工程地質工作研究現狀和發展趨勢

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

 

  一、工程地質學的涵義和發展簡史

 

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

 

  2、工程地質學的發展簡史

 

  (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知識于建筑事業,使建筑物 與地質環境相適應,以保證建筑物能發揮預期的經濟效應和社會效應。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的工程地質知識。該時期的特點是沒有形成 系統的工程地質理論知識,也沒有任何經驗資料的積累和記載,人們在工程建設 實踐中按各自的經驗辦事。盡管當時生產力低下,工程規模不大,但沒有系統的 工程地質學理論知識作指導,因地制宜成功的工程建設活動亦僅為少數。

 

  (2)奠基時期

 

  20 世紀人類社會快速發展,各類工程建設突飛猛進,使地質學越來越多的 介入其中,為工程的規劃、設計、施工和運營提供地質依據,推動了工程地質學 的形成。完整、系統的工程地質理論是由原蘇聯科學家首先奠定的,主要觀點是 工程地質學是"研究建筑和使用工程建筑物的地質環境的科學,它所探討的對象 都是屬于地質方面的。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環境的相互作 用。"與此同時,歐美資本主義國家中也出現了工程地質學,但研究方向不同, 附屬于土木工程中,主要從事一般地質構造和地質作用與工程建設關系的研究, 是"土木工程師適用的地質學",并未形成獨立的科學體系。 我國的工程地質學是在新中國建立后隨著大規模國民經濟建設的需要而發 展起來的,一開始就按原蘇聯的模式建立工程地質學科和勘察體制。

 

  (3)獨立發展時期

 

  進入20 世紀60 年代,大量實踐積累了豐富的資料和實際經驗,促進我國工 程地質進入了獨立發展的階段。一些產業部門制定了各自的工程地質勘察規范, 巖土測試技術提高,定量評價有所發展。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 橋等的工程地質勘察,都取得了重要成果,有的已建成運行。

 

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

 

  二、工程地質學的研究現狀

 

  1、國外工程地質的研究現狀

 

  20 世紀下半葉,全世界經濟在相對穩定的環境中發展,各類工程建設的規 模越來越大,對地質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 發生與地質問題密切相

 

  關,國際工程地質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問題,進行學術交流,探討發展趨勢。在 1968 年 召開的第23 界國際地質大會上成立了國際地質學會工程地質分會,后改名為國 際工程地質協會。國際工程地質協會四年召開一次國際工程地質大會,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 質研究,區域規劃與城市區工程地質,工程建設區的工程地質問題和場址選擇的 工程地質評價,重大環境工程地質問題,地質災害評價、預測和防治,工程地質 勘查技術等。 1976 年先后出版的 Q.Zaruba 和他的學生 V.Mence 合著的《工程地質學》 (Engineering Geology)和 P.B.Attewell 及 L.W.Farmer 的《工程地質學原理》 (Principles of Engineering Geology)這兩本著作,可代表20 世紀70 年代國際工 程地質學的水平。 在1980 年第26 屆國際地質大會上,地質學家們一致通過了《國際工程地質協會關于解決環境問題的宣言》,標志著現代工程地質向環境地質學進軍的時代 開始,越來越多的工程地質學專家參與環境保護與自然災害的研究領域。為了體 現工程地質學家將環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,協會正式改名為國際工程地質與環境協會。 至今,工程地質研究已經郵歐美國家向發展中國家擴展,國際工程地質學科 研究和工程工作實踐正在穩步發展。

 

  2、我國工程地質的研究現狀

 

  經過盡60 年的發展,我國工程地質學已成一門研究內容豐富、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界的重要一員。我國工程 地質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力學創立、 區域工程地質和區域地殼穩定性研究、環境工程地質和地質災害研究、特殊土結構和工程特性研究以及工程地質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力學的創立

 

  地基、邊坡和地下工程圍巖的變性破壞問題使工程地質學家與巖石力學家、 土木工程師們開始關注對巖體介質特性的研究,認識到巖體與巖石是既有著本質 區別又相互聯系的介質。著名工程地質學家谷德振和他的同事們在一系列,巖體 工程勘察中,發現巖體的力學性質和行為主要受控于軟弱結構面的展布,包括層 面、斷裂面、節理、片理等,使巖體成為非連接、非均質、各向異性的介質。他 們首先從地質建造著手,劃分工程地質巖組,運用地質力學理論方法,研究結構 面的形成機制和空間分布規律,進而研究巖體結構特性,劃分巖體結構類型。再按不同結構類型和工程建筑要求進行穩定性分析。將工程地質學與地質力學、巖 石力學有機地結合起來,創立了巖體工程地質力學。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,在中國科學院地質研究所 設立了工程地質力學開放研究實驗室,吸收國內學者共同協作,開展工程地質前 沿課題和生產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 質學的趨勢和應制定的科研方向。無形中成為我國工程地質學的研究中心,推動 著我國工程地質學的不斷發展。

 

  (2)區域工程地質和區域地殼穩定性研究

 

  受地質和自然地理條件制約,區域工程地質條件復雜,對區域工程地質的研 究對國土資源開發利用、工程規劃布置以及地質環境保護等意義重大。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 制全國工程地質分區圖。幾十年來,各大河流域、部分省區和西南、西北山區都開展了較系統的區域工程地質和環境地質研究,積累了豐富的資料。經過數年的 努力,于1990 年首次出版了1:400 萬《中國工程地質圖及說明書》,1992 年出 版了1:600 萬《中國環境地質圖系》。這些成果標志著我國區域工程地質環境研 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"區域地殼穩定性", 指出區域地殼穩定性是巖石圈內正在進行的地質、地球物理作用對地殼表層及工 程建筑安全的影響,即地殼現代活動對工程安全的影響程度。其研究思路是以地質力學理論為指導,強調以地質構造研究為基礎,以斷裂活動性、現代地應力場 和地震活動性為主要研究內容,最終進行區域穩定性分級,分區和評價。在該研 究領域,胡海濤等依據李四光的"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。區域地殼穩 定性研究對我國工程地質勘察來說,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)環境工程地質和地質災害的研究

 

  環境工程地址是現代工程地質學的一個分支,是研究由于人類工程-經濟活 動所引起的區域性和危害人類及工程安全的工程作用的產生機制和條件并進行 預測和防治,這些作用是誘發地震、地面沉降、地面塌陷、土地荒漠化、滑坡、 泥石流等。我國正式研究環境工程地質始自20 世紀60 年代的新豐江水庫誘發地 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境工程地質學 術討論會,涉及的內容豐富多彩,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,區域性滑坡預測模型。1995 年劉傳正出版了《環境工程地質 學導論》,全面論述了環境工程地址理論體系,基本研究內容以及各類環境工程 地質作用研究的內容和方法,展示了環境工程地質的前景。

 

  與環境工程地質相關的地質災害的研究,也主要由工程地質界承擔的。近十 多年來,對危及人類和工程安全的各種地質災害,都進行了廣泛而深入的研究。 1989 年 1 月召開的全國地質災害防治工作會議期間,成立了主要由工程地質學 家參加的全國地質災害研究會,次年又創辦了《中國地質災害及防治學報》,對 地質災害的研究起了促進作用,對地質災害的分類,形成機制、分布規律,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 中國地質災害類型圖,出版了段永侯等的專著《中國地質災害》。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)特殊土結構和工程特性的研究

 

  特殊土指的是成分和結構特殊,其工程(地質)性質也特殊的土類。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,有關它們的微結構特征和分類、物質成分、工程特性及指標,建 筑穩定性評價以及處理措施等,都進行了深入的研究。

 

  (5)工程地質勘察的理論和技術方法

 

  工程地質學為工程建設服務是通過勘查工作來實現的。工程建筑與其所在的 地質環境之間存在著相互作用和相互制約的矛盾關系,要通過工程地質勘查才能 搞清楚。我國的工程地質勘察經歷了三個歷史階段:第一階段是 1966 年以前, 勘查工作體制由全盤學習蘇聯到自主獨立發展,勘察工作嚴格按規范要求進行, 為國家基本建設的一批重大工程項目提供了地質依據。在工程選址和場地評價 中,著重于工程地質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, 以經濟建設為中心的改革開放年代,形成了較完整的工程地質勘察體制,制定新 的勘察規范,與國際接軌,勘察質量大大提高。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。工程地質勘察工作進入了一個新的歷史階段。 經過數十年實踐和理論研究,逐漸形成和完善了我國工程地質勘察的理論體 系,即"以工程地質條件的研究為基礎,以工程地質問題的分析為核心,以工程地質勘查技術方法為手段,以工程地質評價決策為目的。"這一理論體系在由張 咸恭、王思敬和張倬元主編的《中國工程地質學》中得到了充分體現。我國的工 程地質勘察事業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"、"鐵路工程地質"、 "礦山工程地質"和"城市及房屋建筑工程地質"等專門工程地質系列。

 

  目前,新技術方法在工程地質勘探中被推廣應用,已取得較好效果。例如, 遙感圖像(航衛片)在工程地質測繪填圖中的應用;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等物探技術的使用;計算機技術在工程地質勘察中普遍采 用,各種專用軟件的開發等。

 

  三、工程地質學的未來

 

  1、國際工程地質學發展趨勢

 

  從世界范圍看,工程地質研究繼續由發達國家向發展中國家擴展。發展中國 家的各類工程建設將以前所未有的規模和速度發展著,各種不同復雜程度的地質 環境將向工程地質學家提出許多研究課題,也要求工程地質勘查技術手段不斷創 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學家們從全球演化的角度來研究工程地質特征的多 樣性以及各層圈對工程地質條件的影響,進行全球性的工程地質研究和對比。作 為地學分支的工程地質學與工程科學、環境科學以及地球科學的其它分支學科關 系密切,所以工程地質學與各相關學科更好的交叉和結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,進而使工程地質學的內涵不斷變 化,外延不斷擴展。此外,工程地質學必將融入現代數理化、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學的適 應性。

 

  2、我國工程地質學未來的任務和發展趨勢

 

  在 21 世紀上半葉,根據我國的發展戰略,將大大提高綜合國力,加速現代 化建設。為保持較快的穩步發展速度,在能源、交通、現代城市化建設和礦產資 源開發方面將要有更大、更快發展。同時,為了實施可持續發展戰略,要重視環 境保護,加強自然災害的防治。我國的工程地質學應重點解決好環境工程地質、 災害防治等方面的問題以及復雜地質體建模理論技術、崩滑地質災害發生機理等 工程地質方面的理論與技術的發展。

 

  今后工程地質學的主要任務是研究并解決以下問題:

 

  (1)環青藏高原淺表層動力學條件及其環境效益

 

  (2)深埋長大隧道災害地質問題評價及預測

 

  (3)地下開挖的地面地質效應研究

 

  (4)流域開發及重大工程建設(前期、后期)的環境地質效應評價

 

  (5)城市(及重大工程建設區)環境地質信息系統及防災減災決策支持系統

 

  (6)沿海地區海面上升對地質環境的影響研究

 

  (7)城市垃圾衛生填埋處置的環境地址效應分析

 

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

 

  (1)復雜地質體的建模理論與技術研究,深化開挖卸荷條件下節理巖體的 力學響應及其地質-力學模型、深埋(埋深 1000-2000)條件下巖溶介質的地質- (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定性的研究工 作。

 

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

 

  (3)新一代地質災害評價與防治理論-地質災害過程模擬與過程控制,全過 程動態模擬的主攻關鍵問題是復雜地質結構體的三維描述、基于復合材料的復雜 介質體結構模型、崩滑地質災害全過程的數學-力學描述及結構關系(重點是大 變形描述理論和變形耦合理論)、全過程模擬的數學力學算法,關鍵是三維算法 及其數據結構、治理工程的模擬及動態優化理論和全過程模擬的成本成像技術。

 

  (4)高精度工程地質解釋系統,基本構架包括三維地質數據庫管理系統、 二維和三維地質資料分析處理及成圖、人機聯作數據-圖形分析處理系統、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 手段特別適用于區域地質災害及地質 環境的評價與管理決策,這方面研究在國內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GIS,在環境工程地質領域GIS 技術應用于空間環境、 災害、工程地質信息系統及數字制圖,建立地質環境質量綜合評價與管理系統以 及建立地質災害動態監測、評價與空間預測系統。 綜上所述,隨著人類工程建設事業以及有關的科學理論和技術的迅速發展, 工程地質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,而且工程地質學理論也將會與有關的學科理論相聯系、交叉,形 成新的獨立學科。