1 引 言

 

  和其他任何一門學(xué)科一樣, 工程地質(zhì)有它自身存在的價值。特別是在教育系統(tǒng)學(xué)科目錄中淡化工程地質(zhì)學(xué)科地位以來的近十幾年實(shí)踐中, 由于國家工程建設(shè)的強(qiáng)大需求推動, 人們對工程地質(zhì)的學(xué)科價值觀正在不斷強(qiáng)化。

 

  1.1 工程地質(zhì)學(xué)科的使命

 

  眾所周知, 生存和發(fā)展是人類社會永恒的主題,而工程建設(shè)則是人類生存發(fā)展的重要主題。工程地質(zhì)學(xué)科的使命就是保障人類工程建設(shè)的安全, 其核心內(nèi)容是解決與工程相關(guān)的地質(zhì)體變形與穩(wěn)定性問題。

 

  在早期的工程建設(shè)中, 工程地質(zhì)工作的任務(wù)是對工程進(jìn)行選址選線的地質(zhì)評價, 以保證工程項目的基本安全。這一時期的工作要求人們認(rèn)識地質(zhì)作用規(guī)律及其對工程的適應(yīng)性。

 

  隨著工程建設(shè)規(guī)模增大, 由工程引起的地質(zhì)問題凸現(xiàn), 逐漸要求人們研究人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的相互作用, 解決地質(zhì)缺陷引起的工程問題和工程建設(shè)引起的地質(zhì)問題, 協(xié)調(diào)人-地關(guān)系。

 

  我國改革開放以來, 國家進(jìn)入經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展和大規(guī)模工程建設(shè)時期, 特別是經(jīng)濟(jì)建設(shè)向西部推進(jìn),工程建設(shè)規(guī)模增大, 難度提高, 地質(zhì)環(huán)境變得更加復(fù)雜, 人類活動對地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)過程的改造加劇, 引起的工程地質(zhì)問題也越來越突出。這就要求人們深化對工程-地質(zhì)過程的理論研究, 才能解決一些極端問題, 支撐高難工程建設(shè)。

 

  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)性表觀而忽視它的理論性內(nèi)涵;也因?yàn)槠溲芯繉ο蠛蛦栴}的復(fù)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(jié)合, 研究和解決工程建設(shè)中地質(zhì)問題的科學(xué)。

 

  孫廣忠曾經(jīng)指出, 工程地質(zhì)的任務(wù)是認(rèn)識自然,地質(zhì)工程的任務(wù)是改造自然[ 2] 。人們要在認(rèn)識自然的基礎(chǔ)上才能有效地改造自然, 當(dāng)然在改造自然的過程中人們也會深化對自然的認(rèn)識。這就是說,工程地質(zhì)學(xué)科應(yīng)當(dāng)是一門認(rèn)知工程-地質(zhì)相互作用規(guī)律和過程的科學(xué)。

 

  但是, 工程地質(zhì)作為一門面向工程建設(shè)的科學(xué),與工程活動緊密結(jié)合是學(xué)科的基本特色。因此, 地質(zhì)工程師應(yīng)當(dāng)是科學(xué)家型的工程師, 工程地質(zhì)學(xué)家應(yīng)當(dāng)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

 

  按照教科書的描述, 工程地質(zhì)學(xué)的基本任務(wù)包括:查明建設(shè)項目的工程地質(zhì)條件, 包括地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、物理地質(zhì)(災(zāi)害地質(zhì))和建筑材料等項內(nèi)容;發(fā)現(xiàn)和解決各類相關(guān)的工程地質(zhì)問題, 包括地基、邊坡、地下洞室?guī)r體穩(wěn)定性等經(jīng)典問題, 由我國科學(xué)家提出的區(qū)域穩(wěn)定性問題, 以及與各類工程相關(guān)的專門工程地質(zhì)問題, 如水利水電、交通、礦山、工業(yè)民用建筑工程地質(zhì)問題, 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(tǒng)問題, 在中國地質(zhì)學(xué)會工程地質(zhì)專業(yè)委員會組織下, 進(jìn)行了若干年的討論和總結(jié), 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(jì)成就》[ 4] 等巨著。概括起來, 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(qiáng)調(diào)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)問題。中國發(fā)展起來的區(qū)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(tǒng)。

 

  “結(jié)構(gòu)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(qiáng)調(diào)地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制地質(zhì)體力學(xué)行為, 也控制地質(zhì)體性質(zhì)的演化;包括人類活動在內(nèi)的一切過程都將通過改變地質(zhì)體的結(jié)構(gòu), 進(jìn)而改變其力學(xué)行為[ 1] 。因此,查清對象的地質(zhì)結(jié)構(gòu), 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類, 尋找不良地質(zhì)結(jié)構(gòu), 分析結(jié)構(gòu)效應(yīng), 在此基礎(chǔ)上研究和解決工程地質(zhì)問題, 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(qiáng)調(diào)人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境是一對相互作用的矛盾統(tǒng)一體, 一方面地質(zhì)環(huán)境制約工程建設(shè)活動, 一方面后者也在改造前者, 工程-地質(zhì)過程是兩者相互作用的過程, 工程地質(zhì)學(xué)的任務(wù)就在于使兩者在相互作用中達(dá)到協(xié)調(diào)。

 

  考察各種理論體系不難發(fā)現(xiàn), 工程地質(zhì)學(xué)科有著相通的思想方法, 就是:成因決定結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)控制行為, 工程地質(zhì)過程是工程建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境相互作用的過程。

 

  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(jì)50年代開始。新中國建立伊始, 工程建設(shè)的選線選址基本上是以地理評價為主要內(nèi)容, 寶成鐵路就是典型代表, 鐵路選線原則上是地形選線。

 

  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(yàn)與教訓(xùn), 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(rèn)識。不過那時的工程地質(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(shè)發(fā)展的地質(zhì)學(xué)。20世紀(jì)60 ～ 80年代, 中國的工程地質(zhì)學(xué)先驅(qū)們以大量工程實(shí)踐為基礎(chǔ), 受奧地利學(xué)派等西方學(xué)術(shù)思想的影響, 以結(jié)構(gòu)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)過程, 兩種體系在內(nèi)涵上相互關(guān)聯(lián), 即成因決定結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)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(shè)規(guī)模越來越大, 工程作用對地質(zhì)過程的影響再也不能忽視, 于是提出人類工程活動與地質(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(tǒng)作用的新思潮。90年代以后, 逐步提出了多場耦合作用、非線性工程地質(zhì)學(xué)、系統(tǒng)工程地質(zhì)學(xué), 以及地圈動力學(xué)的新概念, 把工程建設(shè)納入一個更廣闊的系統(tǒng)中考察。多場耦合作用強(qiáng)調(diào)工程地質(zhì)過程是一個應(yīng)力場、水動力和水化學(xué)場, 以及地溫場等多種因素場相互作用的過程。非線性工程地質(zhì)學(xué)提出, 工程地質(zhì)過程是一個多因素相互作用的非線性過程, 失穩(wěn)是系統(tǒng)的突變。系統(tǒng)工程地質(zhì)學(xué)認(rèn)為工程地質(zhì)學(xué)的研究對象是一個由相互聯(lián)系的要素或子系統(tǒng)組成的系統(tǒng), 工程地質(zhì)過程是系統(tǒng)內(nèi)各要素或子系統(tǒng)及系統(tǒng)與環(huán)境相互作用的過程。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(yù)示著工程地質(zhì)學(xué)的發(fā)展方向, 形成系統(tǒng)的理論還有很長的路要走。

 

  應(yīng)當(dāng)指出的是, 20世紀(jì)90年代以來, 工程地質(zhì)的理論幾乎處于觀望、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, 帶來了釜底抽薪的危機(jī), 因此工程地質(zhì)急需廣泛汲取相關(guān)學(xué)科理論。

 

  3 新時期工程地質(zhì)問題的特點(diǎn)

 

  當(dāng)前我國正處于大規(guī)模建設(shè)時期, 中國成為“世界上最大的建設(shè)工地” 。根據(jù)國家規(guī)劃, 我國將在“十三· 五”前建設(shè)49座大型水電站, 使發(fā)電量增加20倍;10年內(nèi)鐵路里程達(dá)到10萬公里;30年建8.5萬公里高速公路網(wǎng);跨流域調(diào)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程正在實(shí)施。近期國家拉動內(nèi)需的策略進(jìn)一步推動了工程建設(shè)。近20年我國城市數(shù)量增加33倍, 大規(guī)模城市化成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要標(biāo)志。

 

  3.1 新時期工程地質(zhì)問題

 

  隨著新時期工程建設(shè)的規(guī)模越來越大, 埋藏越來越深, 地質(zhì)條件越來越復(fù)雜, 由此帶來的工程地質(zhì)問題難度前所未有, 世界罕見, 也給工程地質(zhì)學(xué)科提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

 

  在大型水利工程建設(shè)中, 庫岸崩塌滑坡的地下水動力學(xué)作用機(jī)理與過程, 水庫誘發(fā)地震動力學(xué)過程, 水庫滲漏的巖溶水力學(xué)問題, 深埋長隧洞巖爆與大變形機(jī)理、過程與預(yù)報方法, 千米深巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)探測與十米級隧道超前預(yù)報等;

 

  在能源開發(fā)工程中, 峽谷區(qū)岸坡(應(yīng)力場)演化與山體卸荷變形成因, 大規(guī)模開挖中高儲能巖體變形破壞機(jī)理與過程, 地表水入滲非線性模型與各向異性巖體水力學(xué)規(guī)律, 大型土石混雜堆積體的結(jié)構(gòu)、力學(xué)與水力學(xué)特性, 萬年尺度核廢料地質(zhì)處置中水巖熱化耦合作用, 深層地?zé)衢_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(guī)律與隧洞巖溶塌陷和涌水, 峽谷區(qū)深厚松散層橋基及邊坡動力變形破壞機(jī)理, 高速鐵路軟基零沉降控制計算理論, 地下采空區(qū)地球物理特性與判別標(biāo)準(zhǔn), 跨海通道高壓突水等工程地質(zhì)問題;

 

  在礦山工程中, 露天與地下聯(lián)合開采的力學(xué)效應(yīng), 高地壓下軟弱巖帶的變形破壞規(guī)律, 煤層氣的水-巖-氣相互作用機(jī)理, 深部礦山熱害等;

 

  在城市建設(shè)與海岸帶開發(fā)工程中, 特殊土微結(jié)構(gòu)土力學(xué)與結(jié)合水動力學(xué), 深大基坑邊坡土壓力非線性分布與加固機(jī)理, 高樓群工程沉降與控制機(jī)理,多層地下空間開發(fā)中的工程地質(zhì)問題等。城市化進(jìn)程給工程地質(zhì)帶來更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn);

 

  一些堪稱“新世紀(jì)工程”的新興工程也提出了許多新問題, 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)問題,等等。

 

  3.2 新時期工程地質(zhì)問題的特點(diǎn)

 

  (1)大、深、動、熱凸現(xiàn)。即工程規(guī)模越來越大,結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜;埋深越來越大, 地應(yīng)力越來越高;地震等動力因素作用的風(fēng)險越來越高;非常溫的地?zé)?/a>、冰凍作用成為常見因素。

  (3)理論遭遇挑戰(zhàn)。由于人類工程活動的參與, 地質(zhì)體成因與演化不再屬于單純的地質(zhì)過程, 經(jīng)典的成因演化論對許多新問題的解釋遇到困難。在結(jié)構(gòu)控制論指導(dǎo)下的結(jié)構(gòu)分類及其衍生成果已經(jīng)不能滿足工程和研究的需要, 多元隨機(jī)結(jié)構(gòu)的建模與基于模型的理論研究成為必須;巖體結(jié)構(gòu)對工程地質(zhì)作用和工程地質(zhì)過程的控制作用在常溫常壓條件下具有普適性, 當(dāng)工程向深部、高地溫等環(huán)境下推進(jìn)時, 需要對結(jié)構(gòu)-環(huán)境協(xié)同控制機(jī)制及其轉(zhuǎn)化條件進(jìn)行研究。

 

  (4)過程研究需要擴(kuò)充。工程地質(zhì)過程研究也需要從地質(zhì)過程轉(zhuǎn)向工程-地質(zhì)過程, 從靜力學(xué)過程轉(zhuǎn)向動力學(xué)過程, 從線性過程到非線性過程的研究。

 

  4 學(xué)科發(fā)展隨想

 

  4.1 加強(qiáng)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(gòu)成。加強(qiáng)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(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注以下3個方面:

 

  地質(zhì)體工程性質(zhì)研究。地質(zhì)體工程性質(zhì)包括結(jié)構(gòu)性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)。結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究的基本內(nèi)容是對地質(zhì)體的“經(jīng)典三性”即非均質(zhì)性、非連續(xù)性和各向異性, 以及隨機(jī)性和多元結(jié)構(gòu)的量化、模型化和參數(shù)化研究。物理力學(xué)性質(zhì)研究的基本內(nèi)容是“三高”即高地應(yīng)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)動力過程研究。工程地質(zhì)動力學(xué)過程是地球內(nèi)動力、外來能量、水、工程協(xié)同作用的過程,即所謂“地圈動力學(xué)”過程。同時這一過程也是多種過程耦合作用的過程、動力學(xué)過程和非線性過程。

 

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

 

  地質(zhì)環(huán)境研究。工程建設(shè)的地質(zhì)環(huán)境主要是指區(qū)域動力學(xué)地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害地質(zhì)環(huán)境。區(qū)域動力學(xué)地質(zhì)環(huán)境包括構(gòu)造活動性與地震穩(wěn)定性環(huán)境、地應(yīng)力環(huán)境等, 這些都是分析工程地質(zhì)問題中必須考慮的基本地質(zhì)環(huán)境要素。災(zāi)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(zāi)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)是一個多學(xué)科交叉的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科, 地質(zhì)、地球物理、力學(xué)、工程科學(xué)的結(jié)合是學(xué)科發(fā)展的有效途徑。這不僅是因?yàn)樨S富研究手段的需要, 而且因?yàn)榈刭|(zhì)介質(zhì)自身就是多場耦合作用載體,地質(zhì)過程本身也是多種因素共同作用的過程。特別是近幾十年來地球物理學(xué)科的發(fā)展, 使它成為地質(zhì)體精細(xì)結(jié)構(gòu)探測和分析強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

 

  立足實(shí)際工程問題, 發(fā)展認(rèn)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(qiáng)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, 伴隨著國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展, 從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面向工程地質(zhì)、巖土工程學(xué)界提出了挑戰(zhàn), 問題諸多。參與到地球環(huán)境與生命過程、人類活動與地球表層系統(tǒng)、地球觀測系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模擬中, 充分發(fā)揮工程地質(zhì)學(xué)在我國地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展中的作用, 在國家需求中尋求發(fā)展機(jī)會是工程地質(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(nèi)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(IAEG)也已發(fā)展成為具有70多個會員國的世界性學(xué)會。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(diào)諧觀念即可持續(xù)發(fā)展觀念, 以及綜合集成概念和趨勢值得我們重視。

 

  5 結(jié) 語

 

  工程地質(zhì)是國家建設(shè)的偵察兵和先行官, 也是地球科學(xué)的基本組成部分。新時期國家建設(shè)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?qū)?。支持和引?dǎo)工程地質(zhì)學(xué)科創(chuàng)新基礎(chǔ)理論、發(fā)展技術(shù)方法, 為國家大規(guī)模建設(shè)解決關(guān)鍵地質(zhì)問題, 也是基金的重要?dú)v史責(zé)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(yīng)有的作用!