地质灾害防治工程概论.doc

地质灾害防治工程概论人口、资源、环境与人类社会可持续发展的相互关系研究已为各国所重视，因为它是涉及人类未来的大问题。由于人口剧增、经济不正常或不均衡发展而导致的巨大的资源浪费，已严重破坏了生态环境，抑制了社会和经济发展的后劲，引起了国际社会有识之士的极大忧患。保护地质环境，防治地质灾害与国家经济建设的宏观战略密切相关，这里存在两种道路。一是不顾自然地质规律，牺牲地质环境，求得经济建设的高速发展，这种发展是一种暂态过程，是一个逐渐被抑制终止的过程，最终将陷入地质环境恶化，地质灾害肆虐，经济建设难以持续的境地，而地质环境的恢复和进入良性循环是需要相当时间的。二是充分认识并重视地质灾害发育规律，如区域性、周期性和阶段性等，制定相应的国土规划和地区开发战略，逐渐形成与地质环境演变相适应的协调战略。这是一个地区、一个国家乃至全球人类与自然环境和谐共存的宏观对策。自20世纪80年代，特别是90年代以来，寻求人地共存、可持续发展，建立高效和谐的“地球村”的呼声已从科学界扩展到社会各个阶层。保护环境，寻求最佳的开发利用环境模式，已成为各国社会发展的重要历史使命。保护环境的一个重要方面就是保护地质环境，减轻地质灾害，树立减灾就是增产、灾情就是国情组成部分的思想。1 地质工程学人类起源于自然，又高于自然。人类自产生以来就一直在利用自然，同时也在改造自然。原始人利用天然洞穴而避风寒，而智人阶段学会了挖土造屋。时至今日，人类已能够建造高达数百米的摩天大厦、高坝和巨塔。在此过程中，由于地基处理的需要，逐渐形成了一门科学技术 岩土工程。这种技术只是基于地基改良和工程安全运行而发展起来的。它缺乏环境保护的观念，缺乏减轻地质灾害的观念，实质上是缺乏地质的概念。由于仅从工程观点出发，出现了许多不仅加固工程失效，甚至诱发了深层的更大的地质灾害的例证，如水电站、抽水蓄能电站和矿山等都有这方面的教训。这类问题比一般的岩土工程问题更复杂，对地质学理念和工程技术结合的要求更高，20世纪80年代末、90年代初，产生了一个新的学科概念 地质工程学。 地质工程学是研究与解决建设工程从规划到竣工乃至工程运行后效的全过程的与地质有关的工程问题的科学。它把地质体乃至地质环境作为工程系统的有机组成部分来对待，它包含岩土工程和地质灾害防治工程等多个方面，但以地质灾害防治对其特点的反映更为深刻。岩土工程是指工程建设中涉及的岩土体开挖与加固问题，地质灾害防治工程是对自然或人为作用产生的有害地质现象进行防范、加固与治理。后者包含了更全面的对地质生态环境合理开发与管理的思想，更符合大系统工程学的思想。2 地质灾害防治工程学2.1 概念体系 近十多年来，地质灾害的研究与防治工作已逐渐得到社会各界的关注，已不仅仅是工程界和科学界的事情。虽然开展地质工程研究与施工早已有之，但真正从理性上明确却是近十几年的事。对地质体这样一种复杂的对象进行工程设计与施工，仅靠地质或工程经验是远远不够的，必须建立明确的理论观念。因为感觉或经验只能解决现象问题，理论才能解决本质问题。 地质灾害防治工程体系是一个信息反馈工程体系，它包括区域调查、重点地质灾害勘查、监测、防治工程可行性研究、初步设计和施工图设计、施工、监理与管理等。其中，监测贯穿了从勘查到工程防治效果评价的全过程，而监理与管理则是在整个过程都要行使督察职责，并架起与社会各职能部门联系的桥梁（图1-1）。在此过程中，各个阶段相互关联，又相互反馈。同时，根据反馈信息进行必要的修改是难免的，但它是在研究对象的地质力学破坏机制清楚、工程治理的总体目标确定、设计的技术路线基本科学合理的前提下的调整与优化，而不是无原则的“三边”工程或推倒重来。工程可行性研究初步设计和施工图设计施工监测管理区域调查勘查监理图1-1 地质灾害防治工程的反馈体系 地质灾害防治工程明显区别于一般工程的特点是其防治对象地质体的复杂性和多变性，与其说它是设计建造一项工程，不如说是一项难度巨大的改造工程更合适，它的设计与施工方案存在着很大的灵活性或可变更性，即可根据随时出现或发现的新情况及时反馈修改方案，也即要求方案具备较大余地的可操作性，这就要求地质工程师、设计工程师和施工工程师三者在全过程工程施工中的通力协作，这一点不同于一般的岩土工程，更不同于建筑工程。因此，地质、设计和施工三方面皆懂的“通才”要比三方面分立的“专才”更有利于系统工程的完成。不管后者在本领域的造诣是多么精深，前者却克服了三方面专业语言间的障碍。在学科体系上，地质灾害防治工程学作为地质工程学的主要部分，它要求的学科基础很广泛，涉及基础地质方面，如矿物学、岩石学、地层学、构造地质学和地貌第四纪地质等；应用地质方面如工程地质学和水文地质学；工程科学方面如结构设计、施工工艺与机械等，以及监测技术、环境科学、管理科学与灾害社会学等（图1-2）。地质灾害防治工程立足于以防为主，防治结合，避免过分强调实施工程措施及其工程量的行为，在勘查、论证和设计等方面有其独具的的特点，绝不可照搬一般工程结构设计的条文或标准。因此，其对地质灾害防治工程师的素质有特定的要求，即要求他们除具有一般工程师的素养外，还应具备：（1）对地质灾害发生发展破坏规律的正确认识和深刻洞察力；（2）对地质材料力学性能方面（特别是与时间有关的性能）有较高的造诣；（3）一定的系统工程学方面的知识及灵活地综合分析与判断决策能力。工程地质学土体力学岩体力学水文地质学工程地质学地质灾害防治工程基础地质学工程科学矿 物 学岩 石 学地貌第四纪地质构 造 地 质 学地 层 学监测技术给排水工程施工工艺机械工程设计结构力学工程材料灾害社会学管理科学环境科学 图1-2 地质灾害防治工程师的知识体系2.2 地质灾害防治工程的特点地质灾害防治工程有其独特的科学理论、技术要求和管理体制，是与一般的土木工程的勘查、设计、施工和监理具有本质不同的，这在以往的工程实践中被诸多实例所证明，为此也付出了巨大的经济代价，国家交了昂贵的学费。 地质灾害防治工程是防治灾害的地质工程，是对危害人类的地质体（如山崩体、滑坡体等）等进行人为加固改造工程，加固山体而不产生人们可以居住使用的建筑物，是保护人类的工程，由于地质演化和地表复杂因素的影响，这类工程比人为建筑复杂的多。 地质灾害防治工程的工程主体是山体，是崩塌体、滑坡体、泥石流堆积体，这是在哪里发生，在哪里危害人类，就在哪里实施防治的工程，不随人的意志而决定工程性质、工程场址、工程环境和工程关系的。是人类改造自然，以及适于人类生存工程含义与人为工程显然有本质的不同。 地质灾害防治工程的空间是受限于地质环境和地质体的，是在现有的三维地质体（没有自由空间）对已经产生的崩滑体进行改造加固的工程。 地质灾害防治工程是非标准化工程。其设计是建立在对大自然已经生成的崩塌滑坡等灾害体的充分认识了解的基础上的，而且人类对这些崩塌滑坡的了解只能通过十分有限的勘查以点带面（只能通过有限的钻探、平硐等山地工程进行），设计过程、施工过程自然是认识的过程，只有在施工中根据施工地质即时反馈调整设计，需要地质与工程方面很强的专业技术性，对人类来说，这种设计以适应自然环境为原则，而不像工民建可以充分显示人类的创造欲望。改造山体、加固山体的工程（在山体上打深孔将钢筋混凝土埋入山中的工程）与盖高楼的工民建工程截然不同，是相差甚远的工程。其学科范畴、技术标准、勘查要求、设计原则、施工规范、监理过程和竣工验收等截然不同，其工程难度不是纯粹建筑工程师所能想像的。 地质灾害防治工程勘查对象是崩塌滑坡等灾害地质体，主要查明其分布、规模、结构、构造、成生环境、成生机制变形破坏特征和发生的地质环境、研究降雨、削坡、加载、地震等各种工矿条件下单独作用和综合作用下的稳定性，分析评价其防治的必要性，技术上的可行性、经济上的合理性，其学科属于防灾减灾范畴。 作为崩塌滑坡等地质灾害勘查，比工民建勘查要复杂的多，首先必须能识别什么崩塌滑坡，然后才能有针对性地根据崩塌滑坡等有关勘查规范进行勘查，不但要认识灾害体，还要认识其区域环境及成因和影响因素。 崩塌滑坡勘查则往往比较复杂，除大量的深孔钻探外，往往投入大型山地工程（平硐、斜硐、竖井等），多种手段的物探、力学试验、原位试验、测年等多种勘查手段。 崩塌滑坡勘查十分复杂，对于临滑阶段的滑坡，则不敢投入大量的勘查对其扰动。因此，地灾勘查往往复杂得多，勘查工作实质贯穿防治工程的始终。地灾防治十分重视施工地质编录并及时反馈用于修改设计。工程完成后要进行13年的效果监测。由于没有认识到地质灾害的特点及其工程建设的特殊性，造成巨额损失者已不乏实例，如长江三峡水库移民新城建设中，巴东、奉节、巫山和云阳等新县城规划选址、工程设计、建设过程和工程投入使用后都有惨痛的教训。3 工程实践中的关键问题地质灾害防治以“以防为主、防治结合、全面展开、重点突破”为基本目标，因此，应建立既非基于几何，也非基于工程，而是基于成因机制分析的地质灾害防治工程设计原则。地质灾害勘查与评价的中心理论环节是灾害体形成与发展的机制分析，力求实现全过程分析。防治工程设计遵循的基本原则是概念设计，它对于完善整体设计是至关重要的。重大地质灾害防治工程的施工过程是一个不断优化设计、施工的过程它要求设计人员跟着项目实施过程走，开工后，继续听取建设、监理、施工等各方面的合理化建议，对原设计不断优化，不断提高工程质量，降低或避免追加工程投资。3.1 勘查 勘查工作量的确定和布置是工程设计与施工的基础，也是工程地质研究的基础。长期以来，一直没有解决的问题是：勘查工作量布置多少是合适的，布置在什么位置才能得到最多的地质信息。工程地质勘查、科研与相关工程（结构）设计之间存在的不协调或脱节问题，虽然早就引起学术界与工程界有识之士的注意，但从理论上加以明确仍是必要的。3.2 破坏机制分析 地质灾害体破坏机制分析的目的在于建立正确的概念，避免防治工程的失误。力学机制分析正确，才能保证建立的力学模型正确，也才能保证计算方案和整体设计的正确。 正确地进行机制分析需要两大技能，一是对地质学有较深的造诣，能正确观察地质现象，且能正确提取主要的地质信息或数据，形成地质概念模型、地质力学模型，这是最根本的；二是在数学、力学和计算技术方面有较好的技能，这样才能逐步逼真地再现地质实体。 在链子崖危岩体防治工程设计中，在充分吸收消化勘察资料的基础上，经过多次现场观察，反复地分析研究，得出了链子崖危岩体在煤层采空区作用下存在南北强拉裂、东西弱拉裂和平面反时针转动的立体开裂变形机制，施工开挖已证明了这个分析结论是正确的。3.3 工程设计 理论上存在广义设计与狭义设计的观念问题，前者解决工程总体布局，避免原则性错误；后者解决具体结构设计及其进一步优化的问题。 防治工程可行性研究是广义设计，初步设计是狭义设计，施工图设计则解决工艺设计问题，它是初步设计的细化，往往具有一定的可变更性，而可行性研究和初步设计一旦确定，不能轻易变更，除非工程地质环境条件发生了重大变化。地质灾害防治工程设计是地质工程设计的组成部分，它是创造一个工程结构系统并将其形成原有地质体系统的有机组成部分的过程，或者笼统地说是满足地质灾害预期防治要求的过程。这是一个多方面知识综合运用的过程，且常常是反复认识的过程。它包括地质研究确定目标与规范、分析、综合、反复论证、作图、试验、评估与实施、监测与反馈修改等多个阶段或环节，其中心环节是分析与综合。3.4 监测预警 监测判据是地质灾害体发展状态的评价标准，是确定预警、预报乃至人员撤离的依据。目前，国内外已提出了位移速度、位移加速度、位移矢量角和形变速率等多种判定指标，也建立了各种数学解析模型或统计分析模型。由于问题的复杂性，地质灾害监测判据的研究仍是该领域的一大难题。3.5 反馈性设计与施工 地质灾害防治工程的施工是一种反馈性施工，一般不能根据设计图纸一步施工到位，而需要在设计方的配合或指导下进行。施工方要进行施工地质编录，要积极地改进、提高施工工艺，保证施工质量。设计方要根据施工编录的新情况，随时进行相应的设计调整或变更，并通过建设方 监理方下达给施工方。据统计，工程出现破坏性事故大多在施工阶段，其原因是工程结构的设计与施工过于集中在正常运营使用阶段，而忽视了对平均风险率高的施工阶段的研究，更很少涉及施工过程中对地质环境的新认识。在美国，大约57%的工程破坏事故出现在施工过程中。在俄罗斯，这个比例为70%。在我国，相应的事故比例高达90%，据建设部门统计，20世纪90年代我国正式统计的工程事故约每4天1起，业内人士估计约为2天1起。在我国目前为数不多的重大地质灾害防治工程中，也曾出现花费巨资、治理工程失败的教训（如韩城电厂滑坡、山西峨口铁矿滑坡等）。3.6 计算机技术的运用 当前，CAD、GIS和三维动画技术已引入地质工程研究，也已引入地质灾害防治工程设计，它的发展前途是建立基于地质成因机制的智能化辅助设计系统，而不是建立基于几何的计算机辅助设计系统。应强调，设计不是简单的画图，更不是“出图纸”，而是深思熟虑全面运筹的过程，包括观察、试验、分析、计算、作图和施工反馈等，单纯强调建立基于几何的计算机辅助设计系统的提法显然丢掉了主题。 无论技术科学是如何的进步，对地质灾害现象及其发生机理的认识正确将永远是第一位的，是决定性的。从这个意义而言，在地质灾害防治工程研究领域，扫“思路盲”、扫“方法论盲”与扫“计算机盲”同等重要，甚至更为重要，可以避免出现“成功的设计，失败的战略”。 3.7 监理与管理 地质灾害防治工程多是隐蔽性工程，它要求监理方选派业务水平高、协调能力强并富有责任心的监理工程师主持勘查、设计和施工质量的监理工作，发现问题，应及时上报建设方，以便于及时决策。地质灾害防治工程的管理一般是由政府有关职能部门或委托某个机构负责的。管理部门一般不研究具体的技术问题，但要对地质灾害项目的立项、技术要求、经费预算、项目进展与质量等进行控制性审查或管理，对一系列非确定性的、风险性的或多目标性的问题进行决策。另外，地质灾害防治工程的规范化和灾害数据的信息化也应是管理部门操作的重要方面，并要建立健全施工管理制度。地质灾害的一个重要特点是其“个性”，一地的地质灾害特点绝不会完全相同于另一地，相应的防治工程也应结合当地情况予以“本土化”，而不能无原则地从“异地”或“异国”照搬照套。为解决工程安全问题，国际上曾提出“3E”方案，即工程（Engineering）、教育（Education）、法规强制（Enforcement），进行社会性的综合规范。工程（Engineering）指重视工程技术和工程技术人员。教育（Education）指对总工程师直至具体工作班组乃至个人加强工程安全教育，它对于避免诸如平面的概念很强而三维的概念差、正常使用和抗震的概念强而施工过程的安全分析和耐久性的概念差、材料受力的概念强而对材料的时间和温度效应概念差等原则性失误是极为重要的。法规强制（Enforcement）指完善建设工程法规和执法力度。专家咨询团或专家顾问团（专家组）是地质灾害防治工程管理部门科学决策的重要参谋。因此，针对问题所属的专业领域与特点，遴选科学技术素养高、学术造诣深和责任心强的专家组成咨询团（专家组），并充分发挥其作用，也是管理部门的一项重要工作。其中，善于集思广益、工程经验丰富和学术成就卓越的专家可担任专家组长。4 回顾与展望谷德振（1974）曾提出，“更重