談工程地質的學科價值與學科發展

  1 引 言

 

  和其他任何一門學科一樣, 工程地質有它自身存在的價值。特別是在教育系統學科目錄中淡化工程地質學科地位以來的近十幾年實踐中, 由于國家工程建設的強大需求推動, 人們對工程地質的學科價值觀正在不斷強化。

 

  1.1 工程地質學科的使命

 

  眾所周知, 生存和發展是人類社會永恒的主題,而工程建設則是人類生存發展的重要主題。工程地質學科的使命就是保障人類工程建設的安全, 其核心內容是解決與工程相關的地質體變形與穩定性問題。

 

  在早期的工程建設中, 工程地質工作的任務是對工程進行選址選線的地質評價, 以保證工程項目的基本安全。這一時期的工作要求人們認識地質作用規律及其對工程的適應性。

 

  隨著工程建設規模增大, 由工程引起的地質問題凸現, 逐漸要求人們研究人類工程活動與地質環境的相互作用, 解決地質缺陷引起的工程問題和工程建設引起的地質問題, 協調人-地關系。

 

  我國改革開放以來, 國家進入經濟迅猛發展和大規模工程建設時期, 特別是經濟建設向西部推進,工程建設規模增大, 難度提高, 地質環境變得更加復雜, 人類活動對地質環境和地質過程的改造加劇, 引起的工程地質問題也越來越突出。這就要求人們深化對工程-地質過程的理論研究, 才能解決一些極端問題, 支撐高難工程建設。

 

  1.2 工程地質是科學

 

  工程地質學科鮮明的實踐性特征, 人們更多地關注它的技術性表觀而忽視它的理論性內涵;也因為其研究對象和問題的復雜性和難以定量描述而更多的看到它的隨意性和“藝術性”, 而懷疑它的科學性。

 

  按照谷德振等老一輩工程地質學家的理解, 工程地質學是地質學、力學、和工程科學相結合, 研究和解決工程建設中地質問題的科學。

 

  孫廣忠曾經指出, 工程地質的任務是認識自然,地質工程的任務是改造自然[ 2] 。人們要在認識自然的基礎上才能有效地改造自然, 當然在改造自然的過程中人們也會深化對自然的認識。這就是說,工程地質學科應當是一門認知工程-地質相互作用規律和過程的科學。

 

  但是, 工程地質作為一門面向工程建設的科學,與工程活動緊密結合是學科的基本特色。因此, 地質工程師應當是科學家型的工程師, 工程地質學家應當是工程師型的科學家。

 

  2 工程地質學科的理論與發展

 

  按照教科書的描述, 工程地質學的基本任務包括:查明建設項目的工程地質條件, 包括地層巖性、地形地貌、地質構造、水文地質、物理地質(災害地質)和建筑材料等項內容;發現和解決各類相關的工程地質問題, 包括地基、邊坡、地下洞室巖體穩定性等經典問題, 由我國科學家提出的區域穩定性問題, 以及與各類工程相關的專門工程地質問題, 如水利水電、交通、礦山、工業民用建筑工程地質問題, 等等。上述任務完成得如何, 直接受制于工程地質學科理論發展水平的限制。

 

  2.1 工程地質學科的理論與思想方法

 

  工程地質學科的理論系統問題, 在中國地質學會工程地質專業委員會組織下, 進行了若干年的討論和總結, 并且出版了《中國工程地質學》[ 3] 和《中國工程地質世紀成就》[ 4] 等巨著。概括起來, 工程地質學科的理論有如下幾種體系:

 

  “成因演化論” 。它是從歐美, 特別是前蘇聯引入的理論體系, 強調地質體的成因決定工程地質性質, 而演化則改變其性質。因此, 工程地質工作的主要任務是查清工程地質條件及其成因, 分析和解決工程地質問題。中國發展起來的區域工程地質學本質上也屬于這種風格的理論系統。

 

  “結構控制論”。它是中國工程地質學家建立的“巖體工程地質力學”理論體系的核心思想, 強調地質結構控制地質體力學行為, 也控制地質體性質的演化;包括人類活動在內的一切過程都將通過改變地質體的結構, 進而改變其力學行為[ 1] 。因此,查清對象的地質結構, 進行結構分類, 尋找不良地質結構, 分析結構效應, 在此基礎上研究和解決工程地質問題, 成為中國工程地質學的特色。

 

  “相互作用論”。這是中國工程地質學家提出的學術思想, 強調人類工程活動與地質環境是一對相互作用的矛盾統一體, 一方面地質環境制約工程建設活動, 一方面后者也在改造前者, 工程-地質過程是兩者相互作用的過程, 工程地質學的任務就在于使兩者在相互作用中達到協調。

 

  考察各種理論體系不難發現, 工程地質學科有著相通的思想方法, 就是:成因決定結構, 結構控制行為, 工程地質過程是工程建設與地質環境相互作用的過程。

 

  2.2 工程地質學科理論的發展

 

  我國的工程地質學科理論發展大致走過如下階段:

 

  工程地質的地理學階段。我國的工程地質工作大致從20世紀50年代開始。新中國建立伊始, 工程建設的選線選址基本上是以地理評價為主要內容, 寶成鐵路就是典型代表, 鐵路選線原則上是地形選線。

 

  從工程角度理解的地質學。1949年后, 10a左右的實踐經驗與教訓, 加上前蘇聯成因演化論工程地質學的引入, 我國逐步有了工程地質學的概念性認識。不過那時的工程地質學實際上是從工程角度理解的地質學。

 

  為工程建設發展的地質學。20世紀60 ～ 80年代, 中國的工程地質學先驅們以大量工程實踐為基礎, 受奧地利學派等西方學術思想的影響, 以結構控制論為核心進行了工程地質學的理論探索, 逐步形成了的巖體工程地質力學理論體系。

 

  這兩種工程地質學理論的對象都是地質介質與自然的地質過程, 兩種體系在內涵上相互關聯, 即成因決定結構, 結構控制行為。

 

  考慮工程作用的學術思想。進入90年代, 國家建設規模越來越大, 工程作用對地質過程的影響再也不能忽視, 于是提出人類工程活動與地質環境相互作用的學術思想。但是, 這一思想還有待進一步發展。

 

  考慮系統作用的新思潮。90年代以后, 逐步提出了多場耦合作用、非線性工程地質學、系統工程地質學, 以及地圈動力學的新概念, 把工程建設納入一個更廣闊的系統中考察。多場耦合作用強調工程地質過程是一個應力場、水動力和水化學場, 以及地溫場等多種因素場相互作用的過程。非線性工程地質學提出, 工程地質過程是一個多因素相互作用的非線性過程, 失穩是系統的突變。系統工程地質學認為工程地質學的研究對象是一個由相互聯系的要素或子系統組成的系統, 工程地質過程是系統內各要素或子系統及系統與環境相互作用的過程。但是, 這些新思想目前大多僅處于概念階段。

 

  上述新的學術思想和新概念, 預示著工程地質學的發展方向, 形成系統的理論還有很長的路要走。

 

  應當指出的是, 20世紀90年代以來, 工程地質的理論幾乎處于觀望、仿制或止步階段, 特別是, 在高等教育中“工程地質”學科已被演化或修正, 帶來了釜底抽薪的危機, 因此工程地質急需廣泛汲取相關學科理論。

 

  3 新時期工程地質問題的特點

 

  當前我國正處于大規模建設時期, 中國成為“世界上最大的建設工地” 。根據國家規劃, 我國將在“十三· 五”前建設49座大型水電站, 使發電量增加20倍;10年內鐵路里程達到10萬公里;30年建8.5萬公里高速公路網;跨流域調水、跨海橋隧、核電站、近海工程等一系列關系國計民生的基礎設施建設工程正在實施。近期國家拉動內需的策略進一步推動了工程建設。近20年我國城市數量增加33倍, 大規模城市化成為經濟發展的重要標志。

 

  3.1 新時期工程地質問題

 

  隨著新時期工程建設的規模越來越大, 埋藏越來越深, 地質條件越來越復雜, 由此帶來的工程地質問題難度前所未有, 世界罕見, 也給工程地質學科提出了嚴峻挑戰。

 

  在大型水利工程建設中, 庫岸崩塌滑坡的地下水動力學作用機理與過程, 水庫誘發地震動力學過程, 水庫滲漏的巖溶水力學問題, 深埋長隧洞巖爆與大變形機理、過程與預報方法, 千米深巖體結構精細探測與十米級隧道超前預報等;

 

  在能源開發工程中, 峽谷區岸坡(應力場)演化與山體卸荷變形成因, 大規模開挖中高儲能巖體變形破壞機理與過程, 地表水入滲非線性模型與各向異性巖體水力學規律, 大型土石混雜堆積體的結構、力學與水力學特性, 萬年尺度核廢料地質處置中水巖熱化耦合作用, 深層地熱開發利用等;

 

  在鐵路、公路等交通網絡工程中, 含雜質碳酸鹽巖溶規律與隧洞巖溶塌陷和涌水, 峽谷區深厚松散層橋基及邊坡動力變形破壞機理, 高速鐵路軟基零沉降控制計算理論, 地下采空區地球物理特性與判別標準, 跨海通道高壓突水等工程地質問題;

 

  在礦山工程中, 露天與地下聯合開采的力學效應, 高地壓下軟弱巖帶的變形破壞規律, 煤層氣的水-巖-氣相互作用機理, 深部礦山熱害等;

 

  在城市建設與海岸帶開發工程中, 特殊土微結構土力學與結合水動力學, 深大基坑邊坡土壓力非線性分布與加固機理, 高樓群工程沉降與控制機理,多層地下空間開發中的工程地質問題等。城市化進程給工程地質帶來更多的機遇與挑戰;

 

  一些堪稱“新世紀工程”的新興工程也提出了許多新問題, 如千米深咸水層、煤層CO2封存的水文地球化學作用, 油氣地下儲存中的巖體水力學問題,等等。

 

  3.2 新時期工程地質問題的特點

 

  (1)大、深、動、熱凸現。即工程規模越來越大,結構越來越復雜;埋深越來越大, 地應力越來越高;地震等動力因素作用的風險越來越高;非常溫的地熱、冰凍作用成為常見因素。

 

  (2)水、巖、溫、化耦合。這些概念并不陌生, 人們也常談多場耦合, 但實際上模擬再現尚未能真正實現。無論是多場耦合, 還是多過程耦合, 都是一個十分復雜的過程。

 

  (3)理論遭遇挑戰。由于人類工程活動的參與, 地質體成因與演化不再屬于單純的地質過程, 經典的成因演化論對許多新問題的解釋遇到困難。在結構控制論指導下的結構分類及其衍生成果已經不能滿足工程和研究的需要, 多元隨機結構的建模與基于模型的理論研究成為必須;巖體結構對工程地質作用和工程地質過程的控制作用在常溫常壓條件下具有普適性, 當工程向深部、高地溫等環境下推進時, 需要對結構-環境協同控制機制及其轉化條件進行研究。

 

  (4)過程研究需要擴充。工程地質過程研究也需要從地質過程轉向工程-地質過程, 從靜力學過程轉向動力學過程, 從線性過程到非線性過程的研究。

 

  4 學科發展隨想

 

  4.1 加強工程地質學科理論研究

 

  工程地質學科體系由工程地質學理論、技術方法構成。加強工程地質學科理論研究是學科發展的重要任務。工程地質學科的理論發展應當重點關注以下3個方面:

 

  地質體工程性質研究。地質體工程性質包括結構性質和物理力學性質。結構性質研究的基本內容是對地質體的“經典三性”即非均質性、非連續性和各向異性, 以及隨機性和多元結構的量化、模型化和參數化研究。物理力學性質研究的基本內容是“三高”即高地應力、高地溫、高滲透壓力下的地質體力學、水力學、地球物理特性研究。

 

  工程地質動力過程研究。工程地質動力學過程是地球內動力、外來能量、水、工程協同作用的過程,即所謂“地圈動力學”過程。同時這一過程也是多種過程耦合作用的過程、動力學過程和非線性過程。

 

  推進工程地質動力學過程研究, 是提升工程地質學科理論水準和定量化程度的基本途經。

 

  地質環境研究。工程建設的地質環境主要是指區域動力學地質環境與災害地質環境。區域動力學地質環境包括構造活動性與地震穩定性環境、地應力環境等, 這些都是分析工程地質問題中必須考慮的基本地質環境要素。災害地質環境主要包括水文地質環境、風化、崩滑流破壞等物理地質作用環境,以及巖土體變形破壞地質災害環境等。

 

  4.2 學科發展的基本途經

 

  工程地質學是一個多學科交叉的應用基礎學科, 地質、地球物理、力學、工程科學的結合是學科發展的有效途徑。這不僅是因為豐富研究手段的需要, 而且因為地質介質自身就是多場耦合作用載體,地質過程本身也是多種因素共同作用的過程。特別是近幾十年來地球物理學科的發展, 使它成為地質體精細結構探測和分析強有力的技術手段。

 

  立足實際工程問題, 發展認知和改造技術, 提煉科學理論, 是工程地質工作的基本模式, 它反映出這一學科鮮明的實踐性特色, 也是學科具有強大生命力的基本原因。理論、技術方法與實踐并重的模式是工程地質學科發展的基本模式。

 

  事實上, 伴隨著國家經濟結構調整和區域經濟協調發展, 從基礎設施建設方面向工程地質、巖土工程學界提出了挑戰, 問題諸多。參與到地球環境與生命過程、人類活動與地球表層系統、地球觀測系統與地球系統模擬中, 充分發揮工程地質學在我國地球系統科學發展中的作用, 在國家需求中尋求發展機會是工程地質學發展的必然趨勢。

 

  中國工程地質學家必須將自身的發展納入世界范圍內考慮。事實上, 工程地質學已成為世界性學科, 國際工程地質與環境協會(IAEG)也已發展成為具有70多個會員國的世界性學會。因此工程地質學的全球概念、工程地質學的人地調諧觀念即可持續發展觀念, 以及綜合集成概念和趨勢值得我們重視。

 

  5 結 語

 

  工程地質是國家建設的偵察兵和先行官, 也是地球科學的基本組成部分。新時期國家建設迫切需要工程地質學科的迅速發展, 也給科學進步提出了艱巨的任務。

 

  國家自然科學基金已經成為我國科學發展的向導。支持和引導工程地質學科創新基礎理論、發展技術方法, 為國家大規模建設解決關鍵地質問題, 也是基金的重要歷史責任。我們企盼國家自然科學基金更多地關注、扶持工程地質學科的發展, 使其發揮應有的作用!