谈工程地质的学科价值与学科发展

  1 引 言

 

  和其他任何一门学科一样, 工程地质有它自身存在的价值。特别是在教育系统学科目录中淡化工程地质学科地位以来的近十几年实践中, 由于国家工程建设的强大需求推动, 人们对工程地质的学科价值观正在不断强化。

 

  1.1 工程地质学科的使命

 

  众所周知, 生存和发展是人类社会永恒的主题,而工程建设则是人类生存发展的重要主题。工程地质学科的使命就是保障人类工程建设的安全, 其核心内容是解决与工程相关的地质体变形与稳定性问题。

 

  在早期的工程建设中, 工程地质工作的任务是对工程进行选址选线的地质评价, 以保证工程项目的基本安全。这一时期的工作要求人们认识地质作用规律及其对工程的适应性。

 

  随着工程建设规模增大, 由工程引起的地质问题凸现, 逐渐要求人们研究人类工程活动与地质环境的相互作用, 解决地质缺陷引起的工程问题和工程建设引起的地质问题, 协调人-地关系。

 

  我国改革开放以来, 国家进入经济迅猛发展和大规模工程建设时期, 特别是经济建设向西部推进,工程建设规模增大, 难度提高, 地质环境变得更加复杂, 人类活动对地质环境和地质过程的改造加剧, 引起的工程地质问题也越来越突出。这就要求人们深化对工程-地质过程的理论研究, 才能解决一些极端问题, 支撑高难工程建设。

 

  1.2 工程地质是科学

 

  工程地质学科鲜明的实践性特征, 人们更多地关注它的技术性表观而忽视它的理论性内涵;也因为其研究对象和问题的复杂性和难以定量描述而更多的看到它的随意性和“艺术性”, 而怀疑它的科学性。

 

  按照谷德振等老一辈工程地质学家的理解, 工程地质学是地质学、力学、和工程科学相结合, 研究和解决工程建设中地质问题的科学。

 

  孙广忠曾经指出, 工程地质的任务是认识自然,地质工程的任务是改造自然[ 2] 。人们要在认识自然的基础上才能有效地改造自然, 当然在改造自然的过程中人们也会深化对自然的认识。这就是说,工程地质学科应当是一门认知工程-地质相互作用规律和过程的科学。

 

  但是, 工程地质作为一门面向工程建设的科学,与工程活动紧密结合是学科的基本特色。因此, 地质工程师应当是科学家型的工程师, 工程地质学家应当是工程师型的科学家。

 

  2 工程地质学科的理论与发展

 

  按照教科书的描述, 工程地质学的基本任务包括:查明建设项目的工程地质条件, 包括地层岩性、地形地貌、地质构造、水文地质、物理地质(灾害地质)和建筑材料等项内容;发现和解决各类相关的工程地质问题, 包括地基、边坡、地下洞室岩体稳定性等经典问题, 由我国科学家提出的区域稳定性问题, 以及与各类工程相关的专门工程地质问题, 如水利水电、交通、矿山、工业民用建筑工程地质问题, 等等。上述任务完成得如何, 直接受制于工程地质学科理论发展水平的限制。

 

  2.1 工程地质学科的理论与思想方法

 

  工程地质学科的理论系统问题, 在中国地质学会工程地质专业委员会组织下, 进行了若干年的讨论和总结, 并且出版了《中国工程地质学》[ 3] 和《中国工程地质世纪成就》[ 4] 等巨著。概括起来, 工程地质学科的理论有如下几种体系:

 

  “成因演化论” 。它是从欧美, 特别是前苏联引入的理论体系, 强调地质体的成因决定工程地质性质, 而演化则改变其性质。因此, 工程地质工作的主要任务是查清工程地质条件及其成因, 分析和解决工程地质问题。中国发展起来的区域工程地质学本质上也属于这种风格的理论系统。

 

  “结构控制论”。它是中国工程地质学家建立的“岩体工程地质力学”理论体系的核心思想, 强调地质结构控制地质体力学行为, 也控制地质体性质的演化;包括人类活动在内的一切过程都将通过改变地质体的结构, 进而改变其力学行为[ 1] 。因此,查清对象的地质结构, 进行结构分类, 寻找不良地质结构, 分析结构效应, 在此基础上研究和解决工程地质问题, 成为中国工程地质学的特色。

 

  “相互作用论”。这是中国工程地质学家提出的学术思想, 强调人类工程活动与地质环境是一对相互作用的矛盾统一体, 一方面地质环境制约工程建设活动, 一方面后者也在改造前者, 工程-地质过程是两者相互作用的过程, 工程地质学的任务就在于使两者在相互作用中达到协调。

 

  考察各种理论体系不难发现, 工程地质学科有着相通的思想方法, 就是:成因决定结构, 结构控制行为, 工程地质过程是工程建设与地质环境相互作用的过程。

 

  2.2 工程地质学科理论的发展

 

  我国的工程地质学科理论发展大致走过如下阶段:

 

  工程地质的地理学阶段。我国的工程地质工作大致从20世纪50年代开始。新中国建立伊始, 工程建设的选线选址基本上是以地理评价为主要内容, 宝成铁路就是典型代表, 铁路选线原则上是地形选线。

 

  从工程角度理解的地质学。1949年后, 10a左右的实践经验与教训, 加上前苏联成因演化论工程地质学的引入, 我国逐步有了工程地质学的概念性认识。不过那时的工程地质学实际上是从工程角度理解的地质学。

 

  为工程建设发展的地质学。20世纪60 ～ 80年代, 中国的工程地质学先驱们以大量工程实践为基础, 受奥地利学派等西方学术思想的影响, 以结构控制论为核心进行了工程地质学的理论探索, 逐步形成了的岩体工程地质力学理论体系。

 

  这两种工程地质学理论的对象都是地质介质与自然的地质过程, 两种体系在内涵上相互关联, 即成因决定结构, 结构控制行为。

 

  考虑工程作用的学术思想。进入90年代, 国家建设规模越来越大, 工程作用对地质过程的影响再也不能忽视, 于是提出人类工程活动与地质环境相互作用的学术思想。但是, 这一思想还有待进一步发展。

 

  考虑系统作用的新思潮。90年代以后, 逐步提出了多场耦合作用、非线性工程地质学、系统工程地质学, 以及地圈动力学的新概念, 把工程建设纳入一个更广阔的系统中考察。多场耦合作用强调工程地质过程是一个应力场、水动力和水化学场, 以及地温场等多种因素场相互作用的过程。非线性工程地质学提出, 工程地质过程是一个多因素相互作用的非线性过程, 失稳是系统的突变。系统工程地质学认为工程地质学的研究对象是一个由相互联系的要素或子系统组成的系统, 工程地质过程是系统内各要素或子系统及系统与环境相互作用的过程。但是, 这些新思想目前大多仅处于概念阶段。

 

  上述新的学术思想和新概念, 预示着工程地质学的发展方向, 形成系统的理论还有很长的路要走。

 

  应当指出的是, 20世纪90年代以来, 工程地质的理论几乎处于观望、仿制或止步阶段, 特别是, 在高等教育中“工程地质”学科已被演化或修正, 带来了釜底抽薪的危机, 因此工程地质急需广泛汲取相关学科理论。

 

  3 新时期工程地质问题的特点

 

  当前我国正处于大规模建设时期, 中国成为“世界上最大的建设工地” 。根据国家规划, 我国将在“十三· 五”前建设49座大型水电站, 使发电量增加20倍;10年内铁路里程达到10万公里;30年建8.5万公里高速公路网;跨流域调水、跨海桥隧、核电站、近海工程等一系列关系国计民生的基础设施建设工程正在实施。近期国家拉动内需的策略进一步推动了工程建设。近20年我国城市数量增加33倍, 大规模城市化成为经济发展的重要标志。

 

  3.1 新时期工程地质问题

 

  随着新时期工程建设的规模越来越大, 埋藏越来越深, 地质条件越来越复杂, 由此带来的工程地质问题难度前所未有, 世界罕见, 也给工程地质学科提出了严峻挑战。

 

  在大型水利工程建设中, 库岸崩塌滑坡的地下水动力学作用机理与过程, 水库诱发地震动力学过程, 水库渗漏的岩溶水力学问题, 深埋长隧洞岩爆与大变形机理、过程与预报方法, 千米深岩体结构精细探测与十米级隧道超前预报等;

 

  在能源开发工程中, 峡谷区岸坡(应力场)演化与山体卸荷变形成因, 大规模开挖中高储能岩体变形破坏机理与过程, 地表水入渗非线性模型与各向异性岩体水力学规律, 大型土石混杂堆积体的结构、力学与水力学特性, 万年尺度核废料地质处置中水岩热化耦合作用, 深层地热开发利用等;

 

  在铁路、公路等交通网络工程中, 含杂质碳酸盐岩溶规律与隧洞岩溶塌陷和涌水, 峡谷区深厚松散层桥基及边坡动力变形破坏机理, 高速铁路软基零沉降控制计算理论, 地下采空区地球物理特性与判别标准, 跨海通道高压突水等工程地质问题;

 

  在矿山工程中, 露天与地下联合开采的力学效应, 高地压下软弱岩带的变形破坏规律, 煤层气的水-岩-气相互作用机理, 深部矿山热害等;

 

  在城市建设与海岸带开发工程中, 特殊土微结构土力学与结合水动力学, 深大基坑边坡土压力非线性分布与加固机理, 高楼群工程沉降与控制机理,多层地下空间开发中的工程地质问题等。城市化进程给工程地质带来更多的机遇与挑战;

 

  一些堪称“新世纪工程”的新兴工程也提出了许多新问题, 如千米深咸水层、煤层CO2封存的水文地球化学作用, 油气地下储存中的岩体水力学问题,等等。

 

  3.2 新时期工程地质问题的特点

 

  (1)大、深、动、热凸现。即工程规模越来越大,结构越来越复杂;埋深越来越大, 地应力越来越高;地震等动力因素作用的风险越来越高;非常温的地热、冰冻作用成为常见因素。

 

  (2)水、岩、温、化耦合。这些概念并不陌生, 人们也常谈多场耦合, 但实际上模拟再现尚未能真正实现。无论是多场耦合, 还是多过程耦合, 都是一个十分复杂的过程。

 

  (3)理论遭遇挑战。由于人类工程活动的参与, 地质体成因与演化不再属于单纯的地质过程, 经典的成因演化论对许多新问题的解释遇到困难。在结构控制论指导下的结构分类及其衍生成果已经不能满足工程和研究的需要, 多元随机结构的建模与基于模型的理论研究成为必须;岩体结构对工程地质作用和工程地质过程的控制作用在常温常压条件下具有普适性, 当工程向深部、高地温等环境下推进时, 需要对结构-环境协同控制机制及其转化条件进行研究。

 

  (4)过程研究需要扩充。工程地质过程研究也需要从地质过程转向工程-地质过程, 从静力学过程转向动力学过程, 从线性过程到非线性过程的研究。

 

  4 学科发展随想

 

  4.1 加强工程地质学科理论研究

 

  工程地质学科体系由工程地质学理论、技术方法构成。加强工程地质学科理论研究是学科发展的重要任务。工程地质学科的理论发展应当重点关注以下3个方面:

 

  地质体工程性质研究。地质体工程性质包括结构性质和物理力学性质。结构性质研究的基本内容是对地质体的“经典三性”即非均质性、非连续性和各向异性, 以及随机性和多元结构的量化、模型化和参数化研究。物理力学性质研究的基本内容是“三高”即高地应力、高地温、高渗透压力下的地质体力学、水力学、地球物理特性研究。

 

  工程地质动力过程研究。工程地质动力学过程是地球内动力、外来能量、水、工程协同作用的过程,即所谓“地圈动力学”过程。同时这一过程也是多种过程耦合作用的过程、动力学过程和非线性过程。

 

  推进工程地质动力学过程研究, 是提升工程地质学科理论水准和定量化程度的基本途经。

 

  地质环境研究。工程建设的地质环境主要是指区域动力学地质环境与灾害地质环境。区域动力学地质环境包括构造活动性与地震稳定性环境、地应力环境等, 这些都是分析工程地质问题中必须考虑的基本地质环境要素。灾害地质环境主要包括水文地质环境、风化、崩滑流破坏等物理地质作用环境,以及岩土体变形破坏地质灾害环境等。

 

  4.2 学科发展的基本途经

 

  工程地质学是一个多学科交叉的应用基础学科, 地质、地球物理、力学、工程科学的结合是学科发展的有效途径。这不仅是因为丰富研究手段的需要, 而且因为地质介质自身就是多场耦合作用载体,地质过程本身也是多种因素共同作用的过程。特别是近几十年来地球物理学科的发展, 使它成为地质体精细结构探测和分析强有力的技术手段。

 

  立足实际工程问题, 发展认知和改造技术, 提炼科学理论, 是工程地质工作的基本模式, 它反映出这一学科鲜明的实践性特色, 也是学科具有强大生命力的基本原因。理论、技术方法与实践并重的模式是工程地质学科发展的基本模式。

 

  事实上, 伴随着国家经济结构调整和区域经济协调发展, 从基础设施建设方面向工程地质、岩土工程学界提出了挑战, 问题诸多。参与到地球环境与生命过程、人类活动与地球表层系统、地球观测系统与地球系统模拟中, 充分发挥工程地质学在我国地球系统科学发展中的作用, 在国家需求中寻求发展机会是工程地质学发展的必然趋势。

 

  中国工程地质学家必须将自身的发展纳入世界范围内考虑。事实上, 工程地质学已成为世界性学科, 国际工程地质与环境协会(IAEG)也已发展成为具有70多个会员国的世界性学会。因此工程地质学的全球概念、工程地质学的人地调谐观念即可持续发展观念, 以及综合集成概念和趋势值得我们重视。

 

  5 结 语

 

  工程地质是国家建设的侦察兵和先行官, 也是地球科学的基本组成部分。新时期国家建设迫切需要工程地质学科的迅速发展, 也给科学进步提出了艰巨的任务。

 

  国家自然科学基金已经成为我国科学发展的向导。支持和引导工程地质学科创新基础理论、发展技术方法, 为国家大规模建设解决关键地质问题, 也是基金的重要历史责任。我们企盼国家自然科学基金更多地关注、扶持工程地质学科的发展, 使其发挥应有的作用!