工程地质学的未来在中国(黄鼎成).pdf

1 工程地质学的未来在中国工程地质学的未来在中国工程地质学的未来在中国工程地质学的未来在中国黄鼎成中国科学院地质与地球物理研究所 2004年10月21日 2 工程地质学的未来在中国工程地质学的未来在中国工程地质学的未来在中国工程地质学的未来在中国一一一一、、、、工程地质学在中国发展的优势工程地质学在中国发展的优势工程地质学在中国发展的优势工程地质学在中国发展的优势二二二二、、、、中国工程地质学发展的战略选择中国工程地质学发展的战略选择中国工程地质学发展的战略选择中国工程地质学发展的战略选择三三三三、、、、难点难点难点难点、、、、热点与新的生长点热点与新的生长点热点与新的生长点热点与新的生长点 3 一一一一、、、、工程地质学在中国发展的优工程地质学在中国发展的优工程地质学在中国发展的优工程地质学在中国发展的优势势势势国家发展的强烈需求具有充分的驱动力区域特色明显为工程地质创新发展，提供了具全球意义的空间丰厚的文化底蕴、明鉴千古的宏伟工程，是追寻人与自然和谐共荣的鞭策具备解决现代大型复杂工程建设问题和持续创新的能力 4 国家发展的强烈需求具有充分的驱动力伴随新型工业化与全面建设小康社会的历史进程，在科学发展观的指导下，资源能源、交通运输、工农业基础设施和城镇工程建设高潮叠起。例如西南地区巨大水能资源的开发工程长距离跨流域调水工程纵贯南北横跨东西的交通干线 2020年城镇化水平将发展到51.9 矿山安全以及采掘与利用技术的创新有毒有害废弃物质的地下安全处置 5 区域特色明显为工程地质创新发展，提供了具全球意义的空间独特的地质构造单元青藏高原、黄土高原、岩溶地区；板块内部地震活动性强；地质演化与地质环境的多样化；各个地质时代不同类型地层俱全，构成了种类万千的岩土介质宽阔的陆架、漫长的海岸带、典型的边缘海流经多地貌单元的河流，从高原、高山到丘陵、平原、海洋各类地貌单元一应俱全跨越多种气候带和独特的季风气候造就了复杂多样的地球表生环境高度的人为活动与悠久的历史记录 6 丰厚的文化底蕴、明鉴千古的宏伟工程，是追寻人与自然和谐共荣的鞭策整体视角、辨证统一、因地制宜的思维方法及其所形成的天地人既自成系统，又互为系统，天地人和的系统整体观和协调、协同的传统文化。 I.普里高津认为中国传统的学术思想着重研究整体性和自发性，研究协调和协同。所以，现代科学的发展趋势更符合中国的哲学思想。 7 具备解决现代大型复杂工程建设问题和持续创新的能力半个多世纪的研究实践，构造了科学的的理论、方法和学科体系炼就了一支团结协作，集勘测、设计、施工、运行和生产、教学、科研于一体的求实、创新的队伍 8 二二二二、、、、中国工程地质学发展的战略中国工程地质学发展的战略中国工程地质学发展的战略中国工程地质学发展的战略选择选择选择选择资源、能源、交通运输、工农业基础设施和城镇化的大规模建设及其技术创新、经济效益与环境安全的取向，使工程地质学的研究与发展，必然要通过难题的突破而拓展内涵，开辟新的生长点，实现理论、方法与技术体系的深度发展与跨越创新，进一步提高其解决重大问题的能力。正是人类寻求实际利益和科学发展内在规律的驱动，使21世纪工程地质学的发展反映出以下趋势。 9 1．．．．协调人与自然的关系是工程地协调人与自然的关系是工程地协调人与自然的关系是工程地协调人与自然的关系是工程地质工作的基本出发点质工作的基本出发点质工作的基本出发点质工作的基本出发点人类社会的发展是在人类认识、利用、改造和适应自然过程中不断演进的。回顾工程地质学诞生与发展的过程，正是人类理解工程建设与地质环境相互依存、相互作用的过程，是人类需求日益提高，在复杂地质环境中不断寻求适应自然的过程，协调人与自然的关系是工程地质工作的基本出发点。 10 2．．．．以整体系统的观念认识工程建以整体系统的观念认识工程建以整体系统的观念认识工程建以整体系统的观念认识工程建设和地质环境及其相互作用设和地质环境及其相互作用设和地质环境及其相互作用设和地质环境及其相互作用把复杂的地质环境与工程活动视为一个整体，它是处于各种时空尺度过程及其相互作用之中，是一个复杂的、动态的系统过程，对它的认识与解决，需要从长期积累的知识中寻找答案。这种整体系统的观念将导致对多学科交叉融合、广泛应用与发展现代技术、工程耐久性与环境安全的技术经济保障等各方面的强烈要求。 11 3 勘测勘测勘测勘测、、、、试验与理论分析试验与理论分析试验与理论分析试验与理论分析、、、、数值数值数值数值分析统一的过程分析与过程调控分析统一的过程分析与过程调控分析统一的过程分析与过程调控分析统一的过程分析与过程调控以不同时空尺度地质环境的自然演化和工程效应及其联合作用过程研究为重点，观测、探测与试验、认识与理解、模拟与预测、调控成为新时期工程地质学的基本研究方法。从过程认识到过程调控和对地质环境有序管理，形成理论创新、技术创新和工程建设融为一体的研究体制。 12 4．．．．产学研相结合产学研相结合产学研相结合产学研相结合，，，，是工程地质发是工程地质发是工程地质发是工程地质发展的需求和最佳的组织体制展的需求和最佳的组织体制展的需求和最佳的组织体制展的需求和最佳的组织体制这不仅因为工程建筑业已经成为中国经济社会发展“价值链”的有机组成部分与关键环节，特别是加入WTO和建筑业高科技化发展的需求；而且也是工程地质界长期坚持的产学研相结合解决重大问题这一优良传统的弘扬。 13 工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架在国家发展的强大驱动力下在国家发展的强大驱动力下在国家发展的强大驱动力下在国家发展的强大驱动力下，，，，充分充分充分充分发挥区域自然环境特色发挥区域自然环境特色发挥区域自然环境特色发挥区域自然环境特色，，，，以地质环境自以地质环境自以地质环境自以地质环境自然过程和工程建设与地质环境互馈过程然过程和工程建设与地质环境互馈过程然过程和工程建设与地质环境互馈过程然过程和工程建设与地质环境互馈过程研究为核心研究为核心研究为核心研究为核心，，，，以观测以观测以观测以观测、、、、探测与试验探测与试验探测与试验探测与试验、、、、认认认认识与理解识与理解识与理解识与理解、、、、模拟与预测模拟与预测模拟与预测模拟与预测、、、、调控为基本研调控为基本研调控为基本研调控为基本研究方法究方法究方法究方法，，，，将理论创新将理论创新将理论创新将理论创新、、、、地质技术创新和地质技术创新和地质技术创新和地质技术创新和工程建设过程融为一体工程建设过程融为一体工程建设过程融为一体工程建设过程融为一体，，，，通过过程认通过过程认通过过程认通过过程认识识识识、、、、过程调控实现对地质环境的有序管过程调控实现对地质环境的有序管过程调控实现对地质环境的有序管过程调控实现对地质环境的有序管理理理理，，，，使之成为实施可持续发展战略的重使之成为实施可持续发展战略的重使之成为实施可持续发展战略的重使之成为实施可持续发展战略的重要科技支撑要科技支撑要科技支撑要科技支撑。。。。 14 工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架地质环境的形成地质环境的形成地质环境的形成地质环境的形成、、、、演化演化演化演化。。。。吸收地质学各分支学科的最新研究成果，认识地质环境的结构、物质组成，探讨控制地质环境特性的过程是如何变化的，现在处于什么样的状态及其变化趋势。 15 工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架工程建设与地质环境的联系工程建设与地质环境的联系工程建设与地质环境的联系工程建设与地质环境的联系。。。。把工程建设与地质环境视为统一的整体，研究两者之间是如何联系和相互作用的。即在工程行为下，处在自然变化之中的地质体的变形破坏过程。 16 工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架工程地质学的研究与发展框架适应自然过程的选择适应自然过程的选择适应自然过程的选择适应自然过程的选择。。。。即工程地质环境稳定性评价及其后效预测与调控。针对不同的工程目标提出适应自然过程的工程设计、施工、运行的思路和工程地质环境变化过程调控的技术、方法，从而保证环境安全与工程效益的统一，实现工程建设与地质环境和谐发展。 17 三三三三、、、、难点难点难点难点、、、、热点与新的生长点热点与新的生长点热点与新的生长点热点与新的生长点（（（（一一一一））））资源资源资源资源、、、、能源开发能源开发能源开发能源开发（（（（二二二二））））交通运输交通运输交通运输交通运输（（（（三三三三））））地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护（（（（四四四四））））探测探测探测探测、、、、监测监测监测监测、、、、试验与加固技术试验与加固技术试验与加固技术试验与加固技术 18 （（（（一一一一））））资源资源资源资源、、、、能源开发能源开发能源开发能源开发 1．．．．深部开采矿山安全与环境深部开采矿山安全与环境深部开采矿山安全与环境深部开采矿山安全与环境诸如随帮、高台阶露天开采边坡稳定性评价及其管理技术深厚覆盖层建井工程地质问题深采矿山应力、渗流、温度等耦合过程与深井、巷道支护突发性灾害预警及防治技术环境评价和生态重建与环境优化 19 （（（（一一一一））））资源资源资源资源、、、、能源开发能源开发能源开发能源开发 2．．．．大型水利水电工程大型水利水电工程大型水利水电工程大型水利水电工程为实现水资源、电力资源的南北调配东西互济，跨流域调水工程、高坝大库与水电站工程规模、技术难度将成世界之最。面临极具挑战的深埋长隧洞问题、高边坡稳定性问题、高水头大流量水电站坝基稳定性问题；以及强震发生带、强震发生断层与地震反应过程等难题。 20 （（（（一一一一））））资源资源资源资源、、、、能源开发能源开发能源开发能源开发 3．．．．全断面隧道掘进机全断面隧道掘进机全断面隧道掘进机全断面隧道掘进机（（（（TBM））））施施施施工中的地质技术工中的地质技术工中的地质技术工中的地质技术。。。。TBM施工的最大特点是集掘进、出碴运输、通风除尘和支护衬砌于一体，连续掘进，支护衬砌紧跟，一次成洞，实现了高速、高效、安全和文明施工。那么，工程地质工作如何适应这一工厂化施工，应该建立起什么样的标准规范及其适用的技术体系，是一个崭新的命题。 21 （（（（一一一一））））资源资源资源资源、、、、能源开发能源开发能源开发能源开发 4．．．．海洋工程海洋工程海洋工程海洋工程特别是河口、海洋带的沉积动力学过程和海水入浸、海岸侵蚀；关系到海上石油平台、海底输油（气）管道和海底隧道稳定性的海床地貌、物质组成、结构特征及其动力特性与海床稳定性问题；深水码头建设与滨海工程所涉及的软基处理以及锚地、航道的相关问题。 22 （（（（二二二二））））交通运输交通运输交通运输交通运输面临运输能力不足和能源与环境双重压力。对工程地质、岩土工程知识支持的需求日益攀升，特别是高速铁路、大型机场、海底管道、跨海大桥建设中的相关工程地质问题。如冻土路、桥基稳定性和沿海深厚软土地基等。 23 （（（（三三三三））））地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护 1．．．．人口密集地区地下空间利用人口密集地区地下空间利用人口密集地区地下空间利用人口密集地区地下空间利用。。。。城市发展规划，软土地基与深基坑开挖、地下交通干道、供给与排放微型隧道和管网、地下生产娱乐空间、生产生活固体废弃物堆放等都需要工程地质学知识与技术的支持。特别是地球物理技术和地质技术与现代建筑技术相结合的掘进整体技术预先地质探测机械过程控制技术危险性识别的数据处理与应用技术等等 24 （（（（三三三三））））地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护 2．．．．地下空间储存原料和堆放废物地下空间储存原料和堆放废物地下空间储存原料和堆放废物地下空间储存原料和堆放废物。。。。不同储置物质的地下储存归纳起来就是泄漏问题。储存物质与低渗透围岩体的相互作用机理及其长期稳定性；流体与岩石相互作用以及围岩与储层的工程地质特性；不同储存物质地下处置库的地质选择等。 25 （（（（三三三三））））地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护由于岩体介质存在断层、节理是核素迁移的主要通道，它决定了裂缝岩体的屏障性和作为核素迁移载体的裂隙水运动特征。因此，放射性核素在地下环境中的传输动力学行为研究是高放废料安全处理的关键，它是一个长时间尺度的岩体开挖扰动区应力渗流温度化学耦合效应的复杂问题。 26 （（（（三三三三））））地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护 3．．．．地下热资源开发的地质技术地下热资源开发的地质技术地下热资源开发的地质技术地下热资源开发的地质技术。。。。地下热水资源和浅层低温位热能，为人类提供可再生的清洁能源。在考虑地质构造、岩土力学、钻井或桩基技术和经济因素情况下如何通过岩石力学的方法激发增大裂隙储体；桩土系统热水力耦合机理与浅层热能转换桩等问题的研究，具有普遍意义。 27 （（（（三三三三））））地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护地下空间的利用与保护 4．．．．深钻开采的钻井稳定性深钻开采的钻井稳定性深钻开采的钻井稳定性深钻开采的钻井稳定性。。。。一方面是应用地球物理测井观测孔壁破裂，了解其方位及钻孔的收敛，降低钻进的危险性；另一方面是对强度多变区破裂和变形及其可塑性、溶解性和膨胀性的研究；再一方面是建立深钻特征危险模型，特别是基于工程地质、岩石力、地球物理过程参数及敏感性研究的知识，建立描述耦合过程的模型和稳定性定量评价。 28 （（（（四四四四））））探测探测探测探测、、、、监测监测监测监测、、、、试验与加固试验与加固试验与加固试验与加固技术技术技术技术 1．．．．复杂近地表精细结构探测技术复杂近地表精细结构探测技术复杂近地表精细结构探测技术复杂近地表精细结构探测技术。。。。基于近地表层的不均一性和各向异性、探测目标体积小、干扰背景强的特点，使其几何形态与地球物理参数之间的关系复杂化。针对地下三维复杂介质开展与地质分析相结合的地震波传播、地震波正反演与成像、高精度地震数字信号处理，将构成对地质体精细结构探测技术的主体，特别是地震走时与振幅层析成像、地震波形反演、地震叠前深度偏移的岩体结构探测与三维成像方法和技术。 29 （（（（四四四四））））探测探测探测探测、、、、监测监测监测监测、、、、试验与加固试验与加固试验与加固试验与加固技术技术技术技术 2．．．．发展三维模型试验新技术发展三维模型试验新技术发展三维模型试验新技术发展三维模型试验新技术。。。。发展三维模型试验的关键技术在于寻求容重高、性能稳定、无公害、制作方便以及价格低可重复使用的模型材料；研制三维加载系统，模拟三维地应力场，保证试验的初始应力条件；探索开挖、支护的模拟新技术；以及施工模拟过程中洞室内部收敛变形及破坏形态的量测、观测技术等。 30 （（（（四四四四））））探测探测探测探测、、、、监测监测监测监测、、、、试验与加固试验与加固试验与加固试验与加固技术技术技术技术 3．．．．岩土力学测试技术与数值分析岩土力学测试技术与数值分析岩土力学测试技术与数值分析岩土力学测试技术与数值分析。。。。特别是现场原位试验和流变试验；发展扫描电镜观察下，X光、CT技术监测下以及声发射定位测试下的岩土力学试验；以及对岩石破裂破坏机制的微观研究；将非线性理论与工程地质学相结合，深入研究各种失稳过程的本质及其规律，以建立合理的工程岩土体失稳准则和预报理论；发展综合集成方法和工程地质力学信息技术三维可视化建模以及人工智能的应用。 31 （（（（四四四四））））探测探测探测探测、、、、监测监测监测监测、、、、试验与加固试验与加固试验与加固试验与加固技术技术技术技术 4．．．．监测与加固技术监测与加固技术监测与加固技术监测与加固技术。。。。在原有技术基础上，应用现代技术发展工程岩土体及其环境因素变化的监测技术；针对不同工程岩土体和工程性质，建立不同的控制标准；发展能够达到控制目标、实现完整的控制过程的多样化控制技术。 32 （（（（四四四四））））探测探测探测探测、、、、监测监测监测监测、、、、试验与加固试验与加固试验与加固试验与加固技术技术技术技术 5．．．．遥感遥感遥感遥感全球定位系统全球定位系统全球定位系统全球定位系统地理信息系统技地理信息系统技地理信息系统技地理信息系统技术的应用与开发术的应用与开发术的应用与开发术的应用与开发。。。。区域地质环境及其变化的快速成图热红外遥感对活动断层及其活动性的揭示遥感与地理信息系统集成三维可视化应用全球定位系统对地面变形的监测以及高边坡、地下硐室地质编录成图技术的广泛应用等等 33 谢谢