论环境岩土工程及其环境地学研究_罗国煜

ChineseJournalofGeotechnicalEngineering

岩󰀁土󰀁工󰀁程󰀁学󰀁报

Vol.25󰀁No.1󰀁Jan.,󰀁2003󰀁

论环境岩土工程及其环境地学研究

Theenvironmentalgeotechnologyandgeo-environmentalstudy

罗国煜,李晓昭,闫长虹,储同庆

(南京大学地球科学系,江苏南京󰀁210093)

摘󰀁要:环境岩土工程是一门跨学科的交叉科学。它主要覆盖了环境工程、岩土力学和工程地质学所涉及的环境问题。主要从地学角度对环境岩土工程的基本概念、特色、初步分类和内涵系统作了探讨。对作为环境岩土工程主体的城市环境岩土工程中的两类环境问题和两类悬河的概念、研究技术途径和方法,以及城市环境岩土工程在我国的发展趋势和前景作了研讨。关键词:环境岩土工程;城市环境岩土工程;地学

中图分类号:P69󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1000-4548(2003)01-0101-04

作者简介:罗国煜(1933-),男,现为南京大学地球科学系教授,博士生导师,长期从事工程地质与岩土工程研究。

LUOGuo-yu,LIXiao-zhao,YANChang-hong,CHUTong-qing

(Dept.ofEarthSciences,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)

Abstract:EnvironmentalGeotechnologyisaninterdisciplinarysciencewhichmainlycoverstheenvironmentalproblemsofengineeringgeology,soil&rockmechanicsandenvironmentengineering.Inthispaperthebasicconcepts,characters,roughclassificationsandconnotationofsciencearediscussed.Urbanenvironmentalgeotechnologyasthemainbodyoftheenvironmentalgeotechnology,theconceptsoftwoenvironmentalprob-lems,i.e.geotechniqueproblemsofpollution&ecologicaldeteriorationandproblemsoftwotypesofhangingriver,andthetendency&prospectofthescienceinChinaarealsodiscussedinthispaper.

Keywords:environmentalgeotechnology;urbanenvironmentalgeotechnology;geology

1󰀁环境岩土工程的由来

󰀁

与环境主题相关的地学和土工学研究实际上六七

十年代已经开始,但环境岩土工程(EnvironmentalGeotechnology)一词,则源自1986年4月21~23日在美国宾州里海大学土木系美籍华人方晓阳教授主持召开的第一届环境岩土工程国际学术研讨会。会上,方先生在其著名的󰀁IntroductoryRemarksonEnvironmentalGeotechnology󰀁论文中,将环境岩土工程定位为󰀁跨学科的边缘科学,覆盖了在大气圈、生物圈、水圈、岩石圈及地质微生物圈等多种环境下土和岩石及其相互作用问题󰀁,主要是研究在不同环境周期(循环)作用下水土系统的工程性质,并用图1示之。

方教授指出,自1986年以来,󰀁环境岩土工程󰀁得到了迅速发展,它不仅覆盖了传统岩土工程问题,而且,现今已主要形成了两个分支:地质环境岩土工程和生态环境工程。

󰀁岩土工程󰀁一词容量已比较大,覆盖了岩土工程问题,显然󰀁环境岩土工程󰀁学科领域会更大。由于󰀁环境岩土工程󰀁历史仅10余年,虽开了5次国际学术研讨会和个别专题研讨会(如2000年南京生态敏感区环境岩土工程国际会议),由于会议内容繁多,对环境岩土工程学科界定、内涵体系并未作详细研讨。由于多学科参与,要对这些学科体系性问题取得共识,尚有待󰀁收稿日期:2002-02-16[2]

[1]

图1󰀁环境循环及其相互作用[1]

Fig.1󰀁Circulationandinteractioninenvironment[1]

时日,需要加强研究。

近年来,笔者从地学角度对环境岩土工程,特别是

城市环境岩土工程作了较系统的研究,有一些认识和体会,在香港、北京、上海等地作过交流,引起研究者的兴趣。这里,想就教于更多专家。

2󰀁环境岩土工程的内涵和特色

2.1󰀁产生的背景

环境岩土工程是跨学科的边缘学科

[3,8]

,其产生的

背景是80年代以来环境问题的严重化,主要是水系和水土污染、氡污染、水土流失、砂化、地质生态环境变

102

岩󰀁土󰀁工󰀁程󰀁学󰀁报󰀁2003年󰀁

迁、滑坡、泥石流、固体废物和核废料处理、干旱洪涝以及考古与古迹保护等等。这些不是单一学科能解决的。环境岩土工程,作为多学科的结合点应运而生。参与者主要是岩土力学、工程地质和环境工程人员。相关学科联合攻关,在学科交叉中共同发展和深化。环境岩土工程也就在总体目标认同下,带有各学科特点的环境岩土工程体系。在现阶段,它对环境岩土工程的发展是有益的。2.2󰀁学科特点

环境岩土工程是岩土工程新发展阶段,是环境文明时代的新分支。研究环境岩土工程问题的󰀁环境岩土工程󰀁,又应属于环境学科。环境学科具有综合性、多样性和发展性。环境岩土工程当然也要用发展的眼光去看待和思考。它是变化发展,不断丰富的。

环境科学由各学科的环境分支组成。原学科的特色在其环境分支中也必然有所体现。因此,从工程地质、岩土力学和环境工程视角研究环境岩土工程,也必然有各自特色。互相尊重,取长补短,将促进环境岩土工程更快发展。

环境岩土工程容量虽大,但以解决人类岩土工程活动所产生的环境问题为主体,特别是城市环境岩土工程。所以,岩土力学和工程地质的结合,也自然会构成环境岩土工程发展的主体。2.3󰀁学科分类的讨论

关于环境岩土工程,方晓阳先生认为有两个主要分支:

(1)地质环境(岩土)工程:主要强调有害有毒废料控制系统的管理和修正、填料场的选择、填料的稳定性分析和土污染技术。

(2)生态环境(岩土)工程:研究环境岩土工程的敏感性生态和地质方面。有三类问题:󰀁与地质、气候有关的问题,如泥石流、沙漠、湿地;󰀁与健康有关的问题,如酸雨、核废料;󰀁与文化有关的问题,如考古。认为这三类问题对生态环境因素相当敏感。对于如何解决他所关注的环境岩土工程问题,方先生1989年提出了一个󰀁粒子场理论󰀁,评价土󰀁水󰀁污染物相互作用,预测土的长期形状。认为传统的机械能场理论只能决定问题的短期性状,环境因素(如温度变化、干湿、胀缩、冻融循环、污染等)将改变土粒子性质,从而影响土的性质,且这种影响是长期的。方的这种认识与包承纲先生的󰀁要把土当真正的土󰀁的认识是相通的。这种环境土力学的研究观点,能够在土力学发展中发挥积极作用。

从历届环境岩土工程国际会议来看,环境岩土工程也有如图2所示的分类,与方先生分类相比应属狭[2]

义的,但它们均包含了自然因素引起的环境问题(国内常以地质灾害名之)。

区域滑坡

海岸灾害(风暴、侵蚀)

大环境岩土地质工程问题

地震火山洪水

环境卫生问题:废弃污染问题

小环境岩土工程问题

工程活动引起之环境问题

地面沉降变形深基坑开挖失稳打桩振动

󰀁

环境岩土工程

图2󰀁环境岩土工程的一般性分类系统

Fig.2󰀁Generalclassificationofenvironmentalgeotechnology

1984年以来,本文第一作者积极支持建设部推行的岩土工程体制,并从事城市环境岩土工程研究。于2000年底出了一本󰀁城市环境岩土工程󰀁专著。作者认为污染与生态破坏与环境岩土工程问题是等价的两类环境问题。由于岩土工程活动产生的环境问题叫环境岩土工程问题,它为环境岩土工程的主体。环境岩土工程问题如不加重视和处理,会造成生命和财产的

损失,就可能演化为地质灾害。问题和灾害不同,灾害是问题所造成的危害,问题和灾害都要加以重视和研究。这就使相关学科名词术语沟通起来。󰀁城市环境岩土工程󰀁一书从地学与力学的结合上论述了地学对环境岩土工程的研究,主要观点在下节介绍。

3󰀁地学的环境岩土工程观

3.1󰀁环境地学与环境地质

发展环境科学是解决环境问题的一个主要对策。处理好人口、资源、环境与发展的关系,才能实现可持续发展。

环境科学是发展中科学,具有多样性、综合性和发展性,处于快速发展之中,但仍未定型。

地质环境是自然环境一部分,是󰀁四圈󰀁之一的岩石圈的表层部分,与人类关系十分密切。环境地质学是环境科学的重要分支。

地质学以岩石圈为主要研究对象。环境地质学则研究岩石、水、生物和大气四圈的相互作用和影响,研究地质环境系统与自然环境系统和社会环境系统相互间关系,地位应该十分重要。

环境地质作为环境科学一重要分支,从理论殿堂逐步走向国民经济主战场,因而作用将越来越大。它有三个层次,体现了它的独特之点和丰富内涵。

(1)地球系统科学(EarthSystemScience):认识地󰀁第1期罗国煜,等󰀁论环境岩土工程及其环境地学研究103

球、研究地球过程。注意放射热,太阳辐射和第三驱动[4]

力。󰀁全球变化计划󰀁可作为代表,以研究周期的自然变化为特色。

(2)环境地球科学(Env.Geosciences):预测人类生存环境之变化。识别自然,预测灾变,并注意人的诱发作用。

(3)环境岩土工程(Env.Geotechnology):人类岩土工程活动产生的环境问题。以人类活动为主导作用,按󰀁人地调谐原则󰀁解决问题。3.2󰀁两类环境与环境岩土工程问题

从公认的󰀁污染与生态破坏󰀁环境问题,实际上已发展到两类环境问题并重或等价的新的发展阶段。两

[5]

类环境问题可表述为:

󰀁

两类环污染与生态破坏(Pollution&Ecologicalhazards)境问题环境岩土工程问题(Env.Geotechnology)

4.1󰀁优势面控制论

稳定性的原始物理问题是断裂。控制工程地质稳定性的认识序次,即稳定性取决于:断裂󰀁老、新、活三类断裂󰀁优势断裂。优势断裂是对稳定性起控制作用的断裂,它可用优势指标按系统分析方法找出,并通过优势面组合分析(优势面组合󰀁优势分离体)建立地质仿真模型,以之建立相应力学模型,实现地质分析与量化评价的合理结合。例如南京著名风景区明镜湖塌陷问题,久拖8年,后应用NE向(垂直图面)优势断裂控灾,而灾害有自然演化和多因素人工加速二机制生成(见图4)。用优势断裂和成灾机制观点合理解释这一灾害发展原由,促使争议双方共同联手处理,获得成

[5]

功。被专家作为研究和处理环境问题之范例。

人类活动为主导引起的环境岩土工程问题,也可分为

[6,7]

区域性的和城市范围的两类:

区域环境岩土工程问题

(RegionalEnv.Geotech.):悬河及三峡工程问题

环境岩土工程问题

城市环境岩土工程问题(UrbanEnvGeotechnology)

大城市不稳性

(InstabilityinLargeCities)环境水利

(Env.WaterConservancy)环境污染(Env.Pollution)

󰀁󰀁悬河有洪水悬河和永久悬河如黄河下游悬河(见图3)两类。全球悬河化,悬河问题已成为世界性的学术命题。黄河悬河的决口环境灾害及断流问题,已成为影响国计民生、值得研究的重要环境岩土工程课题。

图4󰀁NE向断裂控制塌陷剖面示意图

Fig.4󰀁AprofileshowingthecollapsecontrolledbyNEtrendingfault

4.2󰀁优势面减灾防灾原理

󰀁关键因素󰀁󰀁󰀁优势面,处理加固也针对优势面。

发现土体也有土体优势面,并控制渗流:土岩界面,层面,风化面,节理裂隙,人工裂隙,软面,环境变化界面。󰀁按不同级别优势面组合系统作为地质建模。󰀁优势面测试之参数为仿真参数。󰀁地质灾害一般有自然演化和人工加速成灾双重机制。󰀁危害度与决策分析。󰀁地质工程治理,专家系统软科学调控。

4.3󰀁优势面分析方法论

问题复杂,环境文明时代要求越来越高。要解决问题提升水平除从基本理论出发进行创新外,还应从多学科交叉方法论上作创新。优势面分析有如下基本认识:

(1)必须明确研究的目标和关键。

目标:预测󰀁预测+对策+行动。

关键:不脱节(地质与力学两原理结合)+互补评价评价模型(专家判断+机制分析+定量模型)。

(2)区域稳定性和地基稳定性相结合的原则。(3)地质基础+高新技术+社会经济与经济学相

图3󰀁黄河地上悬河图示Fig.3󰀁ThesuspendedYellowriver

4󰀁环境岩土工程优势面研究观点和思

路

在E.Hoek统计优势面概念启发下,笔者提出两类优势面概念,进而以优势面控制岩土工程稳定性和地质灾害的分布的思想,从事环境岩土工程问题和地质灾害研究,经20年形成了较系统的优势面分析理论。它包括如下三个要点:

[7]

104

岩󰀁土󰀁工󰀁程󰀁学󰀁报󰀁2003年󰀁

结合。

(4)工程措施+地质工程措施+信息调控相结合,并在如前述的人地调谐的原则下进行环境和地质灾害的治理。

总之,优势面观点是在岩体结构控制论基础上认识的深化。在滑坡、区域稳定性、氡污染和地下水探寻等研究中成效显著。用之研究城市和黄河悬河稳定性等环境岩土工程问题,更具有重要的社会、经济和环境意义,其发展前景也大为拓宽。

(3)地质工程防治理论与方法:评价预测基础上,以CAD、GIS支持下的监测设计治理。注意:优化组合设计;绿化设计(美化,开发性治理);治理方法研究(注浆、回填、桩、墙、预应力技术、软弱带结构改良、防水结构)。

(4)管理决策与防灾救灾应急体系:按人地调谐原则,从硬抗到顺应自然,从工程治理到工作体系系统对策。

6󰀁结󰀁󰀁语

5󰀁我国环境岩土工程发展趋势与展望

环境文明时代,工程地质进入环境岩土工程与地质灾害研究新阶段。

新世纪伊始面临大好发展机遇:

水资源危机(Riskofwaterresources)

西部问题Westernpart

舞台(Arena)

东部问题

生态环境建设与保护(Ecologicalconstructions)区域稳定性与地下工程

(Regional&undergroundengineering)大城市地面变形不稳定(Instabilityinthelargecitie)

水资源、水环境(waterresources&env.)

Easternpart悬河化(Problemofsuspendedrivers)

本文是罗国煜先生于1985󰀁1986年在美国与方晓阳先生合作开展环境岩土工程研究后,逐步形成的城市环境岩土工程的研究思路和路线,其特点是工程地质与岩土力学的结合。应该指出,󰀁环境岩土工程󰀁

容量很大,定义不尽相同。当前的任务是研究方向,通过发展学科的实质内涵,才能促使她的发展,达到对这一新学科的真正理解。参考文献:

[1]FangHY.Introductoryremarksonenvironmentalgeotechnology

[A].IntSymposiumonEnvGeotechnology[C].EWOPUB-LISHINGCOMPANY,ONC,1986.1-14.

[2]方晓阳.21世纪环境岩土工程展望[J].岩土工程学报,

2000,22(1):1-11.

[3]罗国煜,王培清.略论岩土工程的国内外发展趋势,岩土力

学数值方法的工程应用[M].上海:同济大学出版社,1990.1014-1019.

[4]王思敬.略论工程地质思维[J].工程地质学报,1997,5

(4):1-2.

[5]罗国煜,等.城市环境岩土工程[M].南京:南京大学出版

社,2000.

[6]罗国煜.论城市环境岩土工程问题研究[J].工程地质学

报,1993,1(1):26-35.

[7]罗国煜,等.论两类优势面的概念及其研究方法[J].岩土

工程学报,1982,4(2):57-66.

[8]罗国煜,等.新世纪伊始中国工程地质回顾与展望.工程地

质学报,2002,10(1):1-5.

环境文明时代,以预测人类生存环境变化并寻求

可持续发展相应对策为主要任务。

其基础性课题:

(1)重点区域、城市化过程的环境变化效应与可持续发展。

(2)水土资源动态过程与可持续发展。

(3)区域数字地球建模与地质灾害风险分析。应用性课题:

(1)环境岩土工程评价地质灾害防治规划:3S技术支持下的地质环境背景与灾害调查研究;地质灾。

(2)预测预报理论与监测预警系统:地质󰀁气象耦合分析预测与预警;地质󰀁地震耦合分析预测与预警;临界指标研究等等。