水利工程与岩土环境及相关的问题

水利工程与岩土环境及相关的问题_地质与岩土力学基

情景1　工程、环境、问题、概念

【学习目标】

1.了解岩土工程概念，理解岩土环境的重要性。

2.了解水利工程与岩土环境关系以及出现的问题。

3.理解地质问题，了解《地质与岩土力学基础》的思路和学习方法。

【能力要求】

1.基本的概念分析能力。

2.形象观察能力。

3.搜集资料的能力。

【必要的理论知识与资料】

1.1　岩土工程与岩土环境

以岩土工程与岩土环境概念开启《地质与岩土力学基础》课程的学习和思考，是由于它们的相关性，也是为同类和相接近专业学生找到的兴趣点。相近的工作域，巨大的市场需求，就业的著名度，以这样的驱动引导我们的思考，充满了积极主动性。

1.1.1　岩土工程

随着时代进步，土木工程领域逐渐摆脱了以自然木材为主的传统，大量的混凝土、现代复合材料等在工程里广泛运用，以及人们不断向自然的纵深发展开拓，使得土木工程这一传统概念出现了表达上的为难和不足，因而概念必须嬗变和创新。20世纪60年代，欧美国家在土木工程实践中根据工作对象和技术相关性提出了岩土工程这一概念和系统雏形。

在工程建设中有关岩石或土的利用、整治或改造的科学技术叫岩土工程。在学理性上强调科学技术，在实践性上，包含与岩土相关的一切工程活动。

岩土工程是在探索和求解岩体与土体工程问题(包括地基与基础、边坡和地下工程等问题)中不断深入和发展，逐步成熟的，初步形成了自己的系统框架和方法手段。工作内容可以分为:岩土工程勘察、岩土工程设计、岩土工程治理、岩土工程监测、岩土工程检测。

岩土工程是以土力学、岩体力学及工程地质学为理论基础，运用各种勘探测试技术对岩土体进行综合整治改造和利用而进行的系统性工作。这一学科在国外某些国家和地区被称为“大地工程”、“土力工程”或“土质工程”。本课程也刚好包括这些学科内容，只是侧重与水利工程建设的关系。

1.1.2　岩土环境

·学习讨论　环境是什么呢?对学习环境进行分析(图1－1，图1－2)。

图1－1　教室里学习的大学生

图1－2　大学的自习室

什么是学习环境?

环境要素都有哪些?

环境重要吗?

如何对待环境?

学习与环境能分开吗?

以环境为题，充分思考提出各种问题。

环境:①周围的地方。②环绕所管辖的地区。③周围的自然条件和社会条件。

环境总是相对于某一中心事物而言的。环境是有别于主体的外在，无所不包。时空的、物质的、精神的都是主体的外在。地球上的任何主体其基本的环境要素都相似。只是A主体与B主体他们的环境里一个有个B，一个有个A，是唯一的区别点，其他的都相同。(当然，A也是A的环境，即他也有他自己的内环境。)

要素虽然在属性上类似，但是时空的距离，作用的强弱，直接与间接，依然可以让关系更加丰富多样。如空间的三个齿轮，我们可以看出很多特点(图1－3)。

图1－3　齿轮关系图

如果不是均质和对称的齿轮，想象是变形的和不均质的齿轮，在作用过程中的每时每刻它的运动就更加特殊，远远超出了简单的要素概念。

如果我们以岩土作为一个主体，它当然也有自己的环境，如果以岩土工程活动为主体，它也必然有自己的环境。在岩土里做工程，岩土与工程紧密贴近贴紧在一起。例如在一个隧道里，面对的全是岩土，还有背后开挖的空间，环境显示出它的刚性、迫近与直接。离得远一些，工程就相对缩小。例如，我们在高空思考地下的隧道掘进就是一点隐伏的小隙，岩土又浑厚巨大起来，这样，岩土与岩土工程就显示出了区别所在(图1－4，图1－5)。

图1－4　在岩体上切割建材石料

图1－5　隧道开挖支护

在我们充分明白了环境的意义之后，分析岩土环境就有了动力。岩土环境既可以理解为我们当前工作所面对的岩土体及其相关的延伸的自然体的一定范围;也可以理解成工作之前的自然状态，强调的是原来的状态;更可以理解为工作场所周围较大范围甚至更大区域。因为从地球上的任何一点扩散开来，都是层层联系，环境的立体圈层就渐次扩大，我们很难划清一个边界，所以环境是丰富而广延的。

岩土环境就其狭义来说，是包围或支撑工程主体的岩石土体。广义来说，地面附近的大气，水分，直至生物体，人类，都是属于岩土环境因子，虽然各别与岩土，但是以充分的相互作用和扰动而增加了岩土环境的信息量和能量，使得我们无法割裂它们，从而成为一个整体，而有些在不同地质时期已经转化为岩土，所以，我们不能忽视这些。环境有物质属性，运动属性，更有高级的结构构造，它不只是一个简单的空间概念和地域概念。

1.2　水利工程与岩土环境及相关的问题

1.2.1　水利工程与岩土环境

对于水利行业或者水利工程来说，其中的多种建筑工程人们习惯称之为土建工程，而且这种土建工程量大面广，是水利建设的主业。随着社会生产力的进步，水利工程的“土建性”愈益趋向“岩土性”，水利工程越来越向崇山峻岭和深深的地下开进，它的环境日益“坚硬”，“岩性”更加突出，岩土二字就必然成为水利人的基本概念。

相应的，岩土环境也越来越呈现出它的丰富的一面。人们认识到，环境不单只是水利工程即岩土工程建设的场所、场地、资源、条件，不只是考虑环境对工程的影响，也需要考虑工程对环境的反馈，对自然的反作用。全面、正确的工程建设理念就会指导人们尽可能避免一些环境灾害、灾难的发生，工程建设效益的最大化才可实现。

人类的生产生活离不开水，也离不开大地，人类生活和生存的主要区域——陆地，水少岩土多，但是由于不均衡的降水以及不均衡的陆地地形，以及人类分布和活动的特殊性，使得人类在利用水的过程中产生了很多矛盾，出现了很多困难与障碍，在协调和处理人类与水的关系中，人们也积累了丰富的经验教训。我国传统文化中的朴素认识“水来土掩”，“因势利导”等就是最为形象的描述之一，深刻反映了水利活动与岩土的关系。

1.2.2　历史上的经验教训

大约在4000多年前帝尧时，中原洪水泛滥造成水患灾祸，百姓愁苦不堪。帝尧命令鲧(gǔn)治水，鲧受命治理洪水水患，鲧用障水法，也就是在岸边设置河堤，但水却越淹越高，历时九年未能平息洪水灾祸。接着命鲧的儿子禹继任治水之事。

黄河为害最甚，所以大禹治水时，在黄河上下工夫最多。他上溯黄河源头，从积石山疏导到龙门，然后南到华阴，东折至砥柱(修三门峡水库时已炸掉)，又至孟津等处。“禹以为河从来者高，水湍悍，难以行平地，数为败，乃厮(义为分)二渠以引其河”。

他发现龙门山口过于狭窄，难以通过汛期洪水;他还发现黄河淤积，流水不畅。于是他大刀阔斧，改“堵”为“疏”。就是疏通河道，拓宽峡口，让洪水能更快地通过。如孟子所说，“禹之行水也，行其所无事也。”不是用人力去与大自然对抗，而是顺其自然，因势利导，给洪水找出路，所以他是“疏九河，瀹(yuè)济、漯(tà)而注诸海，决汝、汉，排淮、泗而注之江”，洪水导入长江，排入大海，终于有所归依。

大禹治水的活动是人类历史上不可多得的伟大壮举，在处理水问题中，已经拥有了系统的全局眼光，堵与疏这一水土环境根本问题在这里有了成功的答案。

建于公元前256年的都江堰水利工程，是战国时期秦国蜀郡太守李冰率众修建的一座大型水利工程，是现存的最古老而且依旧在良好运行的伟大水利工程。都江堰水利工程是全世界水文的鼻祖，是至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。由鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分和百丈堤、人字堤等附属工程构成，科学地解决了江水自动分流(鱼嘴分水堤四六分水)、自动排沙(鱼嘴分水堤二八分沙)、控制进水流量(宝瓶口与飞沙堰)等问题，消除了水患，使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。人类巧妙利用自然，改造自然，科学治水，高效永固的典范非他莫属。洪水与岩土和谐相处，从此不再成为制造泛滥的原罪，而成为创造肥沃的功臣，矛盾的转化只在那轻轻的一点。

公元前246年兴建，历时十年完工的郑国渠是关中最早的大型水利灌溉工程。根据古书记载和今人实地考查，它位于关中北山南麓，在泾阳、三原、富平、蒲城、白水等县二级阶地上，由西向东，比降为0.64‰，沿线与冶峪、清峪、浊峪、沮(jū)漆(今石川河)等水相交。将干渠布置在平原北缘较高的位置上，便于穿凿支渠南下，灌溉南面的大片农田。它西引泾水东注洛水，长达300余里(灌溉面积号称4万顷)(图1－6)。

建于公元前214年的广西壮族自治区兴安县境内的灵渠，是世界上最古老的运河之一。将兴安县东面的海洋河(湘江源头，流向由南向北)和兴安县西面的大溶江(漓江源头，流向由北向南)相连，凿成通航，长约30多km，宽约5m，跨越分水岭太史庙山时，从几十米高的石山中，劈开一条河道，蔚为壮观。

大运河是中国古代伟大工程，南起杭州，北到涿(zhuō)郡(今北京)，全长2700km，跨越地球10多个纬度，纵贯中国最富饶的东南沿海和华北大平原，通达黄河、淮河、长江、钱塘江、海河五大水系，是中国古代南北交通的大动脉，也是世界上开凿最早、规模最大的运河(图1－7)。后经元朝取直疏浚，全长1794km，成为现今的京杭大运河(图1－8)。

图1－6　郑国渠

图1－7　隋运河分布图

图1－8　京杭大运河

古今中外人类利用自然改造自然的成功经验很多，失败教训也多有记述。在自然环境中御水治水是最为复杂浩大的工程，成功的原因是人们充分认清了环境，分析清楚了事物运动变化的脉络，才会孕育出宏大空间的工程华章。

安阳红旗渠是一个人工修建的灌渠工程，位于河南省林州市(原林县，属于安阳市)，林州市处于河南、山西、河北三省交界处，是个土薄石厚、水源奇缺的贫困山区。为了改变因缺水造成的穷困，林县人民从1960年2月开始修建红旗渠(原称“引漳入林”工程)，竣工于1969年7月。灌区有效灌溉面积达到54万亩。红旗渠以浊漳河为源。渠首位于山西省平顺县石城镇。总干渠长70.6km，渠底宽8m，渠墙高4.3m，纵坡为1/8000，设计加大流量23m3/s，全部开凿在峰峦叠嶂的太行山腰，工程艰险。被世人称之为“人工天河”，在国际上被誉为“世界第八大奇迹”。这里的悬崖峭壁为工程增加了罕见难度，而层状水平岩层为工程建设提供了比较有利的条件(图1－9)。

在极其艰难的施工条件下，林县人民靠自力更生，艰苦创业的精神，克服重重困难，奋战于太行山悬崖绝壁之上(图1－10)，险滩峡谷之中，逢山凿洞，遇沟架桥，削平了1250座山头，架设151座渡槽，开凿211个隧洞，修建各种建筑物12408座，挖砌土石达2225万 m3。如把这些土石垒筑成高2m，宽3m的墙，可纵贯祖国南北，把广州与哈尔滨连接起来。这是当代岩土工程的卓绝一页。

图1－9　依水平岩层而建的红旗渠

图1－10　悬崖峭壁上的施工

1.2.3　当代水利工程一些典型环境问题的思考

随着工业革命的爆发，人类利用和改造自然的活动的广度、深度、频度前所未有，经验教训不一而足。科学技术的核心价值是发现和创造，但是科学技术的自我纠错矫正功能更应该加强。在现代生产力条件下，人类活动的能力、能量爆发式增长增大，思路与方法少有差池就会产生巨大的损失与破坏，甚至产生不可挽回的损失，如环境退化、资源枯竭，生态破坏等。因而未雨绸缪，及时纠错，总结教训，随着时代进步而不断提高科技活动的安全性、高效性、预见性，就能够可持续发展。

从古至今，黄河无数次泛滥，治黄成为历代统治阶级和老百姓共同的愿望。

据史料记载，自周定王五年至1938年的2500年间，黄河下游决口1590次，大规模改道26次，洪水波及范围北抵天津、南达江淮，达25万km2。民间有“三年两缺口，百年一改道”之说。究其原因，是黄河流域的气候特性(主要是降水特性)、流水作用与流域的地质系统的不平衡不协调造成。大江大河是一个大系统，处理大系统必须整体兼顾。

1949年8月，黄委会提出解除下游洪水为患的方法是:选择适当地点建造水库，首选三门峡。经过了反复的论证比较，地质水文勘察，经过全国人大表决，1957年4月13日，三门峡水利枢纽工程正式开工。1958年11月25日，三门峡工程完成对黄河的截流!当坝前水位达332.58m(尚未到设计高度)的时候，泥沙淤积迅速发展。1962年2月工程建设按设计完成。在自蓄水以来一年半的时间里，15亿吨泥沙全部铺在了从三门峡到潼关的河道里，把潼关河床抬高了4.5m。不到一年，渭河流域淤积了大量泥沙，河床抬高，大片良田浸没(后期出现了大面积土壤盐碱化)，危险直逼古都西安。蓄水不到5年，库容损失一半。改建后的三门峡，与没有修建水库前的自然情况无大区别(自然径流发电)。但是却产生了最糟糕的问题，河床的“翘尾巴”——即泥沙淤积向上游延伸。即使拆除了大坝，想降低回复到原来的侵蚀基准面，也只能等待河流自我冲刷河床淤积了，那将是漫长的时间。所以环境灾变的修复有时需要比产生灾变的时间长无数倍。

新丰江水库又称万绿湖，它是1958年筹建新丰江水电站时，在距广东省河源市仅6km的新丰江下游的亚婆山峡谷修筑拦河大坝蓄水而形成的。新丰江水库湖面面积370km2，库容量139亿m3，平均深度30～40m，最深达80～90m。最宽处12km，碧波万顷，有“山中海洋”之称。

新丰江水库提供给地质科学的是水库诱发地震。超大量的水体开始存留于相对较小自然区域内，对于局部地层、地壳的扰动毋庸置疑。

新丰江水库蓄水的同年11月便记录到地震活动。

1960年5月，水库的水位蓄到81m时，发生了三至四次强度为3.1级左右的有感地震。

1960年7月18日，水库水位升到90m时，发生强度为4.3级的中度地震。

1962年3月19日，水库水位升到110.5m时，发生了震级6.1级(一说6.4级)的强震，震中位于大坝下游1.1km处，震源深度约为5km，此次地震对大坝的局部地段造成损害，此后，地震的强度逐年迅速减弱(水位上升，地震频度增加，水位下降，地震频度降低)。

天开水库位于北京房山西南13km，天开村西北。1959年11月动工，1960年4月落成。完成土石方40万m3。水库面积1.6km2，库容1475万m3。主坝高24.5m，坝顶长250m。库区地层为震旦亚界蓟县系迷山组厚层白云岩、厚层硅质条带石灰岩、条带状斑点状白云岩夹绢云母片岩，洪水庄组白云岩、板岩、页岩等。库区地层为单斜岩层，倾向NE70°～80°，倾角25°～40°。主坝处为牤牛河现代河道，副坝坝基下为古河道，松散沉积层厚20m以上，其中砂砾石层厚8m，未做防渗处理。

牤牛河在孤山口村以上常年有地表水流，孤山口村至龙泉为间歇河段，水流潜入地下，仅在洪水期有地表水，龙泉以下，又有常年水流。

据观测，当水库蓄水后，发生了严重的渗漏现象。一开始，库内便出现大量气泡，最严重的是牛耳湾至主坝前，库水渗干后便留有大量渗坑和渗沟，其方向与岩层裂隙方向一致。在水库开始蓄水的第二天，天开村的井水位开始上升。1963年库水为85.3m时，最大每天漏水量达10万m3以上，天开村的井水位上涨了7.5～7.8m，坝下游河道阶地冒水，天开村的街道、居民院落、室内地面也冒水，房屋建筑安全受到威胁。另外，库水位在超过78m时，副坝下的古河道也开始漏水。副坝下游井水位增长幅度明显，如(1963年)30#井一天内水位上涨5.67m，水位最大上涨达18.85m。库水位下降时，天开村及副坝下游井水位也随之下降，说明库水和井水之间有水力联系。所以，水库多年不敢蓄水，即使是洪水期，也要尽快把水放走。水库建成后，从1960年至1981年期间，除1960年蓄水时间为149天外，其余各年均不满100天，最少的1968年，仅蓄水16天。近30年，仅主坝前在夏季有小面积水面。

意大利瓦依昂水库库岸滑坡是世界上著名的损失最惨重的滑坡事件。该水库大坝修建于意大利北部威尼斯省瓦依昂河下游。总库容1.69亿m3，设计水位高程722.5m，混凝土双曲拱坝坝高265.5m，弦长160m，为当时世界上最高的拱坝。大坝于1960年竣工。边施工，边蓄水。于1960年2月开始蓄水，1960年9月完成蓄水任务，坝前水位已达到130m深度，水库最大水深232m。

1963年10月9日22时38分(格林尼治时间)从大坝上游峡谷区左岸山体突然滑下体积为2.4亿m3(或2.7～3亿m3)的超巨型滑坡体。2km长的水库盆地在15～30秒内被下滑岩体壅起巨浪，浪高175m。滑坡体的运动速度约15～30m/s(或估计为25～50m/s)。滑坡体激发了相当大的冲击震波。其震波在罗马、特里雅斯特、巴塞尔、斯图加特、维也纳和布鲁塞尔等地均有记录。但仅仅观测到面波，与地震波有区别。在岩体下滑时形成了气浪，并伴随有落石和涌浪。涌浪传播至峡谷右岸，超出库水位达260m高。涌浪过坝高度超出坝顶100m。过坝水流冲毁了位于其下游数公里之内的一切物体。龙热罗涅、维拉诺瓦等好几个市镇被冲走。死亡近3000人。这场灾难从滑坡发生到坝下游被毁灭，不到7分钟。

拥有2.4亿～3亿m3的岩土体滑入水库，致使坝前1.8km长的库段被填满成为“石库”，因而整个水库失效报废。而混凝土拱形大坝却安然无恙。

长江三峡水利枢纽工程，简称三峡工程，是中国长江上游段建设的大型水利工程项目。分布在重庆市到湖北省宜昌市的长江干流上，大坝位于三峡西陵峡内的宜昌市夷陵区三斗坪，并和其下游不远的葛洲坝水电站形成梯级调度电站。它是世界上规模最大的水电站，是中国也是世界上有史以来建设的最大的水坝。而由它所引发的移民、环境等诸多问题，使它从开始筹建的那一刻起，便始终与争议相伴。

三峡大坝由于有三门峡水电站的前车之鉴，因此泥沙问题始终是三峡工程技术讨论的重中之重。三峡水电站采用“蓄清排浑”的方法来应对。提出不同意见的部分学者认为，长江上游河流所携带的除了泥沙，还有颗粒较大的鹅卵石，在三峡大坝筑起后将极难排出，会造成堵塞，并向上游延伸，进而影响重庆。三峡工程对环境和生态的影响非常广，其中对库区的影响最直接和显着，对长江流域也存在重大影响。

三峡水库库容极大，因此必然会增加库区地震的频率。但支持工程的人士认为，当时论证坝址时，非常重要的一个考虑因素就是地质条件，三斗坪附近的岩体比较完整，断裂少，历史上也极少发生有感地震，因此不大可能发生破坏剧烈的强震。三斗坪的上游地区，地质条件主要是碳酸盐岩，发生地震的可能性较大，但烈度估计最高也不会超过6级，而三峡的主要建筑物都是按照防7级地震烈度来设计的。由于三峡两岸山体下部未来长期处于浸泡之中，因此发生山体滑坡、塌方和泥石流的频率会有所增加，这将是三峡工程所能造成的主要地质灾害。而工程的反对者们则质疑论证过程只考虑了地质的静态状况，没有考虑蓄水后可能带来的地质条件质变。蓄水后，库区微震已经明显增多。

根据统计资料，库容小于0.1亿m3的小型水库，其发震概率小于万分之一;0.1亿至1.0亿m3的中型水库，发震概率小于千分之一;1.0亿至10亿m3的大中型水库，发震概率大于百分之一;大于100亿m3的大型水库，发震概率则大于十分之一。

2014年以来，秭归发生了多次地震，最大4.7级。

三峡工程是关系国计民生的大工程，透过丰富的资料我们可以窥见工程的系统框架，包括设想，计划，勘测，论证，决策，执行，管理，运行，发展，维护，一系列的问题。对于三峡工程的学习思考，可以帮助我们更加重视岩土环境的复杂性，生态环境的敏感性，水利类大型工程的综合性，它也是一切工程工作者的学习范本。

大水库大问题必须重视，小水库小问题也不可小视。2013年5月5日18时50分许，甘肃永登县一座刚刚建成试蓄水的水库——翻山岭水库发生管涌，并引发水库坝体坍塌。这次事故造成2个村257户1020人受灾，没有造成人员伤亡。水库里的水已经全部下泄，两个村960亩农田被洪水浸泡，有蔬菜大棚倒塌，局部路面和灌溉渠道被水冲毁。

1.2.4　广大而隐伏状态的土体问题

一些典型的直接的环境灾害问题是不容置疑的和显而易见的，而一些渐变的、复杂的或者不易被觉察的灾害并没有引起人们足够的重视，而成为显著灾害的时候，也许更为棘手和难以根治。

以水利类开发利用而言，不合理超额开采地下水引起的地面沉陷，大面积的地下水开采引起的沙漠化现象，地下水原因引起的不均匀沉降等，这些现象或者灾害每日每时都在我们周围出现，更多的由于它的细微性而被忽视，或者只简单归之为施工的原因或者其他一些容易被开脱的原因。

上世纪20年代，上海是中国最早发现地面沉降迹象的城市。一个世纪后，上海市区地面累计沉降量已经超过2m，贯穿市区的苏州河面高度明显高于河岸。

有专家估计“如果考虑到通货膨胀和上海经济总量增加，20年内(2001—2020年)地面沉降的经济损失可能达到千亿元的水平”。

上海通过关闭深井、控制地下水开采、加强回灌等措施，使得在2011年上海地下水回灌量首次超过开采量，地面沉降控制在6mm之内，达到了历史最好水平。

承受沉降之痛的不仅是上海。截至2011年12月，中国有50余个城市出现地面沉降，长三角地区、华北平原和汾渭盆地已成重灾区。

西安市地面沉降发现于1959年，1971年后随着过量开采地下水而逐渐加剧。1972—1983年，最大累计沉降量777mm，年平均沉降量30～70mm的沉降中心有5处。1983年后，西安市地面沉降趋于稳定发展，部分地区还有减缓的趋势。到1988年最大累计沉降量已达1.34m，沉降量100mm的范围达200km2。

相反的也有一些水利灌区由于持续的灌溉，地面抬升不易被觉察，而地下水位的上升已经导致低洼地带地下水出露，沼泽化现象已经发生。

1.3　地质，工程地质、岩土力学基础

1.3.1　地质概念

通过水利工程与环境的关系分析，我们发现水土矛盾是基本的矛盾，派生出来的问题寻找其根源，依然是缺乏对环境层面的深入了解。水体的相对简单性往往使行业工作者忽视或者不了解岩土环境、自然环境的复杂性，或者是缘于工程的自足性和科技、经济条件的局限性放任对广泛意义上的问题严重性的考究，以点为重心，不考虑全局性，因而，稍有认识差池就会导致连绵不断的骨牌效应，问题就越发难以处理。在分析岩土环境方面，地学研究相对较为成熟。地学中的地质学近现代历史已经有200年左右，在200年左右的科学探索与研究中，人们从古典地学的概念里，逐渐走向成熟，技术进步也催生研究方法日益增多，使得地质学研究空前活跃。地质学与工程的交叉学科工程地质也取得了广泛成果，它与以岩土工程为主体思考问题的岩土工程师们拥有同一的工作对象，只是考虑问题全面而深远，以地球的运动变化大规律来匡正工程方向，岩土工程师们主要以局部稳定性来思考工程的安全性，这些分工和各自立场是应该肯定的，只是最终需要不同角度的观察研究汇合综合。

人类的一切活动都离不开地球，在拥有一个地球的理念下，充分认识地球依然是不变的指归。不破坏地球，更应该是每一个人和工程应信守的承诺和责任。

对于岩土工程一线人员和一般学习者，面对浩繁甚至艰深的地学研究，可能是太专业和太全面，我们又不能不对这个问题重视，最有效的办法也许应该是从繁琐的学理框架下走出来，更真实自然地接触问题，这样将会更有效和更有趣味。

对于新知识的接受和学习应该更生动和简洁，应该学会思考，而不是成文的教条和定义，当然，认识的大海是相通的，最后都会指向核心、问题的实质、本质。

·学习讨论　地质，或者地质学，肯定是一个概念，学习者怎么面对概念?

我们是不是重视概念的学习，学习概念是为了应付考试还是别的?什么是概念?

概念:反映对象的本质属性的思维形式。人类在认识过程中，把所感觉到的事物的共同特点，从感性认识上升到理性认识，抽出本质属性而成。表达概念的语言形式是词或词组。概念都有内涵和外延，即其涵义和适用范围。概念随着社会历史和人类认识的发展而变化。(汉语大辞典)

互动百科有将近5000字的解释，都是在说什么叫概念。在这些解释里，出现了本质，内涵，外延，概念系统。我们从这里应该学到认识事物的逻辑、系统框架。对于一切其他的概念我们都应该有这样的认识自动化，对于培养我们的思维是很有帮助的。

地质学?这个概念是什么意思?除过词典，我们会怎么去思索?

如果返回认识的源头，我们会找到哪里?

地球?地球很大，地球的什么地方?地点?位置?

为了一个概念，一个概括的观念，甚至一个念头，我们是不是要稍微抽象一点?什么又是抽象?抽象难道没有形象了吗?，地球可以抽象吗?(图1－11)

图1－11　抽象思考地球

研究对象?我们找到这个对象了吗?对象之像我们可否感触与思考?

这些都是属于概念的建立和形成过程。人们认识的个体差异，及其个体在不同时空和阶段的认识，使得概念系统充满变化，也充满了修正与完善，没有僵化固定的概念，概念是开放的系统。

一切面向自然界的学科，我们都应该睁开我们的双眼，去努力观察丰富的现象，从现象里我们看它们的关系，看它们的内涵，看它们的外延，进而探究它们的本质，离开现象，我们将会寸步难行，也将会走向死胡同。

作为大自然系统的地质子系统，是运动不息，发展变化的，我们应该不忽略不忘记它所处的基本空间。物质都处于时空系统，都在时空系统中运动，这个也是基本的哲学概念，基本看法。地球也是处于时空系统下，简单的示意应该是:

用语言来解释就是:地球物质存在于时空之中，并且在永远(地球没有毁灭前有相对的整体，地球毁灭后就是分散的个体)运动，运动就是变化，人们探寻、寻找地球物质组成、结构构造及其运动变化规律，就成为地质学科的根本目的。

目前更多的活动是在地壳层次里探寻，研究论证，而且地壳系统更为紧密地影响地表人类社会的生活和生产过程，故而，业界也有狭义的地质学定义。

地质学是主要研究地壳物质在地质历史过程中在空间的运动变化规律。

也许，地质概念就已经是地质问题了，因为我们见到了最大最广泛的问题之源，问题之根，问题之海，问题之未来。

岩土问题也属于地质问题域。

1.3.2　工程地质与岩土力学基础

工程地质是一个交叉性的技术应用学科。一切工程都离不开大地，都应该从研究大地的地质学科里寻找所需的知识和规律，来指导自己的行动。特别是许多大型的土建工程就是直接面向地质环境而来，它就是在改变地质环境，也就是说它深深地广泛地融入环境，与环境密不可分，它成为举足轻重的因子，在某些范围，它甚至成为小环境的主宰。两个系统的相交，必然发生相互影响，并不是单纯的依赖关系，而是强烈的互动。作为学科或者技术，也是同样的道理。

在工程实践中面对克服不了的地质环境难题，通过技术手段可以相对解决的地质环境难题，地质环境的不适应，地质条件的瑕疵，等等，我们都可以归之为狭义的地质问题。

业界有对工程地质的一般定义:

工程地质就是调查、研究、解决工程实践中出现的地质问题的技术应用学科。

·学习讨论　讨论与分析工程地质概念。

工程工作者如何调查?如何研究?如何解决问题?

作为学习者又该怎样来理解?

工程地质的学科定义已然缩小了自己的关注范围，以及关注重点，它也需要地质学、环境学的矫正和指导，所以地质学学习是更大和更高的学理和实践性的总纲。

一切的土建工程都是建立在现代科技模式下的现实活动，一切建筑实体都有空间的布置架构，都立足在坚实的大地之上，维系这一切安定稳固不变的基本的保证是物质实在(纯场态的土建工程未见)，物质实在里常见的有固、液、气三态，固态物质更为稳定稳固，而表述推动物质实在或者系统运动的、保持相对静止的、让物质形态纷呈的人们抽象出一个物理学概念——力，就担当了一个最一般的最特殊的角色，力成为观察分析世界的一个窗口，一把尺子，一个永远的探究。以成熟的力学概念系统来定性定量描述和分析工程实体以及环境实体是最便捷的方法，也是最基本的方法，目前也是最成熟的方法。虽然其他物理要素、方法，化学要素、方法等都同时存在，也同等重要。

岩石、岩体，他们都有力学特性，一切紧实的、松散的土体，也都有力学特性，动植物、流水也一样，统统以力在维持自己的平衡和改变自己的运动，而这一切也都是地球系统中的局部或组分，力学联系起了一切。水体、气体等，都参与到地球固体的力系中，把各自的力学特性叠加进来(图1－12，图1－13)。

力学尽管是一种成熟的学科，但是面对自然环境的时候，力学也是显得捉襟见肘，因为自然环境太过复杂，影响因子太多，我们很难找到最佳的力学模式，也很难精确观测求得数据，这就使得力学的应用遭遇了困难，逼迫我们不断探索新的方法和途径去解决问题，另一方面，却也给了人们更大的思考的空间。

·学习讨论　分析和观察各种受力情况(图1－14～19):

图1－12　条块受力示意图

D—动水压力;Ft—水平地震力;W—滑坡体自重;CL—土体粘聚力形成的抗滑力

图1－13　高陡边坡地下梁桩结构体系加固示意图

1—兼作排水沟的槽式坡面连系梁;2—中空梁;3—卸荷裂隙;4—中空斜桩; 5—中空桩;6—岩层面;7—实体桩;8—边坡岩体

图1－14　不摇摆的石头

图1－15　摇摆的石头

图1－16　沙地上的脚印

图1－17　路基沉陷

图1－18　挡土墙

图1－19　高边坡加固工程

回到我们课程的目标和研究域，《地质与岩土力学基础》是面对对象时的一种选择和取舍，一种综合和简化，用一种环境实在、工作范畴把研究领域不同或者方法不太一致的学科统归在一起，在大的地质环境下，处理工程所遇到的地质问题，分析岩体的各种受力情况，分析土体的各种受力情况，以期解决岩土工程中的问题。岩体土体是联系的，地球系统的作用力是整体相关的，工程体系的加入使得整个受力系统更复杂而已。单体的建筑、单体的岩石块体在力学分析中是相对简单的，连绵不断的地质体是复杂的超级系统，地质运动的根本规律和强大内外力决定或影响着地面上的各种岩土局部和工程实体。因而我们必须深入研究地球本身的各种特性、运动规律、发展变化，才会给相对单纯的力学分析找到更多的影响因子，给运动变化找到更多的动因，使指导人类工程实践的不仅仅是理想模型下的一种方便或单纯方法下的一种简单。

人们对自然、对工程的思索不会局限在某一个既有的学科，一切的方法技术都是服务于人的，我们应该以灵动的思维开放的心态去观察自然和工程，以现有的成熟的方法技术做好第一步，还要深入思索、创新探索，在真理的长河不断寻找。

【思考题与习题】

1.结合实例，谈对岩土环境的认识。

2.通过人类历史上水利工程成功案例，探讨怎样合理利用和改造自然，做千年的工程，避免和解决工程引发的环境问题。

3.本门课程的学习兴趣怎么培养?

4.搜集土建工程、水利工程建设案例，搜集地质学有关资料，丰富个人知识信息库。