工程地質(zhì)課程野外實(shí)習(xí)教學(xué)案例

工程地質(zhì)課程野外實(shí)習(xí)教學(xué)案例

“工程土壤質(zhì)量”課程包括地質(zhì)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、測量學(xué)、工程安全和管理、電子工程機(jī)械等許多學(xué)科。這是一門實(shí)踐非常豐富的專業(yè)課程，在工程勘察、設(shè)計(jì)、施工、環(huán)境評(píng)估、環(huán)境評(píng)估和民防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于自然界巖石的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其物理力學(xué)性能的復(fù)雜多變性和不確定性,工程技術(shù)人員除擁有扎實(shí)的基本地質(zhì)知識(shí)外,掌握野外地質(zhì)工作的基本技能和方法也是非常必要的。南灣水庫工程地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)已經(jīng)歷了近50年的風(fēng)雨歷程。20世紀(jì)60年代初,原鄭州工學(xué)院水利系利用南灣水庫優(yōu)質(zhì)的水利資源和便利的交通條件建立了水利水電工程和農(nóng)田水利工程的長期地質(zhì)實(shí)習(xí)基地,為國家培養(yǎng)了大批水利人才。今天,經(jīng)過幾代人的建設(shè)與發(fā)展,南灣水庫地質(zhì)實(shí)習(xí)已形成了較為完善的野外教學(xué)體系,成為水利與環(huán)境學(xué)院多個(gè)學(xué)科專業(yè)教學(xué)工作的重要組成部分。但是,隨著鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院最近幾年的學(xué)科發(fā)展,地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)也面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。最初的地質(zhì)實(shí)習(xí)時(shí)間較長,一般安排在第三學(xué)年開課前的兩周,是水利工程本科二年級(jí)學(xué)生經(jīng)過84學(xué)時(shí)的“水利工程地質(zhì)”室內(nèi)課程學(xué)習(xí)的延續(xù)。目前實(shí)習(xí)時(shí)間被壓縮為一周。特別是2008年,學(xué)院增設(shè)道路橋梁與渡槽專業(yè)后,地質(zhì)實(shí)習(xí)基地的建設(shè)工作受到較大的沖擊,正處于十字路口。因此,為體現(xiàn)學(xué)院水利水電工程辦學(xué)傳統(tǒng)與辦學(xué)特色,既要照顧水利工程老牌專業(yè)的特點(diǎn),又要考慮道橋工程新專業(yè)的發(fā)展方向,地質(zhì)實(shí)習(xí)教育改革這一問題已十分緊迫。本文結(jié)合南灣水庫的地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)體會(huì)和學(xué)院相關(guān)學(xué)科的特點(diǎn),對(duì)工程地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)方法進(jìn)行一些探討。一、形成了比較完整的教學(xué)體系注重實(shí)踐教學(xué)是原鄭州工學(xué)院長期形成的具有工科特色的優(yōu)良傳統(tǒng)。南灣水庫實(shí)習(xí)基地經(jīng)過50年的建設(shè)和發(fā)展,已形成一套較為完善的工程地質(zhì)教學(xué)體系,建有標(biāo)本陳列室、巖土工程實(shí)驗(yàn)室、圖書資料室、實(shí)踐教學(xué)教材和野外教學(xué)路線,每年配備有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的教師隊(duì)伍和較好的后勤保障體系。此外,學(xué)院利用多年的校友師生關(guān)系,與實(shí)習(xí)基地有關(guān)單位建立了良好的合作關(guān)系,所有這些都是學(xué)院乃至學(xué)校學(xué)生能夠享用的優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。1.泥質(zhì)區(qū)基本巖巖南灣水庫位于我國著名的大別山造山帶北麓的前陸地區(qū),晚古生代以來經(jīng)歷了多期復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。出露有大量典型的基礎(chǔ)地質(zhì)資源(如巖石、地層、構(gòu)造)和豐富的不良地質(zhì)現(xiàn)象(如滑坡、蠕變、崩塌、滲漏、不均勻沉降和泥化夾層)。該區(qū)三大類巖石發(fā)育齊全,巖漿巖僅有流紋斑巖,呈灰白色,斑狀結(jié)構(gòu),致密堅(jiān)硬,為當(dāng)?shù)鼐哂懈叱休d性狀的良好巖石地基。沉積巖出露同樣很少,且大都已輕微變質(zhì),僅在實(shí)習(xí)區(qū)外圍龜山腳下零星出露有震旦系的粉砂巖、泥巖和頁巖。由于庫區(qū)的構(gòu)造位置處造山活動(dòng)帶邊緣,因此出露大量的變質(zhì)巖,而且種類齊全,有區(qū)域變質(zhì)巖、接觸熱變質(zhì)巖和動(dòng)力變質(zhì)巖。區(qū)域變質(zhì)巖包括片巖、板巖和千枚巖,其中灰黑色碳質(zhì)絹云母片巖是壩區(qū)的軟巖,所構(gòu)成的邊坡常常蠕動(dòng)變形,形成大片“醉漢林”;接觸熱變質(zhì)巖包括紅柱石角巖和綠泥石角巖;動(dòng)力變質(zhì)巖包括糜棱巖、斷層角礫巖、碎裂巖和斷層泥。2.地質(zhì)意義與時(shí)代歸屬信陽南灣地區(qū)為典型的構(gòu)造活動(dòng)帶地層,全區(qū)地層普遍變質(zhì),生物化石幾乎絕跡,具有明顯不同于板內(nèi)(華北地區(qū))相近時(shí)代地層的特殊性。20世紀(jì)70年代以來,隨著秦嶺-大別造山帶研究熱潮的興起,許多地質(zhì)單位(如原長春地質(zhì)學(xué)院和河南地調(diào)局)相繼在信陽南灣一帶展開工作,其地層層位與時(shí)代歸屬問題幾十年來一直爭論不休,已成為我國地學(xué)界大地構(gòu)造學(xué)與地層古生物學(xué)的探索前沿。實(shí)習(xí)區(qū)位于南灣水庫大壩附近,出露的地層為信陽群龜山組的第三段至第七段。按照大多數(shù)單位的意見,時(shí)代應(yīng)定為震旦紀(jì)—晚古生代(Z—Pz1g)。最近在信陽地區(qū)黨校附近發(fā)現(xiàn)了震旦系中的冰川沉積,證實(shí)了古板塊碰撞帶同樣存在神秘的“雪球事件”,從而把學(xué)生們帶進(jìn)遙遠(yuǎn)而寒冷的“震旦紀(jì)公園”。3.典型的斷層構(gòu)造南灣水庫巖石變形強(qiáng)烈,褶皺、斷裂等構(gòu)造現(xiàn)象出露良好。尤其是節(jié)理構(gòu)造在區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育,除發(fā)育少量張節(jié)理外大都為剪節(jié)理,其特點(diǎn)是節(jié)理面平直光滑、產(chǎn)狀穩(wěn)定,有時(shí)切穿整個(gè)山坡。典型的斷層構(gòu)造有東壩頭剝離斷層,下降盤雖已被庫水淹沒,但斷層面及斷層面上的摩擦鏡面和擦痕依然清晰。褶皺構(gòu)造主要有電廠倒轉(zhuǎn)背斜、東壩頭向斜和水上運(yùn)動(dòng)中心短軸狀褶皺構(gòu)造。東壩頭向斜位于東壩頭正斷層上盤,由斷層相對(duì)運(yùn)動(dòng)拖曳形成。水上運(yùn)動(dòng)中心短軸狀褶皺構(gòu)造屬層內(nèi)褶皺構(gòu)造,規(guī)模較小,在剖面上迅速尖滅。以上野外實(shí)習(xí)內(nèi)容能培養(yǎng)學(xué)生觀察地質(zhì)現(xiàn)象、探索自然現(xiàn)象和分析地質(zhì)問題的基本工作方法和技能,使學(xué)生真正把握課堂學(xué)習(xí)的工程地質(zhì)知識(shí)理論,逐步提高應(yīng)用地質(zhì)原理解決工程實(shí)際問題的二、工程地質(zhì)服務(wù)于工程建設(shè)的思想南灣水庫工程地質(zhì)實(shí)踐教育的對(duì)象為鄭州大學(xué)水利水電專業(yè)及道橋渡河專業(yè)的本科生,因此要求學(xué)生必須牢固樹立工程地質(zhì)服務(wù)于工程建設(shè)的思想,必須深入了解地質(zhì)條件對(duì)工程建設(shè)的影響,必須初步掌握各種地質(zhì)災(zāi)害的防治措施。實(shí)習(xí)區(qū)具有罕見的不良地質(zhì)現(xiàn)象,現(xiàn)分述如下。1.邊坡變形治理壩西頭溢洪道兩岸發(fā)育龜山組的石英云母片巖,西岸入水口處巖石的層理、片理與坡面的產(chǎn)狀完全一致,因此風(fēng)化后松弛張裂現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致邊坡水土流失,從而影響坡底溢洪道的泄洪能力。針對(duì)以上地質(zhì)情況,南灣水庫管理局采取坡面噴漿治理措施,水土流失得到有效遏止。此外,閘門附近兩岸各發(fā)育一個(gè)滑坡。東岸滑坡規(guī)模較小,滑動(dòng)面由兩組斷層結(jié)構(gòu)面組成,滑體長22米,高14米。西岸滑坡規(guī)模較大,滑體長52米,高76米,由南北兩個(gè)次級(jí)小滑坡構(gòu)成,為保證溢洪道的正常泄洪和閘門的安全運(yùn)行,南灣水庫管理局對(duì)西岸邊坡實(shí)施人工放坡,總計(jì)土石量達(dá)1萬余方。以上兩個(gè)滑坡的巖性均為堅(jiān)硬的石英云母片巖,產(chǎn)生原因均為兩組不同產(chǎn)狀的斷層切割所致。2.張性斷層與南緣地區(qū)斷層的交會(huì)處根據(jù)南灣水庫管理局提供的資料,在壩軸線0+570~0+614的原河槽部位,發(fā)育寬44m的斷層破碎帶,深及巖基以下70米。經(jīng)區(qū)域資料分析,該處為東西向壓性斷層與南北向張性斷層的交會(huì)處。特別是南北向順河張性斷層的0+595~0+610一段與壩軸近于垂直,導(dǎo)致東西兩岸的巖層有明顯推移現(xiàn)象,整個(gè)西岸向北推移,東岸相對(duì)向南推移。在東岸電廠附近,至今仍清晰保留有斷層崖、斷層三角面等地形標(biāo)志。該斷層破碎帶巖性極其軟弱,局部呈豆腐渣狀,是南灣水庫壩區(qū)最為嚴(yán)重的不良地質(zhì)現(xiàn)象。1951年開挖地基發(fā)現(xiàn)后,大壩被迫重新設(shè)計(jì),導(dǎo)致十萬民工下山撤出工地及工期延誤一年多。由此可見,忽視地質(zhì)問題會(huì)給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。3.壩體結(jié)構(gòu)及壩體設(shè)計(jì)東壩肩Z—Pz1g4-5云母片巖中發(fā)育大量閉合狀剪節(jié)理,裂隙率為1.5%,最大線密度為12條/米。經(jīng)多年來的節(jié)理實(shí)測與統(tǒng)計(jì),壩區(qū)主要有三組節(jié)理:走向NE60-80和NE20-30剪節(jié)理最為發(fā)育;走向NW340的剪節(jié)理較為發(fā)育;走向SN的張節(jié)理少量發(fā)育,但透水性強(qiáng),是壩肩的主要滲漏通道。此外,大壩上游距壩軸線30米處發(fā)育寬約10厘米的泥化夾層。該軟層呈黃褐色,性極軟,錘擊甚至手抓即破碎,野外遇水后迅速成糨糊狀。產(chǎn)狀為178∠35,傾向上游,上部較陡而下部轉(zhuǎn)緩。4.邊坡對(duì)接現(xiàn)象軟巖具有較大的流變性,因此邊坡破壞方式為長時(shí)間的蠕變。電廠附近的Z—Pz1g4-2碳質(zhì)絹云母片巖是本區(qū)罕見的軟巖,由其構(gòu)成的山坡變形嚴(yán)重,長有大片“醉漢林”。邊坡崩塌也是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害,一般發(fā)生于山區(qū)地勢(shì)陡峻部位,巖石多為堅(jiān)硬的剛性塊裂巖體。南灣水庫東山口附近的邊坡崩塌發(fā)育于極其堅(jiān)硬的Z—Pz1g4-9石英片巖中,最大的崩落體約4~5個(gè)立方米,是松弛張裂和重力滑動(dòng)長期作用的結(jié)果。5.軟巖葉片與圍巖不同部位河床沖刷是水利工程經(jīng)常遇到的工程地質(zhì)問題。尤其在電站、溢洪道挑流消能部位,一般說為了防止上下游巨大的水位差產(chǎn)生的動(dòng)水壓力,對(duì)河床及兩岸的巖體要求甚嚴(yán)。塊狀、厚層狀的巖體Pz1g4-2軟巖交界處。巨大的水流沖擊在河床已形成一個(gè)深坑,嚴(yán)重威脅溢洪道及兩岸的巖體穩(wěn)定。三、非地質(zhì)類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)的必要性幾年來工程地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)的改革與實(shí)踐證明,野外實(shí)習(xí)是培養(yǎng)工科學(xué)生吃苦耐勞和團(tuán)隊(duì)精神的一種必要手段,這對(duì)當(dāng)今新一代獨(dú)生子女尤為重要。但是由于種種原因,非地質(zhì)類專業(yè)的地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)的野外課時(shí)越來越減少,實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)越來越緊張。這些問題令人擔(dān)憂,值得大家思考和研究。1.優(yōu)質(zhì)教學(xué)內(nèi)容的開發(fā)南灣地質(zhì)實(shí)習(xí)作為鄭州大學(xué)水利工程專業(yè)的必修課程,只能加強(qiáng),不能削弱。南灣水庫實(shí)習(xí)基地豐富而優(yōu)質(zhì)的野外地質(zhì)教學(xué)資源以及較為完善的基礎(chǔ)地質(zhì)教學(xué)體系能夠全面地使水利工程專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握基礎(chǔ)地質(zhì)理論、野外地質(zhì)工作的方法和技能,能夠培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力和吃苦耐勞精神。同時(shí),南灣水庫地質(zhì)實(shí)習(xí)也為后續(xù)“水文地質(zhì)”、“土力學(xué)”、“巖體力學(xué)”、“巖土工程勘察”等課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.地質(zhì)實(shí)習(xí)設(shè)備和地質(zhì)條件研究自從設(shè)立水利工程一級(jí)博士點(diǎn)以后,學(xué)院的學(xué)科建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。新建的水文水資源本科專業(yè)2007年已開始招生,在大學(xué)二年級(jí)第二學(xué)期開設(shè)有“水文地質(zhì)”必修課,但遺憾的是教學(xué)計(jì)劃尚未安排相應(yīng)的地質(zhì)實(shí)習(xí)。南灣水庫同樣是進(jìn)行水文地質(zhì)實(shí)習(xí)的理想場所,可以觀察和了解山區(qū)河流和平原地區(qū)河流的河谷、河床和沖積物特點(diǎn);了解和掌握山區(qū)及沖、洪積扇平原區(qū)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄特征;了解南灣水庫的用途及其與地下水的補(bǔ)給關(guān)系;了解水源地的選擇和保護(hù),飲用水的處理與輸送;觀察不同巖性(軟巖和硬巖)和不同構(gòu)造部位裂隙發(fā)育情況;了解泉水的出露和形成特點(diǎn)?？偠灾?水文水資源專業(yè)在南灣水庫進(jìn)行水文地質(zhì)實(shí)習(xí)是十分必要的,也是十分可行的。3.與地質(zhì)實(shí)習(xí)專業(yè)的分離道橋與渡河本科專業(yè)也是學(xué)院新建立的本科專業(yè),2008年開始招生。教學(xué)計(jì)劃安排有地質(zhì)實(shí)習(xí)。道橋渡河專業(yè)的地質(zhì)實(shí)習(xí)應(yīng)與水利水電工程