工程地质学的大成综合理论.pdf

书书书 工程地质学报 工程地质学的大成综合理论 王思敬 中国科学院地质与地球物理研究所北京 摘要工程地质学工作大多涉及系统工程问题综合集成应是必需的技术路线 多元知识即多学科的综合集成道路已 得到普遍共识 作者提出工程地质学需要发展大成综合理论即多源知识的综合集成 钱学森在研究复杂巨系统中考虑到 推理经验和实测信息的集成并称之为大成综合 本文从工程地质实践出发指出大成综合理论在各工程 建设阶段有不同的用法但本质上是三种来源知识的相互制约和融合以期达到结论的一致性做出合理而可靠的决策 某 大型抽水泵站高边坡的工程决策过程表明大成综合理论可能支持超越常规的认识做出突破性决策 关键词工程地质学系统综合集成大成综合多源知识突破性决策 中图分类号 文献标识码 收稿日期 收到修改稿日期 作者简介王思敬主要从事工作 引言 工程地质学要解决大量工程建设问题从工程 的规划设计施工到建成运行涉及到工程质量环 境影响结构安全长期稳定和风险对策等多方面因 素的相互作用和制约 工程的兴建又和周边的自然 和社会环境有所关联 就工程地质学而言至少是 地质和工程两个一级学科的结合各自涵盖着大量 的二级学科和学科领域 因此工程地质学所要解 决的是系统工程问题工程地质系统无疑是多层多 元的开放的复杂巨系统 在工程地质学科中必须 应用和发展系统工程学理论和方法数十年来已成为 普遍的共识 在系统工程研究中首先人们注意到多学科的 综合例如固体力学水力学的应用水文气象学 以及地理地貌学等的应用和结合建立系统的工作 原理和方法 在地质工程技术方面人们也注意到 各种物理构造化学材料及信息技术的集成形成配 套的技术系统 现代工程地质学采取系统工程学作 为其基本的技术路线应是正确的选择 钱学森先生在研究复杂巨系统中考虑到推 理经验和实测信 息的集 成 并 称 之为 大成 综合 这一提法应是系统工程学理论 的一次飞跃它超越了多学科或多种技术的综合集 成把多源知识的综合提到日程上来从而提升系统 工程学的理论层次 作者注意到工程地质学工作的经验性很强大 成综合理论可能会对工程地质学的发展及其解决实 际工作能力的提高起积极的推动作用 同时在作 者的工作中也体会到凭经验一味推理和唯技术论 均有不足之处而三者的综合才会取得工程问题可 靠的决策 在有些情况下它甚至有助于复杂疑难 问题的解决有时可取得超过一般的认识做出超出 常规的突破性决策 作者还注意到尽管工程地质学界和岩石力学 学界已有一些专家开展了大成综合理论的应用和研 究但是多年来进展较慢尚未受到足够的重视 作 者撰著本文希望引起学界的关注在工程地质学实 践中加以研究和发展以期得到更为广泛的应用 大成综合理论概述 大成综合理论 主张在复杂的 系统工程问题的评价和决策中应将人类对某一问题 的多源知识包括推理经验和测量依据综合运用 以便取得比较客观的评价做出比较可靠的预测和 比较合理的决策 在现代工程实践中虽然综合集成理念和技术 得到广泛的重视和应用但大成综合的提法应是系 统工程学理论的一次飞跃它超越了多学科或多种 技术的综合集成从源头上把专家所具有的多源知 识的综合提到日程上来从而提升系统工程学的理 论层次 工程地质学的研究对象的地质体是一类自然造 物形成的物体具有突出的随机性模糊性和复杂 性因而在工程决策中面临着很强的不确定性 这 就导致推理甚难常求助于经验判断 所以工程地 质学被认为是一门经验性很强的学科这是很自然 的 经验指工程专家或专家群体从经历过的工程实 践和工程问题的解决过程中所学习到或领悟到的知 识或解决问题的依据 基本的经验的运用就是工程 类比法 专家们从回忆中或文献记载中搜寻到与问 题工程比较相近的对比工程以当时问题所在和问 题解决结果为比较进行本工程问题的判断和决策 工程地质学家很重视工程问题的实录 工程地质学 杂志上刊登了大量以某些工程地质问题实例描述和 讨论的文章使工程地质专家的经验库得到充实专 家们在工程地质咨询或讨论时往往因能援引实例而 雄辩 工程地质经验的总结和系统化则为大量工程所 遇到的一些共性问题获得经验性解答许多结果纳 入了相应的规范和标准 岩石的工程地质分级及其 广泛应用把个别的局部的经验变成了专家的群体 经验 然而应用经验常会遇到经验不足的苦楚在不 同的工程地质条件或更大工程规模的情况下工程类 比的准确性就受到关键的质疑 成功的经验并不能 表示其决策已达到问题的上限而无需进一步优化 相反失败的经验也并不意味着决策达到问题的下 限遵从它也未必安全 工程地质地质问题推理有很大的不确定性和难 度但是工程地质学家也不断试图通过地质规律的 分析和现代数理学科的应用来建立一些分类分级 模式模型和本构关系以求定性半定量或定量地 评价地质体的特性描述工程地质作用机理和动力 过程预测它的发展趋势 在理论上对考虑甚多因 素尚无能为力的条件下理论模型常被经验加以补 充以求得其尽可能的完整和完善或者必须通过实 测数据对理论模型进行调整 在地质不确定性和复杂性的制约下专家们企 求通过更多的探测手段取得更真实的参数并采用 更先进的测量技术去监测工程地质体的表现和行 为依此来验证经验和推理的结论发觉其不足之 处加以补救 但是探测和测试也是有限的不可 能很准确的描述地质体的非均质性 监测和检测工 作一般只能到开始施工或完工后才能进行并取得 数据 从上述简要的表述不难看到三种来源的知识 中没有一种可以包打天下而可靠地取得成功 而 三者的融合确实可以得到互补使我们所做出的决 工程地质学报 策安全可靠风险相对最小 大成综合理论的应用 我们注意考察一下专家们在进行工程地质评 价预测和决策过程中的表现就可以发现他们事实 上是在综合运用上述三种来源的知识解决工程问题 的但常不够自觉步骤不够完善 例如当经验不 够或缺乏足够工程实例时就会用理论来外推 在 进行理论分析时有可能运用经验来选定一些必要 的分析参数 甚至测得的数据也有必要通过经验对 比或理论分析来判定其可靠性 国际岩石力学的创始人 年 来我国访问时谈过一段他接受瓦尔德克 号水电 站地下厂房咨询顾问的经历 该地下厂房围岩为软 质的泥质灰岩裂隙比较发育建大跨度地下洞室难 度较大 为此他首先对岩石探洞进行了 的考 察 然后他索取了洞室结构计算分析成果 又经 过一番研究后他决定接受聘任同时建议将洞室 周边及边角设计成弧形以避免应力集中 他还建 议在开挖洞顶的上方沿洞室主方向打一水平孔设 置一根 长的水平测斜仪监测在施工过程中 的洞顶变形 虽然从此过程我们可以体会到他实 际上实行了大成综合的技术路线但当时未请他细 说决策的思维和依据 我们可以看到整个隧道施 工新奥法的原理也正在于此 我国一些学者也就工程地质中大成综合理论及 其运用开展了认真的研究 李世辉 通过已有 隧道围岩收敛变形分析经验数据对隧道实测的 收敛值进行边界元法反演以确定围岩的分级质量 提出了隧道工程的围岩参数评价方法 杨志法 则按大成综合理论思路对湖南沅水五强溪水 电站左坝肩高边坡进行了逐步评价每步都考虑了 经验判断计算分析测量数据及其反分析的结果 作者注意到到目前为止大成综合理论仍未受 到足够的关注对它的运用方法尚未得到系统的阐 述有待进一步研究和实际应用 作者认为大成综合理论首先承认工程决策的 三大支柱是经验推理和实测缺一不可 但在实质 上是认为这三者在工程决策中不仅是叠加而是融 合起到互相补充互相制约的作用 三源知识信息数据对某工程问题的结论可 能相同或者某种程度上不同抑或根本反向不同 若三者相同则按共同结论做出决策应是可靠的 若是不同则不可叠加求和平均或取其多数而必须 实施三者的实质性综合 作者提出一种螺旋式渐进融合法来解决三元 知识的不一致性 在三源数据不一致时结论正确 性是不确定的不能武断哪一种是否正确抑不正 确 通过权重法排除某些结论也是不可取的 第 步初始结论及对比 提出相应的经验推 理和实测资料和结论进行初始对比 结论不一致 或偏离很大影响工程决策时就应转入下步工作 第 步自检与自行改善 对经验结论要检查 对比工程的适宜性找出其不适宜的问题 对推理 结论则要检查其计算参数边界条件和计算方法的 合理性找出不合理的疹及疖所在 而对实测资料 和结论则需检查其测量结果的可靠性其布局及测 量数据的合理性 在此基础上进行自行改善 根据自检出的问 题进行修改例如搜索更适宜的对比工程和资料 或请教更有关的内行专家修改结论 对计算模型 和参数进行调整再计算并将结果同原有结果对 比评估修改的合理性 通过第二步工作仍不能取 得三者一致结论时则必须转入第三步进行大成综 合的实质性融合 第 步交叉检验和互补优化 这时应考虑另 二种素获得的资料和结论对本工作方法判据和结 论进行检验和评估进一步探求其不合理性和存在 的问题 据此进行互补优化 利用其它二种工作所取得 的重要资料和结果补充和修改本工作的基本条件 和参数及工作方法求取新的结果和结论 第 步反复对比求得一致 上述三步工作经 过必要的重复后可望获得比较一致的结论也可以 说是比较可靠的结论和决策 这种决策的有可能超 过专家的平均水平甚至突破常规性决策 综上所说大成综合理论所追求的是三源知识 资料数据或信息 的融合和结论的一致性 如 何做到尚有待更多的研究与探索 突破性决策的实例 作者在这里介绍一次自身的经历试图通过事 实说明大成综合的内涵和实质以及它对工程地质 决策的重要支持力 乌江下游某大型地下工程由于大量水源需求 设计在江水面以下岸坡修建大型地下取水泵站 泵 王思敬 工程地质学的大成综合理论 站为圆形竖井直径 深 泵站地面连接高 边坡高 初始边坡约 人工开挖 边坡的总坡角达 在泵站开挖过程中岩石破碎地下水发育井 壁稳定性差 边坡开挖开始便发现岩石极为破碎 软弱含大量夹泥稳定性差 土样测得内摩擦角 凝聚力 采用极限平衡推力法 分析得安全系数 左右 计算所得设计边坡的稳 定性很差 设计单位认为需要更换场址或者应进行大规 模边坡加固工程 问题在于更换场址经济损失过 大而加固处理则影响工期可能贻误大局 业主单 位邀请了约 来位有关行业专家涵盖了大学科 研机构和生产部门的工程地质水文地质和岩土工 程等专业进行技术研讨以期取得可靠的结论和合 理的决策 第 天讨论大家一筹莫展 多数专家认为既 然稳定性不够更换场址最为可行 但是有较合适 地形可作为大型水源场址距主要设施过远技术和 经济皆不甚合理 有些专家把注意力转到边坡处理 上但能否既保证工期又对边坡进行处理呢 工程 施工安全能否得到保证呢 专家们又有诸多的顾 虑 结论难下只能期待明天 作者时任专家组组长有责任分析和综合专家 们的意见取得有共识的结论为此需要将所有资料 进行综合分析研究 从专家经验的角度看人工开挖边坡坡角与相 对稳定的自然边坡接近时在一般情况下稳定性不 会太差场址在适当处理的基础上应该基本可用 从理论计算的结论来看边坡稳定性很差稳定 系数只有 工程勘测过程中唯一的测试数据是取样土的强 度试验参数那是相当低的 第 天的现场考察专家们见到的边坡岩石露 头表明沿边坡走向有一条大型破碎带通过其宽度 达 作者观察到这是一条大型薄层泥 质灰岩的层内强烈挤压褶皱型破碎带具有层状碎 裂结构 它保留一定的岩层形象但受大量顺层错 动而破碎 泥质物含量不算太多应在 上下 第 天早晨再次考察现场对地质构造进一步 判断支持了部分专家的经验性看法 会议上较多 专家认为土样只代表最薄弱部分并不能代表整体 性能 事实上岩体中土一般呈断续状分布在错动 层之间而其大多具有比边坡陡的倾角 因而取样 土并非可能的滑动面土 虽然土样有实测数据但 无代表性 采用这种数据进行的计算自然也不能 表达真实的边坡稳定性 但是推理结论和经验结 论的背离得不到统一仍无法取得专家共识 作者 按照层状碎裂结构推断岩体质量达到 级上的条 件粗略估算稳定系数可能达到 新的推 理并没有使作者轻松风险压力却有所增大 第 天中午作者放弃了午休第 次来到现 场注重看可能滑动面的构成 突然看到有几层灰 岩在边坡不同高程上排列着虽然受断裂切割拉开 但仍似陡立的不规则柱状体插入边坡 在作者的眼 中它们就像几排抗滑桩尽管强度不高但无疑会在 相当程度上增加了边坡的稳定性从而支持了边坡 基本稳定的看法 下午在讨论会上系统地总结分析了对边稳定 性有利与不利的条件 有利的条件为边坡岩体属层状碎裂体边坡稳 定性差但岩层陡倾夹泥沿层面分布可能滑动面 将切割岩层而非沿夹泥层发育坡角 高 的边坡基本稳定 边坡的在水平面上为环绕泵站竖井的弧形坡 滑动时有一定侧测向阻力有利于稳定 边坡属于临时边坡在一个枯水季节内完成泵 站建设之后将进行地面回填形成约 的坡面 因此在采取适当或局部措施的条件下基本稳定边 坡是可以接受的 在会议取得了基本共识后尽管不是专家一致 认识但也可以做出结论了 考虑到工程的测试研究不够专家组建议加强 安全监测 加强地面排水 对实际开挖中发现的不 稳部位采取局部抗滑支护以免产生突破破坏 指 出了边坡破坏的突破口可能是井口与边坡连接的部 位而井口壁的变形职位关键 为此建议加宽井口 平台加强井口的锁口支护 做出结论后专家们仍捏一把汗再三叮嘱施工 单位注意边坡的安全巡视 年秋作者从五七干校回京后急忙电询业 主单位关于该工程情况得到的回答是没有问题工 程顺利 作者才放下心来 结语 这应该是一次突破性的决策它超出了常规的 认识 当然这是一次咨询工作而非系统的工程研 工程地质学报 究无法做得完善只算是应急行为仅有一点大成 综合的意味 作者期望年轻的工程地质学家能关注 这一方向的研究更快地将经验推理实测知识融 合起来使工程地质工作能力提高更好地服务于祖 国的大规模工程建设 参考文献 钱学森 于景元戴汝为 一个科学新领域 开放的复杂巨 系统及其方法论 自然杂志 李世辉隧道围岩稳定系统分析 北京 中国铁道出版社 杨志法系统科学在工程地质力学中的应用 中国科学院地质 研究所工程地质力学开放研 究实验室 年年报 北京地 震出版社 杨志法 柯天河王常敏等 五强溪水电站左岸船闸边坡开 挖监控设计的理论与实践 工程地质学报 王思敬 工程地质学的大成综合理论