中国21世纪若干重大工程地质与环境问题.pdf

10049665/ 2001/ 09 020115 06 Journal of Engineering Geology 工程地质学报 中国 21 世纪若干重大工程地质与环境问题 伍法权执笔 中国地质学会工程地质专业委员会 北京 100029 摘 要 21 世纪中国的大规模的国家建设不可避免地导致大量的工程地质与环境问题。21世纪中国西部高山峡谷地区主 要工程地质问题有 构造活动带岩土体动力稳定性, 高地应力下岩体应变储能与岩体性质, 高陡边坡的变形及尺寸效应和 动力稳定性, 深埋长大隧洞的地温与地压, 深埋隧洞岩体结构探测与施工地质超前预报, 大跨度复杂洞群变形与稳定性的 群洞效应, 冻土的冻融变形、 稳定性及其处理技术, 可溶岩岩溶规律与岩体利用问题, 河床深厚覆盖层的处理与利用等问 题; 中国东部及沿海地区工程地质问题包括 高速交通网建设中软土地基变形与稳定性及处理技术, 深井采矿中软岩巷道 大变形与处理技术, 深厚松散堆积层上大型桥梁桥基变形与稳定性, 海底隧道围岩工程地质与水文地质问题, 城市多层地 下空间开发中的工程地质问题等; 此外, 水土流失与北方大规模荒漠化问题, 黄河下游地上悬河与长江下游塌岸和堤防稳 定性问题, 黄河断流引起的下游地区环境问题, 我国北方干旱地区水资源长期匮乏问题, 城市化中的环境破坏与污染控制 等问题, 将是中国 21 世纪突出的环境问题。中国工程地质工作者应当在结构土力学与岩体结构力学、 工程地质学的基本 理论与工程地质动力学、 人地相互作用机制与环境工程地质学、 地质工程理论与方法体系、 地质工程技术等方面深化理论 研究, 发展中国的工程地质学。 关键词 21 世纪 中国 重大工程地质与环境问题 中图分类号 P642 P642. 5 文献标识码 A MAJOR ENGINEERING GEOLOGICAL AND ENVIRONMENTAL PROB LEMS IN CHINA IN 21ST CENTURY WU Faquan Engineering Geology Commission, China Geological Socity, Beijing 100029 Abstract It is pointed that largescale construction in China in the 21th century will lead to a lot of engineering geo logical and environmental problems inevitably; Engineering geology of the 21th century is in China. In the 21 century, the major engineering geological problems in the mountain areas of western China are dynamic stability of rocksoil mass in tectonically active region, strain energy storage and behavior of rock mass under high stress, scale effect of deation of highsteep slope and its dynamic stability, temperature and pressure of rock mass at the location of deeply buried long tunnels, rock mass structure detection and advanced geological prediction for con struction of deeply buried tunnel, interaction of deation and stability of large and complex excavation group, freezeand thaw deation, stability of frozen earth and their treatment, karst distribution regularities and use of weak solution rock mass, treatment and utilization of thick overburden on river bed. etc. Engineering geological subjects in the eastern China and the coastal region are, deation and stability of soft foundation and its treatment in construction of high speed traffic network, largescale deation and its treatment of 收稿日期2000 11 20; 收到修改稿日期 2001 0220. 中国地质学会工程地质专业委员会青年委员会的一份研究报告, 第六届全国工程地质大会特邀报告. 作者简介伍法权 1958 , 男, 博士, 教授, 博士生导师, 工程地质专业.Emailwufaquan public. east. cn. net deeply mining tunnel in soft rock, foundation deation and stability of large bridge piers in thick loose deposits, en gineering geological and hydrogeological problems of submarine tunnel, engineering geological problems of under ground space development in urban area. Besides, major environmental problems are water loss and soil frosion and regional desertization in northern Chi na, suspended river in lower Yellow River and bank caving and stability in lower Yangtse River, environmental prob lem caused by cut off of lower Yellow River, short of water resource in dry climate region of northern China, environ mental deteriortion pollution control in process of urbanization. Chinese engineering geologists should promote the theoretical research on the following aspects and develop the Chinese engineering geology structural soil mechanics and structural mechanics of rock mass, fundamental principles of engineering geology and engineering geological dynamics, mechanism of interaction between human being and the earth and environmentalengineering geology, theory, ology, and techniques of geological engineering. Key words 21th century, China, Major engineering geological and environmental subjects 引 言 中国是一个发展中国家, 21 世纪将是我国国 民经济突飞猛进的世纪, 也是国家建设飞速发展的 世纪。正如人们所说 中国将是世界上最大的建设 工地。 大规模的国家建设不可避免地大规模地扰动 自然环境, 导致大量的工程地质与环境问题。国际 工程地质与环境协会前主席 Oliveira P. 曾经预言 21 世纪的工程地质在中国。由此可见, 中国工程 地质学与工程地质学家将肩负十分重大的历史责 任。 工程地质问题是工程地质学科发展的基础。 客观分析和正确认识未来国家建设的特点以及由 此引起的工程地质与环境问题, 不仅有利于指导工 程地质工作, 对工程地质学科的发展也有着重要意 义。因此, 在 1997 年中国地质学会工程地质专业 委员会青年委员会成立时, 就提出了整理我国工程 地质问题的任务。在 2000年 11 月 5 8 日在广西 南宁召开的第六届全国工程地质大会上, 青年委员 会提交了题为 中国 21 世纪若干重大工程地质与 环境问题的特邀报告。本文将只提出问题, 而问 题的解决方案将是我们未来的任务。 1 中国 21 世纪工程建设的基本特点 我国 21世纪工程建设将具有如下特点 东西部协调发展。由于历史的原因和地理条 件的地缘差异性, 我国东、 西部经济发展存在显著 的差异, 广大的西部地区经济发展水平远远滞后于 东部, 特别是东南沿海。新世纪国家经济发展的一 个重要特点是西部大开发与东西部协调发展, 这就 决定了国家建设发展的基本格局。对于经济发展 起步较早的东部, 国家建设将主要是以城市和城市 网络为中心的基础设施的完善与改造。 西部大开 发则是对我国国民经济布局的一次战略性重大调 整, 它将带来我国中西部地区建设的一个历史性大 发展时期。按照国家部署, 西部大开发的重点将是 基础设施建设、 生态环境保护与恢复和能源资源开 发。水利水电、 能源基地、 铁路公路交通, 以及矿山 建设将是西部先行开发与建设项目。 以一系列重大工程为龙头, 初步完成国家大规 模建设。在这一时期, 国家将加快西南水力资源开 发以保障能源供应; 通过兴建南水北调工程以缓解 中国北部地区水资源危机; 建设和完善高速交通网 络与进藏工程, 并可能建成渤海湾、 琼州海峡、 台湾 海峡等跨海通道。 城市化进程加快。城市化是世界各国经济发 展的必由之路, 也是中国经济发展的必然趋势。大 规模的城市化建设必将提出大量工程地质与环境 问题。 下面是我国几个重点建设领域的近期规划情 况。 1. 1 我国的水利水电建设 我国水力资源居世界第一位, 理论总蕴藏量 6. 76亿kw, 可开发量为 3. 79亿 kw, 年发电量为 1. 9 万亿 kwh, 已开发的约为其中的 10 。目前在建的 大中型水电项目有 30 多个, 建设规模约 2300 万 kw。 今后我国将建成金沙江、 雅砻江、 大渡河、 乌 116Journal o f Engineering Geology 工程地质学报 2001 92 江、 长江上游、 南盘江和红水河、 澜沧江干流、 黄河 上游、 黄河中游北干流、 湘西、 闽浙赣、 东北等 12个 大型水电站基地, 规划总装机容量 21047. 25 万kw, 年发电量为9945. 06亿 kwh。我国水电开发的重点 是西部, 特别是西南。 为了缓解我国北方广大地区的水资源危机, 我 国将分东线、 中线和西线兴建南水北调工程, 引长 江水入中国北方广大干旱半干旱地区。西线工程 将可能在阿贾 雅砻江 贾曲自流方案、 同加 金 沙江 雅砻江 黄河自流 、 和上杜柯 大渡河 贾曲自流方案三种方案中选取适当方案优先实施。 该三方案将在入口处修筑坝高 177m、 302m 和 122m 的拦水坝, 并可能分别开凿累计长 288 km、 158 131- 288 km km 和 157. 5 km 的越岭引水隧洞, 累计调水量达到 150- 175 亿 m3/ 年。中线工程将 通过在长江支流 汉江上加高丹江口水库大坝, 沿 伏牛山、 太行山前带修筑 1240 km 长的巨型引水渠 道, 解决京津和华北地区的缺水问题。东线工程则 在南北大运河的基础上建设南水北调工程。 1. 2 我国的铁路建设 国家计划在 1998 2002 年的 5 年间投资 2500 亿元人民币在我国建设和完善 4 条纵贯南北、 4 条 横贯东西, 连接各大经济区的新干线大通道, 新建 具有特殊政治、 军事和经济意义的进藏铁路和两条 国际通道, 以及东南沿海高速铁路, 使我国到 2010 年铁路总营运里程超过 8万 km。这是我国铁路建 设的一个历史性大发展时期。 滇藏铁路是规划线路之一, 自云南大理站西, 经澜沧江、 怒江、 雅鲁藏布江到拉萨, 路经滇西北横 断山脉、 藏东南高山峡谷地区及藏南谷地, 全长 1594. 4 km。沿线依次通过唐古拉 三江断褶带、 拉萨 波密断褶带和雅鲁藏布江缝合带等三大构 造带。铁路沿线地区新构造运动十分强烈, 据我国 30 多年精密复测水准点资料, 平均上升速度达 12 mma- 1, 珠穆朗玛峰地区达 12 50 mma- 1。据国 家地震局 1990 年中国地震烈度区划图 1 400 万 , 滇藏铁路沿线工程设防烈度 度区线路累 计长 127 km, 占 8 。全线设特大、 大、 重型桥梁 392 座, 总长108. 9 km; 隧道419 座, 最长者达12. 59 km, 总长 491. 8 km。全线桥隧总长 600. 7 km, 占线 路总长的 7. 7 。 可以说, 我国铁路的速度在东部; 铁路建设的 难点在西南, 难就难在工程地质条件恶劣。 1. 3 我国的公路建设 国家将在近几年拨出8000 亿元人民币进行国 道公路网建设。规划国道网包括 五纵 七横, 总 长35500 km。国道主干线连接了首都和直辖市及 各省 区 首府, 也连接了所有目前 100 万以上人口 的特大城市和绝大部分 50 万以上人口的城市。 总体说来, 我国水电建设的重点在西南, 这是 由水力资源的地理分布决定的; 而交通网建设的重 点仍在中部和东部, 但已开始向西部倾斜。 2 中国 21 世纪若干重大工程地质 与环境问题 2. 1 我国工程地质问题的地域差异性及其影响因 素 与我国地质地理条件的地域差异性相一致, 东、 西部建设引起的工程地质问题也具有显著差异 性。影响我国工程地质条件和问题地域差异性的 因素包括 地质背景、 地形地貌、 气候与雨量, 特别 是暴雨分布、 人口分布与工程活动等。 人们已经熟知, 中国的大地构造格局受太平洋 板块和印度洋板块联合作用控制, 西南部发育大量 压性、 压扭性构造形迹, 表现出强烈挤压抬升特征, 青藏高原地区抬升速率一般在 2 mma- 1以上, 最 高速率大于 10 mma- 1; 东部及西北部则表现为走 滑、 拉伸和局部相对沉降, 沉降速率达到4mm a- 1, 西北部局部达到6 mma- 1。 在地形地势上, 我国表现出三个大台阶 青藏 高原、 内蒙古高原 云贵高原、 东部丘陵与平原。 青藏高原海拔高程一般在4000m 以上, 而东部则一 般在 1000m 以下。不同的台阶表现出不同的工程 地质问题, 在青藏高原边缘地带, 以区域不稳定性 为主要特征的工程地质问题尤为突出。 地势地理条件直接影响了我国气候和雨量的 分布特征。雨量分布从东南沿海往西北内陆逐步 减少, 沿海局部地带年降雨量超过 2000 mm, 华南 地区雨量一般在 1000 2000 mma- 1, 沿海地区常 有暴雨和大暴雨发生, 小兴安岭至青藏高原东缘一 线以西雨量一般小于 500 mma- 1, 西北腹地塔里 木盆地小至 25 mma- 1以下。不同雨量分布区具 有不同的工程地质问题。 人口分布在一定程度上反映了人类工程活动 117伍法权 中国 21 世纪若干重大工程地质与环境问题 及其对环境扰动的强烈程度。我国东部地区及成 都盆地人口密度达到 1000 人/ km2以上, 而西部则 存在大片无人区。 东部为平原与丘陵地区, 主要为软土、 膨胀土 和残坡积土的工程地质问题, 以及城市环境、 地面 沉降和深基坑工程问题; 而西部的开发与建设必将 遭遇和触发大量的山区工程地质问题。例如, 滇藏 交通线建设将穿越横断山高山峡谷地区的复杂构 造活动带、 斜坡卸荷风化带、 泥石流高发区, 并遇到 大量高边坡、 桥梁、 隧道动力稳定性问题、 崩滑流问 题; 青藏铁路高原多年冻土路基的冻融变形失效问 题; 西线南水北调工程必须开凿大量的深埋、 长大 的越岭隧道, 高地应力、 高地温、 围岩大变形、 高压 地下水及突发性地质灾害问题将广泛发生; 西部水 电和水利建设中高陡边坡变形与稳定性问题、 峡谷 地区河床深厚覆盖层渗漏、 渗透变形和处理与利用 问题等。能否对这些问题进行深入研究, 作出合理 解决, 将直接制约西部大开发战略的顺利实施。同 时, 对这些工程地质问题的深入研究也将有力地促 进工程地质学理论的完善和发展。 2. 2 我国西部及高山峡谷地区主要工程地质问题 西部尤其是青藏高原周边的高山峡谷地区是 我国未来建设的热点地区, 建设重点与难点是西南 水力资源开发和进藏交通线。近期规划的滇藏、 青 藏铁路、 青藏公路和南水北调西线等重大工程, 以 及一些大型水电站, 主要涉及地区包括青藏高原东 缘横断山区和东北缘巴颜喀拉山区。 未来青藏高原及周边高山峡谷地区可能遇到 的主要工程地质问题有 1 构造活动带岩土体动力稳定性, 包括 断 裂特别是深大断裂及影响带内构造破碎脆性岩体 的特殊性质; 岩体的动力参数与动力本构; 工 程的区域地壳稳定性; 河床深厚覆盖层的地基 包括桥基 动力稳定性; 活动断裂及地震引起的 群发性崩滑流灾害等。 2 高地应力下岩体应变储能与岩体性质, 包 括 岩体应变储能与高应变岩体的工程行为推断, 如软岩大变形和流变、 硬岩岩爆; 矿山深部开采 高地压与采场顶板管理; 持续高地应力下岩体与 工程建筑物的共同作用等。 3 高陡边坡的变形及尺寸效应和动力稳定 性, 包括 高地应力下斜坡岩体卸荷及参数变化; 高边坡岩体的动力变形与动力破坏; 岩体动力 参数的高程效应等。 4 深埋长大隧洞的地温与地压, 包括 复杂 地质地形及水文地质条件下千米深岩体地热增温 规律; 深埋隧洞围岩中的水岩 应力温耦合作 用; 深埋隧洞高地压下软岩大变形; 深埋隧洞 在地温及高地压下岩体的长期变形行为与控制。 5 深埋隧洞岩体结构探测与施工地质超前预 报, 包括 千米深岩体精细结构的探测技术与推断 方法; 长大隧洞施工快速超前地质预报技术等。 6 大跨度复杂洞群变形与稳定性的群洞效 应, 包括 复杂洞群围岩变形与稳定性的群洞效 应; 大跨度高边墙洞室岩体变形与稳定性控制; 大跨度高洞室软岩大变形与流变问题等。 7 冻土的冻融变形、 稳定性及其处理技术, 包 括 冻土的冻胀、 融沉、 流变性规律问题; 冻土区 工程的设计与处理技术等。 8 可溶岩岩溶规律与岩体利用问题, 包括 岩溶发育规律及其探测技术; 管道岩溶化岩体的 处理与弱岩溶化岩体的利用; 深埋隧洞施工中岩 溶突水预报理论与方法; 岩溶渗漏水库诊断与治 理技术等。 9 河床深厚覆盖层的处理与利用。在西部高 山峡谷地区, 河床覆盖层常常厚达数百米, 如金沙 江下游新市镇 宜宾河段覆盖层厚 100m 以上, 雅 鲁藏布江厚达 300 400m, 最大达 600m, 大渡河支 流南桠河冶肋电站地区覆盖层厚达 420m。河床深 厚覆盖层引起的工程地质问题包括 在工程荷载 作用下河床深厚覆盖层差异沉降; 河床深厚覆盖 层坝基渗漏; 河床深厚覆盖层渗透变形; 河床 深厚覆盖层地震液化; 河床深厚覆盖层固化与防 渗处理的技术与材料问题等。 2. 3 东部及沿海地区工程地质问题 我国东部及沿海地区主要为平原与丘陵地区。 大量分布的是近代沉积的松散沉积物, 包括河、 湖 相及部分滨海相沉积物。在几个沉降带内, 松散物 质堆积厚度常达到数百米乃至数千米。在这些地 区, 除了在一些活动性断裂带存在地震稳定性、 构 造成因地裂缝, 及地下采矿引起的地面变形等问题 外, 主要的工程地质问题为软弱土体的变形与强度 问题, 以及城市环境问题。 1 高速交通网建设中软土地基变形与稳定性 及处理技术, 包括 欠固结的湖、 海相淤泥质软土 工程性质的区域差异性; 高含水量、 高压缩性与 118Journal o f Engineering Geology 工程地质学报 2001 92 流变性软土排水压密固结技术; 软土路基动力不 稳定性及加固技术等。 2 深井采矿中软岩巷道大变形与处理技术, 包括 煤矿井筒破坏机理及防治技术; 深埋煤矿 软岩巷道大变形与处理技术; 三下采矿技术; 地下采矿引起地面变形和地表水资源漏失问题。 3 深厚松散堆积层上大型桥梁桥基变形与稳 定性, 包括 桥基的静力变形与稳定性; 桥基的 动力变形与稳定性。 4 海底隧道围岩工程地质与水文地质问题, 包括 海底隧道工程地质条件的海上探测技术; 海底隧道施工中围岩或软土变形与稳定性问题; 海底隧道施工中围岩突水问题等。 海底隧道围 岩工程地质与水文地质问题, 主要为引水渠道膨胀 土边坡变形与稳定性问题, 及其加固处理技术等。 5 城市多层地下空间开发中的工程地质问 题, 包括 饱水砂土及软土深基坑边坡快速加固及 洞室的稳定性问题; 软土地基变形与地基处理问 题; 地面建筑与地下空间相互作用问题。 2. 4 其他工程地质与环境问题 1 水土流失与我国北方大规模荒漠化问题; 2 黄河下游地上悬河与长江下游塌岸和堤防 稳定性问题; 3 黄河断流引起的下游地区环境问题, 包括 干旱问题、 土地沙化问题; 4 我国北方干旱地区水资源长期匮乏问题; 5 城市化中的环境破坏与污染控制问题, 包 括城市垃圾和固体废料处理利用问题等。 2. 5 中国工程地质学与地质工程学的理论问题 中国工程地质工作者应该在学科发展与技术 创新方面有所作为。中国的工程地质学将可能在 如下方面有所发展 1 工程地质学的若干理论方面 岩土体结构与力学行为 发展结构土力学与岩 体结构力学; 理论工程地质学 整理和深化工程地质学的基 本理论, 形成工程地质动力学; 工程地质与环境 深入研究人 地相互作用机 制, 进一步发展环境工程地质学。 2 地质工程学工程地质学的应用方面 形成地质工程理论与方法体系; 发展地质工程技术, 包括浅层精细结构探测技 术, 数值分析技术, 地质超前预报技术, 地质体改造 技术, 地质工程施工动态可视化技术、 信息管理与 决策技术, 地质工程新材料与施工技术等。 3 结 语 本文只是试图指出我国 21 世纪国家建设中可 能遇到的若干重大工程地质与环境问题, 以供我国 工程地质工作者的研究与工程实践参考。 科学问题是学科的灵魂。爱因斯坦曾说过 提出问题等于解决了问题的一半, 这是强调提出 科学问题在科学研究中的重要意义。我们说, 提出 问题只是解决问题的开端, 但它却是一个良好的开 端。要在未来的科学研究和工程实践中解决上述 诸多的工程地质与环境问题, 需要几代人的不懈努 力。那就让我们努力吧, 为了工程地质事业和工程 地质学科的繁荣而努力 致 谢 本文形成过程中得到刘传正、 周爱国、 何 天牛等同志的支持, 王学潮、 张辉、 郑汉淮同志为本 文提供了资料, 曲永新、 黄鼎成教授给予了热情的 指导, 在此表示感谢。 参考文献 [ 1] 水利部黄河水利委员会勘测规划设计研究院. 南水北调西线 工程规划研究阶段工程地质简要报告[R] ,1996. 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Journal of Engineering Geology, 8 Supplement 249 253. 工程地质学报调查统计结果 一 1、 工程地质领域最关心的话题是什么 理论与实践 的比例各占多少 1对地质基础不重视, 许多新理论, 创新的论文实 质性内容不多。理论占 40 ; 实践占 60 ; 2 工程地质理论体系问题, 如何建立一个体系在工 程实践中是不可缺少的一个环节; 理论占 70 ; 实际占 30 ; 应用是最主要的; 3 关心场地工程条件与区域工程地质关系的研究; 在岩溶区, 一线的工勘人员往往不善于把握其中关系; 4城市建设中的工程地质问题; 海洋工程地质问 题, 交通建设中的工程地质问题; 5工程地质理论如何在工程实践中发挥更大作用 的问题, 或者说工程地质科研与实践如何联系更紧密一 些; 理论占 60 , 实践占 40 ; 6 山区高速公路高边坡工程地质问题; 原位测试问 题; 深基坑支护稳定问题; 沿海地区软土工程地质问题; 7超深软基处理问题; 隧道围岩类别问题; 理论占 30 , 实践占 70 ; 8未来的工程地质能否被相关的岩土工程或被地 质工程所替代 9 工程物探问题; 理论占 30 , 实践占 60 , 仪器设 备占 10 ; 10 工程地质新经验, 新方法, 新技术; 实践为多; 11 国内外特别是我国重大工程建设中的特殊疑难 工程地质问题和解决这些问题的理论和方法; 对不良工 程地质条件或工程地质问题所造成的工程失事事件研 究, 对工程地质学的发展有重大价值的问题; 本学科的最 新动态, 最新成就; 全球性的地区专门性工程地质问题研 究进展; 12工程地质如何与岩石力学、 土力学相结合; 如何 发展环境地质学; 13工程地质理论相对于国内大规模地质工程实践 活动的滞后性, 年轻优秀, 而又有实践经验的人材的缺 乏; 理论占 1/3, 实践占 2/ 3; 2、 您希望本刊刊登什么样的论文能够对您的研究与 生产有所指导和帮助 1 能解决实际问题, 真正为工程设计和建设服务, 发挥了应有的社会、 环境和经济效益的成果体现, 多学科 交叉的论文; 应该多刊登一些象 金川矿山露天矿边坡 , 五强溪水电站边坡信息化施工等就很好; 3典型的工程实录; 4少刊登从理论到理论的论文; 5前沿性的新技术、 新方法的应用性论文; 6地质灾害方面的研究论文应加大比例; 7 工程地质勘察, 岩土工程评价、 设计和治理方面 的论文; 8区域工程地质方面的论文; 9本学科的动态, 信息性论文; 10 多刊登一些虽然不成熟, 甚至可能存在很多争 议, 但确属新的发现和研究, 这样更有利于工程地质学科 的发展; 11应涵盖工程地质学科涉及的各个领域, 如交通, 能源, 水利水电, 矿山, 军工, 工民建等各个方面。 120Journal o f Engineering Geology 工程地质学报 2001 92