談工程地質(zhì)的學(xué)科價(jià)值與學(xué)科發(fā)展

  1 引 言

 

  和其他任何一門(mén)學(xué)科一樣, 工程地質(zhì)有它自身存在的價(jià)值。特別是在教育系統學(xué)科目錄中淡化工程地質(zhì)學(xué)科地位以來(lái)的近十幾年實(shí)踐中, 由于國家工程建設的強大需求推動(dòng), 人們對工程地質(zhì)的學(xué)科價(jià)值觀(guān)正在不斷強化。

 

  1.1 工程地質(zhì)學(xué)科的使命

 

  眾所周知, 生存和發(fā)展是人類(lèi)社會(huì )永恒的主題,而工程建設則是人類(lèi)生存發(fā)展的重要主題。工程地質(zhì)學(xué)科的使命就是保障人類(lèi)工程建設的安全, 其核心內容是解決與工程相關(guān)的地質(zhì)體變形與穩定性問(wèn)題。

 

  在早期的工程建設中, 工程地質(zhì)工作的任務(wù)是對工程進(jìn)行選址選線(xiàn)的地質(zhì)評價(jià), 以保證工程項目的基本安全。這一時(shí)期的工作要求人們認識地質(zhì)作用規律及其對工程的適應性。

 

  隨著(zhù)工程建設規模增大, 由工程引起的地質(zhì)問(wèn)題凸現, 逐漸要求人們研究人類(lèi)工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境的相互作用, 解決地質(zhì)缺陷引起的工程問(wèn)題和工程建設引起的地質(zhì)問(wèn)題, 協(xié)調人-地關(guān)系。

 

  我國改革開(kāi)放以來(lái), 國家進(jìn)入經(jīng)濟迅猛發(fā)展和大規模工程建設時(shí)期, 特別是經(jīng)濟建設向西部推進(jìn),工程建設規模增大, 難度提高, 地質(zhì)環(huán)境變得更加復雜, 人類(lèi)活動(dòng)對地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)過(guò)程的改造加劇, 引起的工程地質(zhì)問(wèn)題也越來(lái)越突出。這就要求人們深化對工程-地質(zhì)過(guò)程的理論研究, 才能解決一些極端問(wèn)題, 支撐高難工程建設。

 

  1.2 工程地質(zhì)是科學(xué)

 

  工程地質(zhì)學(xué)科鮮明的實(shí)踐性特征, 人們更多地關(guān)注它的技術(shù)性表觀(guān)而忽視它的理論性?xún)群?也因為其研究對象和問(wèn)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(shù)性”, 而懷疑它的科學(xué)性。

 

  按照谷德振等老一輩工程地質(zhì)學(xué)家的理解, 工程地質(zhì)學(xué)是地質(zhì)學(xué)、力學(xué)、和工程科學(xué)相結合, 研究和解決工程建設中地質(zhì)問(wèn)題的科學(xué)。

 

  孫廣忠曾經(jīng)指出, 工程地質(zhì)的任務(wù)是認識自然,地質(zhì)工程的任務(wù)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(guò)程中人們也會(huì )深化對自然的認識。這就是說(shuō),工程地質(zhì)學(xué)科應當是一門(mén)認知工程-地質(zhì)相互作用規律和過(guò)程的科學(xué)。

 

  但是, 工程地質(zhì)作為一門(mén)面向工程建設的科學(xué),與工程活動(dòng)緊密結合是學(xué)科的基本特色。因此, 地質(zhì)工程師應當是科學(xué)家型的工程師, 工程地質(zhì)學(xué)家應當是工程師型的科學(xué)家。

 

  2 工程地質(zhì)學(xué)科的理論與發(fā)展

 

  按照教科書(shū)的描述, 工程地質(zhì)學(xué)的基本任務(wù)包括:查明建設項目的工程地質(zhì)條件, 包括地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構造、水文地質(zhì)、物理地質(zhì)(災害地質(zhì))和建筑材料等項內容;發(fā)現和解決各類(lèi)相關(guān)的工程地質(zhì)問(wèn)題, 包括地基、邊坡、地下洞室巖體穩定性等經(jīng)典問(wèn)題, 由我國科學(xué)家提出的區域穩定性問(wèn)題, 以及與各類(lèi)工程相關(guān)的專(zhuān)門(mén)工程地質(zhì)問(wèn)題, 如水利水電、交通、礦山、工業(yè)民用建筑工程地質(zhì)問(wèn)題, 等等。上述任務(wù)完成得如何, 直接受制于工程地質(zhì)學(xué)科理論發(fā)展水平的限制。

 

  2.1 工程地質(zhì)學(xué)科的理論與思想方法

 

  工程地質(zhì)學(xué)科的理論系統問(wèn)題, 在中國地質(zhì)學(xué)會(huì )工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )組織下, 進(jìn)行了若干年的討論和總結, 并且出版了《中國工程地質(zhì)學(xué)》[ 3] 和《中國工程地質(zhì)世紀成就》[ 4] 等巨著(zhù)。概括起來(lái), 工程地質(zhì)學(xué)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(lián)引入的理論體系, 強調地質(zhì)體的成因決定工程地質(zhì)性質(zhì), 而演化則改變其性質(zhì)。因此, 工程地質(zhì)工作的主要任務(wù)是查清工程地質(zhì)條件及其成因, 分析和解決工程地質(zhì)問(wèn)題。中國發(fā)展起來(lái)的區域工程地質(zhì)學(xué)本質(zhì)上也屬于這種風(fēng)格的理論系統。

 

  “結構控制論”。它是中國工程地質(zhì)學(xué)家建立的“巖體工程地質(zhì)力學(xué)”理論體系的核心思想, 強調地質(zhì)結構控制地質(zhì)體力學(xué)行為, 也控制地質(zhì)體性質(zhì)的演化;包括人類(lèi)活動(dòng)在內的一切過(guò)程都將通過(guò)改變地質(zhì)體的結構, 進(jìn)而改變其力學(xué)行為[ 1] 。因此,查清對象的地質(zhì)結構, 進(jìn)行結構分類(lèi), 尋找不良地質(zhì)結構, 分析結構效應, 在此基礎上研究和解決工程地質(zhì)問(wèn)題, 成為中國工程地質(zhì)學(xué)的特色。

 

  “相互作用論”。這是中國工程地質(zhì)學(xué)家提出的學(xué)術(shù)思想, 強調人類(lèi)工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境是一對相互作用的矛盾統一體, 一方面地質(zhì)環(huán)境制約工程建設活動(dòng), 一方面后者也在改造前者, 工程-地質(zhì)過(guò)程是兩者相互作用的過(guò)程, 工程地質(zhì)學(xué)的任務(wù)就在于使兩者在相互作用中達到協(xié)調。

 

  考察各種理論體系不難發(fā)現, 工程地質(zhì)學(xué)科有著(zhù)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(zhì)過(guò)程是工程建設與地質(zhì)環(huán)境相互作用的過(guò)程。

 

  2.2 工程地質(zhì)學(xué)科理論的發(fā)展

 

  我國的工程地質(zhì)學(xué)科理論發(fā)展大致走過(guò)如下階段:

 

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

 

  從工程角度理解的地質(zhì)學(xué)。1949年后, 10a左右的實(shí)踐經(jīng)驗與教訓, 加上前蘇聯(lián)成因演化論工程地質(zhì)學(xué)的引入, 我國逐步有了工程地質(zhì)學(xué)的概念性認識。不過(guò)那時(shí)的工程地質(zhì)學(xué)實(shí)際上是從工程角度理解的地質(zhì)學(xué)。

 

  為工程建設發(fā)展的地質(zhì)學(xué)。20世紀60 ～ 80年代, 中國的工程地質(zhì)學(xué)先驅們以大量工程實(shí)踐為基礎, 受奧地利學(xué)派等西方學(xué)術(shù)思想的影響, 以結構控制論為核心進(jìn)行了工程地質(zhì)學(xué)的理論探索, 逐步形成了的巖體工程地質(zhì)力學(xué)理論體系。

 

  這兩種工程地質(zhì)學(xué)理論的對象都是地質(zhì)介質(zhì)與自然的地質(zhì)過(guò)程, 兩種體系在內涵上相互關(guān)聯(lián), 即成因決定結構, 結構控制行為。

 

  考慮工程作用的學(xué)術(shù)思想。進(jìn)入90年代, 國家建設規模越來(lái)越大, 工程作用對地質(zhì)過(guò)程的影響再也不能忽視, 于是提出人類(lèi)工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境相互作用的學(xué)術(shù)思想。但是, 這一思想還有待進(jìn)一步發(fā)展。

 

  考慮系統作用的新思潮。90年代以后, 逐步提出了多場(chǎng)耦合作用、非線(xiàn)性工程地質(zhì)學(xué)、系統工程地質(zhì)學(xué), 以及地圈動(dòng)力學(xué)的新概念, 把工程建設納入一個(gè)更廣闊的系統中考察。多場(chǎng)耦合作用強調工程地質(zhì)過(guò)程是一個(gè)應力場(chǎng)、水動(dòng)力和水化學(xué)場(chǎng), 以及地溫場(chǎng)等多種因素場(chǎng)相互作用的過(guò)程。非線(xiàn)性工程地質(zhì)學(xué)提出, 工程地質(zhì)過(guò)程是一個(gè)多因素相互作用的非線(xiàn)性過(guò)程, 失穩是系統的突變。系統工程地質(zhì)學(xué)認為工程地質(zhì)學(xué)的研究對象是一個(gè)由相互聯(lián)系的要素或子系統組成的系統, 工程地質(zhì)過(guò)程是系統內各要素或子系統及系統與環(huán)境相互作用的過(guò)程。但是, 這些新思想目前大多僅處于概念階段。

 

  上述新的學(xué)術(shù)思想和新概念, 預示著(zhù)工程地質(zhì)學(xué)的發(fā)展方向, 形成系統的理論還有很長(cháng)的路要走。

 

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

 

  3 新時(shí)期工程地質(zhì)問(wèn)題的特點(diǎn)

 

  當前我國正處于大規模建設時(shí)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(fā)電量增加20倍;10年內鐵路里程達到10萬(wàn)公里;30年建8.5萬(wàn)公里高速公路網(wǎng);跨流域調水、跨海橋隧、核電站、近海工程等一系列關(guān)系國計民生的基礎設施建設工程正在實(shí)施。近期國家拉動(dòng)內需的策略進(jìn)一步推動(dòng)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(jīng)濟發(fā)展的重要標志。

 

  3.1 新時(shí)期工程地質(zhì)問(wèn)題

 

  隨著(zhù)新時(shí)期工程建設的規模越來(lái)越大, 埋藏越來(lái)越深, 地質(zhì)條件越來(lái)越復雜, 由此帶來(lái)的工程地質(zhì)問(wèn)題難度前所未有, 世界罕見(jiàn), 也給工程地質(zhì)學(xué)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(dòng)力學(xué)作用機理與過(guò)程, 水庫誘發(fā)地震動(dòng)力學(xué)過(guò)程, 水庫滲漏的巖溶水力學(xué)問(wèn)題, 深埋長(cháng)隧洞巖爆與大變形機理、過(guò)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(kāi)發(fā)工程中, 峽谷區岸坡(應力場(chǎng))演化與山體卸荷變形成因, 大規模開(kāi)挖中高儲能巖體變形破壞機理與過(guò)程, 地表水入滲非線(xiàn)性模型與各向異性巖體水力學(xué)規律, 大型土石混雜堆積體的結構、力學(xué)與水力學(xué)特性, 萬(wàn)年尺度核廢料地質(zhì)處置中水巖熱化耦合作用, 深層地熱開(kāi)發(fā)利用等;

 

  在鐵路、公路等交通網(wǎng)絡(luò )工程中, 含雜質(zhì)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(dòng)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(zhì)問(wèn)題;

 

  在礦山工程中, 露天與地下聯(lián)合開(kāi)采的力學(xué)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(kāi)發(fā)工程中, 特殊土微結構土力學(xué)與結合水動(dòng)力學(xué), 深大基坑邊坡土壓力非線(xiàn)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(kāi)發(fā)中的工程地質(zhì)問(wèn)題等。城市化進(jìn)程給工程地質(zhì)帶來(lái)更多的機遇與挑戰;

 

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

 

  3.2 新時(shí)期工程地質(zhì)問(wèn)題的特點(diǎn)

 

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

 

  (2)水、巖、溫、化耦合。這些概念并不陌生, 人們也常談多場(chǎng)耦合, 但實(shí)際上模擬再現尚未能真正實(shí)現。無(wú)論是多場(chǎng)耦合, 還是多過(guò)程耦合, 都是一個(gè)十分復雜的過(guò)程。

 

  (3)理論遭遇挑戰。由于人類(lèi)工程活動(dòng)的參與, 地質(zhì)體成因與演化不再屬于單純的地質(zhì)過(guò)程, 經(jīng)典的成因演化論對許多新問(wèn)題的解釋遇到困難。在結構控制論指導下的結構分類(lèi)及其衍生成果已經(jīng)不能滿(mǎn)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(zhì)作用和工程地質(zhì)過(guò)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(huán)境下推進(jìn)時(shí), 需要對結構-環(huán)境協(xié)同控制機制及其轉化條件進(jìn)行研究。

 

  (4)過(guò)程研究需要擴充。工程地質(zhì)過(guò)程研究也需要從地質(zhì)過(guò)程轉向工程-地質(zhì)過(guò)程, 從靜力學(xué)過(guò)程轉向動(dòng)力學(xué)過(guò)程, 從線(xiàn)性過(guò)程到非線(xiàn)性過(guò)程的研究。

 

  4 學(xué)科發(fā)展隨想

 

  4.1 加強工程地質(zhì)學(xué)科理論研究

 

  工程地質(zhì)學(xué)科體系由工程地質(zhì)學(xué)理論、技術(shù)方法構成。加強工程地質(zhì)學(xué)科理論研究是學(xué)科發(fā)展的重要任務(wù)。工程地質(zhì)學(xué)科的理論發(fā)展應當重點(diǎn)關(guān)注以下3個(gè)方面:

 

  地質(zhì)體工程性質(zhì)研究。地質(zhì)體工程性質(zhì)包括結構性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)。結構性質(zhì)研究的基本內容是對地質(zhì)體的“經(jīng)典三性”即非均質(zhì)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(xué)性質(zhì)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(zhì)體力學(xué)、水力學(xué)、地球物理特性研究。

 

  工程地質(zhì)動(dòng)力過(guò)程研究。工程地質(zhì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程是地球內動(dòng)力、外來(lái)能量、水、工程協(xié)同作用的過(guò)程,即所謂“地圈動(dòng)力學(xué)”過(guò)程。同時(shí)這一過(guò)程也是多種過(guò)程耦合作用的過(guò)程、動(dòng)力學(xué)過(guò)程和非線(xiàn)性過(guò)程。

 

  推進(jìn)工程地質(zhì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究, 是提升工程地質(zhì)學(xué)科理論水準和定量化程度的基本途經(jīng)。

 

  地質(zhì)環(huán)境研究。工程建設的地質(zhì)環(huán)境主要是指區域動(dòng)力學(xué)地質(zhì)環(huán)境與災害地質(zhì)環(huán)境。區域動(dòng)力學(xué)地質(zhì)環(huán)境包括構造活動(dòng)性與地震穩定性環(huán)境、地應力環(huán)境等, 這些都是分析工程地質(zhì)問(wèn)題中必須考慮的基本地質(zhì)環(huán)境要素。災害地質(zhì)環(huán)境主要包括水文地質(zhì)環(huán)境、風(fēng)化、崩滑流破壞等物理地質(zhì)作用環(huán)境,以及巖土體變形破壞地質(zhì)災害環(huán)境等。

 

  4.2 學(xué)科發(fā)展的基本途經(jīng)

 

  工程地質(zhì)學(xué)是一個(gè)多學(xué)科交叉的應用基礎學(xué)科, 地質(zhì)、地球物理、力學(xué)、工程科學(xué)的結合是學(xué)科發(fā)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(zhì)介質(zhì)自身就是多場(chǎng)耦合作用載體,地質(zhì)過(guò)程本身也是多種因素共同作用的過(guò)程。特別是近幾十年來(lái)地球物理學(xué)科的發(fā)展, 使它成為地質(zhì)體精細結構探測和分析強有力的技術(shù)手段。

 

  立足實(shí)際工程問(wèn)題, 發(fā)展認知和改造技術(shù), 提煉科學(xué)理論, 是工程地質(zhì)工作的基本模式, 它反映出這一學(xué)科鮮明的實(shí)踐性特色, 也是學(xué)科具有強大生命力的基本原因。理論、技術(shù)方法與實(shí)踐并重的模式是工程地質(zhì)學(xué)科發(fā)展的基本模式。

 

  事實(shí)上, 伴隨著(zhù)國家經(jīng)濟結構調整和區域經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展, 從基礎設施建設方面向工程地質(zhì)、巖土工程學(xué)界提出了挑戰, 問(wèn)題諸多。參與到地球環(huán)境與生命過(guò)程、人類(lèi)活動(dòng)與地球表層系統、地球觀(guān)測系統與地球系統模擬中, 充分發(fā)揮工程地質(zhì)學(xué)在我國地球系統科學(xué)發(fā)展中的作用, 在國家需求中尋求發(fā)展機會(huì )是工程地質(zhì)學(xué)發(fā)展的必然趨勢。

 

  中國工程地質(zhì)學(xué)家必須將自身的發(fā)展納入世界范圍內考慮。事實(shí)上, 工程地質(zhì)學(xué)已成為世界性學(xué)科, 國際工程地質(zhì)與環(huán)境協(xié)會(huì )(IAEG)也已發(fā)展成為具有70多個(gè)會(huì )員國的世界性學(xué)會(huì )。因此工程地質(zhì)學(xué)的全球概念、工程地質(zhì)學(xué)的人地調諧觀(guān)念即可持續發(fā)展觀(guān)念, 以及綜合集成概念和趨勢值得我們重視。

 

  5 結 語(yǔ)

 

  工程地質(zhì)是國家建設的偵察兵和先行官, 也是地球科學(xué)的基本組成部分。新時(shí)期國家建設迫切需要工程地質(zhì)學(xué)科的迅速發(fā)展, 也給科學(xué)進(jìn)步提出了艱巨的任務(wù)。

 

  國家自然科學(xué)基金已經(jīng)成為我國科學(xué)發(fā)展的向導。支持和引導工程地質(zhì)學(xué)科創(chuàng )新基礎理論、發(fā)展技術(shù)方法, 為國家大規模建設解決關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題, 也是基金的重要歷史責任。我們企盼國家自然科學(xué)基金更多地關(guān)注、扶持工程地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展, 使其發(fā)揮應有的作用!