[PPT]环境岩土工程研究_ppt

1、环境岩土工程研究 Researches on the Environmental Geotechnology1 环境岩土工程研究、认识与思考2 关于工程地质学基本理论的认识3 环境岩土工程问题与地质灾害优势面研究观点和方法主要内容1 环境岩土工程的由来2 环境岩土工程的内涵和特色3 地学的环境岩土工程观4 环境岩土工程与地质灾害5 环境岩土工程的优势面研究观点和思路6 我国环境岩土工程发展趋势与展望 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。关于环境岩土工程的基本概念、特色、初步分类和内涵系统，本文作了探讨。方晓阳教授作为这门学科的著名创始

2、人之一和对多次环境岩土工程学术会议组织工作上的贡献，他的观点作了专门介绍。 当前，城市环境岩土工程是环境岩土工程研究热点。对作为环境岩土工程的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，本文也作了研讨。1 环境岩土工程的由来 环境岩土工程（Environmental Geotechnology）一词，源自1986年4月21日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“Introductory Remarks on Envi-ronmental Ge

3、otechnology”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。 方教授指出，自1986年以来，“环境岩土工程”得到了迅速发展，它不仅复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，复盖了岩土工程问题的“环境岩土工程”，显然其学科领域会更大。由于“环境岩土工程”历史仅20年，虽开了多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

4、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，尚有待时日。需要加强研究。方组织第一届会议时，本文作者正好在里海大学访问研究，后又多次参加国际环境岩土工程学术活动。这里，想就环境岩土工程的研究和认识谈一点体会，希指正。2 环境岩土工程的内涵和特色2.1 产生的背景2.2 学科特点2.3 学科分类的讨论2.1 产生的背景 环境岩土工程是跨学科的边缘学科，其产生的背景是八十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

5、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。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

6、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2： （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

7、。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下分类，与方先生分类相比应属狭义的，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）。 1984年

8、以来，本文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和认识，主要观点将在下一节介绍。3 地学的环境岩土工程观3.1 环境问题与环境文明新时

9、代3.2 环境地质与环境岩土工程3.3 两类环境与环境岩土工程问题3.1 环境问题与环境文明3.1环境自然客体与人类客体相互联系的系统 自然环境 社会环境3.1.2 环境问题人类社会发展活动引发环境产生的不利 于人类生存的变化 环境问题为全球热点。国际上三时代（20世纪） 50-60年代,公害显现(1972年瑞典“人类环境会议”) 80年代全球三问题（臭氧气、气候变暖、生物多样化） 90年代环发并提（1992年巴西“环发”首脑会议）强调污染与生态破坏环境问题:大气;水;固体废弃物;噪声;热岛效应3.1.3 环境文明人类和自然和谐发展的可持续发展观念和思想 1992年从工业文明环境文明时代 这是

10、按照“三种生产”的理论深刻反思的结论： 环境问题实质（人与自然不调谐） 改变发展观、生存模式 对策 发展环境科学、实现人与自然调谐THE AGENDA OF THE 21 st CENTURY3.2 环境科学与环境地质 环境科学是发展中科学，具有多样性、综合性和发展性。 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。 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。 环境地质作为环科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。

11、它有三个层次，体现了它的独特之点和丰富内涵。 地球系统科学Earth system science：认识地球，研究地球过程。注意放射热，太阳辐射和第三驱动力,“全球变化计划”可作为代表.以研究周期的自然变化为特色，这是全球大系统的基础理论性研究。 环境地球科学 Env.Geosciences：预测人类生存环境之变化。识别和预测自然地质灾害，并注意人的诱发作用人为地质灾害。 环境岩土工程Env.Geotechnology：以研究人类岩土工程活动产生的环境问题为主体，特别是城市环境岩土工程。应按“人地调谐原则”解决问题，不使之演化成人为地质灾害。3.3 两类环境问题与环境岩土工程 污染与生态破坏

12、两类环境问题 Pollution & Ecological hazards 环境岩土工程问题 Env. Geotechnology 区域性的.：悬河及三峡工程问题 Regional Env. Geotech 环境岩土工程问题 大城市不稳定性 Instability in large cities 城市的.： 环境水利 Urban Env. Geotech Env. water conservancy 环境污染Env. PollutionTwo types suspended river problems: Permanent and FloodingEnv. geotechnology pro

13、blem of the three gorges4.1城市主要环境岩土工程问题及其提升水平的二基点 根据两类环境问题的概念，随着城市进程的加快，城市环境岩土工程问题会越来越突出，当其变异强度给人类生存和物质文明带来严重危害时，即构成人为诱发地质灾害。自然演化产生的地质灾害与此有所不同。 随着生态城市建设规划的提出，人们对本问题重要性的认识也会深化。主要问题是：4 城市环境岩土工程与地质灾害 生态城市建设规划中的问题 工程活动引起的地面变形（地面沉降、地面塌陷、滑坡等地质灾害） 悬河化引起的塌岸灾害 水资源短缺和环境恶化问题 废弃物污染问题 抗震、抗断和地裂等活动断层灾害 问题多而复杂，可从基本

14、理论和学科交叉来创新解决问题。4.2 基本理论 4.2.1成因控制论 GENETICTYPE OFSOILS土承载力的指标值例人工土60-100kPa一般土100-150kPa洪积土150-200kPa残积土200-250kPa强风化r 350-400kPaEPIGENETIC TIME-DEPENDENT STRUCTURE 4.2.2结构控制论 ROCK-MASS STRUCTURE: STRUCTURE PLANE PREFERRED PLANE 中科院岩体结构控制论-工程地地质力学-典型人类工程活动与地质环境相互作用。 南京大学优势面理论：在结构控制论基础上抓住结构面和多学科交叉二个基

15、点进行创新发展，已形成较系统的分析理论和方法。主要是抓优势结构面、宏微观结构、结构之非对称 性和学科交叉的综合模型和方法，对环境岩土工程和地质灾害进行研究和评价。THE HARMONY BETWEEN THE HUMAN and THE NATURE是环境文明时代新认识、新理论观点：注意生态环境基本要素（水、土、植、气），抓绿化园林建设，整治和保护水土资源，按人地调谐原则对工程进行决策和模式化研究，例如： C = F (L , P , T , E ) C- Land Engineering Capacity L- Factors of major themes P-Attributes (属性

16、) T-Technique level E-Economy5 优势面理论研究观点和思路 从基本理论（结构控制论）和多学科交叉两个基点创新，形成一个环境岩土工程优势面理论，用以解决工程稳定性问题。它体现了认知（Cognition）理论的认识过程（Data数据Information信息Knowledge知识），逐步形成理念Philosophy，经大量工程实践不断验证，逐步形成较系统理论Theory。这一理论要点有三： 5.1 优势面控制论The Env. Problem are controlled by the Theory of Preferred Plane 稳定性取决于：断裂老、新、活三类

17、断裂优势断裂 Stability: Fault Old, new, & active fault preferred fault. 地质仿真模型：优势面组合优势分离体 Geological emulation model: combination of preferred planesParting massDESCRIPTION CHART OF ROCK QUALITY-STRU. PLANEPREFERRED STRATUM （STRATA）栖霞山明镜湖塌陷 5.2 优势面减灾防灾原理 The theorm of preferred plane to hazard reduction &

18、 prevention 关键因素Key factor 优势面 按系统建模 不同级别优势面组合（层块构造思想引用）Combination of p.p.in different grading(Layering-block) 悬河三系统控制论：地壳Earth crust，地基Foundation，堤坝 embankment 土体优势面：土岩界面Boundary of soil & rock, 层面Plane of bedding，风化面Weathering plane，节理裂隙Joint，人工裂隙Man-made fissure，软面Weakness，环境变化界面 Env. boundary 优

19、势面测试之参数为仿真参数 Emulation parameters 成灾双重机制 Dual mechanism of hazards 危害度与决策分析 Harmfullness, decision analysis 工程治理 Engineering treatm.人地调谐：（1）人地调谐的观点：以顺应代替硬抗，充分 利用地质体的潜能，绿色设计、美化设计（2）地质工程的治理观点：通过地质机理分析，找出灾害的主控因素优势面，进行针对性治理，终止不利地质作用，地质与治理构件有效组合。（3）治理与开发相结合：变危险区为园林风景区，合理开发利用。可作为生态城市建设的示范工程。人地HARMONY 治理原则

20、 :躲避硬抗- 顺应地质工程治理 GREENIZATION PRINCIPLE grass woodland shrub基础形式施工顺序工程体系 - 工作体系(三) 优势面方法论1 必须明确研究的目标和关键： 目标：预测+决策+行动 关键：不脱节（地质、力学与工程相结合）+广义模型评价2 专家判断+机制分析+定量模型是优势面常用的三个互补模型。 3 区域稳定性和地基稳定性相结合的原则。4 地质基础+高新技术+社会科学与经济学相结合。5 工程措施+地质工程措施+信息调控相结合，并 在如前述的人地调协的原则下进行环境和地质 灾害治理。 按地质工程原理治理Reinforcing should be

21、in terms of Geo-engineering principle Designing should accord with two principles: geology & mechanics 测试和加固的主体是优势面 利用地质作用和地质体潜能 从抗灾到顺应自然协调共存 富水优势断裂与边坡排水防水 悬河堤防边坡治理5.3 优势面分析的方法论 问题复杂，环境文明时代要求越来越高:Goals:Etection & hazards reduction, providing scientific basis for safety and economical Eng.Task:

22、Earthquake prevention, fraction prevention, rock-soil quality evaluation,parameter design and realizing the harmony with the environmentRequirement:In the principle of harmony between the human & the nature, providing decision and treatment high efficiency, safe, economically and practically for eng

23、ineering project stability 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) 要使主客观结合，必须明确研究的目标和关键目标:预测-预测+决策+行动关键:不脱节(地质与力学两原理)+互补模型评价 互补性的广义模型体现思维分析、量化分析和调谐分析之有机结合。(2) 思维原则:系统论 不确定论 反馈论 全方位论(3 )专家判断+机制分析+定量 模型(4) 区域稳定性和地基稳定性相结合的原则(5) 地质基础+高新技术+社会科学与经济学相结合(6) 工程措施+地质工程措施+信息调控相结合，并在在人地调谐的原则下进行环

24、境和地质灾害治理优势面观点思路正确,在实际应用中不断得到发展: 首用于边坡研究,继用于区域稳定性研究,裂隙水探寻,在水电,城市地基,桥梁,地下工程,环境问题等的研究中取得了系统的成果. 此外: 在美国用于氡污染的研究和防治; 抗爆优势面观点在国防防核爆炸研究中发挥重要作用; 富水优势断裂观点在找水研究中成效显著; 优势面,优势层,人工活化优势面等观点用于矿山突水研究,南大和矿大都取得了好的成果. 总之，优势面观点、思路和方法是在岩体结构控制论基础上创新使认识深化，又立足于学科交叉上的综合发展，因而能在解决问题和发展学科上有较系统进展。其基本观点是:强调众多结构面中，优势面或优势断裂对区域和岩体

25、稳定性起控制作用,以优势面组合为岩体稳定性分析模型;优势面减灾防灾原理;优势面方法论。优势面理论在边坡稳定性,区域地壳稳定性,裂隙水探寻和氡污染研究和防治取得系统成果。用之研究城市和黄河悬河稳定性等环境岩土工程问题，其社会、经济和环境意义更为重大，发展前景也大为拓宽。特别是九十年代后期用之研究桥梁和地下工程进展是较快的。优势面理论由于得到众多专家的支持及其在水电、桥梁、矿山和地下工程等大型工程中应用所取得的成果和新进展，荣获2000年教育部科技进步一等奖。6 我国环境岩土工程与地质灾害 50年来我国工程地质、环境地质和地质灾害研究取得巨大成就。 环境地质、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：研究现状与展望 水资源危机Risk of water resources 西部问题 生态环境建设与保护Ecological constructions Western part 区域稳定性与地下工程 Regional stability & underground engineering 生态城市规划与建设Planning and costruction of Eco.