张义宏

    在去年举办的第十一届国际冻土大会上，通过了2020年将在中国兰州举办第十二届国际冻土大会的决定，27年后中国将再次迎来这一国际性冻土盛会。

    此前，在亚洲国际冻土会议后，来自17个国家的56位冻土学家和工程师实地考察了青藏铁路，一致认为：青藏铁路多年冻土区工程建设所采用的冷却路基为主、积极保护冻土的设计思路正确，采用块石夹层路基、块碎石护坡、热管与保温材料以及采用桥梁跨越工程地质最为复杂的多年冻土地段，解决了多年冻土难题，体现了当代冻土区铁路工程建设的先进水平。

    青藏铁路在冻土区铁路工程建设上的创新突破屡屡获得世界关注，这背后有着中国科研团队的坚强支撑，冻土工程国家重点实验室就是其中的卓越代表，在冻土工程建设上，他们迎接前所未有的挑战，为我国的重大工程保驾护航，为中国赢得了世界的侧目和尊重。

    自力更生 艰苦创业

    经原国家计委批准于1989年投资建设了我国唯一的从事冻土基础研究和应用基础研究的冻土工程国家重点实验室：目前已形成了冻土环境与工程、冻土物理力学与工程、冻土模拟与工程三大研究方向；实验室聚集了一批扎根西部的冻土与寒区工程的创新群体人才；在面向国家重大需求和社会经济发展方面，解决了包括青藏公路、青藏铁路、中俄输油管道、青藏直流联网工程和哈大高铁等一大批冻土重大工程中的核心科学问题；获得了国家科技进步特等奖、一等奖、二等奖各一项，国家技术发明二等奖一项以及数十项省部级科研成果奖励。

    然而，27年前，该实验室成立之初，面临着如何确立冻土科学与工程应用基础研究战略定位，能让中国的研究具备长期的比较竞争优势？

    此后，实验室团队开始长期系统地开展基础性与应用基础性的研究工作。这些理论和方法已在青藏公路、青藏铁路、青康公路、大小兴安岭冻土区黑北公路、加漠和漠北公路、新藏公路、共和至结古高等级公路、中俄输油管道工程、青藏直流联网等工程建设和维护中得到广泛使用。

    数十年如一日，冻土工程国家重点实验室开展了大量的多年冻土变化的基础性研究工作，积累了大量第一手的冻土变化基础性数据，时间序列最长的冻土监测数据达20年，这些研究成果作为复杂的工程背景数据为青藏高速公路建设提供科学和基础性数据的支撑。

    冻土工程国家重点实验室在我国多年冻土区范围内搭建了冻土工程性能监测网络，几乎涵盖了我国所有的重大冻土工程，这些监测网络为探索冻土与工程相互作用关系奠定了坚实的基础。

    另外，实验室针对祁连山多年冻土柴木地方铁路、东北黑北公路、漠河多年冻土区机场、漠北高速公路、青藏高原110kV输变电线路工程、新藏公路等多年冻土区工程开展了研究和咨询服务，并对青海省全省县级以上多年冻土区公路开展了冻土调查和工程地质评价工作。

    同时，冻土工程国家重点实验室开展了南水北调西线工程的冻土调查和评价研究和新疆穿越天山的750kV超高压输电工程冻土调查和评价工作，为国家寒区工程建设和运营作出重要贡献。作为重要的参与单位，实验室先后完成了12项国家规范、行业标准、细则等的编写，特别是实验室提供了一批国家和行业规范、标准等所需的基础实验数据。

    就这样，多年来，冻土工程国家重点实验室开展了我国冻土区几乎所有重大工程研究，几代科研人员扎根青藏高原，为国家寒区工程建设作出了重要的贡献。

    截至目前，冻土工程国家重点实验室的寒区公路与隧道冻害预报和综合防治关键技术研究成果，被109国道青藏公路、214国道青康公路、227国道宁张公路和227国道的达坂山公路隧道以及黑北公路广泛使用，取得直接经济效益12亿元，极大地改善了甘青藏三省区交通条件，保障和加快了少数民族地区的经济建设，对于巩固国防、保卫边疆，都有重大的现实意义和深远的历史意义。

    迎接挑战 突破瓶颈

    一路走来，冻土工程国家重点实验室面临的是多个世界性难题，他们以自强不息、坚韧不拔的精神克服了一个又一个巨大难关，取得了一项又一项重大突破。

    在青藏铁路冻土工程研究方面，该实验室从根本上解决了青藏铁路多年冻土筑路技术核心难题，解决了高温高含冰量多年冻土路基稳定性世界性难题。参编了《冻土工程地质勘测规范》(GB50324-2001)、《青藏铁路多年冻土区工程勘测暂行规定》和《青藏铁路多年冻土区工程设计暂行规定》等青藏铁路工程建设的纲领性文件。先后向铁道部门提交研究报告60余份，许多建议被青藏铁路建设采纳，有力地指导了青藏铁路多年冻土区工程勘测和设计。

    《Nature》杂志高度评价了青藏铁路中解决冻土问题的技术和思路，Nature China研究亮点高度评价了冷却路基的新思路：“在兰州的中国科学院程国栋和共同作者们通过数值模拟、实验室模型实验和青藏铁路现场试验，首次描述了块石层的物理机制”。

    著名的加拿大冻土学家Stuart Harris评价说：“从国际观点看，青藏铁路是高温多年冻土工程建设方法发展史上的一个重要里程碑。这一工程得到的经验无疑会对这种极端环境下的未来工程的设计和施工产生深远的影响。”

    高温高含冰量冻土物理力学性质研究，这一研究属于国际前沿课题。冻土工程国家重点实验室研究实现了测试技术、试验方法和研究思路的创新。从冻土物理力学性质的变化特征定义了冻土工程分类中的高低温冻土界限，揭示了高温高含冰量的静动力学特征和规律及其内在的变化机理，深化冻胀现象和变形过程认识。阐明了冻土力学研究中关于冰—水相变的广义克拉伯龙方程适用性问题，构建了稳态和动态下的冻结缘相变过程的理论模型。研究成果对多年冻土区重大工程的变形预测、稳定性评价等具有非常重要的理论和现实意义，进一步完善冻土力学的理论体系。成果先后发表在International Journal of Plasticity和Earth Science Review等国际顶级刊物上。

    在多年冻土区天然气水合物的研究，冻土工程国家重点实验室先后开展了实验室内多孔介质中天然气水合物的形成和分解的动力学模拟研究，深入研究了青藏高原多年冻土与天然气水合物形成之间的关系，在昆仑山垭口发现了天然气水合物的赋存证据，是继我国祁连山多年冻土区发现天然气水合物以来的又一次重大的突破，对青藏高原能源、环境和气候相互作用研究具有重要的意义。

    冻土工程国家重点实验室关于中俄管道冻土工程的研究成果在第九届国际冻土大会管道专场引起很大反响，应寒区科学技术（CRST）杂志邀请，出版了《冻土区管道》专辑，9篇论文反映了中俄管道创新性解决方案。CRST主编Garry Timco教授称赞它是“冻土工程研究中的重要里程碑”。《Pipeline International》杂志特邀撰写专业论文，以便能够了解冻土区中俄管道冻土工程研究的最新进展，并作为封面文章介绍在北方地区设计、施工和运营大口径长输原油管道的成功经验。

    国际瞩目 放眼未来

    随着我国基础理论研究、应用基础研究和工程实践能力的不断提高，我国冻土研究的国际影响也在迅速提升，冻土工程国家重点实验室的这些重要科研成果在国际上产生了很高的关注度。

    密西根理工大学项目团队在开展横跨北美大铁路项目可行性研究中，评估了全世界深季节冻结和多年冻土区铁路工程领域最新和最好的研究，大量地引用了冻土工程国家重点实验室团队在青藏铁路冻土工程筑路技术约68篇文章。

    与此同时，该实验室在国际冻土研究中占有重要地位，引领了国际冻土工程研究领域。前实验室主任、学术委员会主任程国栋院士曾先后担任国际冻土学会（IPA）副主席、主席，2011年当选俄罗斯工程院院士，2014年荣获国际冻土协会终身成就奖，是继加拿大Mackey教授和前苏联Romanovsky教授之后，国际冻土学会成立以来的第三位荣誉获得者。国际冻土学会主席Antoni Lewkowicz教授在颁奖词中说道：程国栋院士和他所领导的中国团队为国际冻土和冻土工程研究作出了卓越贡献。

    该实验室有关冻土退化及其环境效应等研究在国内外有重要影响，发表在Journal of Geophysical Research四篇研究论文获得了审稿人的高度评价，研究结果对于研究气候变化对多年冻土动力学和水循环的影响具有很有价值的贡献，对于理解气候—冰冻圈系统具有很重要的贡献，这些资料能够被用来减少未来条件下预测的不确定性。

    该实验室有关高原冻土形成、演化阶段划分及分布和下界重建，整体上把握了冻土形成演化过程，被著名冻土学家Hugh M. French列为古冻土研究重要进展；中国的冻土变化及砂、土楔研究被国际著名的Permafrost and Periglacial Process杂志的特邀综述论文大段引评。

    同时，冻土工程国家重点实验室应邀在海德堡大学和德国极地与海洋研究所等作专题报告，在AGU、EUCP和NICOP大会上交流了成果，得到了IPA前主席Jerry Brown和Hans-W. Hubberten的高度评价；在冻土稳定性方面的论著被如Science、Nature和PNAS等多次引用。相关监测数据进入了GTN-P、CliC、CALM 和TSP等国际科学计划，为数据交流和共享作出了重要贡献。

    目前，冻土工程国家重点实验室瞄准国际研究热点和国家重大需求，制定了未来发展的战略规划和先期研究布局。

    冻土工程国家重点实验室介绍，未来，该实验室首先，围绕着青藏铁路运营过程中出现的冻土病害问题，研究病害形成机理、冻土变化长期动态过程和机车动荷载作用的冻土动力学特征方面；其次，瞄准了国家青藏高速公路建设，开展了青藏高速公路冻土路基修筑技术研究，北麓河厚层地下冰地段建设了高等级宽幅沥青路面的复合冷却路基试验示范工程；第三，瞄准了黄河源冻土退化与生态环境和水文地质关系关键科学问题，从冻土退化和活动层水热过程变化导致的水力联系变化、水资源量、水土环境和水文（地质）循环等研究冻土与生态环境和水文地质条件变化的互馈关系；第四，瞄准了东北和祁连山区大型煤矿开采对冻土环境和湿地生态环境的影响研究，布设和完善了冻土变化监测网络。