論人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的相互作用及其環(huán)境效應(yīng)_王思敬

1、第8卷第1期地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)Vol.8,No.1 1997年3月Jo ur nal of G eo log ical Hazar ds and Env iro nment Pr eser v atio n March1997論人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的相互作用及其環(huán)境效應(yīng)王思敬(中國科學(xué)院地質(zhì)研究所工程地質(zhì)力學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室,北京100029摘要人類工程活動往往受到地質(zhì)環(huán)境的制約,同時(shí)它作為活躍的因素,又積極地影響著地質(zhì)環(huán)境,促進(jìn)其次生演化。地質(zhì)環(huán)境的次生演化,常會對人類工程活動產(chǎn)生次生制約。因此,人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境表現(xiàn)為相互依存、相互作用的關(guān)系。對這種相互作用的基本概念,制約關(guān)系進(jìn)行了討論,

2、并闡述了這種相互作用的工程環(huán)境效應(yīng)。所涉及的相互作用理論,應(yīng)是環(huán)境工程地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ),是工程環(huán)境調(diào)控的重要依據(jù)。關(guān)鍵詞人類工程活動地質(zhì)環(huán)境人地相互作用環(huán)境工程地質(zhì)學(xué)環(huán)境工程調(diào)控中圖分類號X45X141P642.20引言環(huán)境問題已成為人類社會生存和發(fā)展的重大問題之一,其本質(zhì)是人類活動與自然環(huán)境的關(guān)系,即人地關(guān)系未能妥善協(xié)調(diào),而且失調(diào)有日益嚴(yán)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(rèn)識不夠、對人類活動與自然環(huán)境相互作用的后果估計(jì)不足,因而不能自覺地、科學(xué)地調(diào)控人地關(guān)系,以期取得可持續(xù)的發(fā)展。人類賴以生存的空間是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng),大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈為其

3、組成單元,它們相互依存和制約,并構(gòu)成人類活動生存和生活的總體環(huán)境。從上述地球表層各層圈的緊密聯(lián)系和相互作用來看,它們構(gòu)成地球表層圈、或稱地圈。大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和水文環(huán)境已受到社會和科學(xué)界的普遍重視,而對于以巖石圈為主的地質(zhì)環(huán)境、或巖土環(huán)境問題則認(rèn)識得還很不夠。應(yīng)該看到在地圈系統(tǒng)中各層圈不是孤立的、分離存在的,而是相互依存和制約的,任何層圈的平衡受到擾動、甚至破壞,都會在不同程度上影響總體的環(huán)境質(zhì)量。同時(shí),人類在地球表面生存棲息,主要立足于巖土構(gòu)成的土地,并在很大程度上依賴地下空間和地下提供的能源和資源?？梢哉f,人類在依賴于大氣、生物和水圈的同時(shí),也離不開巖石圈,離不開由巖土和地下水構(gòu)成的地質(zhì)

4、介質(zhì),同樣地受到地質(zhì)環(huán)境的制約。因此,考慮以巖石圈為主的地質(zhì)環(huán)境是解決本項(xiàng)研究獲國家自然科學(xué)基金“八五”重點(diǎn)項(xiàng)目(編號:49232050資助。環(huán)境問題必不可少的,地質(zhì)環(huán)境的研究應(yīng)迫切地提到日程上來。人類活動中,工程建設(shè)是提供設(shè)施、保證人類社會發(fā)展和其他各種活動得以實(shí)施的基礎(chǔ)。不論是資源、能源的開發(fā)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸,還是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、國防建設(shè),以及環(huán)境整治、災(zāi)害防治等,無一不以工程建設(shè)為前導(dǎo)。人類工程活動,即從事工程建設(shè)和礦山開采,已成為人類各類活動中最重要的內(nèi)容之一。據(jù)世界范圍不完全統(tǒng)計(jì),建筑工程面積已覆蓋陸地面積的6%8%,到2000年可達(dá)15%,人類活動在地下空間的影響深度可達(dá)萬米

5、。在我國,已建成8×104多座水庫大壩,6×104km 鐵路和100×104km 公路,200多座大型金屬礦山,500多座大型煤礦,百萬人口級大城市達(dá)數(shù)十座,數(shù)量多、規(guī)模大、建設(shè)速度快舉世矚目。因此,人類工程活動已成為地圈環(huán)境演化的獨(dú)特驅(qū)動力,其活力及影響與日俱增,不可忽視。人類工程活動是在人地界面上進(jìn)行的,離不開一定的自然環(huán)境,且與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系尤為密切?，F(xiàn)今,在許多工程地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)境問題,影響工程進(jìn)行和地區(qū)的發(fā)展,導(dǎo)致生活和生產(chǎn)條件的惡化,甚至發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。例如,由于開采礦產(chǎn),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

6、、排水不暢、洼地成澇、建筑物開裂、出現(xiàn)危屋險(xiǎn)墻,嚴(yán)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(cái)產(chǎn)安全?，F(xiàn)今中國數(shù)十座大中城市、礦山工業(yè)地區(qū)、大型基礎(chǔ)設(shè)施工程地區(qū)的環(huán)境惡化,急待整治?？傊?人類工程活動和地質(zhì)環(huán)境的失調(diào)可導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境的惡化,產(chǎn)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(zhì)關(guān)系的研究,以期指導(dǎo)調(diào)控其相互作用是當(dāng)今環(huán)境問題研究的重要而迫切的任務(wù)之一。本文將循此脈絡(luò),進(jìn)一步探討其物理機(jī)制、基本規(guī)律和動力過程,以及其工程環(huán)境效應(yīng)。1基本概念1人類工程活動

7、是指采取工程措施進(jìn)行能源、資源開發(fā)利用,工農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和人民生活設(shè)施的建設(shè)等有關(guān)活動,包括規(guī)劃,設(shè)計(jì)、施工、開采和運(yùn)行等。人類的活動,不論其生活、生產(chǎn)和社會等活動都依賴于工程設(shè)施,即人類工程活動所提供的產(chǎn)品礦山或建筑物。按照工程建設(shè)的行業(yè)功能來看,可分為水利水電工程、交通運(yùn)輸、礦業(yè)工程、化冶等工業(yè)基地,城鎮(zhèn)設(shè)施,國防基地工程,災(zāi)害防治及環(huán)境保護(hù)工程等。地質(zhì)環(huán)境是自然環(huán)境的一部分,指以巖石圈為主在和大氣、生物、水圈的相互作用中形成和演化的人類生活、生存和工程設(shè)施受其影響的周圍巖土介質(zhì)。從對人類生活、生存條件和工程建設(shè)的影響來看,地質(zhì)環(huán)境應(yīng)包括巖土物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、特性、賦存狀態(tài)、邊界條件和運(yùn)動特征

8、等方面的綜合功能。地質(zhì)環(huán)境中諸因素是相互依賴、相互制約的,而且各種因素范圍內(nèi)及各種因素之間還存在著層次的關(guān)系。各因素的效應(yīng)之間,以及它們同最終環(huán)境效應(yīng)之間可能很不相同。各層的效應(yīng)之間及它們同最終環(huán)境效應(yīng)之間,同樣也可能是很不同的。因此,地質(zhì)環(huán)境從系統(tǒng)論觀點(diǎn)應(yīng)看作一個復(fù)雜的系統(tǒng)。地質(zhì)環(huán)境賦存于自然總體環(huán)境中,作為開放的系統(tǒng),具有一定的演化條件,并處于一定的演化階段,是一個動態(tài)的系統(tǒng)。地質(zhì)環(huán)境的演化,標(biāo)志著諸要素的一部分或全部及其綜合功能的改變。地質(zhì)環(huán)境演化具有空間、時(shí)間依賴性和事件特征。自然環(huán)境的演化包括自然演化,或稱原生演化及次生演化,或工程誘發(fā)的變化:前者一般20地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)1997年

9、比較緩慢,其進(jìn)程取決于自然作用過程;后者取決于工程的進(jìn)展和規(guī)模,相對比較快速和劇烈。在人類社會發(fā)達(dá)、人口集中及大型工礦、工程地區(qū),人類的生活、生存環(huán)境往往不是純正的自然環(huán)境,或原生環(huán)境,而是受到人類活動影響,發(fā)生了變化或正在變化的次生環(huán)境。人類工程活動的環(huán)境影響,是指由于人類工程活動產(chǎn)生對地質(zhì)環(huán)境的擾動,引起地質(zhì)環(huán)境各要素及總體環(huán)境效應(yīng)的變化。因此,人類工程活動不僅受到原生地質(zhì)環(huán)境的制約,而且還會積極地去影響地質(zhì)環(huán)境、觸動它的變化。這種變化可使地質(zhì)環(huán)境更有利于人類的生活、生存和生產(chǎn)建設(shè),或者是不利于人類社會。不利于人類社會的環(huán)境變化稱為環(huán)境惡化或環(huán)境負(fù)效應(yīng);而有利于的一面則為環(huán)境優(yōu)化,或環(huán)境正

10、效應(yīng)。正負(fù)兩方面環(huán)境效應(yīng)亦可稱為雙向效應(yīng)。人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的依存關(guān)系,指工程建設(shè)不能脫離地質(zhì)環(huán)境,必定在某種程度上受到地質(zhì)環(huán)境的制約,因此人類工程活動和工程建筑物必須具備一定地質(zhì)環(huán)境的適宜性。工程建設(shè)和地質(zhì)環(huán)境構(gòu)成一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng),并賦存和開放于整個社會經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境的大環(huán)境之中。人類工程活動和地質(zhì)環(huán)境的相互作用,指一方面人類工程活動要受地質(zhì)環(huán)境的制約,另一方面地質(zhì)環(huán)境又會受到人類工程活動的影響,因此作用是相互的,稱為相互作用,亦可稱為雙向作用或互饋?zhàn)饔?。這種相互作用并不是一次性的,而是動態(tài)的演化,逐次擾動和協(xié)調(diào)的過程。相互作用過程可以收斂到相對的和諧,亦有可能發(fā)散,出現(xiàn)失穩(wěn)勢,造成災(zāi)

11、變。環(huán)境工程地質(zhì)學(xué)是工程地質(zhì)學(xué)的學(xué)科內(nèi)涵,它雖然也是地質(zhì)、工程和環(huán)境科學(xué)的交叉結(jié)合,但主要還是解決工程建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境關(guān)系問題。工程地質(zhì)學(xué)傳統(tǒng)性的核心任務(wù)是保證在地質(zhì)問題上本工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)。而從環(huán)境角度來看,應(yīng)該注意到工程建設(shè)的環(huán)境影響,應(yīng)考慮本工程之外的工程安全,本工程周圍地區(qū)的現(xiàn)今和未來工程建設(shè)發(fā)展及人民生活、生產(chǎn)條件是否會受到本工程環(huán)境影響造成環(huán)境變化的危害。因此,環(huán)境工程地質(zhì)學(xué)的基本任務(wù)應(yīng)是對人類工程活動和地質(zhì)環(huán)境相互作用的理論研究,并在此基礎(chǔ)上對工程地區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評價(jià),對工程的環(huán)境影響作用機(jī)理進(jìn)行研究,對工程環(huán)境系統(tǒng)的相互作用進(jìn)行預(yù)測和工程調(diào)控的決策。雖然,自從19

12、80年在巴黎召開的國際地質(zhì)大會上,國際工程地質(zhì)學(xué)會就發(fā)表了“工程地質(zhì)學(xué)家參與解決環(huán)境問題的宣言”,指出工程地質(zhì)學(xué)家必須以重視工程項(xiàng)目地質(zhì)問題同樣的注意力去解決工程項(xiàng)目周圍的環(huán)境,防止由于工程項(xiàng)目的影響而造成環(huán)境的惡化。經(jīng)過80年代和90年代上半期以來的15年多的研討,工程項(xiàng)目的地質(zhì)環(huán)境研究已蓬勃的開展起來:1982年在印度舉行的第四屆國際地質(zhì)大會上列出環(huán)境問題的工程地質(zhì)評價(jià)專題討論;在1984年莫斯科第25屆地質(zhì)大會上組織了環(huán)境地質(zhì)問題總報(bào)告;聯(lián)合國科教文組織出版了“地質(zhì)與環(huán)境”專輯;1997年將在希臘舉行“工程地質(zhì)與環(huán)境”學(xué)術(shù)討論會。在我國于1982,1990及1995年已經(jīng)舉行了三次環(huán)境工

13、程地質(zhì)學(xué)術(shù)討論會;1987年舉行了國際山區(qū)環(huán)境工程地質(zhì)討論會等。但是,應(yīng)該指出,環(huán)境工程地質(zhì)問題仍處于研討階段,尚有待于從現(xiàn)象到本質(zhì)、從實(shí)踐到理論的深入研究和系統(tǒng)提高。2地質(zhì)環(huán)境對人類工程活動的制約建國數(shù)十年來工程經(jīng)驗(yàn)表明,對地質(zhì)環(huán)境的忽視是工程重大失誤的重要原因。在工程的前期工作中,人們往往只注意到工程直接作用范圍內(nèi)的地質(zhì)條件,因而在工程的論證決策中缺乏21第8卷第1期王思敬:論人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的相互作用及其環(huán)境效應(yīng)正確的宏觀判斷。對一項(xiàng)大型工程建設(shè)項(xiàng)目,早期的規(guī)劃、選址和布局具有戰(zhàn)略性,環(huán)境制約因素的評價(jià)對工程的成敗具有決定性的意義。在場址工程地質(zhì)勘測中,人們已認(rèn)識到必須從比較大的工

14、程地區(qū)的工作開始逐步選址、逐步縮小到較小范圍的場址,進(jìn)行深入的勘探及工程地質(zhì)問題的分析評價(jià)。今天,從地質(zhì)環(huán)境對工程建設(shè)的制約來看,不論是工程地質(zhì)工作處于什么樣階段,從地質(zhì)環(huán)境條件來加以論證都是必要的。地質(zhì)環(huán)境的制約主要表現(xiàn)在工程項(xiàng)目的功能在一定的地質(zhì)環(huán)境作用下受到限制或障礙,因而在工程的規(guī)劃、選址、布局、設(shè)計(jì)、施工中都必須因地制宜的考慮工程的適宜性,以期所興建的工程的功能得到充分的發(fā)揮,獲得最佳的經(jīng)濟(jì)和社會效益。如圖1所示,在工程建設(shè)中各階段所要考慮的地質(zhì)環(huán)境制約,主要有5方面:(1地圈宏觀環(huán)境;(2地質(zhì)災(zāi)害;(3巖土地質(zhì)環(huán)境;(4水文地質(zhì)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

15、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(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行中的工程決策。對于地質(zhì)災(zāi)害、巖土地質(zhì)、水文地質(zhì)的作用,在傳統(tǒng)的工程地質(zhì)評價(jià)中已經(jīng)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(jià)。圖1地質(zhì)環(huán)境對工程的制約Fig .1Constraint of geoenvironment on the engineering activity 工程適宜性規(guī)劃選址設(shè)計(jì)施工運(yùn)行區(qū)域穩(wěn)定性深部穩(wěn)定性山體穩(wěn)定性地面穩(wěn)定性圍巖穩(wěn)定性宏觀環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害巖土地質(zhì)水文地質(zhì)次生地質(zhì)地質(zhì)環(huán)境制約宏觀地質(zhì)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(zhì)

16、環(huán)境,表現(xiàn)為巖土、水土及地下水等大面積的運(yùn)移,如泥沙運(yùn)移、水土流失、荒漠化、土地浸沒、河道遷徙、海水入侵、土地鹽漬化、土層凍融等。典型的實(shí)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(jìn)行改建時(shí)只好削減發(fā)電和蓄洪量,以加大排沙量,才能使工程的功能達(dá)到規(guī)劃和設(shè)計(jì)的目標(biāo)。次生地質(zhì)環(huán)境指受已建工程的影響,而使原生地質(zhì)環(huán)境有明顯變化的地質(zhì)環(huán)境。在礦區(qū)進(jìn)行工業(yè)、民用和道路工程建設(shè)時(shí),必須預(yù)先估計(jì)礦區(qū)開采時(shí)已造成的、或?qū)⒁斐傻膸r土結(jié)構(gòu)破損和巖土運(yùn)移。尤其是對尚未出現(xiàn),但在已建或在建工程影響范圍內(nèi),次生地質(zhì)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(shí),距采

17、坑邊界較遠(yuǎn),未能預(yù)見廠區(qū)地質(zhì)環(huán)境的變化,但隨著開采面的加深和向側(cè)幫推移,石油一廠地基變形、開裂、廠房及煉油設(shè)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(diào)中線工程經(jīng)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(shè)計(jì)的金沙江向家壩水電站,壩址兩岸煤層受當(dāng)?shù)鼐用穸嗄觊_采,山體受到松動,在壩址選擇上應(yīng)盡量避開采空區(qū)。3人類工程活動對地質(zhì)環(huán)境的作用方式地質(zhì)環(huán)境作為自然系統(tǒng)處于其自身演化過程。地質(zhì)環(huán)境經(jīng)過巖層建造、構(gòu)造變形、表生演化形成工程前期的地質(zhì)格局。在無工程建設(shè)的條件下,它繼續(xù)遵從表生演化的規(guī)律變化。例如,22地質(zhì)災(zāi)害

18、與環(huán)境保護(hù)1997年在地面表現(xiàn)為物質(zhì)的風(fēng)化剝蝕、運(yùn)移和沉積,以及相應(yīng)的地形變化;在某些劇烈的大氣、水的影響下,岸坡受到嚴(yán)重侵蝕,引起滑坡和崩塌,之后又恢復(fù)平衡狀態(tài)。人類工程活動主要是從事工程建設(shè),通過規(guī)劃、選址、設(shè)計(jì)提出工程興建的方案,然后進(jìn)行施工,建成工程后繼續(xù)維護(hù)和運(yùn)行。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(shè)等類型。每種工程項(xiàng)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(yùn)營,以各種不同作用方式產(chǎn)生對地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的擾動,造成地質(zhì)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(zhì)環(huán)境質(zhì)量的變化。從工程建設(shè)的興建和運(yùn)行過程中可

19、能對地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)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(zhì)環(huán)境的作用T able 1T he influence o f engineer ing a ct ivities on g eolog ical env ir onment 序號工程作用類型作用方式作用結(jié)果1工程荷載建筑物對地基或圍巖加載(加載 1.地基及其周圍變形;2.地基及周圍應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的巖土屈服拉張變形2巖土開挖形成新臨空面及應(yīng)力釋放(卸載 1.臨空面外巖土變形;2.應(yīng)力調(diào)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(bǔ)給,引起水質(zhì)惡化3水流、水體調(diào)節(jié)巖土中水的排出及補(bǔ)入(滲流 1.巖土中滲壓

20、改變;2.巖土的水理軟化;3.巖土的水力耦合;4.地下水水量水質(zhì)改變4工程熱力作用巖土中溫度的改變(熱流 1.巖土中附加溫度應(yīng)力與變形;2.巖土水溫度改變,觸發(fā)水巖的水理、水化作用(1工程荷載工程建筑物的自重及其運(yùn)行時(shí)與其他自然和人為作用力的疊加,造成在工程和地質(zhì)介質(zhì)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(nèi)部設(shè)施自重和所受風(fēng)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;而用于地下貯存或運(yùn)輸流體的洞室,則以其內(nèi)部流體的壓力施加于巖面上。按荷載的性質(zhì)可分為靜荷載、動荷載及周期重復(fù)荷載。一般工程荷載,可用工程與巖土界面上的

21、壓力來表征。由于巖土體的承載能力及工程建筑物結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度所限,工程荷載一般在10M Pa 之內(nèi)。只是對某些特殊的工程項(xiàng)目,如火箭發(fā)射臺、地下核試驗(yàn)工程等,基巖面可受到極大的沖擊荷載。(2巖土開挖礦山和大型工程建設(shè)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(shè)的普遍行為。礦山為了采集礦石必須進(jìn)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挖。即使是地面工程為平整地面和設(shè)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(zhì)環(huán)境可產(chǎn)生多種作用和影響,如:巖土應(yīng)力狀態(tài)的卸載和調(diào)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

22、成的界面上承受建筑物的荷載;由于開挖引起地下水的排泄、地表水的聚集;開挖后巖土的堆積和處理等。(3水流、水體調(diào)節(jié)有相當(dāng)一部分工程其功能就是對水流、水體的調(diào)節(jié),如水庫、水渠、輸水隧洞、堤壩等水工23第8卷第1期王思敬:論人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的相互作用及其環(huán)境效應(yīng)24 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù) 1997 年 建筑物。又如鉆孔、 水井等地下水供水工程, 則起到調(diào)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(diào)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(rèn)為 是工程的水文作用。在

23、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(shí)由于水巖作用也可產(chǎn)生物理的、 化學(xué)的變化。 ( 4 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局。 有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高。由于在工程和巖土界面上的熱傳播, 可導(dǎo)致巖土介質(zhì)中溫度變 化, 產(chǎn)生溫度應(yīng)力及一系列的物理及化學(xué)的變化。 從上述人類工程活動諸作用的普遍性及影響能力來看, 工程的巖土開挖和堆填, 以及水 流、 水體調(diào)節(jié)是最重要的。 工程的荷載作用及熱力作

24、用, 一般作用范圍較局限, 作用引起的環(huán)境 效應(yīng)也較小。 巖土開挖和水流、 水體調(diào)節(jié), 是人類工程活動施加于地質(zhì)環(huán)境的巖土水等物質(zhì)的運(yùn)移。邊 界條件的改變、 尤其是勢能梯度的改變, 造成巖土水離開平衡狀態(tài), 進(jìn)入位移和運(yùn)動狀態(tài), 從而 造成更大范圍的巖土水系統(tǒng)的要素和總體功能的改變。地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中巖土水組成、 結(jié)構(gòu)格 局、 性能和賦存狀態(tài)的改變, 以及邊界條件的變化, 標(biāo)志著地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的變化。 在許多情況下 地質(zhì)環(huán)境有所惡化, 嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生, 并引起對地區(qū)的工程建設(shè)和城鎮(zhèn)發(fā)展的次生反 饋制約。 4人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境相互作用的機(jī)理及環(huán)境效應(yīng) 人類工程活動通過它對地質(zhì)環(huán)境的作用,

25、造成地質(zhì)環(huán)境的某種改變, 形成次生的地質(zhì)環(huán) 境。 若所受作用嚴(yán)重、 次生環(huán)境的某些要素有所惡化, 并顯著地對周圍環(huán)境不利時(shí), 則可能造成 環(huán)境危害或是環(huán)境災(zāi)害。 人類的工程活動就其本意而言, 是利用自然資源、 改善自然環(huán)境, 以利于人類生活、 生產(chǎn)和 社會的發(fā)展, 這應(yīng)該是主導(dǎo)的一面, 因此對于工程而言應(yīng)該強(qiáng)調(diào)保證其經(jīng)濟(jì)、 社會和環(huán)境效益 的統(tǒng)一。但由于在工程建設(shè)中未認(rèn)識到, 因而也未能考慮到工程活動導(dǎo)致環(huán)境惡化的可能性、 并采取有效的工程調(diào)控時(shí), 常會出現(xiàn)次生環(huán)境的危害, 然而這是誘發(fā)的、 伴生的, 第二位的。 人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境相互作用, 包括在系統(tǒng)中的地質(zhì)環(huán)境對工程建設(shè)的原生制約,

26、工 程建設(shè)對地質(zhì)環(huán)境的人為干擾, 以及地質(zhì)環(huán)境的響應(yīng)和對工程建設(shè)的次生制約, 以及系統(tǒng)的反 饋。 在相互作用中工程活動的作用是積極因素, 而地質(zhì)環(huán)境又是基礎(chǔ)的內(nèi)在的因素。 人類工程 活動觸發(fā)地質(zhì)環(huán)境變化的機(jī)理, 是整個系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。 人類工程活動系統(tǒng)與地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)在相互作用中的物質(zhì)交換、 能量交流, 主要體現(xiàn)為加 載、 卸載、 滲流、 熱流等四大作用。在相互作用系統(tǒng)內(nèi)它們是相互關(guān)聯(lián)的, 而其作用結(jié)果又是相 互影響的, 所以構(gòu)成復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。 工程荷載作用主要是對巖土內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的疊加, 形成新的應(yīng)力狀態(tài)。 在應(yīng)力狀態(tài)超過強(qiáng)度 極限的范圍內(nèi)產(chǎn)生屈服破損, 在拉應(yīng)力區(qū)可出現(xiàn)張裂。 事實(shí)上巖土介質(zhì)

27、的物性隨著應(yīng)力狀態(tài)的 第 8 卷第 1 期 王思敬: 論人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的相互作用及其環(huán)境效應(yīng) 25 漲落, 物性有所變化, 而物性變化也會帶來應(yīng)力場和變形場的調(diào)整。 工程開挖中形成新的臨空面, 并引起巖土內(nèi)在應(yīng)力的釋放和調(diào)整。 巖土體有向臨空面位移 的趨勢, 某些部位結(jié)構(gòu)松弛, 物性改變。 同時(shí)由于開挖的原因, 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(jié)果是巖土體的應(yīng)力狀態(tài)改變、 產(chǎn)生變形。 同時(shí), 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(chǎn)生向巖土介質(zhì)中滲入或由其滲出, 均可改變滲壓的分布, 影 響到應(yīng)力的分布。

28、同時(shí), 由于滲流的水巖體又可改變物性, 引起滲壓的調(diào)整, 以及由此的應(yīng)力場 調(diào)整。 溫度邊界條件的改變, 可改變巖土體中的溫度及隨之產(chǎn)生的溫度應(yīng)力, 后者也將參與巖土 介質(zhì)應(yīng)力場的調(diào)整。 由上述可見, 幾種作用的條件互為因果, 呈現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)作用, 每種作用皆可參與巖土中 應(yīng)力場的調(diào)整及物性的改變, 并由此控制巖土體的變形和地下水的運(yùn)移。 工程在上述諸作用的影響下, 地質(zhì)環(huán)境可發(fā)生以下的變化, 形成次生環(huán)境: 狀態(tài)的調(diào)整; 滲流、 滲壓的改變; 巖土體應(yīng)力 巖土體物性的變化( 結(jié)構(gòu)松弛和壓密、 變形性能、 力學(xué)強(qiáng) 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(yùn)動。 工程活動

29、作用規(guī)模和地質(zhì)環(huán)境特性相協(xié)調(diào)時(shí), 環(huán)境效應(yīng)不明顯, 各項(xiàng)變化在正常情況范圍 之內(nèi), 不致產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境危害。 當(dāng)工程活動在規(guī)模上和地質(zhì)環(huán)境特性不相適應(yīng)時(shí), 在巖土體內(nèi)產(chǎn)生大規(guī)模的屈服區(qū)或拉 損區(qū), 產(chǎn)生大變形; 或者產(chǎn)生過大的滲壓或滲流。 這時(shí)可出現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境嚴(yán)重惡化, 導(dǎo)致環(huán)境危害 或?yàn)?zāi)害。 典型的環(huán)境危害或?yàn)?zāi)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(chǎn)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

30、開采, 地面沉降在一定區(qū)域地質(zhì)條件下產(chǎn)生地面開裂和 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、 棄碴堆積失穩(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(chǎn)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(chǔ)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, 引起地面池塘、 河溪、 水渠

31、的 干涸。 在產(chǎn)生直接的環(huán)境危害時(shí), 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, 影響 到工程區(qū)人類生活、 生存的環(huán)境質(zhì)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(zhì)惡 26 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù) 1997 年 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; 損; 地表水疏干, 影響植被生長與綠化, 等等。 地下結(jié)構(gòu)破 又如斜坡崩塌, 將直接影響邊坡上及邊坡下人

32、們的生命財(cái)產(chǎn)與建筑物受到災(zāi)害性威協(xié); 同 時(shí)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。 綜上所述, 人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的相互作用, 主要機(jī)制是工程對地質(zhì)環(huán)境的物理擾 動, 包括荷載、 滲壓、 熱流等, 造成巖土特性的改變, 引起巖土水的運(yùn)移, 由此可產(chǎn)生一定的環(huán)境 效應(yīng)及危害。 參 考 文 獻(xiàn) 1王思敬, 戴福初. 人類工程 活動與地質(zhì)環(huán)境的依存關(guān)系與相互作用. 典型 人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境相互作用 研究( 二 . 北京: 地震出版社, 1995. INTERACTION BETWEEN HUMAN ENGINEERING ACTIVITY AND GEOENVIRONMENT AND ITS ENVIRONMENTAL EFFECTS Wang Sijing ( Inst itute o f Geo lo gy , Chinese Academy o f Sciences, Beijing 100029 A