陶志剛：砥礪創新，為滑坡災害裝上滑動力實時監測的“眼睛”

文／本刊記者 王 郁

“這是我們針對滑坡研發的監測預警系統，這邊是研制的具有負泊松比效應的NPR新型錨索……”中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院副教授陶志剛興致勃勃地向記者介紹著。多年來，他在中國科學院院士何滿潮的指導下，與深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室的團隊成員們共同研發了多種有關地質災害的監測系統。

為巖土做診斷“樂在其中”

陶志剛師從中國科學院何滿潮院士，以滑坡地質災害（含發震斷裂活動）深部力學監測預警和NPR新型結構材料超常力學特性實驗為主要研究方向，主要從事巖土工程、地質工程、邊坡工程、地震工程、隧道工程災害監測預警及控制等方面的教學和科研工作。2013年3月，中國礦業大學（北京）力學博士后出站。

2013年5月，陶志剛進入北京礦冶研究總院礦山所工作，2014年6月調入中國礦業大學（北京）工作。2017年1月至11月期間，在本溪鋼鐵（集團）南芬露天鐵礦掛職副總工程師，負責采場下盤危險邊坡滑動力監測預警、治理和技術攻關；2017年12月至今，在山西省柳林縣國土資源局掛職副局長，負責柳林縣危險邊坡穩定性監測預警系統建設和全縣地質災害監測智能化、信息化、網絡化系統升級。

陶志剛所從事的巖土工程，是土木工程里極為重要的一門學科，包括土力學、巖石力學和地質學3個分支，三方面缺一不可。研究巖土工程，不僅要牢固掌握其基本概念與原理，還要對巖土的物理力學性質、強度變形計算、穩定性分析等理論與方法做到心知肚明，更要在這些理論與原理的基礎上，將其應用到土木工程、地質工程和隧道工程的實際操作中，真正服務于民。因此，一入巖土工程深似海，陶志剛不但要時刻想著研究，也要深入礦山當起“工程師”，還要時不時充當“業務員”，廣泛聯系合作企業，將研發的新材料、新裝備應用到對各種地質災害的實際監測中。

這份聽起來有些令人“叫苦連天”的工作，陶志剛卻始終樂在其中。

近五年，陶志剛作為項目負責人主持國家自然科學基金1項、中國博士后科學基金面上項目1項、中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目4項、浙江省山體地質災害防治協同創新中心開放基金1項；作為技術骨干參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、北京市自然科學基金和浙江省重點研發項目等12項國家縱向研究課題。2018年被評為中國能源研究會優秀青年能源科技工作者。兼任中國巖石力學與工程學會軟巖工程與深部災害控制分會副秘書長，中國巖石力學與工程學會古遺址保護與加固工程專業委員會委員，山西省柳林能源與環境院士工作站副站長。

滑坡預警系統——為礦場做心電圖

本溪鋼鐵（集團）礦業公司南芬露天鐵礦是單體露天礦山，1999年以來，在特殊地形和長期礦山開采綜合影響下，采場下幫邊坡形成了多處較大規模的滑坡體，滑坡體長252m，寬250m，滑動方向270°，滑坡體的體積約52萬m3，壓礦近千萬噸，10年來不能開采，給企業造成了重大損失。

在“長江學者和創新團隊發展計劃”與本溪鋼鐵（集團）礦業公司南芬露天鐵礦的共同資助下，中國礦業大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室和南芬露天鐵礦的專家、教授和科研人員組成攻關小組，陶志剛作為現場技術負責人帶領團隊針對邊坡巖體大變形災害監測過程中天然滑動力難以測量的問題，以及滑動力遠大于傳統錨索的材料強度時，錨索斷裂、力學信號傳輸系統破壞、整個監測系統失效，無法對滑坡全過程進行監測的難題，通過對不同材料、結構進行優化選擇和組合試驗，定型了具有恒阻大變形力學性能的纜索，確定了恒阻裝置的結構組成、材料參數和幾何參數?；诤阕璐笞冃卫|索和北斗衛星通訊平臺，研發出滑動力3S遠程監測預警系統，從根本上實現了對滑坡災害進行遠程實時監測與超前預警預報的目的。

相關技術應用于遼寧省南芬露天鐵礦采場下幫邊坡滑動力監測預警工程中，及時掌握了滑坡體穩定狀態，從而對因滑坡影響10年不能開采的千萬噸鐵礦石進行回采，取得較好社會經濟效益，實現了加固—防治—監測—預警一體化的目標。

陶志剛與團隊取得的“恒阻大變形纜索研發及滑坡監測預警系統”成果于2011年6月通過中國巖石力學與工程學會的鑒定驗收，被認定為“達到國際先進水平”。2014年度中國巖石力學與工程學會科學技術獎一等獎、2017年度山東省科學技術獎二等獎。

打造錨索發展“加速器”

近年來，在軟巖大變形和巖體滑坡錨索拉斷等問題的解決中，普通錨索已漸漸變得有些“力不從心”，為此，從礦山回到“平原”不久的陶志剛，又于2016年與實驗室研究團隊在國家自然科學基金青年科學基金項目“恒阻大變形錨索負泊松比結構效應實驗研究”中就這個問題展開研究。

采訪中，陶志剛特別提到，其實在項目研究之前，實驗室就已經在國家原“973”計劃和國家自然基金重大項目的支持下，對負泊松比（NPR）新型錨索復合材料開展研制。其中發明的具有特殊結構的NPR新型錨索復合材料，突破了巖體大變形災害控制受制于傳統PR材料抵抗變形能力不足的技術瓶頸。此外，實驗室還發明了以NPR錨索為主體的綜合技術，解決了礦山巖體大變形災害難以控制的大問題，已在吉林、遼寧、黑龍江、內蒙古、河北等16個省份的露天煤礦、金屬礦開采以及煤礦地下井工開采等工程中得到應用，近3年累計新增銷售額12.5651億元。

盡管如此，針對恒阻大變形錨索負泊松比效應的理論和試驗研究尚屬空白。對此，陶志剛以恒阻大變形錨索為試驗對象，采用室內靜力拉伸試驗、連續紅外熱成像探測、離散激光測溫、環向應變測量與數值模擬計算等理論和方法，研究恒阻大變形錨索的徑向和軸向變形規律、溫度效應、熱紅外成像效應、應力場演變特征及能量吸收特性等，從而揭示了恒阻大變形錨索負泊松比的結構效應和能量吸收機理。

其中，他首先利用HWL-2000恒阻大變形錨索靜力拉伸試驗系統，在處于靜力拉伸的條件下，就恒阻大變形錨索徑向和軸向變形規律這一問題與團隊進行了探討，繼而揭示了幾何尺度上的負泊松比結構特性。接下來，他們利用激光點陣測溫系統、貼式測溫傳感器和熱紅外成像系統，通過紅外圖像及紅外溫度場的分析與反演，獲得了恒阻大變形錨索能量吸收的熱紅外機理和負泊松比熱紅外響應特征，揭示了溫度與恒阻大變形錨索負泊松比結構特性之間的關系。與此同時，團隊通過應變片組群構建了恒阻大變形錨索環向應變場探測網，再通過對測量結果進行插值計算，獲得了恒阻大變形錨索環向應變云圖和應變場演化規律，最終探明了應變與恒阻大變形錨索負泊松比結構特性之間的關系。

目前，項目剛剛結題，從研究開始到結束，這兩年來陶志剛有過苦惱，有過辛酸，但也收獲了快樂與成就。在他看來，有苦有甜，這正是科研最好的意義。陶志剛作為現場技術負責人進行了“恒阻大變形錨桿研發及實驗系統”科研課題的研究，課題已于2011年3月通過教育部科技發展中心專家組的鑒定驗收，在恒阻器設計原理和結構以及實驗系統研發上達到“國際領先水平”；同年，項目申請人作為現場技術負責人進行了“恒阻大變形纜索研發及滑坡監測預警系統”科研課題的研究，已于2011年6月通過中國巖石力學與工程學會的鑒定驗收，研究成果達到“國際領先水平”。

在中國科學院院士何滿潮的指導下，陶志剛在雙體災變力學理論深化、滑坡（發震斷裂活動）災害、隧道圍巖大變形災害監測預警現場工程應用等方面做出了突出貢獻，累計在全國17個省市（地區）建設滑坡災害滑動力實時監測點432個，參與成功預報12次滑坡和裂縫災害，均提前4—13小時發出臨滑預警。