环境岩土工程三

环境岩土工程研究

Researches

ontheEnvironmentalGeotechnology）1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（EnvironmentalGeotechnology）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“IntroductoryRemarksonEnvi-ronmentalGeotechnology”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。环境科学由各各学科的环境境分支组成。。原学科的特特色在其环境境分支中也必必然有所体现现。因此，从从工程地质、、岩土力学和和环境工程视视角研究环境境岩土工程，，也必然有各各自特色。互互相尊重，取取长补短，将将促进环境岩岩土工程更快快发展。环境岩土工程程容量虽大，，但以解决人人类岩土工程程活动所产生生的环境问题题为主体，特特别是城市环环境岩土工程程。所以，岩岩土力学和工工程地质的结结合，也自然然会构成环境境岩土工程发发展的主体。2.3学科科分类的讨论论关于环境岩土土工程，方晓晓阳先生认为为有两个主要要分支[2]：（1）地质环环境（岩土））工程：主要要强调有害有有毒废料控制制系统的管理理和修正、填填料场的选择择、填料的稳稳定性分析和和土污染技术术。（2）生态环环境（岩土））工程：研究究环境岩土工工程的敏感性性生态和地质质方面。有三三类问题：①①与地质、气气候有关的问问题，如泥石石流、沙漠、、湿地；②与与健康有关的的问题，如酸酸雨、核废料料；③与文化化有关的问题题，如考古。。认为这三类类问题对生态态环境因素相相当敏感。对对于如何解决决他所关注的的环境岩土工工程问题，方方先生1989年提出了了一个“粒子子场理论”，，评价土—水水—污染物相相互作用，预预测土的长期期形状。认为为传统的机械械能场理论只只能决定问题题的短期性状状，环境因素素（如温度变变化、干湿、、胀缩、冻融融循环、污染染等）将改变变土粒子性质质，从而影响响土的性质，，且这种影响响是长期的。。方的这种认认识与包承纲纲先生的“要要把土当真正正的土”的认认识是相通的的。这种环境境土力学的研研究观点，能能够在土力学学发展中发挥挥积极作用。。从历届环境岩岩土工程国际际会议来看，，环境岩土工工程也有如下下分类，与方方先生分类相相比应属狭义义的，但它们们均包含了自自然因素引起起的环境问题题（国内常以以地质灾害名名之）。1984年以以来，本文作作者积极支持持建设部推行行的岩土工程程体制，并从从事城市环境境岩土工程研研究。于2000年底出出了一本《城城市环境岩土土工程》专著著。作者认为为污染与生态态破坏与环境境岩土工程问问题是等价的的两类环境问问题。由于岩岩土工程活动动产生的环境境问题，叫““环境岩土工工程问题”，，它为环境岩岩土工程的主主体。环境岩岩土工程问题题如不加重视视和处理，会会造成生命和和财产的损失失，就可能演演化为地质灾灾害。问题和和灾害不同，，灾害是问题题所造成的危危害，问题和和灾害都要加加以重视和研研究。这就使使相关学科名名词术语沟通通起来。《城城市环境岩土土工程》一书书从地学与力力学的结合上上论述了地学学对环境岩土土工程的研究究和认识，主主要观点将在在下一节介绍绍。3地学的环环境岩土工程程观3.1环境境问题与环境境文明新时代代3.2环环境地质与环环境岩土工程程3.3两类类环境与环境境岩土工程问问题3.1环境境问题与环境境文明3.1环境———自然客体体与人类客体体相互联系的的系统自然环境社社会环境3.1.2环环境问题———人类社会会发展活动引引发环境产生生的不利于于人类生存的的变化环境问题为全全球热点。国国际上三时代代（20世纪纪）①50-60年代,公害害显现(1972年瑞典典“人类环境境会议”)②80年代全全球三问题（（臭氧气、气气候变暖、生生物多样化））③90年代环环发并提（1992年巴巴西“环发””首脑会议））强调污染与生生态破坏环境境问题:大气气;水;固体体废弃物;噪噪声;热岛效效应3.1.3环环境文明———人类和自自然和谐发展展的可持续发发展观念和思思想1992年从从工业文明———环境文明明时代这是按照“三三种生产”的的理论深刻反反思的结论：：环境问题实质质（人与自然然不调谐）改变发展观、、生存模式对策发展环境科学学、实现人与与自然调谐THEAGENDAOFTHE21stCENTURY3.2环境科学与环环境地质环境科学是发发展中科学，，具有多样性性、综合性和和发展性。地质环境是自自然环境一部部分，是“四四圈”之一的的岩石圈的表表层部分，与与人类关系十十分密切。地质学以岩石石圈为主要研研究对象。环境地质学则则研究岩石、、水、生物和和大气四圈的的相互作用和和影响，研究究地质环境系系统与自然环环境系统和社社会环境系统统相互间关系系，地位应该该十分重要。。环境地质作为为环科一重要要分支从理论论殿堂逐步走走向国民经济济主战场，因因而作用将越越来越大。它它有三个层次次，体现了它它的独特之点点和丰富内涵涵。①地球系统科科学Earthsystemscience：认识地球，研研究地球过程程。注意放射热，，太阳辐射和和第三驱动力力,“全球变变化计划”可可作为代表.以研究周期期的自然变化化为特色，这这是全球大系系统的基础理理论性研究。。②环境地球科科学Env.Geosciences：预测人类生存存环境之变化化。识别和预预测自然地质质灾害，并注注意人的诱发发作用——人人为地质灾害害。③环境岩土工工程Env.Geotechnology：以研究人类岩岩土工程活动动产生的环境境问题为主体体，特别是城城市环境岩土土工程。应按按“人地调谐谐原则”解决决问题，不使使之演化成人人为地质灾害害。3.3两类类环境问题与与环境岩土工工程污染与生态破破坏两类环境问题题Pollution&Ecologicalhazards环境岩土工程问题题Env.Geotechnology区域性的.：悬河河及三峡工程问题题RegionalEnv.Geotech环境岩土工程问题题大大城市市不稳定性Instabilityinlargecities城市的.：环环境境水利UrbanEnv.GeotechEnv.waterconservancy环境污染Env.PollutionTwotypessuspendedriverproblems:PermanentandFloodingEnv.geotechnologyproblemofthethreegorges4.1城市主要环境岩土土工程问题及其提提升水平的二基点点根据两类环境问题题的概念，随着城城市进程的加快，，城市环境岩土工工程问题会越来越越突出，当其变异异强度给人类生存存和物质文明带来来严重危害时，即即构成人为诱发地地质灾害。自然演演化产生的地质灾灾害与此有所不同同。随着生态城市建设设规划的提出，人人们对本问题重要要性的认识也会深深化。主要问题是：4城市环境岩土土工程与地质灾害害①生态城市建设规划划中的问题②工程活动引起的地地面变形（地面沉沉降、地面塌陷、、滑坡等地质灾害害）③悬河化引起的塌岸岸灾害④水资源短缺和环境境恶化问题⑤废弃物污染问题⑥抗震、抗断和地裂裂等活动断层灾害害问题多而复杂，可可从基本理论和学学科交叉来创新解解决问题。4.2基本理论论4.2.1成因控制论GENETICTYPEOFSOILS土承载力的指标值值例人工土60-100kPa一般土100-150kPa洪积土150-200kPa残积土200-250kPa强风化r350-400kPaEPIGENETICTIME-DEPENDENTSTRUCTURE4.2.2结构控控制论ROCK-MASSSTRUCTURE:STRUCTUREPLANEPREFERREDPLANE中科院岩体结构控控制论----工工程地地质力学----典型人类类工程活动与地质质环境相互作用。。南京大学优势面理理论：在结构控制制论基础上抓住结结构面和多学科交交叉二个基点进行行创新发展，已形形成较系统的分析析理论和方法。主主要是抓优势结构构面、宏微观结构构、结构之非对称称性和学科交叉叉的综合模型和方方法，对环境岩土土工程和地质灾害害进行研究和评价价。THEHARMONYBETWEENTHEHUMANandTHENATURE是环境文明时代新新认识、新理论观观点：注意生态环环境基本要素（水水、土、植、气）），抓绿化园林建建设，整治和保护护水土资源，按人人地调谐原则对工工程进行决策和模模式化研究，例如如：C=F(L,P,T,E)C---LandEngineeringCapacityL---FactorsofmajorthemesP--Attributes(属性)T---TechniquelevelE---Economy5优势面理论研研究观点和思路从基本理论（结构构控制论）和多学学科交叉两个基点点创新，形成一个个环境岩土工程优优势面理论，用以以解决工程稳定性性问题。它体现了了认知（Cognition）理理论的认识过程（（Data数据→→Information信息→→Knowledge知识），逐逐步形成理念Philosophy，经大量工程程实践不断验证，，逐步形成较系统统理论Theory。这一理论要要点有三：5.1优势面控控制论TheEnv.ProblemarecontrolledbytheTheoryofPreferredPlane稳定性取决于：断断裂→老、新、活活三类断裂→优势势断裂Stability:Fault→Old,new,&activefault→→preferredfault.地质仿真模型：优优势面组合→优势势分离体Geologicalemulationmodel:combinationofpreferredplanes→PartingmassDESCRIPTIONCHARTOFROCKQUALITY---STRU.PLANEPREFERREDSTRATUM（STRATA）栖霞山明镜湖塌陷陷5.2优势面减灾防灾原原理Thetheormofpreferredplanetohazardreduction&prevention①关键因素Keyfactor——优势面②按系统建模不同级别优势面组组合（层块构造思思想引用）Combinationofp.p.indifferentgrading(Layering-block)悬河三系统控制论论：地壳Earthcrust，地基Foundation，，堤坝embankment土体优势面：土岩岩界面Boundaryofsoil&rock,层层面Planeofbedding，风化面面Weatheringplane，节理裂隙隙Joint，人人工裂隙Man-madefissure，软软面Weakness，环境变化化界面Env.boundary③优势面测试之参参数为仿真参数Emulationparameters④成灾双重机制Dualmechanismofhazards⑤危害度与决策分分析Harmfullness,decisionanalysis⑥工程治理Engineeringtreatm.人地调谐：（1）人地调谐的的观点：以顺应代替硬抗，，充分利利用地质体的潜能能，绿色设计、美美化设计（2）地质工程的的治理观点：通过地质机理分析析，找出灾害的主主控因素——优势势面，进行针对性性治理，终止不利利地质作用，地质质与治理构件有效效组合。（3）治理与开发发相结合：变危险区为园林风风景区，合理开发发利用。可作为生生态城市建设的示示范工程。人地HARMONY治理原则:躲避硬抗------顺应地质工程治理GREENIZATIONPRINCIPLEgrasswoodlandshrub基础形式施工顺序工程体系-----工作作体系(三)优势面方方法论1必须明确研究究的目标和关键：：目标：预测+决策策+行动关键：不脱节（地地质、力学与工程程相结合）+广义义模型评价2专家判断+机机制分析+定量模模型是优势面常用用的三个互补模型型。3区域稳定性和和地基稳定性相结结合的原则。4地质基础+高高新技术+社会科科学与经济学相结结合。5工程措施+地地质工程措施+信信息调控相结合，，并在如前述的人地调调协的原则下进行行环境和地质灾害治理。按地质工程原理治治理ReinforcingshouldbeintermsofGeo-engineeringprincipleDesigningshouldaccordwithtwoprinciples:geology&mechanics测试和加固的主体体是优势面利用地质作用和地地质体潜能从抗灾到顺应自然然协调共存富水优势断裂与边边坡排水防水悬河堤防边坡治理理5.3优势面分分析的方法论问题复杂，环境文文明时代要求越来来越高:Goals:Etection&hazardsreduction,providingscientificbasisforsafetyandeconomicalEng.Task:Earthquakeprevention,fractionprevention,rock-soilqualityevaluation,parameterdesignandrealizingtheharmonywiththeenvironmentRequirement:Intheprincipleofharmonybetweenthehuman&thenature,providingdecisionandtreatmenthighefficiency,safe,economicallyandpracticallyforengineeringprojectstability要解决问题提升水水平除从基本理论论出发进行创新外外，还应从多学科科交叉方法论上作作创新。优势面分分析有如下基本认认识：(1)要使主客客观结合，必须明明确研究的目标和和关键目标:预测---预测+决策+行行动关键:不脱节(地地质与力学两原理理)+互补模型评评价互补性的广义模型型体现思维分析、、量化分析和调谐谐分析之有机结合合。(2)思维原则则:系统论不不确定论反馈馈论全方位论论(3)专家判断断+机制分析+定定量模型(4)区域稳定定性和地基稳定性性相结合的原则(5)地质基础础+高新技术+社社会科学与经济学学相结合(6)工程措施施+地质工程措施施+信息调控相结结合，并在在人地地调谐的原则下进进行环境和地质灾灾害治理优势面观点思路正正确,在实际应用用中不断得到发展展:首用于边坡研究,继用于区域稳定定性研究,裂隙水水探寻,在水电,城市地基,桥梁梁,地下工程,环环境问题等的研究究中取得了系统的的成果.此外:在美国用于氡污染染的研究和防治;抗爆优势面观点在在国防防核爆炸研研究中发挥重要作作用;富水优势断裂观点点在找水研究中成成效显著;优势面,优势层,人工活化优势面面等观点用于矿山山突水研究,南大大和矿大都取得了了好的成果.总之，优势面观点点、思路和方法是是在岩体结构控制制论基础上创新使使认识深化，又立立足于学科交叉上上的综合发展，因因而能在解决问题题和发展学科上有有较系统进展。其其基本观点是:强强调众多结构面中中，优势面或优势势断裂对区域和岩岩体稳定性起控制制作用,以优势面面组合为岩体稳定定性分析模型;优优势面减灾防灾原原理;优势面方法法论。优势面理论论在边坡稳定性,区域地壳稳定性性,裂隙水探寻和和氡污染研究和防防治取得系统成果果。用之研究城市市和黄河悬河稳定定性等环境岩土工工程问题，其社会会、经济和环境意意义更为重大，发发展前景也大为拓拓宽。特别是九十十年代后期用之研研究桥梁和地下工工程进展是较快的的。优势面理论由由于得到众多专家家的支持及其在水水电、桥梁、矿山山和地下工程等大大型工程中应用所所取得的成果和新新进展，荣获2000年教育部科科技进步一等奖。。6我国环境岩岩土工程与地质灾灾害50年来我国工程程地质、环境地质质和地质灾害研究究取得巨大成就。。环境地质、工程地地质进入环境岩土土工程与地质灾害害研究新阶段。新世纪伊始面临大大好发展机遇：研究现状与展望水资源危机Riskofwaterresources西部问题生态环境建设与保保护EcologicalconstructionsWesternpart区域稳定性与地下下工程Regionalstability&undergroundeng