工程地質學的發展

  摘要：工程地質學是20世紀才建立和發展起來的一門地球科學。工程地質專業在工程建設中具有十分重要的位置。工程地質工作的質量，對工程方案的決策和工程建設的順利進行至關重要。由于地質問題引起的工程事故時有發生，輕則修改設計延誤工期，嚴重時造成工程失事給人民生命財產帶來重大損失。近年來，工程地質勘察質量有下滑現象，工程地質分析不夠深入，有的甚至出現工程地質評價的結論性錯誤。今后十年,將有可能成為水利水電工程建設的又一個事故高發期。工程地質對地球環境的保護要發揮重要作用。工程地質面臨著新的機遇和挑戰。

 

  關鍵詞：工程地質 水利水電 勘察 環境 分析 人才 機遇

 

  工程地質對于工程師來說并不陌生。然而，由于人類工程活動引起地質環境的改變，工程地質問題造成工程建設的被動與失敗的若干實例證實，許多人對工程地質又是陌生的。

 

  人類歷史剛剛翻開新千年新世紀的第一頁，一場以高新技術為前導的產業革命卻早已開始了，工程地質學科必將在這場革命中獲得新生。當然，我們更應該看到技術的每一次革命性進步，都伴隨著矛盾與沖突，特別是體制和機制問題，是生產力與生產關系的相互作用，需要協調與適應，改革就成為必然。

 

  當前，工程地質學科正在經歷著前所未有的挑戰，工程地質專業正面臨著新的發展機遇。人類與自然的關系不是斗爭而是相互作用和相互影響；人類工程活動不是改造自然而是如何順應自然。人類賴以生存的地球環境問題，工程地質學家和地質師都要認真關注，并勇敢地承擔起應盡的職責。

 

  1 工程地質學科的起源與發展

 

  工程地質學是研究人類工程建設活動與自然地質環境相互作用和相互影響的一門地球科學。20世紀初，為了適應興建各種工廠、水壩、鐵路、運河等工程建設的需要，地質學家開始介入解決工程建設中與地質有關的工程問題，不斷地進行著艱苦的工程實踐和開拓性的理論探索，首次出版了“工程地質學”專著，工程地質學開始成為地球科學的一個獨立分支學科，工程地質勘察則成為工程建設中不可缺少的一個重要組成部分。二次世界大戰以后，全世界有了一個較為穩定的和平環境，工程建設的發展十分迅速，工程地質學在這個階段迅速成長起來了。經過半個多世紀的工程實踐和理論探索，工程地質學大為長進，內涵和外延都煥然一新，成為了現代科學技術行列中的重要分支學科。

 

  中國的工程地質事業在解放前基本上是空白，建國后才有了長足的進步和發展。50年代初開始引進蘇聯工程地質學理論和方法，走過了我們自己的工程實踐和理論創新的輝煌歷程，形成了有自己特色的工程地質學體系。特別是在水利水電行業，舉世矚目的三峽、小浪底等特大型水利樞紐工程的開工建設，瀾滄江、紅水河、雅礱江、烏江、黃河等大江大河眾多大型梯級水電站的興建，以及若干正在開展前期工作的其它水利水電工程，充分積累了在各類巖性地區和各種復雜地質條件下進行地質工作的豐富經驗，建立了一套比較完整的工程地質勘察規程規范。重大工程建設不斷地將數理學科的新成就和高新技術及時吸收進來，極大地豐富了工程地質學科的內容，有力地促進了工程地質學科的發展，使我國工程地質學達到現代科技水準，逐漸成為國際工程地質界的重要成員之一。

 

  今天，工程地質專業學科的內涵已經遠遠超出了傳統工程地質定性描述和定性評價的范疇，發展成為集多種勘探手段去獲取基礎性地質資料，并對這些資料進行歸類匯總、整理分析、定性評價、定量評價、地質預測、工程措施的建議等等既特殊又復雜的綜合性專業。任何一個成熟的設計師，都會清楚地意識到工程地質專業在工程設計中的重要位置。無數重大工程成敗的實例足以證明工程地質專業在工程建設中的權威性。

 

  在學術界，有國際工程地質學會，國內的中國地質學會、中國水利學會和水力發電工程學會等全國性學術組織都專門設立有工程地質專業委員會，水利水電行業中全國性的學術組織還有“水利水電工程地質信息網”。此外，全國性的勘測技術協會主要還是工程地質專業。這些學術組織為我國各行各業的工程建設作出了重大貢獻，發揮了巨大作用。

 

  2 水利水電工程地質的特點

 

  2.1 特殊性與復雜性

 

  在水利水電、電力、工民建、交通、港航、航天、航空、地礦、市政建設等等凡是存在土建工程，要與地質體(地基)打交道的行業，都有工程地質專業，因此，我們稱工程地質專業是工程建設的基礎性專業，是不必爭議的。由于水利水電工程建設自身的特殊性和復雜性，使得水利水電工程地質又是所有這些不同行業的工程地質專業中涉及面最廣、問題最復雜、任務最艱巨、聲望最高、最具權威性的業界龍頭。

 

  水利水電工程建設的特殊性首先表現在工程建筑物的特殊性。

 

  工業與民用建筑到處可以見到基本相同甚至完全相同的建筑物，可以部分或全部套用標準設計圖紙。而水工建筑物則不然，世界上有成千上萬座水庫大壩，你就很難找到兩座完全相同的大壩。決定大壩的規模、壩型、結構等工程要素的自然條件很復雜，而工程地質條件則是最主要的自然條件之一。水工建筑物的第二個特殊性是與水打交道，所承受的主要荷載是水荷載。水利水電工程不允許失事，一旦失事，損失將十分慘重。

 

  水利水電工程建設的復雜性主要表現在工程規模大，專業多，涉及面廣，投資大，工期長，建筑物的形式、結構、功能、荷載組合等等都十分復雜，特別是大型特大型水利水電工程更是如此。例如舉世矚目的三峽水利樞紐工程，涉及到中國的政治、經濟、社會、資源、環境、文化等方方面面，你很難找到其它基建工程可以等同于這樣的水利水電工程。因此，水利水電工程地質專業的特殊性與復雜性是由水利水電工程建設的特殊性和復雜性所決定的，同時，工程區自然地質環境的復雜性也決定了這個專業的技術難度。

 

  2.2 實踐性與經驗性

 

  水利水電工程地質的另一特點是強烈的實踐性與經驗性。在中國水利學會勘測專委會1999年度學術研討會上，工程地質界知名前輩專家天津院的李仲春教授語重心長地警示工程界：工程地質這個專業太難了，工程地質決策不是通過計算和試驗所能左右的，很大程度上取決于我們的工程經驗，即是十分成功的工程，也很難證明它既安全可靠又經濟合理。李仲春教授的肺腑之言充分表達了工程地質專業的實踐性與經驗性的深刻含義。

 

  工程地質理論上的任何一項新進展，新方法，新技術，都必須通過大量試驗研究、分析論證和工程實踐的檢驗。例如，近二十年來隨著數理基礎學科和計算機技術的發展，壩基、洞室和邊坡穩定性分析計算的理論和方法有了長足的進展，但是這些計算成果仍然只能是工程設計和決策的一種參考，因此在工程界有一種通用說法：不可不信也不可全信。許多工程實例足以說明采取慎重態度的必要性。有些工程從分析計算上看是安全的，實際上卻出了問題；而另一些工程通過計算認為不安全，但卻安全運行了數十年。因此我們搞工程建設，工程經驗往往又是起決定作用的。

 

  2.3 工程地質問題的長期性與隱伏性

 

  水利水電工程地質的第三大特點：在地質體中留下的工程隱患具有長期性和隱伏性，甚至具有不可預見性。法國Malpasset拱壩失事和意大利Vajont水庫大滑坡，均為水工史上震驚世界的慘痛教訓，其地質隱患在整個勘測設計施工的全過程中沒有絲毫警覺。葛州壩工程壩基軟弱夾層問題導致工程停工，重新補充勘探并對設計進行重大修改。南盤江天生橋二級水電站廠房建在一個古滑坡上，開工后實在施工不下去了，搬出滑坡體后又位于另一個滑坡體的腳下。該電站的引水隧洞工程地質條件更是復雜得令建設者們防不勝防。由于地質體中下的工程隱患造成的工程事故，輕則修改設計，重則工程報廢，或造成生命財產的重大損失，這樣的例子實在太多，舉不勝數。

 

  2.4 工程地質測不準原理

 

  著名的量子力學測不準原理：“不能同時測準粒子在某一瞬間的速度和位置”。我們不妨借用這個原理來揭示工程地質的一些本質性問題。事實上，地質體中的某些性質的確是測不準的。例如某一組結構面的產狀，你只能用一個區間值來表述，如果僅用一個確定值來表述則肯定不符合客觀實際。又如工程地基巖體的物理力學參數，它只能是一個區間值或統計值，因為地質體中每一點的性質都可能是變化的。地質參數精確到某一個具體數值的時候，千萬不要把它當成是絕對準確的，否則會誤導精確評價的可信性。據此，我們可以將工程地質測不準原理表述為：“地質體的工程性質不可能用絕對準確的參數來確定，它們只能是通過地質測繪、勘探、試驗、分析、統計和經驗判斷后提出一個建議區間值，供設計師根據建筑物的性質在這個區間值中選取設計采用值”。近二十年來，概率統計、模糊數學、灰色理論等數理學科廣泛應用于工程地質分析領域，可以說是對工程地質測不準原理的有力支持。有些設計師不能理解地質師為什么只能提出區間值，而不提出確定的數值，當他們對測不準原理透徹理解之后，這種疑問將會自然消除。

 

  3 工程地質的技術進步

 

  工程地質勘察技術近二十年來有了長足的進展。測量、物探、鉆探、試驗等在儀器、設備、新技術、新方法、新手段方面不斷推陳出新，為工程地質提供了強有力的技術依托。由于有了各種新技術的支持，工程地質分析從定性到定量就成為可能。定量分析的新理論層出不窮，在學術界十分活躍。

 

  計算機技術的發展對工程地質來說是一場真正的技術革命，從外業資料收集和內業資料整理的工作程序、工作方法、產品成果、質量標準等等均與傳統的工程地質有較大的差異，應用前景振奮人心。“工程地質計算機應用技術協作網”業已正式成立，必將對工程地質技術進步起到積極的推動作用。工程地質計算機應用主要包括六大課題：①數值計算；②制圖；③數據庫；④文檔管理；⑤專家系統；⑥網絡系統。這六大課題既是多年來本專業計算機應用的實踐，也是我們將繼續探討的主要課題，還需要在今后的實踐中賦予新的內涵。

 

  4 工程地質專業的任務與責任

 

  工程地質專業的主要任務是：①選址，選擇在地質條件上相對最優的工程建筑地區或場地；②評價，闡明工程建筑區或場地的工程地質條件，進行定性和定量的工程地質評價，準確界定工程地質問題；③預測工程建筑物興建和運用過程中地質條件的可能變化，為研究改善和治理工程地質缺陷的措施提供依據；④調查工程建筑物所需的天然建筑材料等。歸納起來的表述：為工程建設提供基礎性和專門性地質資料，為工程選址、建筑物設計以及不良地質條件的工程處理提供技術依據，同時對地質環境的變化作出預測。

 

  為了完成以上任務，需要針對工程建筑物區進行工程地質勘察和工程地質分析，界定和研究主要工程地質問題。工程地質勘察需要勘察目的明確，工程概念清晰，勘察手段多樣，勘探精度滿足要求。工程地質分析要求方法正確，計算可靠，參數可信，建議措施符合工程實際。工程設計最關心的是建筑物地基的工程地質條件和物理力學性質，因此工程地質工作的最終體現是工程地質定性和定量評價。

 

  工程地質專業只對提交給設計采用的地質資料負責，其物理力學參數也僅僅是建議值，不在建議值范圍之內的設計采用值和不適應地質條件的設計方案，地質師不負責。但是，地質師有責任對不符合或不適應地質條件的設計方案提出質疑，對可能存在的工程隱患要與設計師充分交底，對不良工程地質缺陷有責任提出工程處理措施的建議。

 

  一般說來，正規勘測設計院的勘測隊伍，已經過幾十年工程實踐的檢驗，在正常情況下都可以完成以上任務并盡到地質專業的責任。本文以下章節列出的工程地質工作中存在的若干問題，是歸納了筆者從事工程地質工作十多年來的所見所聞，供地質師們分析問題時

 

  參考。

 

  5 工程地質工作存在的問題與對策

 

  5.1 工程地質勘察的質量問題

 

  在工程地質勘察過程中，一般問題較多的是工程概念不清，勘探側重點不明確，針對性不強，方法不當，手段落后；工程地質分析工作中所選擇的理論、方法、計算公式等與實際情況有較大出入，其適應條件的物理意義混淆不清；地質報告中基本地質條件不清楚，主要工程地質問題界定不準確或論證不充分，有問題遺漏甚至結論性錯誤；有些地質報告沒有地質結論，也有些工程沒有做多少地質工作就先下結論，極不嚴肅。此類問題往往造成階段性工程審查不能一次性通過，可能延誤開發時機；或者盡管通過了審查，但卻給工程留下了隱患，這種情況的危險性更大。

 

  5.2 相關專業的理解問題

 

  一種情況是地質師對其它專業不理解，這需要加強跨專業的學習。另一類現象是設計施工等相關專業對工程地質的不理解。有的不懂地質卻偏要提出一些不切實際的勘探要求，有的工程由設計人員來布置地質勘探工作；有的設計人員對地質專業知其然不知其所以然，自以為是包打天下，不結合地質條件設計不當；也有的是不尊重自然地質規律，野蠻施工，嚴重破壞地質體的自然結構，造成重大工程事故。所有這些非地質專業的問題，往往在出了問題之后又向地質專業推卸責任，令地質師們不知所云。工程地質界知名專家學者孫廣忠教授指出:“實際上，在地質工程實踐中脫離地質實際的實例隨手可拾，可以說，地質工程施工中出現事故的絕大部分是設計和施工脫離地質實際的結果，或者是對工程地質條件沒有搞清楚或認識不清的結果，如果離開了地質基礎，則其理論必將脫離地質實際必將作出錯誤的結論”。

 

  潘家崢院士等前輩專家早已強調過地質學水工，水工學地質。足以可見專業之間的交叉滲透問題，早已被專家們的真知灼見道出了關鍵，就看我們作何行動。

 

  5.3 勘測周期不合理的問題

 

  從工程地質勘察到地質報告的提交需要一定的工作周期，這是再簡單不過的道理。但有些工程沒有基礎性的前期投入，一旦要報項目，立即就要求提交地質報告；還有些工程是今天提交了可研報告，明天就提交初設報告。此類情況多為地方性工程，一般國家投資的大型工程出現這種局面的不多。沒有足夠的勘測周期所造成的后果是嚴重的，地質條件不清楚，投資控制不住，施工后修改設計，或由于地質問題造成承包商巨額索賠等等。更可怕的是留下了工程隱患，可能造成重大工程事故。

 

  5.4 規程規范的問題

 

  規程規范的問題較多，甚至產生了一些混亂。水利系統與水電系統的勘測設計階段不一致，規程規范也有區別。歷經十多年的編寫報批，1999年才頒布的國家標準《水利水電工程地質勘察規范》，在勘測程序和新技術的應用方面都已經明顯地落后于時代的發展，一經頒布實施就難以把握。更為令人難以理解的是另一部國標《巖土工程勘察規范》并不完全適合于水利水電工程地質，而建設部的一些工程勘察監督機構則以此為依據對水利水電勘測設計單位實施質量檢查，使勘測單位不得不準備滿足兩種規范的兩套地質報告分別對付審查和檢查。規程規范的修訂和出臺周期太長，完全不能滿足工程建設的需要。水利與水電分家之后，對于工程地質這個專業來說其工作性質是一樣的，但卻存在不同的技術標準和勘測程序，這種情況還要繼續下去，需要尋求解決或協調方案。

 

  5.5 人才問題

 

  文革十年造成的人才斷層已經出現。有豐富工程實踐經驗的前輩地質師相繼離崗，各勘測設計院明顯缺地質總工人才，八十年代期間各院比較整齊的地質副院長和院級地質總工，近年來在一些勘測設計院已經相繼斷檔，或后繼無人，或后備人才尚不成熟。勘測行業不景氣，

 

  社會地位和經濟地位與工程地質專業不相適應，工作環境、工作條件的局限，人才資源開發機制的問題，擇業行為中的浮躁動機等等，都不同程度地影響著優秀地質師的成長。

 

  高質量高水平的工程地質分析成果，出自于高水平高素質的地質師。有人說二、三年就可以培養出地質專家，實屬無知。要培養出一個具有工程地質分析能力，能夠解決復雜問題的地質師，沒有十年以上的功夫，大量的工程實踐，自身的敬業精神，理論聯系實際，相關學科專業的學習和滲透，是決不可能的。十年樹木百年樹人，在地質師的培養過程中可以充分體現出來。培養優秀地質師的難度可以說遠遠超過培養博士、研究員和教授的難度。

 

  社會的發展和日趨激烈的競爭市場，對地質師素質的要求也將越來越高，最好是跨專業的復合型人才。競爭的實質是人才的競爭。勘測隊伍要走向市場，必須重視高素質人才的培養，重視人才資源的開發。

 

  5.6 技術管理問題

 

  工程地質勘察質量的控制，技術管理是主要環節之一。近年來一些單位提交的勘測設計報告中的地質章節不是地質師寫的，報告的編制人中沒有地質專業負責人，或地質報告沒有院級地質負責人審查把關，報告和圖紙中的錯誤較多。這種情況給總院增加了審查難度，同時也有損勘測設計單位的質量和水平形象，還會延誤工程報批的時機。當然也有上級單位工程審查把關不嚴，助長了這種技術責任心不強的現象。

 

  5.7 其它問題

 

  前期工作投入不夠，有些地方部門長期拖欠勘測經費；體制問題，市場競爭不規范，非水利水電勘測單位從事水利水電勘測工作存在工作方法、技術要求和工程地質評價等方面的差異；勘測工作經費仍然按落后的實物工作量計算，造成多勘探多爭錢，地質分析多出力多賠本的事實上的不合理現象，長期以來得不到解決。勘測技術的科技含量低，新技術新方法投入少，不能滿足現代工程技術發展的要求。

 

  5.8 今后十年將進入工程事故的高發期

 

  鑒于對以上若干問題的擔憂，今后十年有可能是我國水利水電工程事故的又一個高發期，這一悲觀性預測有些危言聳聽，但愿不要成為被不幸言中的事實。

 

  5.9 解決問題的對策

 

  解決問題首先要分清責任。規程規范和部分技術管理方面的問題應該由總院負責；勘測周期不合理，前期工作投入不夠等問題應該是地方部門或者計劃部門負責；質量、人才、相關專業的協調等問題自然應該由勘測設計單位負責；其它問題大家都有責任，但主要還是取決于大環境。

 

  責任分清楚了，落實到要有人來抓，所有問題雖然我們不敢說都能很好地得到全面解決，但至少可以前進一大步。最可怕的是大家都在暢談必要性重要性，結果都是紙上談兵，沒有實際行動。筆者在這里也就是夸夸其談而已，不可能提出可以操作的具體解決方案，這種方案也不該我們提，該誰提？當然應該是誰負責抓，誰就提方案追落實精指揮勤檢查，最終歸結到誰領導的關鍵問題上。到此為此，我們的對策就算出臺了。

 

  其實，我們這里列出來的眾多實際問題，本質上和深層次的是體制和機制問題，需要通過改革才能從根本上解決。隨著勘測設計市場化進程的加快，新技術與舊管理的沖突，老觀念與新思想的交鋒，既是矛盾又是改革的動力，這是不難理解的。

 

  6 工程地質要抓住機遇迎接挑戰

 

  汪恕誠部長曾經講話強調：“不能老修改設計，因為搞招投標尤其是國際合同，修改設計就意味著被索賠”。少修改或不修改設計，是對工程地質提出的更高要求。基本地質資料不準，修改設計就是必須的。高標準嚴要求就是挑戰和機遇。

 

  人類社會的進步與發展，實際上又是一部人與自然相互協調和相互影響的壯麗史詩。以前我們把人與自然的關系當成是與天斗與地斗的斗爭關系，實踐證明，人與大自然斗爭的結果，雖然取得了一些局部性的小勝利，而大自然反過來對人類的懲罰卻是災難性的。人類的每一次產業革命，無不與工程建設有直接關系，與地質環境有直接或間接關系。建國以來，我國的基本建設此起彼伏，水利水電工程建設從無到有，新一輪的建設高潮正在興起。在多專業組成的基建隊伍這個龐大樂團中，地質師要起到指揮和首席演奏家的作用，甚至還要擔負起獨奏華彩樂章的作用。

 

  盡管工程地質學科正在經歷著前所未有的挑戰，工程地質工作也存在著這樣那樣的問題和難題，然而這更是機遇。抓住機遇迎接挑戰，順應自然，保護環境，防止災害，造福人類，是工程地質學家和地質師的艱巨任務和不可推卸的責任。