mpa，试件直径9cm，高度20cm），大型电磁振动台，岩石扭转流变仪，液压钢枕等。三峡岩基组的工作，不仅对我国水工建设岩石力学的发展起重要作用，也为中国岩石力学的发展奠定了基础。文化大革命期间，同全国的情况一样，我国的岩石力学事业遭到极大的破坏。尽管如此，我国的科技人员仍然发挥自强不息

13、的爱国主义精神，在若干重点工程，例如在葛洲坝、刘家峡水利水电工程，金川镍矿工程、成都昆明铁路工程及国防工程建设中，做出了突出的贡献。其中，针对葛洲坝水利枢纽进行的岩石力学研究最有代表性。 葛洲坝工程是我国于上世纪70年代在长江干流上自行设计、自行施工的第1座巨型水利枢纽，有“万里长江第一坝”之称。主要的工程地质问题是坝基中广泛分布有原生或构造软弱夹层，总计约80余层。在陈宗基先生指导下，来自水利电力部、中国科学院等单位的科技人员对此进行了系统深入的研究。为全面探索夹层的矿物、物理、力学、化学性质，除进行一系列宏观、微观分析外，着重进行了室内和野外抗剪、蠕变、松驰、振动爆破及抗力体试验。在抗剪蠕

14、变试验中，考虑到浸水、振动、长期渗透、反复荷载等因素对强度参数的影响。野外抗剪蠕变试验采用的试件尺寸为50cm60cm，持续时间长达3个月。抗力体试验尺寸分别为11.65m1.70m2.30m及9.54m1.70m2.30m（长宽高），规模之大，在国内外均属罕见。根据大量试验研究结果，运用流变力学原理，解决了软弱夹层及非连续、层状岩体结构的力学问题，并提出了有关的数学、力学模型及计算方法，为大坝设计和施工提供了重要依据。 在极为复杂的岩基上兴建如此巨大的工程，当时在国内外均无先例可循。通过兴建葛洲坝，不但有力地促进 了我国坝工技术的全面发展，而且在岩石力学发展史上，也堪称一个重要的里程碑。 此

15、外，针对金川镍矿的复杂岩体结构，高地应力，大变形，露天矿稳定及监测等重大问题，谷德振先生在这期间也组织了一批科研骨干在现场共同攻关，取得了丰硕的成果，堪称综合研究和多学科合作的典范。 我国实行改革开放政策以来，岩石力学得到突飞猛进的发展。1978年12月26日，中国科学院、外交部联合向国务院呈送了“关于拟申请参加国际岩石力学学会和出席该学会第四届大会的请示”报告（78）科发外字第2041号。同年12月31日获得国务院方毅等5位副总理的批准。紧接着，我国即正式成立了国际岩石力学学会中国组织（National Group China, ISRM）,并以团体会员名义加入国际岩石力学学会。1979年9

16、月以陈宗基先生为团长、谷德振先生为副团长的中国10人代表团参加了在瑞士Montreux召开的第4届国际岩石力学大会。 陈宗基先生分别在国际岩石力学学会理事会及学术大会上做了介绍中国岩石力学学科发展的报告，在国际上产生了广泛的影响。此外，在陈宗基、潘家铮先生倡导下，1982年成立了中国岩石力学与工程学会筹备委员会。经过三年多的不懈努力，1985年成立了全国性一级学会：中国岩石力学与工程学会（对外为国际岩石力学学会中国国家组织）。此外，在水利、水电、煤炭、铁道、建筑、冶金等部门也根据行业特点，建立了各自的岩石力学专业委员会。这支队伍为解决国家重大项目，例如：三峡、葛洲坝、小浪底、二滩、小湾、引大入

17、秦、引黄入晋、锦屏、溪洛渡、南水北调等水利水电工程，大冶、攀枝花、金川等矿山工程，成昆、南昆、京九、青藏等铁路工程，抚顺、大同、两淮、兖州等煤矿工程，大庆、胜利、克拉玛依等石油工程，秦山、大亚湾、岭澳等核电工程，北京、上海、广州、深圳等地铁工程，以及成千上万个中、小型工程建设中所遇到的岩石力学难题，开展了大量的工作，取得了丰富的成果。2主要成就3-11（1） 队伍不断扩大、科研成果持续创新 我国于1979年成立国际岩石力学学会中国国家组织时，只有10名会员。目前国家组织人数为410名，增加了40倍多，居世界首位。中国岩石力学与工程学会于1985年成立时，只有2000名会员。目前，已发展到150

18、00余名会员，约为国际岩石力学学会会员总数的3倍，广泛分布在全国各省、市、自治区。专业范围涉及岩石力学与岩石工程多个分支学科。目前，有16个专业委员会或分会，专业范围包括：（1）地面岩石工程、（2）地下与地下空间岩石工程、（3）岩石动力学、（4）岩体物理数学模拟、（5）岩石锚固与注浆技术、（6）岩石破碎工程、（7）岩石力学测试、（8）软岩工程、（9）深层岩石力学、（10）高温高压岩石力学（11）环境岩土工程、（12）隧道掘进机及工程应用、（13） 古遗址保护与加固工程、（14） 废物地下处置、 （15） 工程实例、（16） 防护工程。 我国在岩石力学方面已形成世界上最广大的人才市场。在人才培养

19、方面，我国从事有关岩石力学方面教学和科研的高等院校超过50所，约占全球有关岩石力学方面学院校总数的1/10，居世界首位。不少年轻学者已经在国际舞台上崭露头角。“文化大革命”期间造成的“断层”现象，正以更快的速度消失。 在学科发展方面，继岩石力学界先驱陈宗基先生在岩石流变学12-15。，谷德振先生在岩体结构、岩体工程地质力学16-22，潘家铮先生在地下结构、地基边坡稳定分析及反馈设计18-21 等方面做出一系列杰出贡献之后，近年来我国学者（包括华裔科学家）在岩土流变学，关键块体理论，不连续变形分析（DDA），数值流形元方法（NMM），岩石分形分维，智能岩石力学，软岩力学，岩石破坏过程分析（REP

20、A），系统工程地质学，岩石力学数值计算方法，岩质边坡稳定分析-原理，方法和程序，岩体水力学，岩土塑性力学，岩体损伤力学，岩体强度理论，卸荷岩石力学，岩石记忆与开挖理论，非线性岩石力学研究，统计岩体力学，强动载作用下的岩石动力学，岩石工程位移反分析方法等方面的研究都提出诸多创新的成果。有关孙钧、王思敬、钱七虎院士及其他专家的代表性著作见文献22-60。（2） 一系列岩石力学重大课题被列入国家科技攻关项目 自第6个国民经济发展五年计划实施以来，我国充分发挥社会主义制度的优越性，对岩石力学中的一些前沿课题，在全国范围内组织力量进行科技攻关。“6.5”期间，涉及到岩石力学方面的国家科技攻关项目为：1）

21、地下工程快速施工水电站大型地下洞室围岩稳定和支护的研究地下洞室快速施工机械和施工技术的研究应用隧道掘进机加速地下工程施工的研究2）复杂地基的勘测与处理技术研究复杂地基的工程地质研究与勘测技术复杂地基的基础处理设计与施工技术研究“7.5”期间，涉及到的课题为：1）勘测新技术研究2）岩体力学测试及高坝地基原位监测技术研究3）高坝地基岩体稳定性评价及可利用岩体质量标准研究4）高坝地基处理技术研究5）煤与瓦斯突出地质灾害防治研究6）煤矿突水地质灾害防治研究“7.5”期间专门就三峡工程单独列项进行攻关，涉及的课题有：1）坝区及外围地壳稳定性研究2）坝区高边坡和建基岩体工程问题研究3）水库诱发地震研究4）

22、库岸稳定性研究5）环境地质评价与预测6）三峡工程高陡边坡开挖、加固技术研究。“8.5”国家重点科技攻关涉及的课题有：1）高边坡稳定及处理技术研究 岩质高边坡稳定分析方法及软件系统大型滑坡调查总结及相应的数据库岩质高边坡失稳破坏机理及分析方法研究岩体结构特征及力学特征研究岩质高边坡稳定评价和分析设计的计算机软件综合系统 岩质高边坡开挖及加固措施研究 岩质高边坡开挖控制爆破及动力反应 预应力锚固技术 边坡施工合理顺序及综合加固处理的优化设计 岩质高边坡勘测及监测技术方法研究 摄影（像）图像分析技术在边坡岩体结构研究中的应用 直接横波测井技术及其应用研究 层析成像技术在边坡岩体勘测中的应用 钻孔彩色

23、电视孔壁成象系统及其应用研究 钻孔多点渗压测量及压模系统 近库坝段的安全监测技术研究 边坡监测数据处理系统预报软件及应用研究2）高拱坝坝体、库水和坝基相互作用动、静力分析研究 坝体渗流特性及拱座稳定分析研究 安全监控标准及反馈分析理论3）勘测关键技术及综合应用研究 原位保真取芯技术研究 “3000”系列测井仪的改造和原位密度的测试研究 岩体裂隙结构面的计算机处理系统 高分辨率地震勘探技术方法研究 岩溶勘测新技术 地应力测试新方法国家自然科学基金委员会于19891992年将岩土与水工建筑物相互作用列为重大项目，该项目包括7个专题，与岩石力学有关的有3个。1）裂隙岩体力学特性与洞群施工力学研究2）

24、加固后裂隙岩体力学特性及建基面准则研究3）裂隙岩体中水的运动与水工建筑物相互作用研究“9.5”国家科技攻关涉及的课题为：1）快速勘探技术的综合应用 遥感技术及其应用研究：遥感与地理信息系统技术集成及应用研究深挖高边坡快速地质编录成图技术开发与应用研究地下洞室围岩地质编录成图技术开发与应用研究 综合物探技术研究及其应用：地震波CT技术及应用研究钻孔彩色电视孔壁成像系统及应用研究声波测井技术应用研究高密度电法勘探研究 钻探新技术的开发及其应用：复杂地层安全快速钻进技术研究钻孔岩芯定向技术研究自振法抽水试验技术应用研究 工程地质综合分析技术的开发及其应用：工程地质综合分析系列软件研究岩体物理力学特性

25、及强度参数取值研究软弱夹层力学特性参数研究2）300m级高拱坝坝基稳定研究： 高拱坝抗滑稳定安全系数及岩体力学参数研究 拱坝与地基整体失稳机理、分析方法及对策研究 考虑暴雨入渗等因素拱坝坝基滑动可靠度分析方法研究3）超大型地下洞室群合理布置及围岩稳定研究： 水库蓄水后地下洞室结构和围岩稳定与支护方式分析 地下洞室群合理施工顺序研究 地下洞室抗震稳定性研究4）坝址及近岸滑坡体稳定性研究： 溪洛渡近坝滑坡体的稳定性分析和治理检测方案 小湾坝前堆积体稳定与加固方案研究上述一系列研究成果均通过了国家鉴定和验收。通过科技攻关，有力地提高了我国岩石力学总体水平。 2002年，“灾害环境下重大工程安全性的基

26、础研究”作为国家重点立项。这是我国首次将岩土力学与灾害环境列入国家“973”计划。该项目研究时间为5年，谢和平院士、冯夏庭教授担任首席科学家。该课题针对构造复杂、灾害频发地区的重大工程建设，包括高坝大库，高陡边坡，深埋长大隧道、大型地下洞室群的安全性进行基础研究，涉及当前力学、地学、工程及信息科学的前沿。内容包括5个关键问题，即：1）复杂工程地质体结构及其力学特性的多尺度建模理论和方法；2）多场耦合对复杂地质体的影响规律及其引起灾变的特性；3）灾害环境作用下工程地质体变形破坏过程及突发性灾害的成灾机理；4）地质系统工程在灾变过程中的响应模式与自适应机理和规律；5）灾害的时空预测理论与工程的安全

27、防护原理。该项研究对推动相关学科发展和科技进步具有十分重要的意义61 2004年3月，“深部岩体力学基础研究与应用”被国家自然科学基金委员会批准列为重点资助的重大项目。钱七虎院士、何满潮教授任首席科学家。启动以来，在涉及到深部岩体的基本概念，高地应力场及地质构造精细探测，岩体力学特性，采动覆岩移动规律及巷道稳定性控制，深部工程灾害控制，实验室设备研制等方面均取得突破性进展62-64。2005年，国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司共同出资，建立了雅砻江水电开发联合研究基金重点项目。该项目实施年限为4年，涉及到岩石力学和岩土工程的主要研究内容有：1）深埋长大引水隧洞和洞室群的安全与长

28、期稳定研究；2）高压力大流量岩溶裂隙水状态下深埋长引水遂洞和洞室群安全及其预报；3）岩石高边坡安全及其预报；4）300m级高拱坝与地基系统的破坏演变过程，高拱坝失效模式、安全度评估和风险分析方法我学会所属单位承担了其中大多数项目。2006年，“城市地下空间建设技术研究与工程示范”课题被列入“十一五”国家科技支撑计划重点项目。该项目实施年限为5年，主要研究内容为：1）城市地下空间建设政策与标准体系研究；2）城市地下空间规划设计研究；3）城市地下空间建造技术研究；4）城市地下空间环境质量保障技术研究5）城市地下空间防灾减灾技术研究；6）城市地下空间建设示范工程。（3）广泛、深入的学术交流有力地促进

29、了学科发展和科技进步 1979年前，有关岩石力学领域的学术交流，在我国基本上是空白。1979年，中国代表团10人小组参加了在瑞士Montreux举行的第4届国际岩石力学大会，打开了通向国际岩石力学界的大门。此后，尤其是中国岩石力学与工程学会成立以后，学术交流日益活跃。-在国际活动方面，截止到2007年年底，由中国岩石力学与工程学会及相关机构发起组织的国际学术会议有20余次，其中影响较大的是：1）“复杂岩石中的建筑物国际学术讨论会”（1986， 北京）2）“三峡工程岩石力学与工程国际科学技术讨论会”（1993， 宜昌）3）第一届“岩石力学与工程新进展国际学术讨论会”（1994， 沈阳）4）“国际

30、锚固与注浆技术研讨会”（1994， 广州）5）“岩石力学与环境岩土工程国际学术讨论会”（1997， 重庆）6）“锚固与注浆技术面向新世纪国际学术讨论会（1999， 广州）7）2001国际岩石力学学会年会暨第2届亚洲岩石力学大会（ISRM 2001-2nd ARMS,北京）-21世纪岩石力学前沿课题及可持续发展（2001，北京）8）第2届岩石力学与岩石工程新进展国际学术讨论会（2002 ,沈阳）9）中国龙游石窟保护国际学术研讨会（2004，龙游）10）第4届地下物流国际研讨会（2005, 上海）11）中俄工程技术研讨会（2005，北京）12）南水北调西线工程深埋、长大隧道关键技术及掘进机应用国际

31、研讨会（TBMSN-2005，北京）13）2005上海国际隧道工程研讨会（2005，上海）14）首届跨海隧道工程建设高级国际专家研讨会（2005，上海）15）地下空间国际学术大会（2003及2006，北京）16）中国高速铁路隧道国际技术交流会（2006，北京）17）海底隧道修建技术国际研讨会（2007，厦门）在上述会议中，以ISRM 2001-2nd ARMS及TBMSN-2005，两个会议最为实出。2001年的会议开完以后，国际岩石力学学会副主席Chung-Inn Lee教授及国际岩石力学学会秘书长J. D. Rodrigues博士分别致函会议主席王思敬院士及秘书长傅冰骏教授对会议的胜利召开及成功的学术交流表示祝贺，对我方的热情接待表示感谢65-66。TBMSN-2005会议结束后，国际隧道协会主席H. Parker教授，副主席H.Wagner 博士等均主动向我方索取有关资料。T