水工環(huán)地質(zhì)工作的趨勢與展望 --工程地質(zhì)工作研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 水工環(huán)地質(zhì)是水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)的統(tǒng)稱,是地學研究領域的重 要組成部分。其中工程地質(zhì)學在20 世紀20 年代在地質(zhì)學基礎上開始發(fā)展,而今 已成為一門理論基礎堅實、研究內(nèi)容豐富、與工程建設及人類環(huán)境密切相關、且 具有各分支學科、應用性很強的地學學科。

 

  一、工程地質(zhì)學的涵義和發(fā)展簡史

 

  1、工程地質(zhì)學的涵義   工程地質(zhì)學(engineering geology)是研究與人類工程建筑等活動有關的地 質(zhì)問題的學科,它是地質(zhì)學的一個分支。工程地質(zhì)學的研究目的在于查明建設地 區(qū)或建筑場地的工程地質(zhì)條件,分析、預測和評價可能存在和發(fā)生的工程地質(zhì)問 題及其對建筑物和地質(zhì)環(huán)境的影響和危害,提出防治不良地質(zhì)現(xiàn)象的措施,為保 證工程建設的合理規(guī)劃以及建筑物的正確設計、順利施工和正常使用,提供可靠 的地質(zhì)科學依據(jù)。

 

  2、工程地質(zhì)學的發(fā)展簡史

 

  (1)萌芽時期

 

  人們在工程建設活動中,自覺或不自覺地用地質(zhì)知識于建筑事業(yè),使建筑物 與地質(zhì)環(huán)境相適應,以保證建筑物能發(fā)揮預期的經(jīng)濟效應和社會效應。該階段可 追溯到千余年之前。我國河北洨河上的趙州橋、四川岷江上的都江堰等便是很好 的例證。可見,當時人們已具有相當?shù)墓こ痰刭|(zhì)知識。該時期的特點是沒有形成 系統(tǒng)的工程地質(zhì)理論知識,也沒有任何經(jīng)驗資料的積累和記載,人們在工程建設 實踐中按各自的經(jīng)驗辦事。盡管當時生產(chǎn)力低下,工程規(guī)模不大,但沒有系統(tǒng)的 工程地質(zhì)學理論知識作指導,因地制宜成功的工程建設活動亦僅為少數(shù)。

 

  (2)奠基時期

 

  20 世紀人類社會快速發(fā)展,各類工程建設突飛猛進,使地質(zhì)學越來越多的 介入其中,為工程的規(guī)劃、設計、施工和運營提供地質(zhì)依據(jù),推動了工程地質(zhì)學 的形成。完整、系統(tǒng)的工程地質(zhì)理論是由原蘇聯(lián)科學家首先奠定的,主要觀點是 工程地質(zhì)學是"研究建筑和使用工程建筑物的地質(zhì)環(huán)境的科學,它所探討的對象 都是屬于地質(zhì)方面的。它研究由于人類工程活動而引起的地殼(主要是它的最上層)變動。實際任務就是預測工程建筑物在施工及使用時與地質(zhì)環(huán)境的相互作 用。"與此同時,歐美資本主義國家中也出現(xiàn)了工程地質(zhì)學,但研究方向不同, 附屬于土木工程中,主要從事一般地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)作用與工程建設關系的研究, 是"土木工程師適用的地質(zhì)學",并未形成獨立的科學體系。 我國的工程地質(zhì)學是在新中國建立后隨著大規(guī)模國民經(jīng)濟建設的需要而發(fā) 展起來的,一開始就按原蘇聯(lián)的模式建立工程地質(zhì)學科和勘察體制。

 

  (3)獨立發(fā)展時期

 

  進入20 世紀60 年代,大量實踐積累了豐富的資料和實際經(jīng)驗,促進我國工 程地質(zhì)進入了獨立發(fā)展的階段。一些產(chǎn)業(yè)部門制定了各自的工程地質(zhì)勘察規(guī)范, 巖土測試技術提高,定量評價有所發(fā)展。此時期一批重大工程項目,例如烏江渡、 劉家峽、龍羊峽等水利樞紐,成昆、蘭新、焦柳等鐵路干線;南京、九江長江大 橋等的工程地質(zhì)勘察,都取得了重要成果,有的已建成運行。

 

  (4)快速發(fā)展時期 從20 世紀70 年代后期以來,我國進入了以經(jīng)濟建設為中心和改革開放的時 代,也是工程地質(zhì)學大發(fā)展的時期。在大量吸取國外先進理論和技術方法的同時, 創(chuàng)立了自己新的理論,形成了具有中國特色的工程地質(zhì)學理論體系。工程地質(zhì)學 研究領域不斷拓展。在能源和礦產(chǎn)資源開發(fā)、城市化建設、交通路線和地質(zhì)災害 預測防治等方面,開展了廣泛而深入的研究。將系統(tǒng)論、信息論、耗散結(jié)構(gòu)等現(xiàn) 代科學方法滲透到學科領域中。

 

  二、工程地質(zhì)學的研究現(xiàn)狀

 

  1、國外工程地質(zhì)的研究現(xiàn)狀

 

  20 世紀下半葉,全世界經(jīng)濟在相對穩(wěn)定的環(huán)境中發(fā)展,各類工程建設的規(guī) 模越來越大,對地質(zhì)體的干擾也愈益嚴重,隨著歐洲一些水利工程的重大事故的 發(fā)生與地質(zhì)問題密切相

 

  關,國際工程地質(zhì)界認識到有必要成立一個國際學術性組織,共同切磋重大的工程地質(zhì)問題,進行學術交流,探討發(fā)展趨勢。在 1968 年 召開的第23 界國際地質(zhì)大會上成立了國際地質(zhì)學會工程地質(zhì)分會,后改名為國 際工程地質(zhì)協(xié)會。國際工程地質(zhì)協(xié)會四年召開一次國際工程地質(zhì)大會,還不定期 地舉行專題學術討論會,研討的專題有:巖土體的工程特性,特殊沿途的工程地 質(zhì)研究,區(qū)域規(guī)劃與城市區(qū)工程地質(zhì),工程建設區(qū)的工程地質(zhì)問題和場址選擇的 工程地質(zhì)評價,重大環(huán)境工程地質(zhì)問題,地質(zhì)災害評價、預測和防治,工程地質(zhì) 勘查技術等。 1976 年先后出版的 Q.Zaruba 和他的學生 V.Mence 合著的《工程地質(zhì)學》 (Engineering Geology)和 P.B.Attewell 及 L.W.Farmer 的《工程地質(zhì)學原理》 (Principles of Engineering Geology)這兩本著作,可代表20 世紀70 年代國際工 程地質(zhì)學的水平。 在1980 年第26 屆國際地質(zhì)大會上,地質(zhì)學家們一致通過了《國際工程地質(zhì)協(xié)會關于解決環(huán)境問題的宣言》,標志著現(xiàn)代工程地質(zhì)向環(huán)境地質(zhì)學進軍的時代 開始,越來越多的工程地質(zhì)學專家參與環(huán)境保護與自然災害的研究領域。為了體 現(xiàn)工程地質(zhì)學家將環(huán)境保護作為義不容辭的己任,在 1997 年于希臘雅典召開的 一次會議上,協(xié)會正式改名為國際工程地質(zhì)與環(huán)境協(xié)會。 至今,工程地質(zhì)研究已經(jīng)郵歐美國家向發(fā)展中國家擴展,國際工程地質(zhì)學科 研究和工程工作實踐正在穩(wěn)步發(fā)展。

 

  2、我國工程地質(zhì)的研究現(xiàn)狀

 

  經(jīng)過盡60 年的發(fā)展,我國工程地質(zhì)學已成一門研究內(nèi)容豐富、理論體系嚴 謹,具有中國特色的綜合性學科,并且是國際工程地質(zhì)界的重要一員。我國工程 地質(zhì)學家的研究領域廣闊,主要有巖土工程特性研究和巖體工程地質(zhì)力學創(chuàng)立、 區(qū)域工程地質(zhì)和區(qū)域地殼穩(wěn)定性研究、環(huán)境工程地質(zhì)和地質(zhì)災害研究、特殊土結(jié)構(gòu)和工程特性研究以及工程地質(zhì)勘查的理論和技術方法等方面。

 

  (1)巖土工程特征研究和巖體工程地質(zhì)力學的創(chuàng)立

 

  地基、邊坡和地下工程圍巖的變性破壞問題使工程地質(zhì)學家與巖石力學家、 土木工程師們開始關注對巖體介質(zhì)特性的研究,認識到巖體與巖石是既有著本質(zhì) 區(qū)別又相互聯(lián)系的介質(zhì)。著名工程地質(zhì)學家谷德振和他的同事們在一系列,巖體 工程勘察中,發(fā)現(xiàn)巖體的力學性質(zhì)和行為主要受控于軟弱結(jié)構(gòu)面的展布,包括層 面、斷裂面、節(jié)理、片理等,使巖體成為非連接、非均質(zhì)、各向異性的介質(zhì)。他 們首先從地質(zhì)建造著手,劃分工程地質(zhì)巖組,運用地質(zhì)力學理論方法,研究結(jié)構(gòu) 面的形成機制和空間分布規(guī)律,進而研究巖體結(jié)構(gòu)特性,劃分巖體結(jié)構(gòu)類型。再按不同結(jié)構(gòu)類型和工程建筑要求進行穩(wěn)定性分析。將工程地質(zhì)學與地質(zhì)力學、巖 石力學有機地結(jié)合起來,創(chuàng)立了巖體工程地質(zhì)力學。它的理論體系、研究思路和 方法,在國際上獨樹一幟。20 世紀80 年代中期以來,在中國科學院地質(zhì)研究所 設立了工程地質(zhì)力學開放研究實驗室,吸收國內(nèi)學者共同協(xié)作,開展工程地質(zhì)前 沿課題和生產(chǎn)上需要解決的問題的研究工作,每次學術委員會上都要討論工程地 質(zhì)學的趨勢和應制定的科研方向。無形中成為我國工程地質(zhì)學的研究中心,推動 著我國工程地質(zhì)學的不斷發(fā)展。

 

  (2)區(qū)域工程地質(zhì)和區(qū)域地殼穩(wěn)定性研究

 

  受地質(zhì)和自然地理條件制約,區(qū)域工程地質(zhì)條件復雜,對區(qū)域工程地質(zhì)的研 究對國土資源開發(fā)利用、工程規(guī)劃布置以及地質(zhì)環(huán)境保護等意義重大。20 世紀 50 年代末,劉國昌、張咸恭、姜達權等就開展了此項研究工作,出版專著和編 制全國工程地質(zhì)分區(qū)圖。幾十年來,各大河流域、部分省區(qū)和西南、西北山區(qū)都開展了較系統(tǒng)的區(qū)域工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)研究,積累了豐富的資料。經(jīng)過數(shù)年的 努力,于1990 年首次出版了1:400 萬《中國工程地質(zhì)圖及說明書》,1992 年出 版了1:600 萬《中國環(huán)境地質(zhì)圖系》。這些成果標志著我國區(qū)域工程地質(zhì)環(huán)境研 究取得了豐碩的成果。 20 世紀50 年代末,我國學者谷德振和劉國昌倡導研究"區(qū)域地殼穩(wěn)定性", 指出區(qū)域地殼穩(wěn)定性是巖石圈內(nèi)正在進行的地質(zhì)、地球物理作用對地殼表層及工 程建筑安全的影響,即地殼現(xiàn)代活動對工程安全的影響程度。其研究思路是以地質(zhì)力學理論為指導,強調(diào)以地質(zhì)構(gòu)造研究為基礎,以斷裂活動性、現(xiàn)代地應力場 和地震活動性為主要研究內(nèi)容,最終進行區(qū)域穩(wěn)定性分級,分區(qū)和評價。在該研 究領域,胡海濤等依據(jù)李四光的"安全島"思想,指導重大工程場址的選擇,取 得了重要成果。例如,二灘水電站和大亞灣核電站的成功選址即是。區(qū)域地殼穩(wěn) 定性研究對我國工程地質(zhì)勘察來說,具有特殊的意義,這也是具有中國特色,且 在國際上處于領先地位的研究領域。

 

  (3)環(huán)境工程地質(zhì)和地質(zhì)災害的研究

 

  環(huán)境工程地址是現(xiàn)代工程地質(zhì)學的一個分支,是研究由于人類工程-經(jīng)濟活 動所引起的區(qū)域性和危害人類及工程安全的工程作用的產(chǎn)生機制和條件并進行 預測和防治,這些作用是誘發(fā)地震、地面沉降、地面塌陷、土地荒漠化、滑坡、 泥石流等。我國正式研究環(huán)境工程地質(zhì)始自20 世紀60 年代的新豐江水庫誘發(fā)地 震和上海的地面沉降。80 年代初以來,共召開了四次全國性的環(huán)境工程地質(zhì)學 術討論會,涉及的內(nèi)容豐富多彩,有些研究成果在國際上處于先進地位。對上海 地面沉降的防治,區(qū)域性滑坡預測模型。1995 年劉傳正出版了《環(huán)境工程地質(zhì) 學導論》,全面論述了環(huán)境工程地址理論體系,基本研究內(nèi)容以及各類環(huán)境工程 地質(zhì)作用研究的內(nèi)容和方法,展示了環(huán)境工程地質(zhì)的前景。

 

  與環(huán)境工程地質(zhì)相關的地質(zhì)災害的研究,也主要由工程地質(zhì)界承擔的。近十 多年來,對危及人類和工程安全的各種地質(zhì)災害,都進行了廣泛而深入的研究。 1989 年 1 月召開的全國地質(zhì)災害防治工作會議期間,成立了主要由工程地質(zhì)學 家參加的全國地質(zhì)災害研究會,次年又創(chuàng)辦了《中國地質(zhì)災害及防治學報》,對 地質(zhì)災害的研究起了促進作用,對地質(zhì)災害的分類,形成機制、分布規(guī)律,預測 方法及防治對策與措施等研究成果,及時在學報上開展交流。90 年代還編制了 中國地質(zhì)災害類型圖,出版了段永侯等的專著《中國地質(zhì)災害》。眾多的研究成 果及著作,還有具體防治工程的成功,確立了我國在這一領域的國際地位。

 

  (4)特殊土結(jié)構(gòu)和工程特性的研究

 

  特殊土指的是成分和結(jié)構(gòu)特殊,其工程(地質(zhì))性質(zhì)也特殊的土類。如淤泥 土、黃土類土、膨脹土、鹽漬土、紅粘土、多年凍土等。張宗、高國瑞、黃熙齡、 孔德坊、李生林等學者長期以來對黃土類土、膨脹土和淤泥類土所進行的卓有成 就的研究成果,有關它們的微結(jié)構(gòu)特征和分類、物質(zhì)成分、工程特性及指標,建 筑穩(wěn)定性評價以及處理措施等,都進行了深入的研究。

 

  (5)工程地質(zhì)勘察的理論和技術方法

 

  工程地質(zhì)學為工程建設服務是通過勘查工作來實現(xiàn)的。工程建筑與其所在的 地質(zhì)環(huán)境之間存在著相互作用和相互制約的矛盾關系,要通過工程地質(zhì)勘查才能 搞清楚。我國的工程地質(zhì)勘察經(jīng)歷了三個歷史階段:第一階段是 1966 年以前, 勘查工作體制由全盤學習蘇聯(lián)到自主獨立發(fā)展,勘察工作嚴格按規(guī)范要求進行, 為國家基本建設的一批重大工程項目提供了地質(zhì)依據(jù)。在工程選址和場地評價 中,著重于工程地質(zhì)條件的闡明和定性評價為主。第二階段是 1966 年到 1978 年,"文革"期間工程地質(zhì)勘察受到嚴重干擾而很不正常,破壞了基本建設程序, 一些大工程搞了邊勘察、邊設計、邊施工的"三邊"方針,盲目簡化勘察程序, 有的重大工程實際上搞了一次性勘察,造成嚴重損失。第三階段 1978 年以來, 以經(jīng)濟建設為中心的改革開放年代,形成了較完整的工程地質(zhì)勘察體制,制定新 的勘察規(guī)范,與國際接軌,勘察質(zhì)量大大提高。在土木工程中引進歐美國家的巖 土工程技術體制,兩種技術體制并存。一些重大工程采取國際招標方式,以引進 國外先進的勘察技術和資金。工程地質(zhì)勘察工作進入了一個新的歷史階段。 經(jīng)過數(shù)十年實踐和理論研究,逐漸形成和完善了我國工程地質(zhì)勘察的理論體 系,即"以工程地質(zhì)條件的研究為基礎,以工程地質(zhì)問題的分析為核心,以工程地質(zhì)勘查技術方法為手段,以工程地質(zhì)評價決策為目的。"這一理論體系在由張 咸恭、王思敬和張倬元主編的《中國工程地質(zhì)學》中得到了充分體現(xiàn)。我國的工 程地質(zhì)勘察事業(yè)在上述勘查理論體系的指引下取得了巨大成就。例如,三峽、小 浪底、二灘、劉家峽、龍羊峽等一批巨型水利樞紐和水電站工程;大亞灣、秦山 核電站;寶成、蘭新、成昆、南昆、大秦、京九等鐵路干線;還有許多新興的城 市、礦山等等。在勘察基礎上形成了"水利水電工程地質(zhì)"、"鐵路工程地質(zhì)"、 "礦山工程地質(zhì)"和"城市及房屋建筑工程地質(zhì)"等專門工程地質(zhì)系列。

 

  目前,新技術方法在工程地質(zhì)勘探中被推廣應用,已取得較好效果。例如, 遙感圖像(航衛(wèi)片)在工程地質(zhì)測繪填圖中的應用;大口徑鉆進和小口徑金剛石 鉆進在水電工程地質(zhì)勘探中的應用，砂卵石層鉆探與取樣新技術,套鉆和巖芯向 鉆進技術;聲波探測、地質(zhì)雷達、地球物理層析成像技術(CT)、鉆孔彩色電視 錄像及圖像處理系統(tǒng)等物探技術的使用;計算機技術在工程地質(zhì)勘察中普遍采 用,各種專用軟件的開發(fā)等。

 

  三、工程地質(zhì)學的未來

 

  1、國際工程地質(zhì)學發(fā)展趨勢

 

  從世界范圍看,工程地質(zhì)研究繼續(xù)由發(fā)達國家向發(fā)展中國家擴展。發(fā)展中國 家的各類工程建設將以前所未有的規(guī)模和速度發(fā)展著,各種不同復雜程度的地質(zhì) 環(huán)境將向工程地質(zhì)學家提出許多研究課題,也要求工程地質(zhì)勘查技術手段不斷創(chuàng) 新和改進。

 

  由于巖石圈、大氣圈、生物圈各層圈之間相互作用影響著,它們又具有全球 觀念,所以勢必促使工程地質(zhì)學家們從全球演化的角度來研究工程地質(zhì)特征的多 樣性以及各層圈對工程地質(zhì)條件的影響,進行全球性的工程地質(zhì)研究和對比。作 為地學分支的工程地質(zhì)學與工程科學、環(huán)境科學以及地球科學的其它分支學科關 系密切,所以工程地質(zhì)學與各相關學科更好的交叉和結(jié)合能夠促進基本理論、分 析方法和研究手段等各方面不斷更新和前進,進而使工程地質(zhì)學的內(nèi)涵不斷變 化,外延不斷擴展。此外,工程地質(zhì)學必將融入現(xiàn)代數(shù)理化、計算機科學、空間 科學及材料科學等更多的新鮮知識,以保證在未來的信息世界里工程地質(zhì)學的適 應性。

 

  2、我國工程地質(zhì)學未來的任務和發(fā)展趨勢

 

  在 21 世紀上半葉,根據(jù)我國的發(fā)展戰(zhàn)略,將大大提高綜合國力,加速現(xiàn)代 化建設。為保持較快的穩(wěn)步發(fā)展速度,在能源、交通、現(xiàn)代城市化建設和礦產(chǎn)資 源開發(fā)方面將要有更大、更快發(fā)展。同時,為了實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,要重視環(huán) 境保護,加強自然災害的防治。我國的工程地質(zhì)學應重點解決好環(huán)境工程地質(zhì)、 災害防治等方面的問題以及復雜地質(zhì)體建模理論技術、崩滑地質(zhì)災害發(fā)生機理等 工程地質(zhì)方面的理論與技術的發(fā)展。

 

  今后工程地質(zhì)學的主要任務是研究并解決以下問題:

 

  (1)環(huán)青藏高原淺表層動力學條件及其環(huán)境效益

 

  (2)深埋長大隧道災害地質(zhì)問題評價及預測

 

  (3)地下開挖的地面地質(zhì)效應研究

 

  (4)流域開發(fā)及重大工程建設(前期、后期)的環(huán)境地質(zhì)效應評價

 

  (5)城市(及重大工程建設區(qū))環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)及防災減災決策支持系統(tǒng)

 

  (6)沿海地區(qū)海面上升對地質(zhì)環(huán)境的影響研究

 

  (7)城市垃圾衛(wèi)生填埋處置的環(huán)境地址效應分析

 

  (8)核電站選址及中-低放射性核廢料處置的環(huán)境地質(zhì)效應研究  今后工程地質(zhì)學應重點發(fā)展的理論與技術有:

 

  (1)復雜地質(zhì)體的建模理論與技術研究,深化開挖卸荷條件下節(jié)理巖體的 力學響應及其地質(zhì)-力學模型、深埋(埋深 1000-2000)條件下巖溶介質(zhì)的地質(zhì)- (水動)力學模型和強震條件下水-巖力學作用模型及工程巖體穩(wěn)定性的研究工 作。

 

  (2)崩滑地質(zhì)災害發(fā)生機理及其非線性評價預測理論,加強災害性地質(zhì)過 程的非線性及全息預報系統(tǒng)理論研究。即以系統(tǒng)工程和信息工程理論為基礎,針 對地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和信息源的復雜性,充分考慮地質(zhì)體可能發(fā)出的各種信息,采用信 息工程理論對多源復雜信息進行加工處理,再將傳統(tǒng)的確定性預測方法和處理復 雜系統(tǒng)與探索復雜性的非線性理論有機結(jié)合,建立災害性地質(zhì)過程的全息預報系 統(tǒng)理論。

 

  (3)新一代地質(zhì)災害評價與防治理論-地質(zhì)災害過程模擬與過程控制,全過 程動態(tài)模擬的主攻關鍵問題是復雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的三維描述、基于復合材料的復雜 介質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型、崩滑地質(zhì)災害全過程的數(shù)學-力學描述及結(jié)構(gòu)關系(重點是大 變形描述理論和變形耦合理論)、全過程模擬的數(shù)學力學算法,關鍵是三維算法 及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、治理工程的模擬及動態(tài)優(yōu)化理論和全過程模擬的成本成像技術。

 

  (4)高精度工程地質(zhì)解釋系統(tǒng),基本構(gòu)架包括三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、 二維和三維地質(zhì)資料分析處理及成圖、人機聯(lián)作數(shù)據(jù)-圖形分析處理系統(tǒng)、高精 度層析成像技術和高精度定量分析預測技術。

 

  (5)災害評價與預測的 3S 技術,3S 手段特別適用于區(qū)域地質(zhì)災害及地質(zhì) 環(huán)境的評價與管理決策,這方面研究在國內(nèi)外地學研究領域中尚屬起步階段。3S 技術核心是地理信息系統(tǒng)GIS,在環(huán)境工程地質(zhì)領域GIS 技術應用于空間環(huán)境、 災害、工程地質(zhì)信息系統(tǒng)及數(shù)字制圖,建立地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評價與管理系統(tǒng)以 及建立地質(zhì)災害動態(tài)監(jiān)測、評價與空間預測系統(tǒng)。 綜上所述,隨著人類工程建設事業(yè)以及有關的科學理論和技術的迅速發(fā)展, 工程地質(zhì)研究不僅在廣度上正在開辟新的、更加廣闊的領域,在深度上也將進入 一個新的境界,而且工程地質(zhì)學理論也將會與有關的學科理論相聯(lián)系、交叉,形 成新的獨立學科。