解譯「中國天眼」地質密碼

9月15日，被譽為「中國天眼」的國家重大科技基礎設施500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）首席科學家、總工程師南仁東先生逝世，社會各界深切緬懷。就在一年前的今天，FAST在貴州省黔南州平塘縣大窩凼落成啟用。

作為建設在地質環境複雜地區的國家重點工程，其選址、勘察、設計、施工甚至投入使用，都離不開地質工作。為什麼會選址在偏遠的岩溶窪地？如何解決相關環境工程地質問題？……中國科學院遙感與數字地球研究所研究員聶躍平、中國地質環境監測院總工程師殷躍平、貴州正業工程技術投資有限公司董事長沈志平等幾位工程地質專家為您一一解答。

為什麼選址在大窩凼天然喀斯特巨型窪地？

選址工作跟進十多年，最後根據野外考察、模擬計算和綜合評價優選台址

作為FAST選址的主要負責人，曾在貴州省地礦局科研所工作過的聶躍平對「中國天眼」落戶貴州功不可沒。

聶躍平告訴記者，貴州雖然窪地眾多，分布面積廣泛，但要找到符合上述條件的窪地也十分困難。因此，根據以往在貴州的工作經驗和岩溶窪地的發育規律，他選擇在苗嶺分水嶺兩側的黔南州和安順地區，應用遙感技術手段進行先期普查，然後在地形圖上逐一標註，建立了300多個能夠進行各種指標查詢的窪地資料庫，並完成了《大型射電望遠鏡中國貴州選址研究報告》博士後出站論文。在此基礎上，聶躍平和中國推進委員會主任南仁東、副主任彭勃、國際LT中國代表吳盛殷、荷蘭天文專家理查德先後到平塘、普定對部分窪地進行考察和電波干擾情況測量。1995年10月，LT第三次國際會議在貴州省貴陽市召開，會議代表到平塘、普定對窪地進行實地考察，對中國貴州選址給予了高度評價。

地質專家在FAST現場查勘溶塌崩塌堆積體

聶躍平介紹，FAST是一個大科學工程，對窪地的要求隨著工程的不斷優化而改變，對窪地的直徑要求從開始的300米、350米、400米直到500米，因此選址工作一直跟進了十多年。最後根據野外考察、模擬計算和綜合評價，優選出平塘大窩凼窪地作為FAST觀測台址。FAST立項後，選址組圍繞FAST對台址的嚴苛要求，應用遙感、GIS、虛擬技術等，對大窩凼進行了台址的工程穩定性、水文工程地質、岩溶地質災害、周邊環境、工程開挖量等一系列工程問題展開了工程性研究，並向國家天文台FAST項目指揮籌備組提交了相關報告，肯定了大窩凼可作為FAST觀測台址的可行性。

FAST觀測台址遇到的環境工程地質問題如何解決？

創新勘察方法，地下河洪澇災害、斷裂破碎帶、巨石混合體、鬆動岩體、球冠狀邊坡等問題被逐一破解

我國西南岩溶地區地質環境複雜，如何解決FAST觀測台址遇到的環境工程地質問題？記者採訪了中國地質環境監測院總工程師殷躍平，他也是這次傑出科技成就獎授獎建議名單中唯一一位中科院系統外的貢獻者。「地表像是一口直徑達500米的大鍋，地下卻是非常複雜的岩溶災害體。」殷躍平開門見山地告訴記者。

2006年專家組初勘大窩凼

殷躍平告訴記者，FAST觀測台址建設面臨的第一個難題，就是地下河洪澇災害。這裡地處貴州高原到廣西丘陵平原地區的斜坡地帶，串珠狀的峰叢峰林窪地非常發育。表面上看，它是一個完整的窪地，實際上大窩凼窪地底部（即鍋底）50多米深發育有貴州最大的地下河——大小井岩溶地下暗河。

「當時中國地質調查局正在組織實施的西南地區岩溶地下河地質大調查項目提供了很好的基礎資料，前期調查表明，這條地下暗河一直流到了廣西境內。它通過漏斗和落水洞將大窩凼與地下河建立了水力聯繫，這意味著地下水動態變化非常大，在極端暴雨的情況下，地下河水將上漲數十米。同時，在建設期間，土石方工程也將會改變窪地產流和徑流條件，從而導致洪澇災害。」後來，針對這一問題，可行性方案提出了新型的螺旋形加放射狀截排水措施，並沿窪地底部設立了1公里長的泄洪隧洞，從根本上消除了FAST場地的洪澇風險。

技術人員檢查樁孔

第二個問題就是斷裂破碎帶的地質工程問題。貴州的岩溶地下河往往與斷裂帶有關，技術人員現場工程地質勘察發現，長達十多公里的董當斷裂帶自北向南穿過，將大窩凼窪地切割成了東西兩半。由此，東西二側半球冠狀的窪地工程地質條件將出現差異性，即隨時間的推移，望遠鏡可能存在變形差異，而且斷裂破碎帶的軟弱性也將帶來地質工程問題，影響望遠鏡發射板的錨固安裝質量。「望遠鏡有2400多個三角形反射塊，像魚鱗片一樣。用錨桿與下面的地層固定，如果有斷裂破碎帶，注漿質量會下降。錨桿施工後，如果斷裂帶溶蝕嚴重的話，注漿時漏漿量會很大，導致抗拔力出現大的差異，影響工程質量。」於是技術人員專門在現場對斷裂帶進行了大量的錨桿拉拔實驗，獲得了注漿參數、錨固長度、設計錨固力等一系列參數。「比如注漿中加一些早強劑，防止它漏失，讓它固定住，不會出現新的變形。」

第三個問題是窪地西南側分布數百萬立方米的大型溶塌崩塌堆積體，正好位於望遠鏡圈樑附近，開挖擾動後將帶來滑坡問題。「這些堆積體在大小井地下河系演化過程中，由岩溶動力侵蝕形成，具有一定的穩定性。但是，被切腳臨空後，穩定性將會降低。我們通過抗剪試驗和室內模擬，發現這種溶塌崩塌堆積體和傳統的滑坡堆積體是不一樣的。我把它稱為『巨石混合堆積體』，它與下伏基岩界面形成了點摩擦，有一定的嵌固性，抗剪強度要高，可以按照代換補強的思路，採用小口徑組合樁群加註漿的措施對前緣進行加固，這樣就構成了一個由巨石混合體和樁群構成的稜體，形成了拱圈效應，對巨石混合體起到了支擋作用，確保瞭望遠鏡的安全。」殷躍平展開當時的設計剖面圖，向記者解釋道。

第四個問題就是古地下河的卸荷鬆動岩體穩定問題。殷躍平介紹，在大窩凼窪地3點鐘到5點鐘一帶，出露有一古地下河通道，洞口岩體破碎，形成了大範圍的鬆動岩體。如果在FAST觀測台址建設和運行過程中，不對這些鬆動岩體進行加固的話，將會形成崩塌滾石災害直接摧毀望遠鏡。因此，技術人員在對這些鬆動岩體進行系統防護的同時，還重點對12處穩定性很差的危岩體進行了清除或整體加固，避免了崩塌滾石災害的發生。

第五個問題就是開挖邊坡的穩定性評價和加固問題。FAST觀測台址並不是嚴格的球型窪地，施工建設過程中需要切凸補凹，形成均勻性很差的球冠狀邊坡。而這種邊坡具有越向底部，應力越集中的特點，採用傳統的平面分析方法就不行了，因此，他們提出了基於倉儲理論等的三維評價方法，並取得了很好的效果。

FAST觀測台址的工程地質勘察評價，也探索出了一套新方法。在此之前，我國對平緩場地和山地的勘察方法較為成熟，並形成了國家標準，但對大型、特大型岩溶窪地的工程地質勘察經驗很少，相應的規範標準更是空白。為此，FAST觀測台址的建設形成和改進了很多勘察方法，為今後實施同類工程積累了經驗。

如何解決開挖建設過程中遇到的岩土工程技術難題？

4個階段岩土工程設計不斷優化，自主創新多種技術，工程設計獲得多項國家專利。

據了解，FAST台址窪地內地形起伏大、坡度陡，大型岩堆、溶蝕峰林、大型溶溝、溶槽、溶蝕裂隙密布，各種岩溶不良現象發育集中，工程地質及水文地質條件極為複雜。台址開挖系統設計按照動態設計原則分為方案設計、優化設計、施工圖設計及現場設計4個階段，歷時3年半。通過4個階段岩土工程設計的不斷優化，實現了最初方案開挖投資1.85億元，優化到最終開挖投資0.97億元的最佳開挖效果。設計中，技術人員使用了BIM技術，開挖中心選擇技術，下拉索促動器基礎坐標解析技術，岩土工程信息平面表達技術，饋源塔及圈樑支撐柱位置優化技術，排水、防沖刷技術，螺旋檢修道路優選技術，大型構建拼裝場地及安裝工程臨時施工場地建造技術，岩堆、危岩、邊坡綜合治理技術以及生態保護技術。這些技術的運用，達到了國際領先水平。其中，國家發明專利「一種岩溶窪地排水系統」技術，在歷經4個水文年的考驗後，證明其排水性能良好，台址區未發生任何水患問題；而開挖中心選擇技術則實現了台址開挖量最小，地質災害治理費用最低等綜合優化目標。

貴州正業工程技術投資有限公司董事長沈志平向記者介紹，他們自主創新過程中形成的大量關鍵技術已經匯總並將出版專著。專著全面系統地反映了FAST工程台址開挖系統建設所遇到的各種技術問題的研究成果，是迄今為止國內外大型岩溶窪地綜合利用岩土工程方面集學術研究與工程應用為一體的第一本專著。

正是有了地質人前期複雜而周密的工作，才保證了FAST系統工程的成功選址以及安全建設和運行。FAST運行1年來，正在為我國暗物質本質、宇宙進化、太空生命起源和尋找地外文明等研究提供著重要支撐，貴州正業工程技術投資有限公司也在不斷對工程進行回訪記錄，未來他們還將關注FAST地區環境信息綜合監測。相信有了地質人的「保駕護航」，FAST將會更加安全而有效地運行，為人類探索外太空提供更多的線索。

來源：國土資源報

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