两个值得关注的工程地质力学问题

  1  问题的提出

 

  由谷德振先生等人于上一世纪70 年代提出的岩体工程地质力学, 因其具有很强的解决实际岩石工程问题的能力而被广泛地应用于各类边坡工程、地下工程和井工程等的设计和施工。在工程应用过程中, 新课题不断被提出, 并在这些课题的解决过程中, 岩体工程地质力学的理论、方法和技术逐步形成和得到发展。同时, 也由于目前大规模岩石工程建设的需要, 又有不少需要解决的工程地质力学问题被提了出来, 例如本文将要论及的以下两个不同的问题值得研究者的关注:

 

  (1)边坡滚石形成机理和防治的工程地质力学综合研究;(2)如何对岩石工程的各方面信息进行综合集成以便为工程设计和施工提供方法。

 

  应当指出, 前者是一个多年以前就已有人作过研究的课题。在国外由于高速公路的普遍修建等原因而使有关边坡滚石防治问题得到重视, 而且还逐步形成了一个产业。但问题是我国在这方面的研究仍甚少, 与现在高速公路的快速发展很不相称。正因为如此, 作者相信:社会的巨大需要必将推动边坡滚石防治工程向前发展。所以有关滚石的研究(包括理论和方法、技术的研究)很可能将成为工程地质力学新的研究热点。

 

  后者也由于岩土工程的可变更设计和信息化施工对方法的需求。而受到关注。事实上, 近年来有关岩土工程信息的综合集成的理论、方法和技术的研究受到越来越多的重视。

 

  2  边坡滚石防治的工程地质力学系统研究

 

  一般而言, 岩石边坡的稳定性, 历来是边坡问题工程地质力学研究的一个中心问题。事实上, 边坡稳定问题也一直为岩石边坡工程设计工程师所重视, 因为设计和施工都是以有关边坡稳定性的研究成果为基础的。但实际上对于某些边坡来说, 除了边坡稳定性问题以外, 还有一类应当受到重视的问题在我国尚未引起足够重视。这就是所谓岩石边坡的滚石问题。

 

  2 .1  岩石边坡滚石问题研究的重要性

 

  在工程地质学科中, 边坡稳定是研究最多的课题之一。数以千计的论著和教科书都论及边坡的稳定性问题。其中不少论述边坡稳定评价的条件、理论、方法、运算公式和应用等内容。但对于同样可能发生于边坡上的滚石问题却很少见之于工程地质和岩石力学教科书。连论及滚石问题的论著也是凤毛麟角。究其原因是多方面的:第一, 从设计角度看,滚石问题与边坡稳定分析相比毕竟较为次要;第二,以前因山区国道线和高速公路很少, 故边坡由于滚石所引发的事故相对较少。因此对有关滚石防治等问题重视不够, 所发表的论文也必然较少。但目前的情况正在发生变化:随着国家建设的快速发展, 建于山区的高速公路和高等级公路越来越多, 而以陡峰风光为主的旅游景点也在增加。在这种情况下,边坡滚石的发生次数也必然比以前多。可以设想,如果对之认识不足, 且有关滚石的发生机理和防治技术等研究跟不上, 那么因滚石导致的工程事故也一定越来越多。

 

  (1)陕西省西万公路秦岭段(西万公路40km +200 m 处)于2001 年8 月18 日9 时因山体滑坡而导致多块巨石(最大的一块重达8 t 多)从50 多米高的边坡滚下, 将坡上的一棵树砸断, 大轿车砸坏,造成2 人死亡, 6 名受伤的重大事故[ 5] 。

 

  (2)贵州省高等级公路贵新公路上距贵阳约55km 处, 于2001 年7 月25 日16 时公路右侧滚下一块数十公斤重的石块, 击穿客车右侧挡风玻璃, 造成1 人死亡。家属将省高等级公路管理局等告上法庭。一审判赔33 万元。

 

  (3)据作者实地考察, 浙江省104 国道线上处于东阳—嵊州段的大鼻头山的花岗石滚石多次飞向公路。所幸未砸中车辆。但排水沟侧墙却被巨石砸坏。另外, 设计上所用的防滚石的塑料挂网被滚石“破肚”损坏多处。这说明防治滚石网的设计是需要科研支持的。

 

  另外, 还有多次伴随着滑坡发生的滚石事故。这里不再列举。

 

  事实上, 岩石边坡滚石问题的研究, 不仅可以有效地保护生命和财产, 而且在一定程度上还可减少边坡治理的总投资, 因为优质的滚石防治设计可以适当压缩路边面积和提高边坡角度来减少开挖工程量。另外, 允许时还可减少护坡的强度。

 

  2 .2  滚石研究动态

 

  据初步调研, 国外岩石力学和工程地质界在滚石的研究方面远比国内活跃。瑞士等国家还以有关研究成果为基础成立了滚石防治为主的产业公司,如瑞士的布鲁克(GEOBRUGG)公司和意大利的SITAF 公司等。前者还打入了中国市场, 在四川成立了布鲁克(成都)岩土防护工程有限公司。我国随着工程建设的快速发展, 有关滚石防治市场越来越大。尽管如此, 我国至少在目前形成产业的条件仍不具备。其中一个重要原因是国内工程地质、岩石力学界在滚石发生机理和防治技术等方面的研究很少。据不完全资料, 我国中国科学院地质研究所、成都理工学院、香港大学和香港理工大学等单位, 以及本文作者等从不同角度对此进行过研究。

 

  纵观国内外有关滚石问题的研究动态, 可以指出三点:第一, 虽然滚石问题越来越受到重视, 但有关研究仍很不充分, 尤其在国内这方面研究也许只能算刚刚起步;第二, 即使在国外, 也缺少系统研究(即从滚石的地质成因、发生概率、运动轨迹、参数反演防治方法技术及其优化等部分组成的系统研究)。

 

  所以有关滚石工程地质和岩石力学研究还需加强;第三, 随着我国国民经济的飞速发展, 可以预计在不远的将来我国滚石问题的研究将成为工程地质力学研究的新的热点。有关防治也有可能逐步形成新的产业。

 

  2 .3  滚石研究方法和主要研究内容

 

  据上所述, 作者认为滚石边坡研究的方法, 应当是在广泛调查的基础上, 针对各类可能发生滚石的边坡的特点和设计、施工难题, 开展有关地质条件、滚石发生机理和防治技术等的系统研究。

 

  据初步研究, 对于不涉及滑坡的滚石问题至少可以考虑以下7 个方面研究内容:

 

  (1)边坡滚石发生的地质条件及滚石发生概率的研究;(2)滚石运动轨迹的估算及其影响因素分析;

 

  (3)滚石冲击力的反演原理和反分析方法的研究;(4)滚石防护方法及其优化问题;

 

  (5)滚石拦网新型缓冲器的研制;

 

  (6)防护方法设计和施工中的技术问题;

 

  (7)防护系统的美学问题。

 

  3  岩土工程信息综合集成的研究

 

  在工程地质力学理论、方法和应用研究取得很大进展的今天, 一个新的研究方向正在引人注目地出现在我们的眼前。这就是, 岩土工程信息综合集成的研究课题。可以预见, 由于岩土工程设计的需要, 这一新的研究课题还将受到越来越多的关注。

 

  3 .1  信息综合集成研究的必要性

 

  由于工程岩土体在岩性、矿物组成、构造、结构(岩体结构和土体结构)、力学性质和所处的环境(地应力环境和地下水环境)等方面的复杂性, 所以岩土工程变形、破坏的过程和结果在理论上是不可能仅靠理论计算来加以准确预测的。这往往使岩土工程的设计者和施工者感到棘手:如果信息掌握得不够多或者不够准确, 就有可能导致工程处理不当结果;或者设计过于保守造成浪费;或者造成工程事故、延续工期, 增加投资, 甚至出现大的伤亡事故。

 

  为了使工程设计在理论上合理, 技术上可行, 一些工程地质、岩石力学的研究者采用了系统科学理论和方法。崔政权、黄润秋、李广诚、王在泉等从一般系统论原理出发对此进行研究, 并取得了很好的研究成果;李世辉、王思敬和本文作者则以开放的复杂巨系统理论为基础来研究岩土工程设计施工中的工程地质和岩石力学问题。

 

  作者主张, 通过对也属于系统科学范畴的开放的巨复杂系统方法论、工程地质力学的理论框架和方法体系的研究, 找出两者相结合的切入点, 对这两门学科的共同研究对象—岩土工程的特性(包括所具有的巨系统特性和与外界交换物质、能量、信息等特点)进行重点研究, 以形成工程地质力学的一个专门方法论, 即工程地质力学综合集成理论(可简称为EGMS)[ 15] 。该方法论的主要特点是:它的应用是以各种有关应用对象(即某具体岩土工程)的信息(包括来自理论分析的成果、专家群体的经验知识和经验判断力、现场监测所获得的数据等3 部分信息)为基础的。换言之, EGMS 也是一种有关岩土工程信息综合集成的方法。在实际工程应用中, 设计工程师通常可根据有关理论分析方面的成果(包括工程地质勘察资料及对资料的地质分析和对工程所作的力学分析等的结果)、由有关工程设计、施工、监理、岩石力学、工程地质等方面专家组成的专家群体(即专家组)的经验(包括有关技术规范)等对该工程的变形破坏的发生、部位、规模以及过程等进行预测, 并以测自现场的各种数据(通常以位移实测值为主)为基础, 不断地对工程稳定性作出评价和修改设计, 以达到逐步接近实际情况和实现优质设计的目的。

 

  3 .2  EGMS 的主要研究内容

 

  工程地质力学综合集成方法是一种以工程地质力学和开放的复杂性巨系统方法论(即综合集成方法)为基础, 以岩土工程设计和施工为应用对象的方法论。所以EGMS 的研究通常是围绕着有关理论基础、方法, 技术和应用等问题进行的。它主要涉及以下几个方面:

 

  (1)工程地质力学综合集成方法论的形成及其基础理论研究(2)基于EGMS 的工程类比法的研究

 

  (3)根据“优先监测突破口”原理设计岩土工程的监测系统, 而突破口则是依据理论分析和专家群体经验而确定的。

 

  (4)监测方法和技术的研究

 

  (5)从理论分析成果、专家经验及动态监测数据出发进行的边坡加固需求度的研究。

 

  (6)有关综合适用性指标(CSI)的研究

 

  (7)综合损害度和综合加固度;

 

  (8)位移时空综合预测法;

 

  (9)按EGMS 思路设计的边坡新型加固技术:

 

  预应力锚梁和预应力锚固桩;

 

  (10)以EGMS 为指导思想的综合地质信息系统(SGIS)的研究。

 

  在这些研究中, 不仅探讨了EGMS 及与之相关的理论问题, 还涉及到作者在若干实际岩土工程中的成功应用。例如作者在五强溪水电站船闸边坡, 某导弹发射井、彩云大厦深基坑[ 29] 等不同类型的重要工程中成功地应用了EGMS 方法和技术。

 

  这些应用清楚地表明,EGMS 是可行的, 是可以在岩土工程的可变更设计和信息化施工中发挥重要作用的。

 

  4  结 论

 

  通过上述分析, 可以得出以下几点结论:

 

  (1)边坡滚石对穿过山区的重要公路, 乃至铁路上的交通工具、线路和人身安全已经构成威胁。而且随着山区高速公路、高等级公路和旅游事业的发展, 该问题将越来越突出。虽然滚石问题的研究我国早已开始, 但近年来基本上处于“冷却” 状态。由于滚石防治是需要大量研究成果为基础的, 所以在社会巨大需要的推动下滚石研究将在不久的将来将成为工程地质力学研究的新热点。

 

  (2)包括EGMS 在内的岩土工程信息综合集成方法, 已逐步成为岩土工程可变更设计和信息化施工的重要支柱。由于传统的岩土工程设计方法本身存在着许多不足, 所以大规模的岩土工程建设需要发展信息综合集成的方法, 以推动设计理论和方法的发展。作者相信, 正是这种社会的巨大需要, 岩土工程信息综合集成方法(包括EGMS)将逐步成为工程地质力学研究的另一新热点。

 

  (3)关于滚石发生条件、防治方法和关于工程地质力学综合集成方法论的成果, 可望广泛应用于复杂的高陡边坡以及其它岩土工程的设计中。作者相信, 它们也可在西部山区的一些重大工程(包括川藏线公路和目前处于规划阶段的川藏铁路等工程)建设中发挥重要作用, 并相信它们将在应用中逐步完善起来。