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赖远明
全国百篇优秀博士学位论文奖、国家科技进步特等奖、国家杰出青年科学基金获得者、全国先进工作者、全国优秀科技工作者、中国科学院院士

成 果

2008年,“青藏铁路工程”荣获国家科技进步特等奖,赖远明是获奖人之一。

专 访

 
  东起西宁,南至拉萨,翻越了唐古拉山,跨越了长江之源,9年前,全长1956千米的青藏铁路正式通车。这条被称作铁路建设史上奇迹的“天路”克服了多个世界级困难,其中一大困难便是冻土路程最长,多年冻土地段长达550千米。钢轨要在雪域高原上得以延伸,必须让这些冻土保持冰冻。
 
  但极特殊的是,青藏高原大多是高温冻土——0摄氏度以下、零下1.5摄氏度以上含有冰的岩石和土壤。极小的温度上浮就会让它们融化。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所赖远明院士长达6年的研究,让数百千米的冻土在铁轨下能够坚固支撑。
 
  192天的实验,只为确定铁轨下要铺多大的碎石头
 
  “高温冻土是个调皮分子,它极易受到工程影响以及全球气候变暖而融化,从而导致地基下沉、变形。”赖远明介绍,“天然地表零下1.5摄氏度,但是用粗颗粒土、混凝土等修筑路面后将比天然地表温度高出约3摄氏度,这就相当于给底下的冻土安了一个热源。”
 
  同时,全球气候变暖对高温冻土也有着不可估量的影响。“气象学家测算未来50年青藏高原的气温将上升2.2—2.6摄氏度。”这2.6摄氏度也必须加入减温范围。
 
  怎样让冻土温度保持零下?过去的做法通常是“被动保温”,即在地表铺上隔热材料,减少外部热量下传,然而这种被动抵御的方式并不持久。时任兰州冰川冻土研究所所长、也是赖远明恩师的程国栋院士曾提出“主动冷却路基”的方法,但主动冷却路基如何修建,这在国内外冻土工程学研究中还是一个空白。
 
  1999年,举世瞩目的青藏铁路工程亟待上马,这一年,赖远明入选“百人计划”。事实上,当时赖远明并不完全满足“百人计划”的入选要求,“当时要求在国外具有两年以上科研工作经历的条件,我只出国学习了一年。”赖远明回忆。但在求贤若渴的程国栋院士的极力推荐下,他被破格录取了。程院士的理由是:国家太需要这样既懂土木工程、又懂冻土,并愿意扎根西部的优秀人才了!
 
  当时的冻土专家多是地质地理专业背景,主要研究冻土的天然属性,难以在冻土路基结构设计方面提出精准的解决方案。比如国内外冻土专家都发现了一个现象:碎石层下的温度较普通土层下要低。但是要达到最好的降温效果,碎石的粒径是多少、缝隙应该多大、怎样铺设?难以得出一个量化的答案。
 
  赖远明没有让恩师失望,经过192天16组的实验,搞清了碎石层降温的机理,提出具有良好降温效果的粒径范围是10—30厘米。这个数字突破了防止高温冻土升温的第一道难关。“我的结构力学背景派上了用场。”研究生期间攻读结构力学专业的赖远明发挥了他在弹粘塑性力学、有限元和数值分析等方面的知识技能,建立了研究冻土地区开放边界块碎石路基温度场和流场特性的数学模型,提出了分析块碎石路基对流换热降温规律的计算方法,解决了青藏铁路块碎石路基这类含有流体——固体耦合传热温度计算的关键科学难题。他在力学上的深厚功底也成为他此后屡破难题的法宝。
 
  解决了冻土路基,1公里就省2000万
 
  地表铺上块碎石层来降温消减了施工带来的升温,但未来50年青藏高原气候升温2.6摄氏度带来的“威胁”仍未被完全抵消。赖远明因此独创了一种“冬冷夏凉”的路基结构。
 
  “不仅在路基下部,在路基两侧也铺上碎石层。构成一个U形。”赖远明在纸上仔细地画出这一结构,“冬天,冷空气能在这种结构中自然对流,夏天,这种结构能让热空气流动更慢,起到隔热的效果。”这种路基结构的设计仍然少不了精确计算,两侧碎石块的粒径和铺设厚度要结合地表上下温差、空气密度等多个因素考虑。赖远明建立了一个复杂计算模型来模拟几十年中温度升高的情况。“据我们测量,这种结构下的冻土地表温度不仅没有升高,还在逐年下降,这为抵御气候变暖争取了更多余地。”赖远明说。
 
  2008年,“青藏铁路工程”荣获国家科技进步特等奖,赖远明是获奖人之一。“如果不用您设计的冻土路基,青藏铁路还能不能安全修建起来?”面对记者的疑惑,赖远明很谦虚地摆摆手:“这只是青藏铁路修建中众多困难之一,如果不用这种结构,也可以通过架桥铺设铁路,让火车在桥上跑。”但是如果这样,每铺设1公里铁路,就要多付出2000多万元的成本。
 
  除了解决冻土路基的问题,赖远明和团队还解决了青藏线“第一长隧”昆仑山隧道和世界最高海拔铁路隧道“风火山”隧道的修建难题。由于资料匮乏,赖远明根据冻土物理学和冻土力学基本理论,反复研究了冻害对隧道的破坏机理,建立了冻土隧道传热模型,解决了青藏铁路风火山隧道、昆仑山隧道衬砌和保温措施的参数优化设计问题,消除了冻胀和融化对这两座冻土隧道的破坏作用。
 
  如果成功是1,少0.1分的努力都不行
 
  从江西省龙南客家山村走出,如何走上了万里之外的青藏高原,并致力于研究“冻土”这一冷门的领域?“越冷门的领域亟待解开的秘密就越多,青藏高原作为世界之巅,高海拔造就了其不同于其他冻土区的特点,很多问题连冻土之国俄罗斯也没能解决。”兴趣引领赖远明入门。
 
  “从小就喜欢物理和数学,记得上大学时做了4000多道数学题,理论力学写完了十几个练习本。”除了起早贪黑地学习,连上一趟街买点生活必需品,赖远明都要严格控制时间,“就花10分钟,恨不得争分夺秒地学习。”
 
  赖远明相信,成功如果是1,只有各方面的努力都达到1,才算成功,“如果每个方面少一分努力,成功的概率就会骤降。不信你算一算,0.9乘以0.9的结果与0.8乘以0.8是不是差很多?”
 
  刻苦的动力还来自一颗感恩的心。赖远明牢记读书生涯中得到的宝贵支持:“上大学时,免除了我所有学费和医疗费用, 国家每个月还给我21元助学金,读研究生时每个月能领到57元助学金。”不善言辞的赖远明说得实在,也只有在自己的日记中曾写下“寸草报春晖”这样对他来说最华丽的语言。
 
  全国百篇优秀博士学位论文奖、国家科技进步特等奖、国家杰出青年科学基金获得者、全国先进工作者、全国优秀科技工作者、中国科学院院士……各种荣誉和头衔背后,赖远明不忘初心。远在龙南的弟弟赖远东说,每次打电话给大哥,他都在一线搞试验或在工作。“养兵千日用兵一时,希望我可以一直为国家科技事业冲锋陷阵。”赖远明说。
 

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