工程地质工作研究现状和发展趋势

  水工环地质工作的趋势与展望 --工程地质工作研究现状和发展趋势 水工环地质是水文地质、工程地质和环境地质的统称,是地学研究领域的重 要组成部分。其中工程地质学在20 世纪20 年代在地质学基础上开始发展,而今 已成为一门理论基础坚实、研究内容丰富、与工程建设及人类环境密切相关、且 具有各分支学科、应用性很强的地学学科。

 

  一、工程地质学的涵义和发展简史

 

  1、工程地质学的涵义   工程地质学(engineering geology)是研究与人类工程建筑等活动有关的地 质问题的学科,它是地质学的一个分支。工程地质学的研究目的在于查明建设地 区或建筑场地的工程地质条件,分析、预测和评价可能存在和发生的工程地质问 题及其对建筑物和地质环境的影响和危害,提出防治不良地质现象的措施,为保 证工程建设的合理规划以及建筑物的正确设计、顺利施工和正常使用,提供可靠 的地质科学依据。

 

  2、工程地质学的发展简史

 

  (1)萌芽时期

 

  人们在工程建设活动中,自觉或不自觉地用地质知识于建筑事业,使建筑物 与地质环境相适应,以保证建筑物能发挥预期的经济效应和社会效应。该阶段可 追溯到千余年之前。我国河北洨河上的赵州桥、四川岷江上的都江堰等便是很好 的例证。可见,当时人们已具有相当的工程地质知识。该时期的特点是没有形成 系统的工程地质理论知识,也没有任何经验资料的积累和记载,人们在工程建设 实践中按各自的经验办事。尽管当时生产力低下,工程规模不大,但没有系统的 工程地质学理论知识作指导,因地制宜成功的工程建设活动亦仅为少数。

 

  (2)奠基时期

 

  20 世纪人类社会快速发展,各类工程建设突飞猛进,使地质学越来越多的 介入其中,为工程的规划、设计、施工和运营提供地质依据,推动了工程地质学 的形成。完整、系统的工程地质理论是由原苏联科学家首先奠定的,主要观点是 工程地质学是"研究建筑和使用工程建筑物的地质环境的科学,它所探讨的对象 都是属于地质方面的。它研究由于人类工程活动而引起的地壳(主要是它的最上层)变动。实际任务就是预测工程建筑物在施工及使用时与地质环境的相互作 用。"与此同时,欧美资本主义国家中也出现了工程地质学,但研究方向不同, 附属于土木工程中,主要从事一般地质构造和地质作用与工程建设关系的研究, 是"土木工程师适用的地质学",并未形成独立的科学体系。 我国的工程地质学是在新中国建立后随着大规模国民经济建设的需要而发 展起来的,一开始就按原苏联的模式建立工程地质学科和勘察体制。

 

  (3)独立发展时期

 

  进入20 世纪60 年代,大量实践积累了丰富的资料和实际经验,促进我国工 程地质进入了独立发展的阶段。一些产业部门制定了各自的工程地质勘察规范, 岩土测试技术提高,定量评价有所发展。此时期一批重大工程项目,例如乌江渡、 刘家峡、龙羊峡等水利枢纽,成昆、兰新、焦柳等铁路干线;南京、九江长江大 桥等的工程地质勘察,都取得了重要成果,有的已建成运行。

 

  (4)快速发展时期 从20 世纪70 年代后期以来,我国进入了以经济建设为中心和改革开放的时 代,也是工程地质学大发展的时期。在大量吸取国外先进理论和技术方法的同时, 创立了自己新的理论,形成了具有中国特色的工程地质学理论体系。工程地质学 研究领域不断拓展。在能源和矿产资源开发、城市化建设、交通路线和地质灾害 预测防治等方面,开展了广泛而深入的研究。将系统论、信息论、耗散结构等现 代科学方法渗透到学科领域中。

 

  二、工程地质学的研究现状

 

  1、国外工程地质的研究现状

 

  20 世纪下半叶,全世界经济在相对稳定的环境中发展,各类工程建设的规 模越来越大,对地质体的干扰也愈益严重,随着欧洲一些水利工程的重大事故的 发生与地质问题密切相

 

  关,国际工程地质界认识到有必要成立一个国际学术性组织,共同切磋重大的工程地质问题,进行学术交流,探讨发展趋势。在 1968 年 召开的第23 界国际地质大会上成立了国际地质学会工程地质分会,后改名为国 际工程地质协会。国际工程地质协会四年召开一次国际工程地质大会,还不定期 地举行专题学术讨论会,研讨的专题有:岩土体的工程特性,特殊沿途的工程地 质研究,区域规划与城市区工程地质,工程建设区的工程地质问题和场址选择的 工程地质评价,重大环境工程地质问题,地质灾害评价、预测和防治,工程地质 勘查技术等。 1976 年先后出版的 Q.Zaruba 和他的学生 V.Mence 合著的《工程地质学》 (Engineering Geology)和 P.B.Attewell 及 L.W.Farmer 的《工程地质学原理》 (Principles of Engineering Geology)这两本著作,可代表20 世纪70 年代国际工 程地质学的水平。 在1980 年第26 届国际地质大会上,地质学家们一致通过了《国际工程地质协会关于解决环境问题的宣言》,标志着现代工程地质向环境地质学进军的时代 开始,越来越多的工程地质学专家参与环境保护与自然灾害的研究领域。为了体 现工程地质学家将环境保护作为义不容辞的己任,在 1997 年于希腊雅典召开的 一次会议上,协会正式改名为国际工程地质与环境协会。 至今,工程地质研究已经邮欧美国家向发展中国家扩展,国际工程地质学科 研究和工程工作实践正在稳步发展。

 

  2、我国工程地质的研究现状

 

  经过尽60 年的发展,我国工程地质学已成一门研究内容丰富、理论体系严 谨,具有中国特色的综合性学科,并且是国际工程地质界的重要一员。我国工程 地质学家的研究领域广阔,主要有岩土工程特性研究和岩体工程地质力学创立、 区域工程地质和区域地壳稳定性研究、环境工程地质和地质灾害研究、特殊土结构和工程特性研究以及工程地质勘查的理论和技术方法等方面。

 

  (1)岩土工程特征研究和岩体工程地质力学的创立

 

  地基、边坡和地下工程围岩的变性破坏问题使工程地质学家与岩石力学家、 土木工程师们开始关注对岩体介质特性的研究,认识到岩体与岩石是既有着本质 区别又相互联系的介质。著名工程地质学家谷德振和他的同事们在一系列,岩体 工程勘察中,发现岩体的力学性质和行为主要受控于软弱结构面的展布,包括层 面、断裂面、节理、片理等,使岩体成为非连接、非均质、各向异性的介质。他 们首先从地质建造着手,划分工程地质岩组,运用地质力学理论方法,研究结构 面的形成机制和空间分布规律,进而研究岩体结构特性,划分岩体结构类型。再按不同结构类型和工程建筑要求进行稳定性分析。将工程地质学与地质力学、岩 石力学有机地结合起来,创立了岩体工程地质力学。它的理论体系、研究思路和 方法,在国际上独树一帜。20 世纪80 年代中期以来,在中国科学院地质研究所 设立了工程地质力学开放研究实验室,吸收国内学者共同协作,开展工程地质前 沿课题和生产上需要解决的问题的研究工作,每次学术委员会上都要讨论工程地 质学的趋势和应制定的科研方向。无形中成为我国工程地质学的研究中心,推动 着我国工程地质学的不断发展。

 

  (2)区域工程地质和区域地壳稳定性研究

 

  受地质和自然地理条件制约,区域工程地质条件复杂,对区域工程地质的研 究对国土资源开发利用、工程规划布置以及地质环境保护等意义重大。20 世纪 50 年代末,刘国昌、张咸恭、姜达权等就开展了此项研究工作,出版专著和编 制全国工程地质分区图。几十年来,各大河流域、部分省区和西南、西北山区都开展了较系统的区域工程地质和环境地质研究,积累了丰富的资料。经过数年的 努力,于1990 年首次出版了1:400 万《中国工程地质图及说明书》,1992 年出 版了1:600 万《中国环境地质图系》。这些成果标志着我国区域工程地质环境研 究取得了丰硕的成果。 20 世纪50 年代末,我国学者谷德振和刘国昌倡导研究"区域地壳稳定性", 指出区域地壳稳定性是岩石圈内正在进行的地质、地球物理作用对地壳表层及工 程建筑安全的影响,即地壳现代活动对工程安全的影响程度。其研究思路是以地质力学理论为指导,强调以地质构造研究为基础,以断裂活动性、现代地应力场 和地震活动性为主要研究内容,最终进行区域稳定性分级,分区和评价。在该研 究领域,胡海涛等依据李四光的"安全岛"思想,指导重大工程场址的选择,取 得了重要成果。例如,二滩水电站和大亚湾核电站的成功选址即是。区域地壳稳 定性研究对我国工程地质勘察来说,具有特殊的意义,这也是具有中国特色,且 在国际上处于领先地位的研究领域。

 

  (3)环境工程地质和地质灾害的研究

 

  环境工程地址是现代工程地质学的一个分支,是研究由于人类工程-经济活 动所引起的区域性和危害人类及工程安全的工程作用的产生机制和条件并进行 预测和防治,这些作用是诱发地震、地面沉降、地面塌陷、土地荒漠化、滑坡、 泥石流等。我国正式研究环境工程地质始自20 世纪60 年代的新丰江水库诱发地 震和上海的地面沉降。80 年代初以来,共召开了四次全国性的环境工程地质学 术讨论会,涉及的内容丰富多彩,有些研究成果在国际上处于先进地位。对上海 地面沉降的防治,区域性滑坡预测模型。1995 年刘传正出版了《环境工程地质 学导论》,全面论述了环境工程地址理论体系,基本研究内容以及各类环境工程 地质作用研究的内容和方法,展示了环境工程地质的前景。

 

  与环境工程地质相关的地质灾害的研究,也主要由工程地质界承担的。近十 多年来,对危及人类和工程安全的各种地质灾害,都进行了广泛而深入的研究。 1989 年 1 月召开的全国地质灾害防治工作会议期间,成立了主要由工程地质学 家参加的全国地质灾害研究会,次年又创办了《中国地质灾害及防治学报》,对 地质灾害的研究起了促进作用,对地质灾害的分类,形成机制、分布规律,预测 方法及防治对策与措施等研究成果,及时在学报上开展交流。90 年代还编制了 中国地质灾害类型图,出版了段永侯等的专著《中国地质灾害》。众多的研究成 果及著作,还有具体防治工程的成功,确立了我国在这一领域的国际地位。

 

  (4)特殊土结构和工程特性的研究

 

  特殊土指的是成分和结构特殊,其工程(地质)性质也特殊的土类。如淤泥 土、黄土类土、膨胀土、盐渍土、红粘土、多年冻土等。张宗、高国瑞、黄熙龄、 孔德坊、李生林等学者长期以来对黄土类土、膨胀土和淤泥类土所进行的卓有成 就的研究成果,有关它们的微结构特征和分类、物质成分、工程特性及指标,建 筑稳定性评价以及处理措施等,都进行了深入的研究。

 

  (5)工程地质勘察的理论和技术方法

 

  工程地质学为工程建设服务是通过勘查工作来实现的。工程建筑与其所在的 地质环境之间存在着相互作用和相互制约的矛盾关系,要通过工程地质勘查才能 搞清楚。我国的工程地质勘察经历了三个历史阶段:第一阶段是 1966 年以前, 勘查工作体制由全盘学习苏联到自主独立发展,勘察工作严格按规范要求进行, 为国家基本建设的一批重大工程项目提供了地质依据。在工程选址和场地评价 中,着重于工程地质条件的阐明和定性评价为主。第二阶段是 1966 年到 1978 年,"文革"期间工程地质勘察受到严重干扰而很不正常,破坏了基本建设程序, 一些大工程搞了边勘察、边设计、边施工的"三边"方针,盲目简化勘察程序, 有的重大工程实际上搞了一次性勘察,造成严重损失。第三阶段 1978 年以来, 以经济建设为中心的改革开放年代,形成了较完整的工程地质勘察体制,制定新 的勘察规范,与国际接轨,勘察质量大大提高。在土木工程中引进欧美国家的岩 土工程技术体制,两种技术体制并存。一些重大工程采取国际招标方式,以引进 国外先进的勘察技术和资金。工程地质勘察工作进入了一个新的历史阶段。 经过数十年实践和理论研究,逐渐形成和完善了我国工程地质勘察的理论体 系,即"以工程地质条件的研究为基础,以工程地质问题的分析为核心,以工程地质勘查技术方法为手段,以工程地质评价决策为目的。"这一理论体系在由张 咸恭、王思敬和张倬元主编的《中国工程地质学》中得到了充分体现。我国的工 程地质勘察事业在上述勘查理论体系的指引下取得了巨大成就。例如,三峡、小 浪底、二滩、刘家峡、龙羊峡等一批巨型水利枢纽和水电站工程;大亚湾、秦山 核电站;宝成、兰新、成昆、南昆、大秦、京九等铁路干线;还有许多新兴的城 市、矿山等等。在勘察基础上形成了"水利水电工程地质"、"铁路工程地质"、 "矿山工程地质"和"城市及房屋建筑工程地质"等专门工程地质系列。

 

  目前,新技术方法在工程地质勘探中被推广应用,已取得较好效果。例如, 遥感图像(航卫片)在工程地质测绘填图中的应用;大口径钻进和小口径金刚石 钻进在水电工程地质勘探中的应用，砂卵石层钻探与取样新技术,套钻和岩芯向 钻进技术;声波探测、地质雷达、地球物理层析成像技术(CT)、钻孔彩色电视 录像及图像处理系统等物探技术的使用;计算机技术在工程地质勘察中普遍采 用,各种专用软件的开发等。

 

  三、工程地质学的未来

 

  1、国际工程地质学发展趋势

 

  从世界范围看,工程地质研究继续由发达国家向发展中国家扩展。发展中国 家的各类工程建设将以前所未有的规模和速度发展着,各种不同复杂程度的地质 环境将向工程地质学家提出许多研究课题,也要求工程地质勘查技术手段不断创 新和改进。

 

  由于岩石圈、大气圈、生物圈各层圈之间相互作用影响着,它们又具有全球 观念,所以势必促使工程地质学家们从全球演化的角度来研究工程地质特征的多 样性以及各层圈对工程地质条件的影响,进行全球性的工程地质研究和对比。作 为地学分支的工程地质学与工程科学、环境科学以及地球科学的其它分支学科关 系密切,所以工程地质学与各相关学科更好的交叉和结合能够促进基本理论、分 析方法和研究手段等各方面不断更新和前进,进而使工程地质学的内涵不断变 化,外延不断扩展。此外,工程地质学必将融入现代数理化、计算机科学、空间 科学及材料科学等更多的新鲜知识,以保证在未来的信息世界里工程地质学的适 应性。

 

  2、我国工程地质学未来的任务和发展趋势

 

  在 21 世纪上半叶,根据我国的发展战略,将大大提高综合国力,加速现代 化建设。为保持较快的稳步发展速度,在能源、交通、现代城市化建设和矿产资 源开发方面将要有更大、更快发展。同时,为了实施可持续发展战略,要重视环 境保护,加强自然灾害的防治。我国的工程地质学应重点解决好环境工程地质、 灾害防治等方面的问题以及复杂地质体建模理论技术、崩滑地质灾害发生机理等 工程地质方面的理论与技术的发展。

 

  今后工程地质学的主要任务是研究并解决以下问题:

 

  (1)环青藏高原浅表层动力学条件及其环境效益

 

  (2)深埋长大隧道灾害地质问题评价及预测

 

  (3)地下开挖的地面地质效应研究

 

  (4)流域开发及重大工程建设(前期、后期)的环境地质效应评价

 

  (5)城市(及重大工程建设区)环境地质信息系统及防灾减灾决策支持系统

 

  (6)沿海地区海面上升对地质环境的影响研究

 

  (7)城市垃圾卫生填埋处置的环境地址效应分析

 

  (8)核电站选址及中-低放射性核废料处置的环境地质效应研究  今后工程地质学应重点发展的理论与技术有:

 

  (1)复杂地质体的建模理论与技术研究,深化开挖卸荷条件下节理岩体的 力学响应及其地质-力学模型、深埋(埋深 1000-2000)条件下岩溶介质的地质- (水动)力学模型和强震条件下水-岩力学作用模型及工程岩体稳定性的研究工 作。

 

  (2)崩滑地质灾害发生机理及其非线性评价预测理论,加强灾害性地质过 程的非线性及全息预报系统理论研究。即以系统工程和信息工程理论为基础,针 对地质体结构和信息源的复杂性,充分考虑地质体可能发出的各种信息,采用信 息工程理论对多源复杂信息进行加工处理,再将传统的确定性预测方法和处理复 杂系统与探索复杂性的非线性理论有机结合,建立灾害性地质过程的全息预报系 统理论。

 

  (3)新一代地质灾害评价与防治理论-地质灾害过程模拟与过程控制,全过 程动态模拟的主攻关键问题是复杂地质结构体的三维描述、基于复合材料的复杂 介质体结构模型、崩滑地质灾害全过程的数学-力学描述及结构关系(重点是大 变形描述理论和变形耦合理论)、全过程模拟的数学力学算法,关键是三维算法 及其数据结构、治理工程的模拟及动态优化理论和全过程模拟的成本成像技术。

 

  (4)高精度工程地质解释系统,基本构架包括三维地质数据库管理系统、 二维和三维地质资料分析处理及成图、人机联作数据-图形分析处理系统、高精 度层析成像技术和高精度定量分析预测技术。

 

  (5)灾害评价与预测的 3S 技术,3S 手段特别适用于区域地质灾害及地质 环境的评价与管理决策,这方面研究在国内外地学研究领域中尚属起步阶段。3S 技术核心是地理信息系统GIS,在环境工程地质领域GIS 技术应用于空间环境、 灾害、工程地质信息系统及数字制图,建立地质环境质量综合评价与管理系统以 及建立地质灾害动态监测、评价与空间预测系统。 综上所述,随着人类工程建设事业以及有关的科学理论和技术的迅速发展, 工程地质研究不仅在广度上正在开辟新的、更加广阔的领域,在深度上也将进入 一个新的境界,而且工程地质学理论也将会与有关的学科理论相联系、交叉,形 成新的独立学科。