人類工程活動與地質環(huán)境的相互作用0001

1、人類工程活動與地質環(huán)境的相互作用田志強(環(huán)境與規(guī)劃學院 1126108952 )摘要 人類工程活動往往受到地質環(huán)境的制約，同時生產力的發(fā)展， 使人類對自然條件的改變起到了巨大的作用。人類的工程活動改變著地球面貌，甚至導致地球上出現(xiàn)新的地質現(xiàn)象。它作為活躍的因素，積極地影響著地質環(huán)境，促進其次生演化。地質環(huán)境的次生演化常會對人類工程活動產生次生制約。因此，人類工程活動與地質環(huán)境表現(xiàn)為相互依存、相互作用的關系。通過對這種相互作用的基本概念，制約關系進行討論， 可以對工程環(huán)境調控提供重要依據，減少人為地質災害的發(fā)生幾率，使人類在健康的環(huán)境生活發(fā)展。關鍵詞人類工程活動 地質環(huán)境人地相互作用引言環(huán)境問題

2、已成為人類社會生存和發(fā)展的重大問題之一，其本質是人類活動與自然環(huán)境的關系，即人地關系未能妥善協(xié)調， 而且失調有日益嚴重的趨勢。 這說明人類活動對自然環(huán)境 的影響力越來越大，對自然環(huán)境特性及其演化規(guī)律認識不夠、 對人類活動與自然環(huán)境相互作 用的后果估計不足，因而不能自覺地、科學地調控人地關系，以期取得可持續(xù)的發(fā)展人類活動中，工程建設是提供設施、保證人類社會發(fā)展和其他各種活動得以實施的基礎， 不論是資源、能源的開發(fā)、工農業(yè)生產、交通運輸，還是科學技術的發(fā)展、國防建設，以及 環(huán)境整治、災害防治等，無一不以工程建設為前導人類工程活動，即從事工程建設和礦山開采，已成為人類各類活動中最重要的內容之一。我國

3、已建成8.5萬余座水庫大壩，12萬公里鐵路和370多萬公里公路，25種主要金屬礦產10618座，大小煤礦一萬多座，百萬人口 級大城市達數(shù)十座， 數(shù)量多、規(guī)模大、建設速度快舉世矚目。然而現(xiàn)今在許多工程地區(qū)已經出現(xiàn)嚴重的環(huán)境問題，影響工程進行和地區(qū)的發(fā)展，導致生活和生產條件的惡化，甚至發(fā)生地質災害。例如，由于開采礦產，過量抽汲地下水等原因造成的地面沉降、開裂和塌陷，引 起地下管道的損壞、 地面不平、排水不暢、洼地成澇建筑物開彩出現(xiàn)危屋險墻，嚴重危害人 民的生活和安全又如由于開挖道路、建筑深基坑、水庫蓄水等引起的滑坡、塌方，占其總數(shù)的70%,滑塌體往往堵塞交通，損壞民用建筑物，威協(xié)人民生命財產安全。

4、現(xiàn)今中國數(shù)十座 大中城市、礦山工業(yè)地區(qū)、大型基礎設施工程地區(qū)的環(huán)境惡化，急待整治?？傊祟惞こ?活動和地質環(huán)境的失調可導致地質環(huán)境的惡化，產生對周圍人民生活的危害、資源的破壞和地區(qū)發(fā)展的不良影響。對人類工程活動與地質關系的研究，以期指導調控其相互作用是當今環(huán)境問題研究的重要而迫切的任務。1 .地質環(huán)境對人類活動的影響1.1 地質環(huán)境承載力的特點環(huán)境承載力又稱環(huán)境承受力或環(huán)境 忍耐力。它是指在某一時期， 某種環(huán)境狀態(tài)下，某一 區(qū)域環(huán)境對人類社會、經濟活動的支持能力的限度。地質環(huán)境的承載力具有(1)客觀性，地質環(huán)境的本質屬性是其具有承載力的根源。也從根本上決定了地質環(huán) 境承載力的大小。(2)可變

5、性，地質環(huán)境的結構和功能的改變會導致地質環(huán)境承載力的變化(3)可控性，人類在掌握地質環(huán)境演變規(guī)律和人類活動一地質環(huán)境相互作用機制的基 礎上，根據生產和生活的實際需要，可以對地質環(huán)境進行有目的的開發(fā)、利用和改造， 尋求地質環(huán)境限制因子并降低其限制強度，從而可以使地質環(huán)境承載力在量和質兩方而朝著人類預定的目標變化，以保障人類社會、經濟活動的可持續(xù)發(fā)展。1.2工程地質環(huán)境承載力對工程活動的制約工程地質環(huán)境要素主要有水、土、工程空間(包括地面和地下空間)，因此地質環(huán)境承載力按照不同地質要素分解成地下水環(huán)境承載力、土壤環(huán)境承載力、地面工程承載力和地下空間承載力。環(huán)境要素的承載力制約著工程活動的建設。在工

6、程建設中各階段所要考慮的地質環(huán)境制約，主要有 5方面:(1)地圈宏觀環(huán)境;(2)地質災害；(3)巖土地質環(huán)境;(4)水文 地質環(huán)境；(5)次生環(huán)境。這些環(huán)境因素通過其對工程地區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性、深部穩(wěn)定性、地面穩(wěn)定性、山體穩(wěn)定性和圍巖穩(wěn)定性直接影響到工程的規(guī)劃、選址、 設計、施工和運行中的工 程決荒對于地質災害、 巖土地質、水文地質的作用。 在傳統(tǒng)的工程地質評價中已經考慮得較 多，但對于地圈環(huán)境及次生環(huán)境則重視不夠，往往缺乏足夠的估價。結果往往造成更嚴重的環(huán)境地質問題。宏觀地質環(huán)境指以巖石圈為主和大氣、生物、水圈相互作用形成的區(qū)域性地圈地質環(huán)境，表現(xiàn)為巖土、水土及地下水等大面積的運移，如泥沙運移、

7、水土流失、荒漠化、土地浸沒、 河道遷他海水入侵、土地鹽漬化、土層凍融等典型的實例為黃河三門峽水庫，由于黃土高原來沙量過大，建成后無法解決淤沙問題， 進行改建時只好削減發(fā)電和蓄洪量，以加大排沙量，才能使工程地質環(huán)境對工程的制約的功能達到規(guī)劃和設計的目標次生地質環(huán)境指受已建工程的影響，而使原生地質環(huán)境有明顯變化的地質環(huán)境在礦區(qū)進行工業(yè)、民用和道路工程建設時，必須預先估計礦區(qū)開采時已造成的、或將要造成的巖土結構破損和巖土運棟尤其是對尚未出現(xiàn)，但在已建或在建工程影響范圍內，次生地質環(huán)境問題必須予以重視例如：撫順石油一廠建于撫順煤礦露天采坑上盤，建廠時，距采坑邊界較遠， 未能預見廠區(qū)地質環(huán)境的變化，但隨

8、著開采面的加深和向側幫推移，石油一廠地基變形、 開裂、廠房及煉油設施遭到損壞；韓城電廠受鄰近地下采煤的影響，發(fā)生滑動位移及地基變形；南水北調中線工程經過礦山地下采空區(qū)，其地面巖層受塌陷變形，其范圍必須查明并采取必要的工程措施以確保安全目前正在勘測設計的金沙江向家壩水電站，壩址兩岸煤層受當?shù)鼐用穸嗄觊_采，山體受到松動，在壩址選擇上應盡量避開采空。2.人類活動對地質環(huán)境的影響2.1 人類活動的內容人類工程活動是指采取工程措施進行能源、資源開發(fā)利用，工農業(yè)基礎設施和人民生活設施的建設等有關活動，包括規(guī)劃，設計、施工、開采和運行等人類的活動，不論其生活生 產和社會等活動都依賴于工程設施，即人類工程活動

9、所提供的產品一一礦山或建筑椒按照工程建設的行業(yè)功能來看， 可分為水利水電工程、 交通運輸、礦業(yè)工程、化學冶金等工業(yè)基地， 城鎮(zhèn)設施，國防基地工程，災害防治及環(huán)境保護工程等。2.2 人類工程活動地質效應地質環(huán)境作為自然系統(tǒng)處于其自身演化過程地質環(huán)境經過巖層建造、構造變形表生演化形成工程前期的地質格忌在無工程建設的條件下，它繼續(xù)遵從表生演化的規(guī)律變化。例如， 在地面表現(xiàn)為物質的風化剝蝕、運移和沉積，以及相應的地形變化；在某些劇烈的大氣、水的影響下，岸坡受到嚴重侵蝕，引起滑坡和崩塌，之后又恢復平衡狀態(tài)人類工程活動主要是從事工程建設，通過規(guī)劃、選址、設計提出工程興建的方案，然后進行施工，建成工程后繼續(xù)

10、維護和運布T從工程的功能來看，可分為礦山工程交通工程、水利水電工程地下水資源工程城市和工業(yè)建設等類型每種工程項目都可能是不同規(guī)模的建筑物系統(tǒng)，這些建筑物的興建和運營，以各種不同作用方式產生對地質環(huán)境系統(tǒng)的擾動，造成地質環(huán)境系統(tǒng)中因子能量的增長或減弱，因而改變整個系統(tǒng)的狀態(tài)， 造成地質環(huán)境質量的變化從工程建設的興建和運行過程中可能對地質環(huán)境系統(tǒng)產生的作用來看，可有以下幾種方式（表1）表1.工程活動對地質環(huán)境的作用序號工程作用 回作用方式作用結果1工程荷載建筑物對地基 或圍巖加載1地基及其周圍變形：2地基及周圍應力集中區(qū)內的巖 土屈服拉張變形2巖土開挖形成新臨空團 及應力釋放1臨陸空而外巖土變形:

11、2應力調整及出現(xiàn)屈服區(qū)和拉張區(qū):3地下水排出，引起動態(tài)變化 :4地下水補給， 引起水質惡化3水流、水體調節(jié)巖土中水的排 出及補入1巖土中滲壓改變:2巖土的水理軟化:3巖土的水力禍 合:4地下水水量水質改變4工程熱 力作用巖土中溫度的 改變1巖土中附加溫度應力與變形 :2巖土水溫度改變.觸 發(fā)水巖的水理、水化作用工程載荷 工程建筑物的自重及其運行時與其他自然和人為作用力的疊加， 造成在工程 和地質介質邊界面的荷載如大壩作用在地基上的壩體自重力和水庫中水推力組成的荷載 ；高 層建筑物在地基上作用荷載為其自重、內部設施自重和所受風力等組成 ；橋梁作用在橋基上為其自重及橋上行車、行人荷載；而用于地下貯

12、存或運輸流體的洞室，則以其內部流體的壓力施加于巖面上按荷載的性質可分為靜荷載動荷載及周期重復荷載一般工程荷載，可用工程與巖土界面上的壓力來表征。巖土開挖礦山和大型工程建設都離不開巖土的開挖，在開挖的巖土面上建基，這是工程建設的普遍行為。礦山為了采集礦石必須進行大規(guī)模的巖土開挖，而地下空間的利用，如隧洞、地下廠房、地下洞庫等亦需大量開揀即使是地面工程為平整地面和設置地基面等也要 開挖巖土，形成基坑、溝槽、渠道工程活動中的巖土開挖，對地質環(huán)境可產生多種作用和影 響，如:巖土應力狀態(tài)的卸載和調整；巖土開挖爆破損傷和振動；巖土臨空面位置、形態(tài)的改變； 在開挖后形成的界面上承受建筑物的荷載；由于開挖引起

13、地下水的排I,地表水的聚集；開挖后巖土的堆積和處理等水流水體調節(jié) 有相當一部分工程其功能就是對水流水體的調節(jié)，如水庫、水渠、輸水隧洞、堤壩等水利工程建筑，又如鉆孔、水井等地下水供水工程，則起到調節(jié)地下水的功能廣義地講，石油、天然氣的開采地下水及熱水開采、油氣的地下儲存，都是水及流體的調節(jié)工程由于極大部分工程都涉及到巖土開挖，因此，都在不同程度上影響到地下水的排泄和水位的動態(tài)過程，也可認為是工程的水文作用。在工程作用下地表及地下水系統(tǒng)受到的影響， 表現(xiàn)為水位水流方向、梯度、速度的變化，同時由于水巖作用也可產生物理的、化學的變化工程熱力作用在工程和巖土界面上發(fā)生熱傳輸，可改變初始的熱流和溫度格懇有

14、些工程在建成后保持邊界上比較穩(wěn)定的溫度，如水庫庫底溫度常年較低，而水渠水溫則周期變化放射性廢料處理洞室，則有一定幅度逐漸升n由于在工程和巖土界面上的熱傳播，可導致巖土介質中溫度變化，產生溫度應力及一系列的物理及化學的變化2.3 人類工程活動與地質環(huán)境相互作用工程荷載作用主要是對巖土內應力狀態(tài)的疊加極限的范圍內產生屈服破損，在拉應力區(qū)可出現(xiàn)張裂形成新的應力狀態(tài)在應力狀態(tài)超過強度事實上巖土介質的物性隨著應力狀態(tài)的 漲落，物性有所變化，而物性變化也會帶來應力場和變形場的調整工程開挖中形成新的臨空面，并引起巖土內在應力的釋放和調整巖土體有向臨空面位移 的趨勢，某些部位結構松弛，物性改變同時由于開挖的原

15、因，地下水暴露，壓力下降，誘發(fā) 水流向臨空面，從而改變巖土中滲流動態(tài)滲流結果是巖土體的應力狀態(tài)改變產生變瓜同時， 由于水巖作用，滲流可造成巖土體物性變化滲流邊界條件的人為改變，產生向巖土介質中滲入或由其滲出，均可改變滲壓的分布， 影響到應力的分瓶同時， 由于滲流的水巖體又可改變 物性，引起滲壓的調整，以及由此的應力場調整溫度邊界條件的改變，可改變巖土體中的溫度及隨之產生的溫度應力，后者也將參與巖土介質應力場的調整滲流邊界條件的人為改變，產生向巖土介質中滲入或由其滲出，均可改變滲壓的分布， 影響到應力的分瓶同時，由于滲流的水巖體又可改變物性，引起滲壓的調整，以及由此的應力場調整溫度邊界條件的改變

16、，可改變巖土體中的溫度及隨之產生的溫度應力，后者也將參與巖 士介質應力場的調整工程在上述諸作用的影響下， 地質環(huán)境可發(fā)生以下的變化， 形成次生環(huán)境：巖土體應力 狀態(tài)的調整；滲流滲壓的改變；巖土體物性的變化(結構松弛和壓密、變形性能、力學強 度及滲透特性的變化);巖土體的變形或失穩(wěn)，包括開裂、變形和運動工程活動作用規(guī)模和地質環(huán)境特性相協(xié)調時，環(huán)境效應不明顯，各項變化在正常情況范圍之內，不致產生嚴重的環(huán)境危害。當工程活動在規(guī)模上和地質環(huán)境特性不相適應時，在巖土體內產生大規(guī)模的屈服區(qū)或拉損區(qū)，產生大變形；或者產生過大的滲壓或滲流這時可出現(xiàn)地質環(huán)境嚴重惡化，導致環(huán)境危害或災害。2.4 人類工程活動帶來

17、的地質災害2.4.1 地質災害的特點地質災害不但具有多種自然屬性特征，而且具有多種社會屬性特征。這些特征主要表現(xiàn)為：地質災害的必然性或不可避免性；地質災害的周期性；地質災害的群發(fā)性；地質災害與社會經濟的互饋性；地質災害的可防御性以及地質災害防治的長期性等。2.4.2 地質災害的分類典型的環(huán)境危害或災害主要有以下幾種：(1 )地面沉降，表現(xiàn)為地下水超量抽汲或油氣開采，以及地下開挖，引起地下水位下降而產生地面連續(xù)變形(2)地面塌陷，表現(xiàn)為由于地下礦山開采，或地下水位因抽水、或地下開挖而下降所造成的地面塌陷，或巖溶地面塌陷。(3)地面裂縫，表現(xiàn)為由于地下水開采，地面沉降在一定區(qū)域地質條件下產生地面開

18、裂和錯動(4) 斜坡崩滑，表現(xiàn)為由于坡腳開挖、坡頂或坡面地表水(水渠工程工業(yè)或生活用水等 )入滲水庫蓄水等造成滑坡或崩塌；或因坡腳下地下開采等，造成坡頂開裂和崩塌(5)次生泥石流，表現(xiàn)為尾礦、棄硝堆積失穩(wěn)而造成的泥石流(6)岸坡侵蝕，表現(xiàn)為水渠水庫的水流及水浪產生對岸坡侵蝕和岸坡再造(7)浸沒，由于水庫蓄水及其他工程用水入滲，造成地下水位提高，接近地表，造成建 筑物基礎或地下建筑浸沒于地下水位之下。(8)疏干，由于隧道或地下開挖，造成斷裂或張開裂隙入滲，引起地面池博河溪、水渠的干涸2.4.3地質災害多人類生活與健康的危害在產生直接的環(huán)境危害時，往往還有一系列危害伴生出現(xiàn)，形成系列的環(huán)境危害鏈，

19、影響到工程區(qū)人類生活、生存的環(huán)境質量例如，地面失穩(wěn)(變形、開裂、塌陷)可誘發(fā)城市多種環(huán)境危害：建筑物傾斜或倒塌：建筑物開裂，出現(xiàn)危房 ；地面平整性破壞、路面破壞 ； 地面高低不平，洼處積水不易排泄，土地泥濘；地裂造成地面水入滲，可能引起地下水水質惡化或污染；地下管道變形、破裂， 造成電源斷路、油氣逸出、污水外泄等危害；地 下結構破損；地表水疏干，影響植被生長與綠化，等等又如斜坡崩塌，將直接影響邊坡上及邊坡下人們的生命財產與建筑物受到災害性威協(xié)；同時又造成道路堵塞、中斷；滑體滑入江湖或水庫中造成涌浪，使碼頭漲水，船泊翻倒、淹 沒沿岸建筑物等結語減輕災害損失是本世紀最后十年全人類共同奮斗的目標，需要做的事情很多，不僅要著眼于突發(fā)性自然災害的防、抗、救，防止人類工程活動誘發(fā)地質災害是實現(xiàn)減災效益的首 要方面。加強誘發(fā)地質災害研究、把人類盲目行為減少到最低程度是必須認真研究解決的首 要問題.參考文獻1 .王