作者:高雅丽 来源:中国科学报 发布时间:2018/6/11 12:02:10
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当好大科学装置选址“侦察兵”

专家在中国散裂中子源场址大朗镇水平村南现场勘查。

 

■本报见习记者 高雅丽

大科学装置以独具的科研条件资源,成为全球领军人才的聚集地、全球重大原创科技成果的诞生地和解决全球重大科学问题的平台。在土地资源日益紧张的情况下,大科学装置的场址选择受到多种因素制约影响,如何能为大科学装置选一个合适的“落户地点”,成为摆在科学家面前的一道难题。

在中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室正有这样一支研究团队,他们在研究员尚彦军的带领下,不断解决大科学装置场址选评问题。不久前,中国散裂中子源(CSNS)项目建设单位中国科学院高能物理研究所发来感谢信,对地质地球所十多年来为CSNS作出的重要贡献给予高度评价。

从5处场址脱颖而出的大朗镇

中国散裂中子源是位于国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台,是发展中国家的第一台、世界四大散裂中子源之一。

早在2007年,受中国科学院高能物理研究所委托,尚彦军及副研究员金维浚带领团队承担了中国散裂中子源工程选址工程地质勘查研究项目。

尚彦军对《中国科学报》记者说:“中国散裂中子源靶站作用在地基上压强1兆帕,要求隧道底板不均匀沉降小于每年0.5毫米、靶站地面不均匀沉降小于每年0.2毫米。因此,散裂中子源对工程地质条件的要求及把控极为严苛,甚至高于高铁的建设要求。”

散裂中子源系统装置建设主要包括一台直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站和一个散射大厅,根据装置概念设计对工程建设场地的整体要求,当地推荐选取了广东东莞5处场址。

在资料查阅及分析的基础上,研究团队多次对场址进行现场调研、走访和踏勘,综合比选后推荐大朗镇水平村南作为散裂中子源的场址方案。

“选定场址以后,我们又经过地质勘探、室内外实验等多种手段,验证了我们对大朗镇水平村南场址为建议场址的正确性。”尚彦军说。

大朗镇水平村南在地貌上为浑圆山体丘陵地形,基岩埋深小,地形上处于分水岭部位。

“起初规划场址有一处大的风化囊,场址南部有一个小山包,场地开挖存在地基不均匀沉降、南部高边坡长期暴雨等潜在风险。后来经过多次论证,我们将对场地要求最高的、最重要的设施,即靶站及谱仪大厅做了180°旋转,而不放在高陡边坡下。”尚彦军告诉记者。

散裂中子源工程于2012年5月开工建设,2018年3月通过中科院组织的工艺鉴定和验收,性能全部达到或优于批复的验收指标。

全力保障大科学装置“落户”

研究团队近些年来先后承担了我国中微子实验室、高海拔宇宙射线、北京先进光源、核嬗变系统(CIADS)与重离子加速器(HIAF)等大科学装置选址和建设有关的科研服务工作,地质工程理论研究同大科学装置选址及建设紧密结合并取得了系列科研成果,成为了页岩气与地质工程重点实验室的主要学术方向之一。

尚彦军说:“大科学装置的场址选择作为新生事物,并没有现成的规范。我们克服技术困难,一靠多年的工程经验积累,二靠多学科和多专业交叉融合,解决一些非常规难题,当好大科学装置选址的‘侦察兵’。”

由于大科学装置主要是进行高科技或者精细科学研究,除对工程建设场地要求更高以外,还具有一定的特殊性要求。

高海拔宇宙射线观测站要求选在4000米以上高海拔、气象条件好、地质条件好的高山夷平面上,单高海拔这一项要求,就将场地限定在了西南及西北高山地区,而气象和地质条件好的高山夷平面,更是不容易寻找。

金维浚说:“2012年至2013年我们两次对香格里拉县平均海拔4300米的石卡山进行了为期1个多月的现场勘查,由于高原反应严重,团队成员没有多余力气走路,只能靠马驮着进行勘探。”

为了屏蔽掉大气及地下浅层对试验有干扰的粒子,中微子实验室需要建设在岩体质量好的深埋地层。不仅如此,它还要求场地地质条件好、周围不能有辐射。由于开挖及深埋,在工程建设中会面临高地应力、岩爆、突涌水等各种突发问题,这就要对场址的工程地质条件作出精确的判断。

“一般工程勘探情况下用一种物探方法就够了,但中微子实验室我们用了至少4种方法勘探,甚至还用上了最先进的物探仪器。一开始美国专家不信任我们,每次工作都有人跟着,但长期工作下来,我们的技术和精神赢得了他们的尊重。”尚彦军说。

以工程建设带动学科发展

在服务大亚湾中微子实验隧道、中国散裂中子源场址等8个大科学装置场址选评过程中,研究团队的勘查研究及建设期技术咨询服务,保证了工程建设顺利进行,同时取得了丰硕的科研成果,培养了理论紧密结合重大工程实践的地学人才。

在工程建设过程中,研究团队揭示了地质条件与工程的多因素相互作用、不良地质体的滞后破坏、岩体结构动态演化等规律,提出了工程调控的“岩观法”,构建了严苛条件下工程场址优选与动态调控理论框架,地质条件合理利用与工程方案优化实现了良性互动。

依托散裂中子源这项国际前沿工程,研究团队不断获取递进式勘查—设计—施工建设和精细探测数据,10年来先后培养了4名地质工程博士生,取得的成果成为2014年中国岩石力学与工程学会科技进步奖一等奖的重要支撑材料之一。

尚彦军说:“未来我们将更紧密结合大科学装置工程实践和严苛要求,以玉雕师的态度,发挥工匠精神,做到场尽其用,充分利用有限的地质场地和研究程度不等的地质信息,从信息化、可视化和智能化,拓展和发展工程地质和水文地质专业,培养信息智能创新型人才。”

与此同时,研究团队将推动大科学装置标准化和规范化地质勘查工作,集成和量化地质条件,将地质和工程相互作用、和谐发展,在满足大科学装置目标的同时,保护生态环境,发展科普旅游和地质观测基地建设。

《中国科学报》 (2018-06-11 第6版 院所)
 
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