——記中科院寒旱所凍土與寒區工程研究創新團隊

2020-11-28 中國·甘肅

  鳥兒展翅高飛,直上雲霄/廣闊的天空有鳥兒的夢想……研究凍土的科學家們愛上了凍土/有凍土的地方就會有凍土團隊的夢想……

  1月8日,2017年度國家科技獎在北京揭曉,中科院寒區旱區環境與工程研究所凍土與寒區工程研究團隊榮獲國家科技進步創新團隊獎,成為我省首個問鼎這一獎項的創新團隊。消息傳來,中科院寒旱所上下為之振奮,凍土團隊成員陳懷琴懷著激動的心情寫下了這首《凍土之戀》。

  半個多世紀以來,凍土創新團隊老中青三代懷揣著夢想,紮根西部,潛心於凍土研究,攻克了一個個世界性難題,完成了一項項重大建設工程,用青春和熱血把論文寫在了祖國的高寒大地上。

  中國科學院院士程國棟、賴遠明,「973計劃」首席科學家馬巍、凍土工程國家實驗室主任吳青柏……從這支團隊走出來的科學家可謂「星光熠熠」,正是他們的努力,讓我國凍土研究走在了世界前列。

三代接力 一朝夢圓

  這,是一個關於夢想的故事。

  凍土是含有地下冰的各種巖石和土壤,土凍結時會發生凍脹,融化時就成了一團稀泥,完全喪失了承載力,會造成建築物變形、破壞。在全球變暖的情況下,寒區工程至今仍是一個世界性難題。

  我國是世界上第三凍土大國,多年凍土佔國土面積的五分之一。我國的多年凍土主要為高海拔凍土,其特點是溫度相對較高、極不穩定。因此,凍土研究在西部大開發和東北振興重大工程建設中具有重要意義。

  早在上世紀50年代末,國家決定修建青藏鐵路,並組建了凍土研究隊,開始對凍土展開系統研究。1965年,程國棟從北京地質學院(現中國地質大學)畢業後被分配到當時的中國科學院蘭州冰川凍土研究所工作,開始在青藏高原做調研。在程國棟看來,從一開始他們所有的研究都和青藏鐵路緊密相連,這也讓凍土研究有了實踐的動力和基礎。

  後來,由於修建青藏鐵路各方麵條件尚不成熟,項目暫時擱淺,但老一輩科研工作者對凍土的研究卻從未中斷過。1976年,青藏鐵路建設項目重啟,當時鐵路部門制定了兩個方案,一個是穿越無人區的東線方案,另一個是沿著青藏公路走的西線方案,程國棟選擇了條件艱苦的東線,帶隊進行了大量研究。1978年,青藏鐵路項目雖然再次暫停,但作為項目負責人之一的程國棟出色地完成了聯合攻關項目——青藏鐵路建設中的凍土問題研究。此後,他創造性地提出了「厚層地下冰形成的重複分凝機制」,在國際上引起很大反響。1989年,凍土工程國家重點實驗室成立,凍土研究作為國家戰略的重要科技支撐被提到了更高的位置。

  2001年,青藏鐵路工程第三次「上馬」。當時國家成立了以中科院寒旱所為核心的攻關團隊,主要解決青藏鐵路修建中凍土路基及寒區隧道問題。

  面對多年凍土、高寒缺氧、生態環境脆弱這三大世界級難題,科研攻關首先要做的是在青藏鐵路穿越500多公裡多年凍土區時,提供技術保證凍土不融沉、路基始終穩定。當時有西方專家斷言:根本無法攻克。

  面對這樣的「斷言」,程國棟帶領團隊一路攻堅克難,首次提出了「主動冷卻」路基的理論和技術。「『主動冷卻』就是改『保冷』為『製冷』的思路,通過改變路基的填料和結構,創造一種『熱半導體』,使路基在冬季加強放熱,在夏季減少吸熱,這樣年循環的結果是淨放熱,路基就會冷卻下來。」賴遠明解釋,團隊找到了通過調控輻射、調控傳導和調控對流的成套「冷卻路基」的築路技術和設計參數,並進一步發展了綜合多種措施的降溫路基。

  最終,這一方案被採用。沒有先例、更沒有規範,一切都得邊試驗、邊創新、邊應用。2006年,青藏鐵路順利通車,科研團隊不但實現了預期目標,還能確保在未來50年青藏高原氣溫上升2.6攝氏度的情況下,仍然保持凍土熱穩定。截至目前,青藏鐵路已安全運營12年,時速達到100公裡/小時,是世界上多年凍土區列車跑得最快的鐵路。

  青藏鐵路的成功在國際凍土學界轟動一時。《Nature》雜誌曾大篇幅報導了青藏鐵路並指出:以環境友好方式解決了氣候變暖條件下凍土區築路的世界性難題,具有重要的裡程碑意義。

  三代接力,一朝夢圓。「青藏鐵路是每個凍土人的夢想,一輩子能遇到並參與這樣偉大的工程,是我們這代人的幸運,更是整個團隊的幸福。」馬巍動情地說。

犛牛精神 代代相傳

  曾幾何時/在海拔四千多米的青藏高原尋找夢想/刨雪作被,談笑風生/曾幾何時/在驚心動魄的野外考察中追逐夢想/命懸一線,生死攸關……

  這,也是一個關於奮鬥的故事。

  不同於一般的科研工作,凍土團隊的科研人員常年都要出野外,上高原、進無人區更是家常便飯。海拔3000米以上的高原,人煙稀少、空氣稀薄,見的最多的「活物」就是犛牛。終日與犛牛相伴,凍土團隊把犛牛視作「朋友」,更當作團隊的精神象徵。

  賴遠明說:「犛牛身上的憨直、堅韌、盡責大概是對凍土科研工作者的最好詮釋。」半個多世紀以來,特別能吃苦、特別能奉獻、特別能忍耐的「犛牛精神」就這樣一代代傳下來,影響並鼓舞著凍土團隊的每一個人。

  「在青藏高原,第一個問題就是缺氧,頭痛欲裂、睡不好覺是常態。」馬巍說,有時遇到危險路況,車輛下陷拋錨,所有設備與物資就要靠人扛馬馱;有時遇到極端天氣,有可能就要經受生死的考驗。

  青藏鐵路項目建設之初,經費等各方麵條件都有限,團隊在海拔4000多米駐紮,深冬時節還用的是單帳篷,晚上睡覺都得戴著棉帽子,常常睡一晚上被窩都暖不熱,整晚處於似睡非睡的「迷糊」狀態。後來鐵道部門得知這一情況,特意給團隊送來幾頂棉帳篷。

  洗臉、剃鬚、理髮……在高原上也都是能省則省。常常幾個月下來,大家都變得認不出來了,黑紅的臉龐,長長的頭髮和鬍子,還經常被誤認為是藏族同胞,被誇漢話說得真好。

  吳青柏清楚地記得,2001年新年第二天,他和團隊成員還有鐵道第一勘測設計院的同行一行18人,開始進入無人區開展青藏鐵路首次冬季調查工作。「那20多天真是太難熬了。」吳青柏感嘆道。當時最低溫度達到零下28攝氏度,即便大家把能穿的衣服都穿上,仍然抵不住寒冷,冬季高原的風颳在臉上就像刀子,人站在冰面上被颳得到處亂「飛」。就連吃飯也成了一件艱難的事,大家攜帶的雞蛋、罐頭全被凍成了冰疙瘩,只能稍微解凍一下將就著吃。

  「青藏鐵路項目時間緊、任務重,建設部門的所有施工參數都要由我們來提供,因此大家都拼著一股勁,『玩兒了命』地幹,一心只想快點兒出成果。」馬巍說。

  在青藏鐵路攻堅階段,被大家稱為「老黃牛」的劉永智一年中有9個月在高原做試驗、搞監測,後來下山體檢時,由於長期缺氧,血液濃稠到抽都抽不出來;張建明帶領團隊在路基下工作,眼瞅著前方一輛大車從小車上碾過去,逃過一劫的張建明從那以後再也不敢學車,更不敢碰車……

  凍土團隊常把自己比作「遊牧民族」,科研搞到哪兒,帳篷就扎到哪兒。直到2002年8月,青藏鐵路第一個凍土試驗站——北麓河試驗站落成,凍土團隊總算在高原上有了「家」,大家直言,搬進試驗站那一刻的幸福是常人無法體會的。

  在凍土團隊,從來不缺少這樣的故事。但當被問到後悔過嗎?大家都笑著搖搖頭,多年的高原歷練沉澱下來的自是一份從容、淡定和樂觀。

  「既然選擇了凍土這個專業,就是選擇了這份寂寞,就得吃這份苦,因為高原就是我們的『戰場』。」吳青柏說。

服務國家 再攀高峰

  一個個寒區重大工程的科技攻關/一次次勇敢奮力拼搏的並肩作戰/一項項苦盡甘來的國家級獎勵/是難得的機遇/是繼續前進的集結/更是不辱使命的擔當……

  這,還是一個關於未來的故事。

  事實上,青藏鐵路建設的一舉成功,讓中科院寒旱所凍土團隊從默默無聞到聲名鵲起,正是由於他們多年來的堅守和努力,讓凍土這門十足的「冷學科」變成了「熱學科」,使這片「凍土」真正成為科研的「熱土」。

  凍土團隊趁勢而上,陸續在重大項目中嶄露頭角,迎來了凍土事業的高峰。

  比如,「主動冷卻」理論很快就被應用在青藏高原高速公路建設中。高速公路寬幅路基,有大尺度效應,同時瀝青路面吸熱,有強吸熱效應,加之高速公路對防止變形的要求更高。因此,凍土團隊進一步發展了「冷卻路基」技術,通過試驗研究優選出了4種調控技術供高速公路採用。目前,青藏高速公路即將上馬,這些調控技術對保證高速公路穩定將起到重要作用。

  2007年,世界第一條深季節凍土區的高速鐵路——哈大高鐵項目啟動。青藏鐵路的主要病害是融沉,而哈大高鐵的主要問題是凍脹,而且高速鐵路路基的凍脹變形必須小於15毫米,這就提出了微凍脹的新問題。凍土團隊通過攻關,闡明了微凍脹的發育機理,提出了相應的防治措施和關鍵設計參數,保證了哈大高鐵的正常運營。

  2010年,被稱為「電力天路」的青藏直流聯網工程開建,工程的一大難點是塔基要大開挖,會破壞凍土。團隊解決了大開挖凍土融沉防治和塔基長期穩定問題,並為工程提前一年投入運營提供了科學依據。

  而在中俄輸油管道建設中,由於輸送的是熱油,提出了有熱源的多年凍土區工程設計理論和技術的新挑戰。為此,團隊提出了埋地式管道保溫和冷卻相結合的建造技術,確保了中俄輸油管道的建設。

  青藏高原、祁連山和東北的幾項重大工程的完成,可以說構建了我國凍土工程監測網絡,成為工程安全運營管理、重大工程規劃以及發展凍土工程理論不可或缺的重要基礎。

  目前,團隊整體研究水平及影響力都處於國際凍土工程研究前列。在國際上,發表凍土工程文章最多的前20名作者中,有5位是團隊成員。截至目前,團隊已榮獲各類國家科技獎6項,各類省部級獎30餘項。2014年,程國棟獲得國際凍土協會的終身成就獎,成為世界上獲得這一獎項的第三人。

  新的成就,新的起點。馬巍介紹,目前,圍繞國家「一帶一路」建設,凍土團隊結合西部和東北地區重大基礎工程建設及能源環境科學問題,正在開展包括中巴走廊帶凍土災害、青藏高速公路、莫斯科-喀山高鐵、三江源生態環境建設等相關科研工作,服務國家戰略需求。未來,團隊將更多地走向國際,力爭科研成果在國際工程中得到更多應用,提升團隊的國際顯示度。

  正如賴遠明所說,作為凍土研究的「國家隊」,為國家建設貢獻畢生力量,大家從感情上是自願、從行動上更是自覺。(記者秦娜)

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