21世纪中国​大规模建设中的重大工程地质与环境问题

　　【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

　　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OliveiraP.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288km､158+(131-288km)km和157.5km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1240km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1594.4km｡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12mm•a-1,珠穆朗玛峰地区12-50mm•a-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≥Ⅸ度区线路累计长127km,占8%｡全线设特大､大､重型桥梁392座,总长108.9km;隧道419座,最长者达12.59km,总长491.8km｡全线桥隧总长600.7km,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35500km｡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2mm•a-1以上,最高速率大于10mm•a-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-6mm•a-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2000mm,华南地区雨量一般在1000-2000mm•a-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500mm•a-1,西北腹地塔里木盆地小至25mm•a-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伍法权:中国21世纪若干重大工程地质与环境问题117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①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;②岩体的动力参数与动力本构;③工程的区域地壳稳定性;④河床深厚覆盖层的地基(包括桥基)动力稳定性;⑤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①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;②矿山深部开采高地压与采场顶板管理;③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①高地应力下斜坡岩体卸荷及参数变化;②高边坡岩体的动力变形与动力破坏;③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①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;②深埋隧洞围岩中的水-岩(应力)-温耦合作用;③深埋隧洞高地压下软岩大变形;④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①千米深岩体精细结构的探测技术与推断方法;②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①复杂洞群围岩变形与稳定性的群洞效应;②大跨度高边墙洞室岩体变形与稳定性控制;③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①冻土的冻胀､融沉､流变性规律问题;②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①岩溶发育规律及其探测技术;②管道岩溶化岩体的处理与弱岩溶化岩体的利用;③深埋隧洞施工中岩溶突水预报理论与方法;④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①在工程荷载作用下河床深厚覆盖层差异沉降;②河床深厚覆盖层坝基渗漏;③河床深厚覆盖层渗透变形;④河床深厚覆盖层地震液化;⑤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①欠固结的湖､海相淤泥质软土工程性质的区域差异性;②高含水量､高压缩性与118JournalofEngineeringGeology工程地质学报20019(2)流变性软土排水压密固结技术;③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①煤矿井筒破坏机理及防治技术;②深埋煤矿软岩巷道大变形与处理技术;③“三下”采矿技术;④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①桥基的静力变形与稳定性;②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①海底隧道工程地质条件的海上探测技术;②海底隧道施工中围岩或软土变形与稳定性问题;③海底隧道施工中围岩突水问题等｡④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①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;②软土地基变形与地基处理问题;③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!

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