终身奋斗在岩土一线——葛修润院士(三)

    葛修润研究员，岩石力学专家。1934年7月出生，上海市人。1959年7月毕业于苏联敖德萨建筑工程学院水利系，获苏联优秀毕业生证书，回国后在中国科学院武汉岩土力学研究所工作至今，现兼任上海交通大学岩土力学与工程研究所所长。1981年荣获国际著名的联邦德国洪堡基金会研究奖学金，与国际岩石力学学会创始人L. Müller教授在德国卡尔斯鲁厄大学土岩力学研究所合作从事研究工作。1978年4月出席全国科学大学，并被授予全国先进工作者称号，享受全国劳模待遇。1978年6月出席湖北省科技大会，并被授予湖北省先进工作者称号。1988～1997年任湖北省第七、八届人大代表。1988年国家授予“有突出贡献的中青年专家”称号。1991年获国务院颁发的政府特殊津贴。1995年当选为中国工程院院士。
    急国之需  为国争光
    1971年，当葛修润院士得知国家急需将世界上最先进的应力分析法——有限元法引进并应用于岩土工程课题时，他多次请求领导让他参加这方面的科研工作。当时有3个小组被批准从事有限元法研究。他领导的一个小组就是其中之一。他不分昼夜抓紧时间学习计算机的说明书和操作指令，以及有限元的相关文献。经过连续3～4个月的苦战，以他为主的这个小组在没有可参考程序的情况下，用“X–1机”的指令编写出了平面问题有限元线性和非线性程序，终于在1971年底前调试通过了计算分析程序。通过对我国西南地区511工程大型地下火电厂3个硐室群的平面变形问题进行线性和非线性计算，实践验证了该方法的正确性。此成果被国内同行公认为我国将有限元分析应用于大型地下硐室群分析的首例。1972年葛修润院士在某大型学术会议上做了报告，此程序很快被兄弟单位引进，此算例被编入某高校出版的岩石力学教材。他于1974年主持完成了葛洲坝二江泄水闸稳定性非线性有限元分析，为工程建设做出了贡献，并获1985年国家科技进步特等奖。1978年他主持的“有限单元法在岩体力学中的应用及非线性分析方法”研究被中国科学院授予重大科研成果奖。葛修润院士被誉为“最早将有限元法引入我国岩体工程学研究的先驱之一”。他主持完成的“三峡工程左厂1#～5#坝段深层抗滑稳定有限元分析研究”成果，为解决三峡工程中最重大的争论达10余年的岩石力学问题起到了十分重要的作用，并被三峡大坝的技术设计所采用。
    勇挑重担  奋力攻关
    “科学研究既要很好学习和分析前人的成果，更要探索尚有哪些不足，用创造性思维加以改进”，葛修润院士常常这样教导学生：“我们从事科研的人应该有种韧性，对重大项目要敢于长期坚持不懈，要有打持久战作风和不屈不挠的精神”。
    20世纪60年代初，葛修润院士作为学术带头人参加了我国著名的大冶铁矿边坡稳定性研究项目，取得了丰硕的研究成果，在我国岩石力学界产生了深远影响。1981年出版的《岩质边坡稳定性的试验研究与计算方法》是对这些研究成果的总结，葛修润院士是该书主要作者之一。在当时艰苦的条件下，葛修润院士勇挑重担，奋力攻关，在解决工程问题的同时，用创新思维提出了边坡稳定性二、三维及动力问题分析方法。他发现边坡强度储备安全系数的不足，提出了一种全新概念的安全系数定义及求解方法——Ks法。Ks法后来演变为目前国内很多规范中指定的余推力法，成为20世纪70年代以后国内当时唯一与国外一些流派可并列的一种抗滑稳定分析方法。2005年葛修润院士在Ks法基础上正式提出并发展了边坡稳定性分析的矢量和法，受到广泛关注。针对我国露天矿岩质边坡稳定性问题，他提出了非线性滑动的五面体极限平衡分析方法，同时还提出了考虑爆破动力的边坡稳定性时程分析方法，即使在50多年后的今天来看，这个方法也是非常先进和适用的。
    20世纪70～90年代，葛修润院士将目光主要投向了我国日益发展的矿山事业上，完成了一大批矿山边坡研究，他先后主持完成了贵州石灰石矿边坡、江西永平铜矿边坡、江西银山铅锌矿坝、海南铁矿南矿区边坡、大冶铁矿北邦滑坡区稳定性分析及治理等课题。在这些研究中，他提出了很多创新性的治理方法，为我国的矿山事业做出了重大贡献。1991年海南铁矿南矿区边坡研究获海南省科技进步二等奖。大冶铁矿北邦滑坡整治研究被鉴定委员会评为“国际先进水平，同类边坡工程范例”，获1994年度湖北省科技进步一等奖。
    20世纪90年代中后期，针对国家大型基础设施建设的需要，葛修润院士提出了“隧道及边坡的监测→安全分析→施工控制”的研究思路，被列入国家第45项攀登计划，成果获教育部科技进步二等奖，研究成果在北京地铁、三峡工程船闸边坡、深圳地铁等工程中得到广泛应用。
    自20世纪80年代以来，能源开发尤其是水电开发越来越受到国家的重视，葛修润院士在我国大型水电工程(如葛洲坝水电站、二滩水电站、隔河岩水电站、三峡水电站、小湾水电站、糯扎渡水电站和向家坝水电站等)中也取得了一大批卓有成效的研究成果，为水电事业做出了巨大的贡献。
    勇于探索  世界第一
    葛修润院士是我国岩土力学与工程测试新理论、新技术和新设备的开拓者。
    1987～1993年葛修润院士主持了由中国科学院院长基金特殊支持的电液伺服自适应控制岩石力学多功能试验机(RMT)的研制，该设备综合性强、结构新颖、技术先进，RMT 系列试验机系统经中国科学院鉴定“在同类型试验机方面其主要性能达到国际领先水平”，比MTS试验机早了5年。目前RMT在国内得到了广泛应用。
    长期以来，在岩石力学研究和工程地质调查中，一直缺少一种能够充分利用各种类型和各种用途的钻孔并可在钻孔中及时地进行地质调查的设备。葛修润院士和他的学生成功研制了“数字式全景钻孔摄像系统”。能在任意倾斜角度和不同孔径的钻孔内摄像，使岩土工程人员可从钻孔中获得丰富的地质信息。该摄像系统于2001年在云南昆明举行的第13届全国发明展览会获得金奖，2006年又被评为国家杰出专利。
    岩土试验过程中破坏是如何发生的呢？葛院士也致力于这方面的研究。他设计了一台用特殊材料制成的三轴试验机。试验机可放置在医用CT机试验台上，在进行力学试验时可通过CT机X射线实时扫描，通过在加载过程中扫描成像，可以清晰地呈现试件在荷载作用下细小裂纹的萌生、扩展过程，提供了一种实时观测试件内部破裂过程的全新手段。此项成果在国内领先、在国际上也是十分先进的。此设备一经问世，许多单位的研究工作中都竞相使用这一新技术。
    为了解决青藏铁路和青藏公路穿越多年冻土带地区的工程难题，葛修润院士对传统的“通风管”(一种预制的直径为数十厘米的混凝土管道)做出了重大改进。他在这种管道壁上设计了许多孔洞，正是这种称为“透壁式”的通风管，蕴含了他的创新巧思。通过这些孔洞，冷空气可以与周围冻土介质直接进行对流，进行热交换，比传统的通风管效率要好得多。透壁式通风管已经在青藏铁路的某试验基地进行了现场试验，取得了良好的效果，数值模拟也证明了它的作用。它可以有效保护冻土的临界线不上移，减少冻土地质灾害。透壁式通风管已获国家发明专利授权，2006年该专利被评为“全国杰出专利”。
    敢于实践  不断创新
    “敢于实践，不断创新”是每一位科学工作者的责任和追求，他作为严谨务实的学者，在岩土力学科研高峰开拓创新的同时，也致力于文物保护工作。他多次出任中外合作保护敦煌莫高窟、大同云岗石窟、陕西彬县大佛寺等项目的中方专家组组长和专家，提出加固、治理和监测方案，为工程的完成起到了极其关键的作用。
    白鹤梁题刻是世界江河水文记录最早之地，被联合国科教文组织誉为“保存完好的世界唯一古代水文站”。1988年国务院将白鹤梁列为国家级文物保护单位，白鹤梁题刻在科学、历史和艺术方面都具有极高价值。然而，在三峡水库蓄水后，白鹤梁面临着封于库底的危险，2001年2月26日，他担任白鹤梁保护方案的专家评审组长，参加了对白鹤梁“就地淤埋”和“岸边复制”保护方案的评审，他创造性地提出了新的保护方案——“无压容器”方案。在三峡水库库底建水下博物馆，用以保护白鹤梁古题刻。“无压容器”方案获得了评审组全体专家及各界人士的赞同，但未能得到部门的认可。涪陵会议结束后，他经过激烈的思想斗争和反复思考论证，他认为：作为一个科研工作者应该要为科学、合理且对国家和人民都有利的方案去奋斗，去争取实现，这也是我们科研工作者的责任所在，虽然现在会议已决定要采用老方案，我应该向上级积极反映情况，争取支持。此后，他向中国工程院发出建议，中国工程院先后采用“院士建议”和“专报信息”等方式将建议和方案上报国务院。2001年9月下旬，国务院三峡建设委员会办公厅打电话给葛院士，对其建议表示感谢，并告知建议得到朱镕基总理和国务院其他领导的圈阅。几经周折，他的方案最终得到了国家批准。2003年2月13日，白鹤梁水下保护工程正式动工。2009年5月1日白鹤梁古水文题刻水下博物馆正式向公众开放。
    老骥伏枥  志在千里
    抗滑稳定分析问题是一个比较古老的课题，但与许多岩土工程问题息息相关。目前占统治地位的是极限平衡分析法，随着数值分析方法的普及，也已将有限元等用于抗滑稳定分析。但这2种手段都需要“强度折减”并经过迭代计算才能求得抗滑稳定安全系数。葛修润院士认为，完全可以根据现实的受力状态和现实的强度指标针对某潜在滑动面求得抗滑稳定安全系数。他根据力是矢量的原理定义了新的抗滑稳定安全系数，推导出了平面问题和三维问题的抗滑稳定安全系数的计算方法，并命名为矢量和分析法。平面问题的安全系数是一个显式，即使在三维问题中也仅需几次试算就可以得到解答。这种新方法的提出为抗滑稳定分析方法提供了一条科学、合理的新途径。
    地应力测量是岩体力学与工程中十分重要的问题之一。由于国家的需要，40多年来地应力测量一直是葛院士的主要研究课题。他认为，套钻法由于断芯问题只能用于较浅的钻孔中，能用于深部钻孔的水力压裂法需要假定三个主应力中的一个必须平行于钻孔主轴，而且此主应力值是用上覆岩层的质量来估算的，使得实测地应力在许多场合不符合实际情况。
20世纪90年代初，葛修润院士萌生了一个念头——要抛开水力压裂法的假设，也要避免套钻方法的断芯问题。经过十几年的研究，他提出了一种全新的地应力测量方法——钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)。理论上已证明，在钻孔侧壁，解除深度仅需数厘米就可以得到测试点精确的三维地应力值，该方法不仅克服了套钻法的缺点，也摒弃了水力压裂法的基本假定。他花了7年时间制造了独一无二的地应力测井机器人。2010年，在锦屏水电站埋深达2 430 m处，年逾古稀的葛修润院士和他的团队利用该设备成功进行了三维地应力测量，获得了该区域首个三维地应力张量，测试结果既满足了工程上的需求，同时对设备进行了成功检验，展现出广阔的应用前景。创新性方法和独创的地应力测井机器人为地应力测量(包括深部地应力测量)开辟了一片新天地。
    “为国争光、世界第一”是葛院士从事科研工作的出发点，“要创新并敢于攀登科学高峰”是葛院士在科研工作中的座右铭。在他长期的科研工作中，一直可以看到这种精神的闪耀。

    带照片文件请见附件（UserFiles/File/zjfc3.pdf）。

《岩石力学与工程学报》
2013年6月8日