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超出巖石的彈性承受極限，這項信息至關(guān)重要，直接關(guān)系到施工安全、工程安全，若馬虎過關(guān)，相當(dāng)于早早地給工程施工乃至項目建筑埋下了一顆定時炸彈，后果不堪設(shè)想。
獲取這項關(guān)鍵信息的技術(shù)設(shè)備是物探領(lǐng)域的一項專業(yè)測試儀器，記者在古賢勘測工地上見到了這臺設(shè)備，碗口粗細的鋼制探頭，拖著長長的尾巴，一頭扎進深深的洞穴，一會兒功夫，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)在旁邊的主機屏幕上，不愧是集高科技于一身的“精靈鼠”。
記者也曾見過類似的深層巖體測試儀器，笨重而遲緩，儀表計數(shù)靠人工，一邊加壓一邊讀數(shù)，表盤指針擺動不停，數(shù)據(jù)無法精確讀取，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)進行人工繪制，造成人為誤差。
“精靈鼠”之“神”就在于其探測過程全部實現(xiàn)自動化，避免了人工誤差，工作效率高，探測結(jié)果精準(zhǔn)，精確度可達到小數(shù)點位后4位。
“精靈鼠”在物探領(lǐng)域有自己專業(yè)的名字，其全稱是“全自動智能化鉆孔彈模測試儀”，目前這種儀器已經(jīng)在黃河古賢、青海黃藏寺、四川錦屏等國家大型水利水電工程中應(yīng)用，顯示出了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，推廣前景廣闊。
該項目探頭設(shè)計已經(jīng)獲得兩項國家專利，在上個月剛剛進行的由河南省科學(xué)技術(shù)廳組織召開的科技成果鑒定會上，鑒定委員會的專家們一致認為，該成果總體達到國家先進水平，在大口徑測試和探頭結(jié)構(gòu)方面達到國際領(lǐng)先水平，并建議對整體儀器申報國家發(fā)明專利，加大成果推廣應(yīng)用。
一個思維跨越成就一項發(fā)明專利
該儀器的探頭部分之所以能夠獲得國家發(fā)明專利，是因為它在國內(nèi)外首次將探頭工作時內(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)計為兩側(cè)對稱的“宮燈”形狀，“以前的儀器全部都是單側(cè)伸出”，該儀器研制項目的主要負責(zé)人、黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司物探院的高級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試過程中壓力單向加載造成的誤差，克服了受力不對稱的技術(shù)難題，看似簡單的一個思維跳越，卻阻隔了測試儀多少年的技術(shù)進步。“宮燈形”的設(shè)計也因此于2010年9月成功申請國家知識產(chǎn)權(quán)局“外觀設(shè)計型專利”。
“為什么從一開始國內(nèi)外科研機構(gòu)和生產(chǎn)廠家的測試儀探頭都是單側(cè)承壓板，而不是雙側(cè)對稱的呢？雙側(cè)對稱的到底行不行，是否更加合理？”一連串的問號在2003年就已經(jīng)出現(xiàn)在黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司物探院職工的頭腦里，帶著疑問，項目組成員查閱了大量國內(nèi)外相關(guān)資料，咨詢了不少業(yè)界的專家，認定雙側(cè)對稱的設(shè)計是可行的，并且是合理的，從那時起，項目組成員便開始了前期的探索。
如同許許多多成功的例子一樣，黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司的項目組是第一個敢于吃螃蟹的人?？此坪唵蔚膯栴}，大家都熟視無睹，只有他們第一個提出、認真考慮了這個問題，并且付諸行動，用辛勤和汗水澆開了成功之花。
精益求精催生最佳匹配角度
物理專業(yè)領(lǐng)域常用半角來說明弧形接觸面大小，“精靈鼠”探頭上的承壓板與受測洞壁接觸形成的弧形角度采用25度，即半角12.5度，這是與其他同類儀器不同的地方，“之所以精確到12.5度，是我們經(jīng)過理論研究和大量比對試驗確定下來的最優(yōu)角度，它解決了承壓板與鉆孔孔壁匹配不好而導(dǎo)致測試結(jié)果誤差較大的問題。”
“最早的時候，我們在使用從廠家購置儀器的過程中發(fā)現(xiàn)，這些儀器都與實際情況存在較大誤差，遠遠滿足不了應(yīng)用要求，”項目組成員告訴記者，“比如，當(dāng)前，美國生產(chǎn)的同類儀器――古德曼千斤頂，其半接觸角為45度，工作原理是利用千斤頂，通過剛性承壓板給孔壁施加一對橫向壓力，同時測量孔徑變形，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性較低，國內(nèi)外存在爭論較多。”
最優(yōu)角度的選擇從某種程度上決定了測試結(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，就越能夠反映真實情況，反之，接觸不好，只能是加大誤差。
測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。
國內(nèi)生產(chǎn)的同類儀器，量程一般只有6毫米～10毫米，在成孔過程中由于受到擾動而使鉆孔孔徑偏大時就無法開展工作。
黃河勘測規(guī)劃設(shè)計公司物探院研制的“全自動智能化鉆孔彈模測試儀”探頭位移則能夠達到15毫米～20毫米，剛剛研制成功的大口徑探頭位移可達300毫米，這樣，探頭測試適應(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量精度。
生產(chǎn)應(yīng)用需求拉動研發(fā)進程
“可以說，全自動智能化鉆孔彈模測試儀是生產(chǎn)實踐與理論研究相結(jié)合的產(chǎn)物，我們雖然不是專門的科研單位，但是，生產(chǎn)實踐的需要促使我們?nèi)パ兄埔恍┻m合工程應(yīng)用的東西。”胡偉華說。
社會上，科研與生產(chǎn)脫節(jié)的問題存在，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年開始，當(dāng)物探院的職工們在生產(chǎn)應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)社會上生產(chǎn)的測試儀器滿足不了工程需要時，就已經(jīng)開始琢磨如何研發(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，生產(chǎn)廠家也從來沒有做過超大直徑的鉆頭。但是，在古賢工地勘測過程中，需要測試直徑1000毫米左右的超大孔徑內(nèi)巖體的彈性力學(xué)指標(biāo)，這下問題就出來了，沒有合適的探頭，項目組成員們就開始鉆研、制定設(shè)計方案，跟生產(chǎn)廠家進行溝通，最終研制出滿足要求的大口徑原位彈性模量測試儀。
主機中的信息采集板，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，完全是由項目組負責(zé)人之一馬若龍自主研發(fā)的，記者采訪時得知，這位剛剛喜獲貴子的年輕小伙子是計算機軟件方面有著七、八年工作經(jīng)驗的老手，肯吃苦耐勞，愛好刻苦鉆研，有不達目的決不罷休的勁頭，這也許是項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，推動承壓板伸出的內(nèi)部壓力極限的擴大也使得儀器在遇到高硬度巖石的時候能夠正常工作。據(jù)介紹，一般的同類儀器工作壓力在40～60兆帕之間，但是“精靈鼠”工作壓力可達到75～85兆帕。
另外，幾經(jīng)改進的儀器具有自動判穩(wěn)（即根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)自動控制各個節(jié)點以及各個等級的數(shù)據(jù)記錄）的功能，方便快捷，還具有超限自動報警的功能，這對昂貴精密的儀器是一種自動保護。
儀器過于笨重，不便于攜帶操作，項目組就集中攻關(guān)，不斷改進設(shè)備，集成操作系統(tǒng)，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化系統(tǒng)，使儀器越來越輕便，越來越自動化，而且越來越精確。
這些都是項目組成員在應(yīng)用實踐過程中根據(jù)需要不斷摸索、不斷改進的結(jié)果， “以后我們還會繼續(xù)改進，沒有最好，只有更好”，項目組成員一致表示。
汗水與智慧煉造“地鼠神探”
“研制過程中有苦、有酸也有甜，”胡偉華說。采訪過程中，項目組成員們談起幾年來的研發(fā)過程，都頗有感觸。
胡偉華回憶，在最初階段，對測試儀器工作原理還不甚了解的時候，項目組成員分頭瘋狂查找資料，借助黃委檔案館的優(yōu)勢資源，投入大量資金，搜索獲取國內(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)界的專家、教授，來來回回跑了無數(shù)趟。并且邊進行生產(chǎn)實踐邊進行探索學(xué)習(xí)，對購買到的同類儀器進行研究，了解儀器的工作原理，以及各類儀器的優(yōu)點和缺點。
有了初步的想法以后，項目組成員們開始嘗試做儀器設(shè)計，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)計圖，告訴他們自己的設(shè)想和要求，通過努力，一步一步地向著既定的目標(biāo)前進。
項目組的負責(zé)人之一耿瑜平回憶，在進行比對實驗的時候，已經(jīng)記不起來總共做了多少次試驗。職工們自己制作混凝土實驗體，長、寬、高達數(shù)米，大熱的夏天，揮汗如雨，澆筑、抬運混凝土塊，進行鉆孔、測試試驗。
項目組的楊紅云印象深刻，在古賢工地上，邊生產(chǎn)邊進行試驗，趴在大山里幾十米深的濕漉漉的孔洞里進行測試，雖然外邊艷陽高照，里面卻是冷颼颼的，加之陰暗潮濕，身強體壯的年輕小伙也經(jīng)不住會感冒發(fā)燒。
項目組的成員回憶說，他們曾經(jīng)連續(xù)幾個月不分晝夜推導(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，吃住都在實驗室，完完全全投入，忘掉了其他的一切。”
項目組成員張毅說，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關(guān)。在進行防水試驗的時候，曾經(jīng)嘗試了很多方法，有物理的，也有化學(xué)的，經(jīng)歷了無數(shù)次試驗，而且一次防水試驗就得觀察上幾天，以確保儀器絲毫不會進水。
項目組成員一致認為，項目組成員水平再高、工作再努力，沒有黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司和物探院的大力支持是不行的。在該項目上，黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司自主立項，投入大量資金，物探院領(lǐng)導(dǎo)高度重視，親自參與，院長郭玉松負責(zé)試驗方案設(shè)計、技術(shù)指導(dǎo)，副院長謝向文負責(zé)主機和傳感器設(shè)計、技術(shù)指導(dǎo)，總工程師毋光榮負責(zé)總體技術(shù)方案制定，正是有了上級領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)懷和干部職工團結(jié)一致的精神，項目才取得了優(yōu)異的成績。
艱苦研發(fā)的日子已經(jīng)成為過去，儀器的研制成功使所有項目組成員感到自豪，“地鼠神探”已經(jīng)在多個大型水利水電工地上得到應(yīng)用，發(fā)揮出喜人的社會效益和經(jīng)濟效益，“今年，中央一號文件出臺，加快水利改革與發(fā)展，水利水電施工項目必然增多，全自動智能化鉆孔彈模測試儀的推廣應(yīng)用前景廣闊，” 郭玉松院長對此充滿信心。