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武汉岩土力学所:发展岩土力学 服务国家建设
  文章来源:科学时报 发布时间:2005-08-05 【字号: 小  中  大   

中国科学院武汉岩土力学研究所创建于1958年,是中国科学院从事岩土力学基础与应用研究、以工程应用背景为特征的综合性研究机构。1999年被定位为高技术研究“基地型”研究所,2002年3月8日进入中国科学院知识创新工程试点系列。进入知识创新工程后,面向岩土力学与工程学科世界前沿和国家重大工程建设需求,进行了学科调整和布局,重点开展复杂条件下大规模地下工程、高陡边坡和环境岩土力学三个优势方向的基础性、战略性、前瞻性高技术研究,为国家重大基础设施建设提供关键的理论与技术支撑。

研究领域取得重大进展,科技成果硕果累累

地下空间开发中的关键技术。针对地下空间开发中岩石力学问题的研究需求,自主研制了岩石高温高压蠕变实验系统,为研究温度与应力耦合作用下岩石时效变形与强度特性提供了研究平台;自主研制了耦合作用岩石全破裂过程细观力学实验系统,为多场耦合作用下岩石破裂机制研究提供了有效实验手段。提出的锚杆群加固围岩力学模型、高强预应力锚杆以及大型地下工程优化方法对矿山、水利、交通等领域开发中的地下工程锚固参数设计具有重要的指导作用,已在我国第一个高放废物深埋处置场、水布垭大型水电工程、淮南煤矿、平顶山煤矿等工程中得到广泛应用。

西部重大基础设施建设中关键岩石力学问题及相关技术。针对西部重大基础设施建设中工程岩体力学模型和参数的复杂性和离散性,提出了岩体力学参数反演的方法,成功地解决了传统反演方法难以处理大型节理岩体工程中力学参数反演的计算量大、难以保证解的惟一性和存在性,在力学模型结构未知的情况下不能进行力学模型和参数耦合反演等关键难题,并在龙滩水电站、构皮滩水电站等重大工程的岩体力学参数和模型的识别反演中得到了成功应用。

高陡边坡工程的安全与控制。针对我国大型工程建设中高陡边坡安全性问题,一系列相关技术,其研究成果构成了高陡边坡安全性分析与控制全过程的综合集成方法与技术,所形成的综合集成方法和技术在大冶铁矿、江西德兴铜矿、福宁高速公路、襄十山区高速公路、京珠高速公路、宜万铁路以及三峡库区库岸等多种类型的边坡工程得到应用,产生了显著的经济和社会效益。

岩土工程测试新技术。自主研制了数字全景钻孔探测系统,实现了全景技术与数字技术的有机结合,研制了跨孔地震波CT成像技术和地震波反演与多元图像集成分析系统,实现高精度岩体结构地球物理探测,在核废料处置、石油地下储存、多个大型水电站、高速公路和铁路地质勘察中得到广泛应用。

特殊环境作用下岩石介质力学特性。提出了岩石三轴加载全过程CT实验方法和应力—水流—化学耦合全破裂过程的细观力学试验方法,及化学腐蚀下岩石本构模型的识别方法。揭示了复杂环境下岩石力学特性及其变形破坏机理,建立了相关的理论分析模型,为研究我国复杂环境下重大工程安全评价与预测提供了关键参数,为构筑环境岩石力学的基本理论框架奠定了良好的基础。

岩土工程快速监测、反馈分析及加固关键问题的基础研究。开展岩土工程新型快速监测方法、设备原理与方法研究,提出了以光学方式远距离确定测点的三维坐标的变形监测方法,自主研制了围岩表面三维收敛变形的非接触监测及反馈系统,具有测量速度快、精度与自动化程度高、不影响施工进度、适应性强等优点,在深圳地铁工程、小湾水电站地下厂房等工程中得到应用。

典型特殊土的固有力学特性、分析方法及整治技术。开展海积软土、膨胀土、裂土边坡、冻结粉土、钙质砂、浅层气砂土、石灰改性土等特殊土力学特性的认识,发展了相应的分析方法,提高了工程应用整治技术水平,突破了非饱和土力学理论解决实际重大岩土工程问题的局限,研究手段独具特色,在理论与实践结合方面具有明显的学科发展优势。所取得研究成果,在杭州湾大桥、青藏铁路、高速公路等工程中得到成功的应用。

综合应用与示范工程。武汉岩土力学所的一系列研究成果在沪蓉西高速公路、龙滩和小湾水电工程等得到了成功应用。通过多项技术的综合应用解决工程中的技术难题,实现集成性创新,形成一整套关于顺层高陡边坡、深埋长隧道、分岔隧道的分析理论、设计与施工监控技术指南,为我国西部高山峻岭地区大型边坡工程和深埋长隧道工程提供可资借鉴的成功经验。

高新技术推广与应用。将RMT多功能岩石力学实验机、新型钻孔地质勘探系统、三维地层信息系统、RSM岩土工程检测仪器、掌上型工程检测仪等高新技术应用于国家重大和岩土工程的勘察、设计、监测与计算分析,实现了部分仪器的小批量生产与销售,基本完成高技术产业化目标。其中,RSM-24FD(N)及RSM-PRT系列化桩基仪性能指标已达到或超过国外同类产品,远销日本、苏丹、新加坡、越南、马来西亚、中国香港、中国台湾等国家和地区,占国内市场的50% 以上。通过上述几方面的研究工作,在大型岩体工程稳定性和优化的分析方法及应用、深层盐膏岩蠕变规律及其在石油工程中的应用、典型非饱和特殊土的工程性状与灾害防治技术、岩土体结构特征与力学特性的测试与反馈分析研究四个方面取得突出的创新成果。

加强科研队伍建设,聚集一批优秀人才

通过几年来的实践,初步形成了科技创新与技术支撑配套、精干高效、富有创新活力、和谐团结的人才队伍,为研究所的科技创新和持续发展提供了人才保障。

队伍结构优化,整体素质提升。该所创新队伍的平均年龄为39岁。其中45岁以下的人员占创新队伍总数的87.3%,45岁以下创新课题组长占全部创新课题组长的91.3%,45岁以下的研究员占研究员总数的65.2%。中青年人才已成为科技创新的主体,顺利实现了科技队伍的代际转移。

学术带头人不断增多。实施知识创新工程以来,通过学科布局和研究方向的调整,组织重大科研项目协同攻关等,培养了一批具有较高学术水平,并在创新实践中具备较强的科研和技术工作能力、能独当一面的学科带头人,改变了该所缺少青年科技领军人才的局面。近3年来,新增“973”项目首席科学家1人,国家杰出青年基金获得者1人,首批新世纪百千万人才工程国家级人选1人,湖北省杰出青年人才基金获得者2人,较进入知识创新工程之前有了质的飞跃。

优秀人才大量聚集。加大了引进院外优秀人才的力度,采取超常规举措着力营造人才引进、培育、使用的新机制。使人才引进、培养、使用走上了规范化、制度化的轨道。通过多种方式,凝聚优秀科技人才,全方位推进人才队伍建设,形成一批活跃在学科前沿的创新研究群体。截至2005年5月,引进“百人计划”和“海外杰出人才计划”3人,引进具有博士学位的青年科技骨干和关键技术人才18人,在开辟CO2地中隔离、海洋土力学等新学科方向及南水北调西线等国家重大工程项目研究中发挥了关键作用。

聘请多名院士和知名专家组成发展委员会,把脉学科发展方向。聘请院士和国内外知名学者为兼职博导和客座研究员,提高研究生培养质量和水平。聘请多名国际知名学者联合所内青年科技骨干组建“核废料处置中的岩石力学研究”和“极端环境下岩土介质力学特性研究”两个国际科学家小组,在该领域形成了具有国际竞争力的集群优势,为该所重要研究方向和新学科生长点的可持续发展提供了坚实的人才保障。

研究生培养成效显著。坚持“科研与教育并举,出成果与出人才并重”,形成了科技创新与人才培养相互促进的良好局面。目前,在学研究生达到151人(其中博士生80人),较2000年增长了2.3倍,在站博士后由2000年5人增加到14人,并发起成立了分院博士后联谊会。研究生生源和培养质量不断提高,2004年招考比例由创新前的1.2:1上升到3.7:1。优秀生源录取率占录取总数的80%,重点院校率达100%;重点高校的重点学科达到38%。2004年获首届院优秀博士学位论文1篇、国家百篇优秀博士学位论文提名1篇。

建立新型管理模式,适应知识创新工程试点

建立适应科技创新的组织架构。近年来,在进行科技目标凝练的同时,根据学科布局和学科特点进行了科技组织结构调整。2001年12月,经过调整充实的岩土力学自费开放实验室被批准成为中科院重点实验室,2002年12月,根据创新任务重新组建的环境岩土工程研究室被批准为湖北省重点实验室,完成了科技创新主体的组织结构调整,为科技创新目标的实现提供了组织保证。根据经济建设的需要和市场运行规则、准入制度,完成了中国岩土工程研究中心、岩土工程检测中心的组织结构和人员调整,使之成为技术孵化和科技成果转化的有效载体。

通过结构调整,搭建了适应科技创新的组织架构,明确了四大科技单元的活动领域、功能及其相互之间的作用。中科院重点实验室面向学科领域前沿,从事岩土力学基础理论及方法的研究;湖北省重点实验室面向国家战略需求,从事重大岩土工程与环境协调的应用研究及高新技术集成;中国岩土工程研究中心从事岩土力学高新技术的孵化与推广;岩土工程检测中心从事岩土工程高新技术的应用及服务。充分发挥出各自的特点和优势,实现“以任务带学科,基础推应用,技术促产业”科技创新理念,最大限度发挥研究所整体优势,为确保科技创新任务的完成奠定了基础。

实现管理理念创新。管理创新首先要实现观念创新。为此,提出了“以人为本、依法治所、分层管理、责任到人、公正公开、务实创新”的管理新理念。并多次专门召开管理创新研讨会,充分理解新的管理理念的丰富内涵,自觉将新的管理理念贯彻到管理实践中,为全面实现管理创新打下思想基础。

实现管理体制创新。根据科技创新目标、管理创新目标和科研机构的组织特征要求,完成了机关组织结构的调整,建立了机关三大管理系统,明确了部门职责和功能,引进多名科技、教育、人事、财务等专门管理人才,充实管理队伍。适应了科技创新对建立精干高效、综合协调、优质服务管理体系的客观要求。

实现管理模式创新。引进现代管理成果,建立了“分层管理、目标管理、质量管理”的三元结构管理模式。

明确部门职责和岗位职责,实行分层管理。分工协作、各负其责,充分发挥各级管理人员特别是中层管理人员的主动性和能动性;根据创新任务确定全所总体目标,实行目标管理,明确研究所阶段目标和年度目标,并分解到各管理部门,部门确定各级管理者目标及实现管理目标的思路,年终进行效果检查和考评;实行质量管理,全面推行ISO9001质量管理和计量认证管理标准。将科研、勘察、设计、施工、咨询、设备研制等各项活动纳入质量管理体系,实现科研产品承接、实施、产出全过程的规范化管理。

加强创新文化建设,形成岩土所特有文化

科技创新氛围基本形成、科技创新热情高涨。实现“以单纯追求经济效益为主”到“以学术技术创新为主”、“以技术服务为主”到“以面向国家工程建设需求”和“岩土力学世界科学前沿”的科研重点转变,鼓励和支持科研人员致力于解决国家重大工程建设中的关键岩土力学和岩土工程科学和技术难题。形成了“工程带学科、基础促应用、技术服工程”的主旋律。探讨学科新方向、新理论、新技术蔚然成风,浓厚的科研氛围基本形成。

团队协作意识明显增强、团队运作成效突出。实现了以个人、小课题组为主的科研运行模式到跨课题组、跨研究室(中心)的大团队运作模式的转变,跨组与室(中心)的联合,资源与优势互补,最大限度地发挥研究整体优势,增强科技创新与承担国家重大科研课题的能力和竞争力。

管理创新理念深入人心、三元管理模式效果明显。通过全面贯彻“分层管理、责任到人、公正公开、务实创新”的管理理念,推行三元结构管理模式,实行分层管理、目标管理、质量管理,全面提高了管理人员的责任感和使命感,增强了管理人员的创新意识、服务意识、质量意识,促进了管理工作的规范化、制度化建设,管理能力、管理水平、管理质量、管理效果全面提升。

分类价值导向充分认同,共同发展局面初步形成。引导各类科技人员围绕国家重大工程建设,进行学科的基础研究、应用研究、技术开发和科技服务四个不同层面的工作,调动和激发了各类科技人员的创新工作热情,使创新基地内外人员均能在不同岗位和层次充分发挥潜能,实现自身价值。在创新文化建设中还涌现出湖北省十大杰出青年、湖北五一劳动奖章获得者、湖北青年岗位能手、党风廉政先进集体等先进人物和集体,职工精神文明水平大幅提升,研究所被中共湖北省委授予省级“文明单位”称号。

科技创新能力提高,形成持续发展态势

国家重大基础研究项目明显增加。作为依托单位承担了国家本学科第一个“973”项目——“灾害环境下重大工程安全性的基础研究”;国家杰出青年科学基金取得零的突破;国家自然科学基金重点项目由进创新前的1个变成现在的5个,加上面上项目,争取的国家基金课题经费连年翻番。

国家重点工程科研项目明显增多。主持了南水北调、西电东送、西气东输和青藏铁路四大国家重大标志性工程中的相关科研项目;承担了我国第一个核废料处置场候选工程、第一个地下储气库、世界最长跨海大桥——杭州湾大桥、第一个跨海隧道——厦门海底隧道和多条高速公路等关键岩土工程技术攻关项目,使面向国家重大需求落到实处。承担国家重大岩土工程百万元量级科研项目增加到20余项。

科研课题经费成倍增长。2004年到账的课题总经费由2000年2414.2万元增长到5162.01万元,人均经费(在岗人员平均数)由2000年的13.85万增长到36.58万元,分别是2000年的2.35倍和2.5倍。

科技产出质量明显提高。发表在SCI和EI期刊上的论文数量逐年递增,SCI、EI和ISTP收录论文308篇。其中,SCI收录论文由创新前的每年几篇或者没有,增加到2004年的27篇,在高影响因子的国际杂志上发表的论文数不断增加。目前,在JCR工程地质类排名第一的Int. J. Rock Mech. & Min. SCI上发表论文近20篇,还在Int. J. Numerical Method in Eng.,Computer Method in Applied Mech. & Eng.,Int. J. Fractures等工程与力学领域的著名杂志中发表了多篇论文。

发明专利、软件著作权大幅增加。4年共获软件著作权、专利49项。其中,发明专利由进创新前8年间的3项申请、1项授权,发展到进创新后短短3年多时间内的22项申请和8项授权。软件著作权进创新前1项,进创新后获得12项授权。获奖数量和等级明显提高。4年获省部级二等奖以上成果9项,其中,国家科技进步二等奖1项,湖北省科技进步一等奖2项,湖北省自然科学二等奖、科技进步二等奖6项,作为第一单位获奖的有5项。

国内外学术地位和影响力日益增强。创新以来,坚持以吸纳全球创新资源和提升科技创新能力为出发点和目标,以科技发达国家为主要对象,以建立战略伙伴关系为重点,开展了多层次、多形式的国内外科技交流与合作,取得了显著的成效。邀请本学科领域国外和境外的知名科学家组建国际科学家小组。

作为指导小组成员和本学科领域的中国代表,该所加入了高放核废料的深地质处置领域持续时间最长(1992~2007年),参加国家最多(美、法、瑞、日、芬、德、荷、加、比等12个发达国家)的国际合作研究计划Decovalex,开展地质材料的温度—应力—水流—化学耦合过程的研究。

随着我国西部大开发战略的实施以及能源、核废料、CO2地下储存的国家规划的制定,未来50年,我国将迎来大规模工程建设高潮。基于我国地质环境、工程环境的复杂性,岩土力学与岩土工程学科的创新是确保国家重大工程建设的安全、经济和环境协调的重要基础。因此,岩土力学与岩土工程研究方向及其理论、方法和技术创新,应该是国家知识创新体系中重点和持续支持的研究方向。我们相信在知识创新工程的持续支持下,研究所一定能够不断做出创新研究成果,推动学科向更高水平发展,为国家重大工程建设提供坚实的技术支持。

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