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工程地質(zhì)

兩個(gè)值得關(guān)注的工程地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題

  1  問(wèn)題的提出
 
  由谷德振先生等人于上一世紀70 年代提出的巖體工程地質(zhì)力學(xué), 因其具有很強的解決實(shí)際巖石工程問(wèn)題的能力而被廣泛地應用于各類(lèi)邊坡工程、地下工程和井工程等的設計和施工。在工程應用過(guò)程中, 新課題不斷被提出, 并在這些課題的解決過(guò)程中, 巖體工程地質(zhì)力學(xué)的理論、方法和技術(shù)逐步形成和得到發(fā)展。同時(shí), 也由于目前大規模巖石工程建設的需要, 又有不少需要解決的工程地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題被提了出來(lái), 例如本文將要論及的以下兩個(gè)不同的問(wèn)題值得研究者的關(guān)注:
 
  (1)邊坡滾石形成機理和防治的工程地質(zhì)力學(xué)綜合研究;(2)如何對巖石工程的各方面信息進(jìn)行綜合集成以便為工程設計和施工提供方法。
 
  應當指出, 前者是一個(gè)多年以前就已有人作過(guò)研究的課題。在國外由于高速公路的普遍修建等原因而使有關(guān)邊坡滾石防治問(wèn)題得到重視, 而且還逐步形成了一個(gè)產(chǎn)業(yè)。但問(wèn)題是我國在這方面的研究仍甚少, 與現在高速公路的快速發(fā)展很不相稱(chēng)。正因為如此, 作者相信:社會(huì )的巨大需要必將推動(dòng)邊坡滾石防治工程向前發(fā)展。所以有關(guān)滾石的研究(包括理論和方法、技術(shù)的研究)很可能將成為工程地質(zhì)力學(xué)新的研究熱點(diǎn)。
 
  后者也由于巖土工程的可變更設計和信息化施工對方法的需求。而受到關(guān)注。事實(shí)上, 近年來(lái)有關(guān)巖土工程信息的綜合集成的理論、方法和技術(shù)的研究受到越來(lái)越多的重視。
 
  2  邊坡滾石防治的工程地質(zhì)力學(xué)系統研究
 
  一般而言, 巖石邊坡的穩定性, 歷來(lái)是邊坡問(wèn)題工程地質(zhì)力學(xué)研究的一個(gè)中心問(wèn)題。事實(shí)上, 邊坡穩定問(wèn)題也一直為巖石邊坡工程設計工程師所重視, 因為設計和施工都是以有關(guān)邊坡穩定性的研究成果為基礎的。但實(shí)際上對于某些邊坡來(lái)說(shuō), 除了邊坡穩定性問(wèn)題以外, 還有一類(lèi)應當受到重視的問(wèn)題在我國尚未引起足夠重視。這就是所謂巖石邊坡的滾石問(wèn)題。
 
  2 .1  巖石邊坡滾石問(wèn)題研究的重要性
 
  在工程地質(zhì)學(xué)科中, 邊坡穩定是研究最多的課題之一。數以千計的論著(zhù)和教科書(shū)都論及邊坡的穩定性問(wèn)題。其中不少論述邊坡穩定評價(jià)的條件、理論、方法、運算公式和應用等內容。但對于同樣可能發(fā)生于邊坡上的滾石問(wèn)題卻很少見(jiàn)之于工程地質(zhì)和巖石力學(xué)教科書(shū)。連論及滾石問(wèn)題的論著(zhù)也是鳳毛麟角。究其原因是多方面的:第一, 從設計角度看,滾石問(wèn)題與邊坡穩定分析相比畢竟較為次要;第二,以前因山區國道線(xiàn)和高速公路很少, 故邊坡由于滾石所引發(fā)的事故相對較少。因此對有關(guān)滾石防治等問(wèn)題重視不夠, 所發(fā)表的論文也必然較少。但目前的情況正在發(fā)生變化:隨著(zhù)國家建設的快速發(fā)展, 建于山區的高速公路和高等級公路越來(lái)越多, 而以陡峰風(fēng)光為主的旅游景點(diǎn)也在增加。在這種情況下,邊坡滾石的發(fā)生次數也必然比以前多?？梢栽O想,如果對之認識不足, 且有關(guān)滾石的發(fā)生機理和防治技術(shù)等研究跟不上, 那么因滾石導致的工程事故也一定越來(lái)越多。
 
  (1)陜西省西萬(wàn)公路秦嶺段(西萬(wàn)公路40km +200 m 處)于2001 年8 月18 日9 時(shí)因山體滑坡而導致多塊巨石(最大的一塊重達8 t 多)從50 多米高的邊坡滾下, 將坡上的一棵樹(shù)砸斷, 大轎車(chē)砸壞,造成2 人死亡, 6 名受傷的重大事故[ 5] 。
 
  (2)貴州省高等級公路貴新公路上距貴陽(yáng)約55km 處, 于2001 年7 月25 日16 時(shí)公路右側滾下一塊數十公斤重的石塊, 擊穿客車(chē)右側擋風(fēng)玻璃, 造成1 人死亡。家屬將省高等級公路管理局等告上法庭。一審判賠33 萬(wàn)元。
 
  (3)據作者實(shí)地考察, 浙江省104 國道線(xiàn)上處于東陽(yáng)—嵊州段的大鼻頭山的花崗石滾石多次飛向公路。所幸未砸中車(chē)輛。但排水溝側墻卻被巨石砸壞。另外, 設計上所用的防滾石的塑料掛網(wǎng)被滾石“破肚”損壞多處。這說(shuō)明防治滾石網(wǎng)的設計是需要科研支持的。
 
  另外, 還有多次伴隨著(zhù)滑坡發(fā)生的滾石事故。這里不再列舉。
 
  事實(shí)上, 巖石邊坡滾石問(wèn)題的研究, 不僅可以有效地保護生命和財產(chǎn), 而且在一定程度上還可減少邊坡治理的總投資, 因為優(yōu)質(zhì)的滾石防治設計可以適當壓縮路邊面積和提高邊坡角度來(lái)減少開(kāi)挖工程量。另外, 允許時(shí)還可減少護坡的強度。
 
  2 .2  滾石研究動(dòng)態(tài)
 
  據初步調研, 國外巖石力學(xué)和工程地質(zhì)界在滾石的研究方面遠比國內活躍。瑞士等國家還以有關(guān)研究成果為基礎成立了滾石防治為主的產(chǎn)業(yè)公司,如瑞士的布魯克(GEOBRUGG)公司和意大利的SITAF 公司等。前者還打入了中國市場(chǎng), 在四川成立了布魯克(成都)巖土防護工程有限公司。我國隨著(zhù)工程建設的快速發(fā)展, 有關(guān)滾石防治市場(chǎng)越來(lái)越大。盡管如此, 我國至少在目前形成產(chǎn)業(yè)的條件仍不具備。其中一個(gè)重要原因是國內工程地質(zhì)、巖石力學(xué)界在滾石發(fā)生機理和防治技術(shù)等方面的研究很少。據不完全資料, 我國中國科學(xué)院地質(zhì)研究所、成都理工學(xué)院、香港大學(xué)和香港理工大學(xué)等單位, 以及本文作者等從不同角度對此進(jìn)行過(guò)研究。
 
  縱觀(guān)國內外有關(guān)滾石問(wèn)題的研究動(dòng)態(tài), 可以指出三點(diǎn):第一, 雖然滾石問(wèn)題越來(lái)越受到重視, 但有關(guān)研究仍很不充分, 尤其在國內這方面研究也許只能算剛剛起步;第二, 即使在國外, 也缺少系統研究(即從滾石的地質(zhì)成因、發(fā)生概率、運動(dòng)軌跡、參數反演防治方法技術(shù)及其優(yōu)化等部分組成的系統研究)。
 
  所以有關(guān)滾石工程地質(zhì)和巖石力學(xué)研究還需加強;第三, 隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展, 可以預計在不遠的將來(lái)我國滾石問(wèn)題的研究將成為工程地質(zhì)力學(xué)研究的新的熱點(diǎn)。有關(guān)防治也有可能逐步形成新的產(chǎn)業(yè)。
 
  2 .3  滾石研究方法和主要研究?jì)热?/div>
 
  據上所述, 作者認為滾石邊坡研究的方法, 應當是在廣泛調查的基礎上, 針對各類(lèi)可能發(fā)生滾石的邊坡的特點(diǎn)和設計、施工難題, 開(kāi)展有關(guān)地質(zhì)條件、滾石發(fā)生機理和防治技術(shù)等的系統研究。
 
  據初步研究, 對于不涉及滑坡的滾石問(wèn)題至少可以考慮以下7 個(gè)方面研究?jì)热?
 
  (1)邊坡滾石發(fā)生的地質(zhì)條件及滾石發(fā)生概率的研究;(2)滾石運動(dòng)軌跡的估算及其影響因素分析;
 
  (3)滾石沖擊力的反演原理和反分析方法的研究;(4)滾石防護方法及其優(yōu)化問(wèn)題;
 
  (5)滾石攔網(wǎng)新型緩沖器的研制;
 
  (6)防護方法設計和施工中的技術(shù)問(wèn)題;
 
  (7)防護系統的美學(xué)問(wèn)題。
 
  3  巖土工程信息綜合集成的研究
 
  在工程地質(zhì)力學(xué)理論、方法和應用研究取得很大進(jìn)展的今天, 一個(gè)新的研究方向正在引人注目地出現在我們的眼前。這就是, 巖土工程信息綜合集成的研究課題?？梢灶A見(jiàn), 由于巖土工程設計的需要, 這一新的研究課題還將受到越來(lái)越多的關(guān)注。
 
  3 .1  信息綜合集成研究的必要性
 
  由于工程巖土體在巖性、礦物組成、構造、結構(巖體結構和土體結構)、力學(xué)性質(zhì)和所處的環(huán)境(地應力環(huán)境和地下水環(huán)境)等方面的復雜性, 所以巖土工程變形、破壞的過(guò)程和結果在理論上是不可能僅靠理論計算來(lái)加以準確預測的。這往往使巖土工程的設計者和施工者感到棘手:如果信息掌握得不夠多或者不夠準確, 就有可能導致工程處理不當結果;或者設計過(guò)于保守造成浪費;或者造成工程事故、延續工期, 增加投資, 甚至出現大的傷亡事故。
 
  為了使工程設計在理論上合理, 技術(shù)上可行, 一些工程地質(zhì)、巖石力學(xué)的研究者采用了系統科學(xué)理論和方法。崔政權、黃潤秋、李廣誠、王在泉等從一般系統論原理出發(fā)對此進(jìn)行研究, 并取得了很好的研究成果;李世輝、王思敬和本文作者則以開(kāi)放的復雜巨系統理論為基礎來(lái)研究巖土工程設計施工中的工程地質(zhì)和巖石力學(xué)問(wèn)題。
 
  作者主張, 通過(guò)對也屬于系統科學(xué)范疇的開(kāi)放的巨復雜系統方法論、工程地質(zhì)力學(xué)的理論框架和方法體系的研究, 找出兩者相結合的切入點(diǎn), 對這兩門(mén)學(xué)科的共同研究對象—巖土工程的特性(包括所具有的巨系統特性和與外界交換物質(zhì)、能量、信息等特點(diǎn))進(jìn)行重點(diǎn)研究, 以形成工程地質(zhì)力學(xué)的一個(gè)專(zhuān)門(mén)方法論, 即工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成理論(可簡(jiǎn)稱(chēng)為EGMS)[ 15] 。該方法論的主要特點(diǎn)是:它的應用是以各種有關(guān)應用對象(即某具體巖土工程)的信息(包括來(lái)自理論分析的成果、專(zhuān)家群體的經(jīng)驗知識和經(jīng)驗判斷力、現場(chǎng)監測所獲得的數據等3 部分信息)為基礎的。換言之, EGMS 也是一種有關(guān)巖土工程信息綜合集成的方法。在實(shí)際工程應用中, 設計工程師通?？筛鶕嘘P(guān)理論分析方面的成果(包括工程地質(zhì)勘察資料及對資料的地質(zhì)分析和對工程所作的力學(xué)分析等的結果)、由有關(guān)工程設計、施工、監理、巖石力學(xué)、工程地質(zhì)等方面專(zhuān)家組成的專(zhuān)家群體(即專(zhuān)家組)的經(jīng)驗(包括有關(guān)技術(shù)規范)等對該工程的變形破壞的發(fā)生、部位、規模以及過(guò)程等進(jìn)行預測, 并以測自現場(chǎng)的各種數據(通常以位移實(shí)測值為主)為基礎, 不斷地對工程穩定性作出評價(jià)和修改設計, 以達到逐步接近實(shí)際情況和實(shí)現優(yōu)質(zhì)設計的目的。
 
  3 .2  EGMS 的主要研究?jì)热?/div>
 
  工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成方法是一種以工程地質(zhì)力學(xué)和開(kāi)放的復雜性巨系統方法論(即綜合集成方法)為基礎, 以巖土工程設計和施工為應用對象的方法論。所以EGMS 的研究通常是圍繞著(zhù)有關(guān)理論基礎、方法, 技術(shù)和應用等問(wèn)題進(jìn)行的。它主要涉及以下幾個(gè)方面:
 
  (1)工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成方法論的形成及其基礎理論研究(2)基于EGMS 的工程類(lèi)比法的研究
 
  (3)根據“優(yōu)先監測突破口”原理設計巖土工程的監測系統, 而突破口則是依據理論分析和專(zhuān)家群體經(jīng)驗而確定的。
 
  (4)監測方法和技術(shù)的研究
 
  (5)從理論分析成果、專(zhuān)家經(jīng)驗及動(dòng)態(tài)監測數據出發(fā)進(jìn)行的邊坡加固需求度的研究。
 
  (6)有關(guān)綜合適用性指標(CSI)的研究
 
  (7)綜合損害度和綜合加固度;
 
  (8)位移時(shí)空綜合預測法;
 
  (9)按EGMS 思路設計的邊坡新型加固技術(shù):
 
  預應力錨梁和預應力錨固樁;
 
  (10)以EGMS 為指導思想的綜合地質(zhì)信息系統(SGIS)的研究。
 
  在這些研究中, 不僅探討了EGMS 及與之相關(guān)的理論問(wèn)題, 還涉及到作者在若干實(shí)際巖土工程中的成功應用。例如作者在五強溪水電站船閘邊坡, 某導彈發(fā)射井、彩云大廈深基坑[ 29] 等不同類(lèi)型的重要工程中成功地應用了EGMS 方法和技術(shù)。
 
  這些應用清楚地表明,EGMS 是可行的, 是可以在巖土工程的可變更設計和信息化施工中發(fā)揮重要作用的。
 
  4  結 論
 
  通過(guò)上述分析, 可以得出以下幾點(diǎn)結論:
 
  (1)邊坡滾石對穿過(guò)山區的重要公路, 乃至鐵路上的交通工具、線(xiàn)路和人身安全已經(jīng)構成威脅。而且隨著(zhù)山區高速公路、高等級公路和旅游事業(yè)的發(fā)展, 該問(wèn)題將越來(lái)越突出。雖然滾石問(wèn)題的研究我國早已開(kāi)始, 但近年來(lái)基本上處于“冷卻” 狀態(tài)。由于滾石防治是需要大量研究成果為基礎的, 所以在社會(huì )巨大需要的推動(dòng)下滾石研究將在不久的將來(lái)將成為工程地質(zhì)力學(xué)研究的新熱點(diǎn)。
 
  (2)包括EGMS 在內的巖土工程信息綜合集成方法, 已逐步成為巖土工程可變更設計和信息化施工的重要支柱。由于傳統的巖土工程設計方法本身存在著(zhù)許多不足, 所以大規模的巖土工程建設需要發(fā)展信息綜合集成的方法, 以推動(dòng)設計理論和方法的發(fā)展。作者相信, 正是這種社會(huì )的巨大需要, 巖土工程信息綜合集成方法(包括EGMS)將逐步成為工程地質(zhì)力學(xué)研究的另一新熱點(diǎn)。
 
  (3)關(guān)于滾石發(fā)生條件、防治方法和關(guān)于工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成方法論的成果, 可望廣泛應用于復雜的高陡邊坡以及其它巖土工程的設計中。作者相信, 它們也可在西部山區的一些重大工程(包括川藏線(xiàn)公路和目前處于規劃階段的川藏鐵路等工程)建設中發(fā)揮重要作用, 并相信它們將在應用中逐步完善起來(lái)。