邂逅“精靈鼠”
巖體靜彈性模量是水利水電等大型工程建設(shè)中非常重要的巖體參數(shù)，即地下巖體能夠承受多大壓力，在什么樣的情況下會(huì)超出巖石的彈性承受極限，這項(xiàng)信息至關(guān)重要，直接關(guān)系到施工安全、工程安全，若馬虎過(guò)關(guān)，相當(dāng)于早早地給工程施工乃至項(xiàng)目建筑埋下了一顆定時(shí)炸彈，后果不堪設(shè)想。
獲取這項(xiàng)關(guān)鍵信息的技術(shù)設(shè)備是物探領(lǐng)域的一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)測(cè)試儀器，記者在古賢勘測(cè)工地上見(jiàn)到了這臺(tái)設(shè)備，碗口粗細(xì)的鋼制探頭，拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，一頭扎進(jìn)深深的洞穴，一會(huì)兒功夫，關(guān)于洞穴內(nèi)巖體的硬度情況、地質(zhì)狀況信息便以準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和形象曲線的形式展現(xiàn)在旁邊的主機(jī)屏幕上，不愧是集高科技于一身的“精靈鼠”。
記者也曾見(jiàn)過(guò)類(lèi)似的深層巖體測(cè)試儀器，笨重而遲緩，儀表計(jì)數(shù)靠人工，一邊加壓一邊讀數(shù)，表盤(pán)指針擺動(dòng)不停，數(shù)據(jù)無(wú)法精確讀取，代表地下巖體承壓能力、彈性狀況的曲線圖示也需要根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工繪制，造成人為誤差。
“精靈鼠”之“神”就在于其探測(cè)過(guò)程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，避免了人工誤差，工作效率高，探測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)，精確度可達(dá)到小數(shù)點(diǎn)位后4位。
“精靈鼠”在物探領(lǐng)域有自己專(zhuān)業(yè)的名字，其全稱是“全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測(cè)試儀”，目前這種儀器已經(jīng)在黃河古賢、青海黃藏寺、四川錦屏等國(guó)家大型水利水電工程中應(yīng)用，顯示出了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，推廣前景廣闊。
該項(xiàng)目探頭設(shè)計(jì)已經(jīng)獲得兩項(xiàng)國(guó)家專(zhuān)利，在上個(gè)月剛剛進(jìn)行的由河南省科學(xué)技術(shù)廳組織召開(kāi)的科技成果鑒定會(huì)上，鑒定委員會(huì)的專(zhuān)家們一致認(rèn)為，該成果總體達(dá)到國(guó)家先進(jìn)水平，在大口徑測(cè)試和探頭結(jié)構(gòu)方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，并建議對(duì)整體儀器申報(bào)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，加大成果推廣應(yīng)用。
一個(gè)思維跨越成就一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利
該儀器的探頭部分之所以能夠獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，是因?yàn)樗趪?guó)內(nèi)外首次將探頭工作時(shí)內(nèi)部受壓伸出以感知地底深層巖體彈性狀況的承壓板設(shè)計(jì)為兩側(cè)對(duì)稱的“宮燈”形狀，“以前的儀器全部都是單側(cè)伸出”，該儀器研制項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)人、黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司物探院的高級(jí)工程師胡偉華告訴記者。
雙側(cè)伸出承壓板的合理之處在于它改變了測(cè)試過(guò)程中壓力單向加載造成的誤差，克服了受力不對(duì)稱的技術(shù)難題，看似簡(jiǎn)單的一個(gè)思維跳越，卻阻隔了測(cè)試儀多少年的技術(shù)進(jìn)步。“宮燈形”的設(shè)計(jì)也因此于2010年9月成功申請(qǐng)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局“外觀設(shè)計(jì)型專(zhuān)利”。
“為什么從一開(kāi)始國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家的測(cè)試儀探頭都是單側(cè)承壓板，而不是雙側(cè)對(duì)稱的呢？雙側(cè)對(duì)稱的到底行不行，是否更加合理？”一連串的問(wèn)號(hào)在2003年就已經(jīng)出現(xiàn)在黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司物探院職工的頭腦里，帶著疑問(wèn)，項(xiàng)目組成員查閱了大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，咨詢了不少業(yè)界的專(zhuān)家，認(rèn)定雙側(cè)對(duì)稱的設(shè)計(jì)是可行的，并且是合理的，從那時(shí)起，項(xiàng)目組成員便開(kāi)始了前期的探索。
如同許許多多成功的例子一樣，黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司的項(xiàng)目組是第一個(gè)敢于吃螃蟹的人。看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，大家都熟視無(wú)睹，只有他們第一個(gè)提出、認(rèn)真考慮了這個(gè)問(wèn)題，并且付諸行動(dòng)，用辛勤和汗水澆開(kāi)了成功之花。
精益求精催生最佳匹配角度
物理專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域常用半角來(lái)說(shuō)明弧形接觸面大小，“精靈鼠”探頭上的承壓板與受測(cè)洞壁接觸形成的弧形角度采用25度，即半角12.5度，這是與其他同類(lèi)儀器不同的地方，“之所以精確到12.5度，是我們經(jīng)過(guò)理論研究和大量比對(duì)試驗(yàn)確定下來(lái)的最優(yōu)角度，它解決了承壓板與鉆孔孔壁匹配不好而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果誤差較大的問(wèn)題。”
“最早的時(shí)候，我們?cè)谑褂脧膹S家購(gòu)置儀器的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這些儀器都與實(shí)際情況存在較大誤差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了應(yīng)用要求，”項(xiàng)目組成員告訴記者，“比如，當(dāng)前，美國(guó)生產(chǎn)的同類(lèi)儀器――古德曼千斤頂，其半接觸角為45度，工作原理是利用千斤頂，通過(guò)剛性承壓板給孔壁施加一對(duì)橫向壓力，同時(shí)測(cè)量孔徑變形，其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性較低，國(guó)內(nèi)外存在爭(zhēng)論較多。”
最優(yōu)角度的選擇從某種程度上決定了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，角度大小決定了承壓板與孔壁接觸緊密程度的高低，接觸越緊密，承壓板與孔壁之間的空隙就越小，就越能夠反映真實(shí)情況，反之，接觸不好，只能是加大誤差。
測(cè)量精度的提高還與承壓板伸縮位移量有關(guān)，由于探頭本來(lái)就小，里面需要安裝電路、油路、千斤頂、數(shù)據(jù)線等復(fù)雜而精密的元件，空間有限，因此，承壓板伸縮位移量非常有限。
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的同類(lèi)儀器，量程一般只有6毫米～10毫米，在成孔過(guò)程中由于受到擾動(dòng)而使鉆孔孔徑偏大時(shí)就無(wú)法開(kāi)展工作。
黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)公司物探院研制的“全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測(cè)試儀”探頭位移則能夠達(dá)到15毫米～20毫米，剛剛研制成功的大口徑探頭位移可達(dá)300毫米，這樣，探頭測(cè)試適應(yīng)了各種特殊情況，而且在不同情況下選擇合適大小的探頭，仍能夠保障正常工作，大大提高了工作效率和測(cè)量精度。
生產(chǎn)應(yīng)用需求拉動(dòng)研發(fā)進(jìn)程
“可以說(shuō)，全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測(cè)試儀是生產(chǎn)實(shí)踐與理論研究相結(jié)合的產(chǎn)物，我們雖然不是專(zhuān)門(mén)的科研單位，但是，生產(chǎn)實(shí)踐的需要促使我們?nèi)パ兄埔恍┻m合工程應(yīng)用的東西。”胡偉華說(shuō)。
社會(huì)上，科研與生產(chǎn)脫節(jié)的問(wèn)題存在，科研單位只作科研不注重生產(chǎn)應(yīng)用，生產(chǎn)單位只生產(chǎn)不搞科研，有需求但是卻得不到滿足。從2003年開(kāi)始，當(dāng)物探院的職工們?cè)谏a(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)社會(huì)上生產(chǎn)的測(cè)試儀器滿足不了工程需要時(shí)，就已經(jīng)開(kāi)始琢磨如何研發(fā)出精確的合乎要求的儀器。
近期研制成功的大口徑鉆孔（直徑達(dá)到800毫米～1100毫米）探頭，就是在古賢工地上遇到了難題，迫不得已而研制出來(lái)的。一般情況下，鉆孔直徑都是75毫米或者90毫米的標(biāo)準(zhǔn)，超大的鉆孔很少見(jiàn)，生產(chǎn)廠家也從來(lái)沒(méi)有做過(guò)超大直徑的鉆頭。但是，在古賢工地勘測(cè)過(guò)程中，需要測(cè)試直徑1000毫米左右的超大孔徑內(nèi)巖體的彈性力學(xué)指標(biāo)，這下問(wèn)題就出來(lái)了，沒(méi)有合適的探頭，項(xiàng)目組成員們就開(kāi)始鉆研、制定設(shè)計(jì)方案，跟生產(chǎn)廠家進(jìn)行溝通，最終研制出滿足要求的大口徑原位彈性模量測(cè)試儀。
主機(jī)中的信息采集板，作用是將地底巖體的壓力、變形等有關(guān)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)的關(guān)鍵元件，完全是由項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人之一馬若龍自主研發(fā)的，記者采訪時(shí)得知，這位剛剛喜獲貴子的年輕小伙子是計(jì)算機(jī)軟件方面有著七、八年工作經(jīng)驗(yàn)的老手，肯吃苦耐勞，愛(ài)好刻苦鉆研，有不達(dá)目的決不罷休的勁頭，這也許是項(xiàng)目組成員共有的特質(zhì)，是他們?nèi)〉贸晒Φ姆▽殹?SPAN lang=EN-US>
該儀器壓力和位移全部采用自動(dòng)化讀數(shù)，大大減少了人工讀數(shù)造成的誤差，提高了精度，推動(dòng)承壓板伸出的內(nèi)部壓力極限的擴(kuò)大也使得儀器在遇到高硬度巖石的時(shí)候能夠正常工作。據(jù)介紹，一般的同類(lèi)儀器工作壓力在40～60兆帕之間，但是“精靈鼠”工作壓力可達(dá)到75～85兆帕。
另外，幾經(jīng)改進(jìn)的儀器具有自動(dòng)判穩(wěn)（即根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及各個(gè)等級(jí)的數(shù)據(jù)記錄）的功能，方便快捷，還具有超限自動(dòng)報(bào)警的功能，這對(duì)昂貴精密的儀器是一種自動(dòng)保護(hù)。
儀器過(guò)于笨重，不便于攜帶操作，項(xiàng)目組就集中攻關(guān)，不斷改進(jìn)設(shè)備，集成操作系統(tǒng)，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化系統(tǒng)，使儀器越來(lái)越輕便，越來(lái)越自動(dòng)化，而且越來(lái)越精確。
這些都是項(xiàng)目組成員在應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程中根據(jù)需要不斷摸索、不斷改進(jìn)的結(jié)果， “以后我們還會(huì)繼續(xù)改進(jìn)，沒(méi)有最好，只有更好”，項(xiàng)目組成員一致表示。
汗水與智慧煉造“地鼠神探”
“研制過(guò)程中有苦、有酸也有甜，”胡偉華說(shuō)。采訪過(guò)程中，項(xiàng)目組成員們談起幾年來(lái)的研發(fā)過(guò)程，都頗有感觸。
胡偉華回憶，在最初階段，對(duì)測(cè)試儀器工作原理還不甚了解的時(shí)候，項(xiàng)目組成員分頭瘋狂查找資料，借助黃委檔案館的優(yōu)勢(shì)資源，投入大量資金，搜索獲取國(guó)內(nèi)外最新相關(guān)研究成果、論文以及儀器生產(chǎn)的資料。到各大科研院校咨詢業(yè)界的專(zhuān)家、教授，來(lái)來(lái)回回跑了無(wú)數(shù)趟。并且邊進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐邊進(jìn)行探索學(xué)習(xí)，對(duì)購(gòu)買(mǎi)到的同類(lèi)儀器進(jìn)行研究，了解儀器的工作原理，以及各類(lèi)儀器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
有了初步的想法以后，項(xiàng)目組成員們開(kāi)始嘗試做儀器設(shè)計(jì)，積極與生產(chǎn)廠家溝通，不厭其煩的輾轉(zhuǎn)于北京、上海等知名廠家之間，帶著自己做出的儀器設(shè)計(jì)圖，告訴他們自己的設(shè)想和要求，通過(guò)努力，一步一步地向著既定的目標(biāo)前進(jìn)。
項(xiàng)目組的負(fù)責(zé)人之一耿瑜平回憶，在進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，已經(jīng)記不起來(lái)總共做了多少次試驗(yàn)。職工們自己制作混凝土實(shí)驗(yàn)體，長(zhǎng)、寬、高達(dá)數(shù)米，大熱的夏天，揮汗如雨，澆筑、抬運(yùn)混凝土塊，進(jìn)行鉆孔、測(cè)試試驗(yàn)。
項(xiàng)目組的楊紅云印象深刻，在古賢工地上，邊生產(chǎn)邊進(jìn)行試驗(yàn)，趴在大山里幾十米深的濕漉漉的孔洞里進(jìn)行測(cè)試，雖然外邊艷陽(yáng)高照，里面卻是冷颼颼的，加之陰暗潮濕，身強(qiáng)體壯的年輕小伙也經(jīng)不住會(huì)感冒發(fā)燒。
項(xiàng)目組的成員回憶說(shuō)，他們?cè)?jīng)連續(xù)幾個(gè)月不分晝夜推導(dǎo)一組公式，這組公式關(guān)系到儀器的研制成功與否，十分重要，“在那些日子里，不知道哪天是星期幾，也分不清白天黑夜，吃住都在實(shí)驗(yàn)室，完完全全投入，忘掉了其他的一切。”
項(xiàng)目組成員張毅說(shuō)，由于探頭在地底深處工作，避免不了水的浸泡，所以探頭的防水性能必須得過(guò)關(guān)。在進(jìn)行防水試驗(yàn)的時(shí)候，曾經(jīng)嘗試了很多方法，有物理的，也有化學(xué)的，經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次試驗(yàn)，而且一次防水試驗(yàn)就得觀察上幾天，以確保儀器絲毫不會(huì)進(jìn)水。
項(xiàng)目組成員一致認(rèn)為，項(xiàng)目組成員水平再高、工作再努力，沒(méi)有黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司和物探院的大力支持是不行的。在該項(xiàng)目上，黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司自主立項(xiàng)，投入大量資金，物探院領(lǐng)導(dǎo)高度重視，親自參與，院長(zhǎng)郭玉松負(fù)責(zé)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、技術(shù)指導(dǎo)，副院長(zhǎng)謝向文負(fù)責(zé)主機(jī)和傳感器設(shè)計(jì)、技術(shù)指導(dǎo)，總工程師毋光榮負(fù)責(zé)總體技術(shù)方案制定，正是有了上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)懷和干部職工團(tuán)結(jié)一致的精神，項(xiàng)目才取得了優(yōu)異的成績(jī)。
艱苦研發(fā)的日子已經(jīng)成為過(guò)去，儀器的研制成功使所有項(xiàng)目組成員感到自豪，“地鼠神探”已經(jīng)在多個(gè)大型水利水電工地上得到應(yīng)用，發(fā)揮出喜人的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，“今年，中央一號(hào)文件出臺(tái)，加快水利改革與發(fā)展，水利水電施工項(xiàng)目必然增多，全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測(cè)試儀的推廣應(yīng)用前景廣闊，” 郭玉松院長(zhǎng)對(duì)此充滿信心。