□ 范國軒

專家簡介：

劉日成，中國礦業(yè)大學(xué)副研究員，碩士生導(dǎo)師。主要從事巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)分形特性與滲流機(jī)理方面的研究工作，負(fù)責(zé)國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、中國博士后基金等課題6項(xiàng)；以第一/通信作者發(fā)表SCI期刊論文27篇（其中14篇論文影響因子大于2.8分），其中4篇第一作者論文入選ESI高被引論文（Highly Cited Papers），2次入選Computers and Geotechnics期刊25篇最熱門論文，1次入選日本巖石力學(xué)學(xué)會(huì)優(yōu)秀期刊論文獎(jiǎng)，1次入選日本巖石力學(xué)學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)，1次入選長崎大學(xué)校長獎(jiǎng)；2017年入選日本學(xué)術(shù)振興會(huì)外國人特別研究員（JSPS fellow），2018年入選中國科協(xié)第三屆“青年人才托舉工程”、中國博士后國際交流計(jì)劃派出項(xiàng)目，獲中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)的青年科技獎(jiǎng)金獎(jiǎng)；另以第一作者發(fā)表EI期刊論文6篇，以第一發(fā)明人申請發(fā)明專利4項(xiàng)。

20世紀(jì)下半葉發(fā)生了3次震驚水利水電工程界的重大工程事故：法國Malpasset雙曲拱壩潰壩，意大利Vajout雙曲拱壩近壩庫區(qū)左岸發(fā)生2.5億立方米的大滑坡，美國Teton土壩在巖基壩段潰決。有學(xué)者從巖石水力學(xué)的觀點(diǎn)討論了工程事故的原因，雖然至今尚未取得完全一致的結(jié)論，但對事故分析的研究加深了人們對巖石水力學(xué)的認(rèn)識(shí)，使人們將目光放到了裂隙巖體的滲流特性研究上。

裂隙巖體的滲流特性和力學(xué)特性是相互作用的，它們共同影響著地下采礦、深部核廢料儲(chǔ)存設(shè)施和隧道等地下工程的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確預(yù)測裂隙巖體的滲流特性對指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重大意義。中國礦業(yè)大學(xué)副研究員劉日成在學(xué)生時(shí)代就開始致力于復(fù)雜巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的分形特性和非線性滲流機(jī)理方面的研究工作，在建立具有真實(shí)幾何特征的復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)模型并通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬評估裂隙巖體的線性、非線性滲流特性方面進(jìn)行了一系列科研探索并取得了多項(xiàng)重要成果。

把青春滲透在巖體裂隙里

在劉日成青春的記憶里，他一直是“別人家的孩子”：2006年9月，考入山東大學(xué)攻讀城市地下空間工程專業(yè)；2010年7月，被保送為山東大學(xué)巖土工程專業(yè)碩士研究生；2011年4月，參與中日韓水環(huán)境保護(hù)項(xiàng)目赴日本長崎大學(xué)攻讀碩士學(xué)位，并獲得日本JASSO學(xué)習(xí)獎(jiǎng)勵(lì)費(fèi)獎(jiǎng)學(xué)金；2013年4月，被錄取為巖土工程專業(yè)博士研究生，師從日本工程院外籍院士蔣宇靜教授。

博士期間，劉日成利用公式推導(dǎo)法對裂隙巖體滲流特性評估進(jìn)行了研究，他首次提出了通過巖體裂隙的流量和開度的6-DT次方成正比（DT是評價(jià)裂隙表面粗糙度的分形維數(shù)），發(fā)現(xiàn)了裂隙網(wǎng)絡(luò)滲透性和裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)Df呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，成功地建立了代表裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何特征的分形維數(shù)與裂隙網(wǎng)絡(luò)滲透性的數(shù)學(xué)關(guān)系，取得了預(yù)測深部裂隙巖體滲透性的解析解，為評估裂隙巖體滲流特性提供了一種基于分形理論的新方法。

其中代表性文章已被引用90次，被Elsevier出版社列為25篇最熱門論文，并于2016年6月獲日本巖石力學(xué)學(xué)會(huì)優(yōu)秀期刊論文獎(jiǎng)。該獎(jiǎng)是日本巖石力學(xué)界最具影響力的期刊論文獎(jiǎng)，劉日成成為以第一作者獲得該獎(jiǎng)的首位中國人。

2016年8月，劉日成選擇回國發(fā)展，落腳中國礦業(yè)大學(xué)。4個(gè)月后，劉日成被破格晉升為中國礦業(yè)大學(xué)副研究員。與此同時(shí)，他被派往日本長崎大學(xué)進(jìn)行為期6個(gè)月的學(xué)術(shù)訪問。時(shí)隔不到一年，劉日成再次回到了長崎大學(xué)，他曾在這里有過5年的求學(xué)時(shí)光，這里見證了他在科研路上的成長與蛻變。

2017年11月，距離第一次學(xué)術(shù)訪問結(jié)束不到5個(gè)月，劉日成入選了日本學(xué)術(shù)振興會(huì)外國人特別研究員（JSPS）項(xiàng)目。該項(xiàng)目是日本資助青年學(xué)者開展科研的最高獎(jiǎng)項(xiàng)之一，每年資助名額較少，競爭激烈。據(jù)日本學(xué)術(shù)振興會(huì)官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該項(xiàng)目2017年度一共收到全球不同學(xué)科的2473份申請，最終獲批249項(xiàng)，具體到巖石力學(xué)專業(yè)，大概只有2～3名獲批者，獲批率僅為10%左右。劉日成能夠成功申請到該項(xiàng)目，表明其在巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)分形特性與滲流機(jī)理方面的研究工作得到了高度認(rèn)可，具有廣闊的研究前景。

用科研支撐地下工程的安全

在裂隙網(wǎng)絡(luò)建模中，由于地下巖體內(nèi)實(shí)際的裂隙網(wǎng)絡(luò)由數(shù)以百計(jì)甚至數(shù)以千計(jì)的裂隙和交叉點(diǎn)組成，且裂隙分布具有隨機(jī)性、各向異性等特點(diǎn)，準(zhǔn)確描述和再現(xiàn)裂隙空間分布特征（比如密度、傾角、走向、開度、長度等）及表面幾何特性（比如表面粗糙度等）十分困難。雖然在近年來的研究中利用CT成像技術(shù)和3D打印技術(shù)可重復(fù)制作一系列具有相同表面形狀的粗糙裂隙試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃桶瑥?fù)雜裂隙的天然煤巖模型，有利于明確剪切過程中裂隙巖體的力學(xué)行為和分析裂隙網(wǎng)絡(luò)的空間分布特性，但這些技術(shù)往往具有成本高、效率低等特點(diǎn)，因此亟需一種簡單、快速、價(jià)廉、準(zhǔn)確的描述裂隙幾何空間分布特性的方法。

2017年，劉日成主持了江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“深部巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)分形特性與滲流特性研究”，針對巖體裂隙分布的復(fù)雜性，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流可視化試驗(yàn)系統(tǒng)，克服了不同流速下裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的密封難題。團(tuán)隊(duì)通過可視化系統(tǒng)捕捉到了溶質(zhì)通過裂隙交叉點(diǎn)時(shí)發(fā)生的流線偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、溶質(zhì)混合等細(xì)節(jié)特征，得到了流量和壓力的線性和非線性關(guān)系曲線，以此分析了裂隙交叉點(diǎn)和表面粗糙度等幾何特征對滲流造成的影響，為揭示裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流機(jī)理提供了一種有效的試驗(yàn)方法和基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。

在第十五次中國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)年會(huì)上作報(bào)告

雖然大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)已經(jīng)表明，通過裂隙網(wǎng)絡(luò)的流量和壓力梯度呈非線性相關(guān)，隨著壓力梯度的增大，滲透系數(shù)逐漸降低。然而，在迄今為止的模型預(yù)測中，人們往往忽略了由裂隙表面粗糙度和裂隙交叉引起的慣性效應(yīng)的影響。假設(shè)裂隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的流體流動(dòng)服從立方定律，即通過裂隙網(wǎng)絡(luò)的流量和壓力梯度線性相關(guān)，隨著壓力梯度的增大，滲透系數(shù)保持恒定的常數(shù)，這種簡化將高估裂隙巖體的過流能力，與真實(shí)滲透系數(shù)相比存在一定的偏差，這種偏差將對地下工程的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及安全性評估帶來困難，甚至可能造成災(zāi)難性的后果。因此，為提高模型預(yù)測的精確度，亟需高效地建立復(fù)雜巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)模型并定量分析非線性滲流機(jī)理的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算方法。

2018年，基于江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目的科研工作與成果，劉日成主持了國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“基于分形理論的三維巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)非線性滲流機(jī)理研究”。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)建立了復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模型，通過求解Navier-Stokes方程分析了裂隙巖體內(nèi)的非線性滲流機(jī)理，基于水力梯度提出了區(qū)分線性流動(dòng)和非線性流動(dòng)的新判據(jù)，建立了評估非線性滲流特性的Forchheimer方程所含參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為裂隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬選擇恰當(dāng)?shù)牧黧w流動(dòng)控制方程提供了具體的評判標(biāo)準(zhǔn)，為準(zhǔn)確評估現(xiàn)場大尺度裂隙巖體的滲流特性建立了有用的方法。

獲得這兩個(gè)科研項(xiàng)目資助后的一年半時(shí)間里，劉日成以第一作者發(fā)表SCI論文12篇，以通訊作者發(fā)表SCI論文6篇，以第一發(fā)明人申請發(fā)明專利2項(xiàng)。2018年9月，劉日成獲得了中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)青年科技獎(jiǎng)金獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)獲得者在全國范圍內(nèi)僅有5人。

2018年11月初，劉日成參加了第10屆亞洲巖石力學(xué)大會(huì)并在會(huì)議上作了口頭報(bào)告。這是他第二次參加亞洲巖石力學(xué)大會(huì)了，兩年前，在第9屆亞洲巖石力學(xué)大會(huì)上他也作了報(bào)告，那時(shí)他才剛剛博士畢業(yè)，對未來的科研之路滿懷一腔熱血。如今，他斗志更滿，力求在復(fù)雜巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)分形特性與滲流機(jī)理領(lǐng)域取得更多的成果。