工程环境与工程地质

工程环境与工程地质第一页，共42页。必要的理论知识：道路桥梁工程与地质学有多少关系，是怎样的关系，研究者面对这些关系会产生哪些疑问，提出哪些问题，这些问题如何解决，需要哪些知识和理论准备，需要哪些技术条件、物质资源，甚至还需要哪些政治、社会、经济、文化等方面的条件，我们都应该思考和求证。在漫长的历史长河中，前人不懈地探索和实践，发问求解，积累了丰富的知识和经验，取得了瞩目的成就和伟业，我们学习和缅怀这些就是重走历史之路，也是重新发现与重新思考。面向历史也是面向现实，因为前人后人拥有同一个地球环境（尽管环境在变化），一切的伟大工程都留下了巨大的身影。这些时空下的素材无不丰富着我们的学习与研究，为我们铺展开了一个广阔的认知领域，工程与地质，就在这认识之源，实践之所。第二页，共42页。1.1路桥历史与当代发展1.1.1中国古代道路原始的道路？距今4000年前的新石器晚期，中国有记载役使牛马为人类运输而形成驮运道，并出现了原始的临时性的简单桥梁。相传中华民族的始祖黄帝，因看见蓬草随风吹转，而发明了车轮，于是以“横木为轩，直木为辕”制造出车辆，对交通运输做出了伟大贡献，故被尊称为“轩辕氏”。随着车辆的出现产生了车行道，人类陆上交通出现了新局面。第三页，共42页。(1)商朝（公元前17世纪—公元前11世纪）已经懂得夯土筑路，并利用石灰稳定土体。商朝殷墟的发掘现场，发现有碎陶片和砾石铺筑的路面（图11)，并出现了大型的木桥。这些古代的技术我们今天还在运用。这些古代技术蕴含着科学发现和技术创新。我们应该缅怀和尊重我们的祖先。第四页，共42页。第五页，共42页。（2）周朝（公元前11世纪—公元前3世纪）道路的规模和水平有很大的发展。《诗经·小雅》记载：“周道如砥，其直如矢。”说明当时道路坚实平坦如磨石，线形如箭一样直。在路政管理上，国家设有“司空”掌管土木建筑及道路，而且规定“司空视涂”,按期视察,及时维护；如“雨毕而除道，水涸而成梁”；并“列树以表道，立鄙食以守路”，是以后养路、绿化和道路标志的萌芽。第六页，共42页。图12所示为鲁班桥，根据当地传说，桥是鲁班途经此地时指挥修建的。此桥长10m、宽1.2m、厚0.35m，为人工凿成的巨形整块长方体独石桥。此桥架在两河交汇处的平安河出口处，接通南北两岸。石桥的北岸基石砌在河床边沿光滑的岩石上，南边架在挑石上，挑石悬空约1m。据考察，此桥的石料来自100多米外的大理石矿山。石桥经千百年的踩踏，桥心防滑石纹被磨得光滑锃亮。经千百年风吹雨打，该桥至今仍在使用。与鲁班桥相距50m远处，现已架起了现代化的水泥石拱公路桥，但鲁班桥仍未退役，当地百姓仍每天牵牛赶羊安全过桥。第七页，共42页。第八页，共42页。(3)秦朝（公元前221年—公元前206年）秦始皇统一中国后即开始修建以首都咸阳为中心、通向全国的驰道网。公元前212年，秦始皇使蒙恬由咸阳修向北延伸的直道（图13）,全长约700km,仅用了两年半的时间就修通,“堑山堙谷”（逢山劈石,遇谷填高），其工程之巨，时间之短，可称奇迹，今陕西省富县境内尚依稀可见其路形。除修筑城外的道路外，对于城市道路的建设也有突出之处，如在阿房宫的建筑中，采用高架道的形式筑成“阁道”，自殿下直抵南面的终南山，形成“复道行空，不霁何虹”的壮观。第九页，共42页。第十页，共42页。（4）汉朝（公元前206年—公元220年）估计当时共有干道近15万公里。在公元前138年到公元前115年，西汉王朝派张骞两次出使西域，远抵大夏国(即今阿富汗北部)而载之于史册。后汉时期，在今陕西褒城鸡头关下修栈道时，经过横亘在褒河南岸耸立的石壁，名为“褒屏”，曾用火煅石法开通了长14米,宽3.95～4.25米、高4～4.75米的隧洞,就是著名的石门,内有石刻《石门颂》、《石门铭》纪其事。火煅石法先用柴烧炙岩石，然后泼以浓醋，使之粉碎，再用工具铲除，逐渐挖成山洞。古蜀道，从广义上说，南起成都，过广汉、德阳、罗江、绵阳、蜀道梓潼，越大小剑山，经广元而出川，在陕西褒城附近向左拐，之后沿褒河过石门，穿越秦岭，出斜谷，直通八百里秦川，全长约1000余公里。第十一页，共42页。第十二页，共42页。第十三页，共42页。（5）隋朝（581—618年）匠人李春等在赵郡（今河北省赵县）河上修建了著名的赵州桥，又名安济桥，首创圆弧形空腹石拱桥，是建桥技术上的卓越成就。1991年，美国土木工程师学会将安济桥选定为第12个国际历史土木工程的里程碑。它是世界上现存最早、保存最好的巨大石拱桥，距今已有1400多年历史。在隋朝的道路建设中较巨大的工程有长达数千里的御道，《资治通鉴·隋记》：“发榆林北境至其牙，东达于蓟，长三千里，广百步，举国就役，开为御道”，可见规模之大。第十四页，共42页。第十五页，共42页。（6）唐朝（618—907年）是中国封建王朝的鼎盛时期，重视道路建设。唐太宗即位不久就曾下诏书，在全国范围内要保持道路的畅通无阻，对道路的保养也有明文规定，不准任意破坏，不准侵占道路用地，不准乱伐行道树，并随时注意保养。唐朝不但郊外的道路畅通，而且城市道路建设也很突出。首都长安是古代著名的城市，路面用砖铺成，道路两侧有排水沟和行道树，布置井然，气度宏伟，不但为中国以后的城市道路建设树立了榜样，而且影响远及日本。第十六页，共42页。第十七页，共42页。曾经辉煌的丝绸之路第十八页，共42页。茶马古道茶马古道是指存在于中国西南地区，以马帮为主要交通工具的民间国际商贸通道，是中国西南民族经济文化交流的走廊，茶马古道是一个非常特殊的地域称谓，是一条世界上自然风光最壮观，文化最为神秘的旅游绝品线路，它蕴藏着开发不尽的文化遗产。茶马古道源于古代西南边疆和西北边疆的茶马互市，兴于唐宋，盛于明清，二战中后期最为兴盛。茶马古道分川藏、滇藏两路，连接川滇藏，延伸入不丹、尼泊尔、印度境内（此为滇越茶马古道），直到西亚、西非红海海岸。第十九页，共42页。茶马古道第二十页，共42页。（7）宋朝、元朝、明朝（960—1644年）均在过去的道路建设基础上有所提高，尤其是元朝地域辽阔，自大都（今北京）通往全国有7条主干道,形成了一个宏大的道路网。（8）清朝（1644—1911年）利用原有驿道修建了长达约15万公里的“邮差路线”。在筑路及养路方面也有新的提高，规定得很具体。在低洼地段，出现高路基的“叠道”，在软土地区采用秫秸铺底筑路法，犹如今天的土工织物，对道路建设有不少新贡献。第二十一页，共42页。1.1.2西方古代道路公元前1900年前，亚述帝国曾修筑了从巴比伦辐射出的道路，今天在巴格达和伊斯法罕之间，仍留有遗迹。传说非洲古国迦太基人（公元前600年—公元前146年）曾首先修筑有路面的道路，后来为罗马所沿用。罗马帝国大修道路对维护帝国的兴盛起着很大的作用。由首都罗马用道路和意大利、英国、法国、西班牙、德国、小亚细亚部分地区、阿拉伯以及非洲北部联成整体，以维持在该广大地区的统治地位。并把这些区域分成13个省，有322条联络干道,总长度达78000km。罗马大道网,以29条主干道为主,其中最著名的一条是由罗马东南方向越过亚平宁山脉通往布林迪西的阿庇乌大道（一译亚平大道）,全长约660km，开始兴建于公元前400年前后，用了68年的时间,完成了沟通罗马与非洲北部和远东地区的作用。罗马人修建了凯旋门，纪念诸如恺撒、图拉真等的筑路功绩。随着罗马帝国的衰亡，道路也随之败坏。可以说，国家的兴衰和道路的状况有着密切的联系。汽车发明后，性能不断改善,在速度、安全和舒适方面有了很大的提高，原来的道路条件已不能适应,因而有高速公路的出现。高速公路在英国称“motorway”，美国称“freeway”，德国称“autobahn”，日本称“高速道路”。自第二次世界大战以后，各国也有相应的发展，高速公路已成为公路现代化的标志。第二十二页，共42页。1.1.3中国近代道路1902年中国有了两辆汽车，只供统治者玩赏之用。到北洋政府末年（1926年），全国公路里程为26110km，大都是晴通雨阻的低级道路。民国时期(1912—1949年)，修建各省联络公路，逐渐走向统一化和正规化，初步形成公路网。1.1.4中华人民共和国的道路建设1949年10月1日中华人民共和国成立。首先医治了道路的创伤，修复了被破坏的桥梁。在20世纪50年代，修筑了著名的康藏(西康至西藏)及青藏(青海至西藏)两条公路。康藏公路（今川藏公路）自今四川的雅安起至西藏拉萨，全长2271km，翻越海拔3000m以上的大雪山等山脉，跨越大渡河、金沙江、澜沧江、怒江等急流，更有冰川、流沙、塌方和泥沼、地震、森林地带，地形十分复杂，工程特别艰巨，路基土石方有2900多万立方米（其中石方有530多万立方米），1950年开工，于1954年完工通车。青藏公路自青海省的西宁至拉萨，全长2100km，横越号称世界屋脊的昆仑山、可可西里山、唐古拉山等山脉，途经草地、沼泽、冻土地带，高原缺氧，环境严酷，也和康藏公路同时于1954年12月25日在拉萨举行通车典礼。中国地域辽阔，地形复杂，有各种不同的气候地带，有特殊的筑路地区，如沙漠、永冻土、盐湖、黄土、软土沼泽、泥石流、冰川、塌方、盐渍土等，累积了不少的筑路经验(图17)。第二十三页，共42页。第二十四页，共42页。第二十五页，共42页。第二十六页，共42页。第二十七页，共42页。具有典型意义的示例：天路观光我们可以看一个视频，青藏铁路视频以及各种图片资料链接探索频道《建筑奇观：青藏铁路[上]》

《建筑奇观：青藏铁路[下]》

第二十八页，共42页。1.2路桥工程环境环境永远是当下的概念，历史只会留下遗迹，而且也成为环境的一部分，历史的眼光一起聚集在当下，就是我们现实的工程环境。道路桥梁是在什么地方修建的？青藏铁路与我们周围的铁路有区别吗？区别在哪里？我们也可以说路基不同，列车不同，车站不同，为什么要不同？陇海线穿越八百里秦川，陇海线有没有变化？京广线也一样，穿越大半个中国，穿越了不同纬度、不同地形、不同的环境，它有没有变化？回答这些问题也许需要更多的知识。要做进一步的探讨，还要系统地学习，这样一来，讨论才更有价值。那么大地上都有哪些自然区域？都有哪些工程项目？它们有什么特点？可以通过以下的一系列图片进行了解。第二十九页，共42页。

第三十页，共42页。第三十一页，共42页。通过这些已经完工的路桥图片，工程施工图片，我们看到了丰富多彩的自然环境和社会环境。一切人类工程活动归根结底要依赖自然环境。必须对自然现象归纳概化，必须养成观察的习惯，仔细分析各种因素，完整全面掌握学习对象，理解把握工程与环境的关系，才会收获更多的真知灼见，科学素养才会不断积累，分析和处理问题才会游刃有余。第三十二页，共42页。1.3工程地质概述1.3.1什么是概念由所知的丰富多彩的地表自然现象，再缩小或专注到所见的各种路桥工程，带给我们的只是一系列的模糊概念，对于这些开始接触的不甚明了的概念，没有通透的定义，更多的是停留在现象的层面，也就是形象的层面。概念是指反映对象的本质属性的思维形式。人类在认识过程中，把所感受到的事物的共同特点，从感性认识上升到理性认识，抽出本质属性而成。表达概念的语言形式是词或词组。概念都有内涵和外延，即其含义和适用范围。概念随着社会历史和人类认识的发展而变化。第三十三页，共42页。为什么强调概念？改变我们的学风以及思考问题的成见！对司空见惯的各种概念回顾分析。鉴定我们自己掌握的概念。工程地质或者地质学是概念之海，因为巨大的未知自然包含了巨量的信息，知识、信息表达记录都是概念的使用运用。重视概念，善于学习分析概念，是学习的重点。第三十四页，共42页。1.3.2什么是工程什么是工程？熟悉的名词你能够解释吗？我们不能解释熟知的概念是因为什么？从简单的工程到复杂的工程，抽象容易吗？第三十五页，共42页。三峡工程长江三峡水利枢纽工程，简称三峡工程，是中国长江上游段建设的大型水利工程项目。分布在重庆市到湖北省宜昌市的长江干流上，大坝位于三峡西陵峡内的宜昌市夷陵区三斗坪，并和其下游不远的葛洲坝水电站形成梯级调度电站。它是世界上规模最大的水电站，是中国也是世界上有史以来建设的最大的水坝。三峡水电站的机组布置在大坝的后侧，共安装32台70万千瓦水轮发电机组，总装机容量2250万千瓦，年发电量约1000亿度。而由它所引发的移民、环境等诸多问题，使它从开始筹建的那一刻起，便与巨大的争议相伴。三峡工程的总体建设方案是“一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民”。工程共分三期进行，总计约需17年，目前一期、二期和三期工程已经全部建成。三峡工程预测的静态总投资大约为900亿元人民币（1993年5月末价格），预测动态总投资将可能达到2039亿元，估计实际总投资约1800亿元左右。从三峡工程筹建的那一刻起，它就与各种争议相伴。早期的不同意见多偏重于经济和技术因素，普遍认为经济上无法支撑，技术上也难以实现预定目标，并且移民的难度极大。到了20世纪80年代后，随着改革开放的持续，中国国内关于三峡工程的争论更加广泛，涵盖了政治、经济、移民、环境、文物、旅游等各个方面。三峡工程是关系国计民生的大工程，通过对一些资料的了解学习，我们可以窥见工程的系统框架，包括设想、计划、勘测、论证、决策、执行、管理、运行、发展、维护……罗列的许多细节可以增强工程工作者的认识深度、广度和看问题的多角度，对于思考各种工程具有很强的启示意义和指导作用。如地质以及生态问题是困扰三峡工程自始至终的话题，如此巨大的工程活动，充分地彰显了自然的力度，同样的从事路桥土建工程的专业人员从中也会得到很大的启发。第三十六页，共42页。工程简单说就是工作过程。工程具体讲是指从念头到设想到蓝图，从调查到勘测到论证，从初步勘测到详细勘测，从多种设计方案到优选比较，科学论证决策、执行、施工、运行、管理、反馈，相互调适、发现问题、解决问题、预测问题，处理工程与社会、工程与自然、工程与科技、工程与经济、工程与安全等一系列相互关联的问题。第三十七页，共42页。1.3.3什么是地质学分析地质学概念。第三十八页，共42页。地质就是指地球物质。地球物质存在于时空之中，并且在永远（地球没有毁灭前）运动，运动就是变化。人们探寻地球物质组成及其运动变化规律，就成为地质学科的根本目的。由于目前人类认识对象的范围所限，大多只在地球地壳层次里实际探寻和研究论证，而且地壳系统更为紧密地影响地表人类社会的生活和生产过程，故而，业界也有狭义的地质学定义：地质学是主要研究地壳物质在地质时空的运动变化规律的学科。第三十九页，共42页。1.3.4什么是工程地质、路桥工程地质工程与地质分属两个不同的系统，但是它们发生了交集，因为一切工程基本离不开大地。例如三峡工程出现了很