巖土工程師專業(yè)輔導(dǎo):巖石力學(xué)研究的現(xiàn)狀和未來(14)

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近年來,科學(xué)家正在探索使用“氦-3”同位素?zé)岷朔磻?yīng)堆發(fā)電,這種反應(yīng)堆不會產(chǎn)生放射性污染。但在地球上,“氦-3”儲量不大,估計只有20噸,,而在月球表面儲量可達百萬噸以上。開發(fā)月球資源將成為解決地球能源危機的一個新途徑。
    7)潮汐能
    作為一種清潔、可再生的“藍色能源”,潮汐能的開發(fā)利用日益受到人們的重視。據(jù)科學(xué)家估計,地球上潮汐能的發(fā)電量高達90萬億kW。目前,美國、日本、印度等已建成幾十座潮汐電站。到20世紀末,全球潮汐發(fā)電總?cè)萘考s為620萬kW。
    我國海岸線長達18000余km,潮汐能源達1.9億kW,可開發(fā)裝機總?cè)萘繛?179萬kW,年發(fā)電量可達624萬kW·h,可供開發(fā)200kW以上的潮汐港灣424處。
    為解決沿海地區(qū)能源短缺,保護生態(tài)環(huán)境,我國已將潮汐能開發(fā)列為重點項目。大的潮汐試驗電站是浙江江廈潮汐電站,共有5臺機組,總?cè)萘繛?200kW,年發(fā)電量1100萬kW·h。盡管潮汐能的發(fā)電成本較高,仍有巨大的開發(fā)前景。
    隨著21世紀海洋高科技的飛速發(fā)展,潮汐發(fā)電將占更加重要的地位。
    我國在“數(shù)字地球”方面,有一定的基礎(chǔ)。1999年11月在北京成功地舉辦了“數(shù)字地球國際會議”(ISDE),影響深遠。數(shù)字城市的進程也在加速。近來,我國還開通了《中國信息》(China Info)網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了科技期刊編輯、出版、發(fā)行工作的電子化,推動了科技信息交流的網(wǎng)絡(luò)化進程,許多期刊已經(jīng)入網(wǎng)。但在巖石力學(xué)領(lǐng)域,尚處于發(fā)展中階段。今后,除應(yīng)加強通用技術(shù),如電子通信(E-mail)、熱線電子通信(Hot-mail)、主頁(Homepage)、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(lntranet)、外部網(wǎng)絡(luò)(Extranet)外,還要根據(jù)巖石力學(xué)的特點,建立一套適合國情的數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò),如遠程規(guī)劃、遠程咨詢、遠程教育、遠程設(shè)計、遠程施工、遠程監(jiān)理,促進信息交流、資源共享與優(yōu)化配置,并將它有機地匯入“數(shù)字地球”系統(tǒng)之中。
    8)熱干巖發(fā)電技術(shù)
    在地殼淺部的某些構(gòu)造部位,埋藏有熱干巖(HDR,Hot Dry Rock)。這是一種干凈的新能源。據(jù)估計,它包括的能量為地球全部石油、天然氣和煤炭蘊藏能量的30倍。
    從70年代中期開始,美國、日本、法國、澳大利亞等國都單獨或合作執(zhí)行熱干巖發(fā)電計劃。在美國新墨西哥州芬頓山(Fenton Mountain)執(zhí)行的國際合作計劃中,鉆井深度為4250-4660m。從注水井注入冷水21300m3,在熱干巖中形成孔底循環(huán),迅速將冷水變?yōu)楦邷亍⒏邏赫魵?。在產(chǎn)出井地面可收到200℃的干蒸氣,直接進入汽輪機發(fā)電,容量達10MW。日本從1975年開始進行基礎(chǔ)研究,1985年正式啟動HDR計劃,以新能源開發(fā)組織(NEDO)為主,進行系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗研究。
    特別值得提出的是,近日本國家資源與環(huán)境研究院(NIRE)提出了一項新技術(shù),稱為潛孔鉆井同軸熱交換系統(tǒng),簡稱DCHE(Downhole Coaxial Heat Exchange System),可在同一個鉆井中注水加熱后發(fā)電。鉆井深度約3000m,每一口井可發(fā)電6-9MW。
    在熱干巖發(fā)電計劃中,主要的巖石力學(xué)課題為:1. 高溫高壓下熱干巖的力學(xué)性質(zhì);2. 熱干巖人工致裂技術(shù);3. 熱干巖體中水力學(xué)-巖石力學(xué)-熱力學(xué)的耦合作用等。
    我國對熱干巖的開發(fā)利用正在探索中。
    4. 地下工程
    人口爆炸、資源短缺、環(huán)境惡化、土地衰退、物種減少,人類賴以生存的地球表面已不堪重負。在這種情況下,各國除采取綜合性的政治、經(jīng)濟措施以外,都日益注重地下空間和地下工程的開發(fā)利用。雖然有的科學(xué)家提出了21世紀在海上、空中建造大城市,實現(xiàn)人類海市蜃樓的夢想,但比較可行的還是“入地”。國際上一種非常普遍的觀點是:“19世紀是橋的世紀,20世紀是高層建筑的世紀,未來的21世紀則是人類開發(fā)地下空間的世紀”。號召人們“往深處想”(“Think Deep”),迎接巖石工程的“第四次浪潮”(“The Forth Wave of Rock Engineering”)。當(dāng)前,許多發(fā)達國家都把地下空間當(dāng)成一種新型的國土資源,并在總體上稱之為“地下產(chǎn)業(yè)”。為適應(yīng)形勢的發(fā)展,國際上成立了不少與地下工程有關(guān)的組織。其中比較的是:國際隧道協(xié)會(ITA),國際城市地下空間聯(lián)合研究中心(ACUUS,Associated Research Centers for Urban Underground Space)。隧道工程與快速開挖會議(RETC,Rapid Excavation & Tunelling Conference),美國地下建筑協(xié)會(AUA,American Underground-Construction Association),意大利隧道學(xué)會(SIG, Societa Italiana Gallerie)等。
    近幾十年來,隨著地下電站(水電、火電、核電、地?zé)犭姡?,地下城市,地下儲能(熱能、超?dǎo)電能、石油、天然氣、壓縮空氣),地下鐵道及輕軌建設(shè),深部礦山及深海石油開采,放射性核廢料地下儲存,國防、人防工程的發(fā)展,巖石力學(xué)的研究重點日益轉(zhuǎn)向地下,不但注意人工洞室的開挖,而且注意利用天然洞室或廢舊礦井做地下工程。
    近年來,地下空間利用日益成為眾所關(guān)心的熱點。在一些發(fā)達國家,大城市的地下鐵道網(wǎng)絡(luò)已基本形成。當(dāng)前紛紛把重點轉(zhuǎn)向綜合性地下城市建設(shè),并制定了相應(yīng)的總體規(guī)劃及法律、法規(guī)。在日本新宿已建成一個地下城市的雛型,還計劃在東京青山地區(qū)深10m,50m,100m的地下分三層修建球形地下城,使地下同地上一樣成為一個現(xiàn)代化大城市。近日本提出了地下愛麗絲城(Alice City)規(guī)劃,開發(fā)深度達200m。日本還計劃在市中心區(qū)50-100m深處建設(shè)地下飛機場,使其成為新的地下交通樞紐。2001年1月日本政府決定在東京地表以下40m深處建兩條寬13m,雙車道的外環(huán)高速公路,取代原計劃的地表高架橋方案。美國堪薩斯市利用礦山采空區(qū)建立了一個30萬平方英尺的商業(yè)、工業(yè)中心。明尼蘇達、得克薩斯等地區(qū)約有一萬多戶中產(chǎn)者移居地下。在德國、意大利等國家也有類似舉動。據(jù)估計,到21世紀末,人類約有1/3將重新“穴居地下”。