李廣誠

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院， 北京 100120， 中國)

0 引 言

工程地質(zhì)學(xué)從20世紀(jì)20年代建立開始，在解決了大量的工程地質(zhì)問題的同時，作為一個學(xué)科也在不斷進行其理論的探索。20世紀(jì)70年代谷德振(1979)提出的巖體結(jié)構(gòu)控制論墊定了工程地質(zhì)學(xué)的理論基礎(chǔ)， 20世紀(jì)90年代王思敬等(1995)提出的地質(zhì)環(huán)境理論把工程地質(zhì)理論提升到了一個新的高度。21世紀(jì)初李廣誠(2001)提出了工程地質(zhì)耦合理論，是工程地質(zhì)理論探索方面的一個有益嘗試。

1 谷德振王思敬等工程地質(zhì)理論概述

1.1 谷德振：巖體結(jié)構(gòu)控制論

谷德振先生是中國科學(xué)院學(xué)部委員(院士)，中國工程地質(zhì)學(xué)家、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與地質(zhì)力學(xué)家，他在國際上也具有崇高的威望。他是中國工程地質(zhì)學(xué)奠基人之一。是他創(chuàng)立了巖體工程地質(zhì)力學(xué)這一新的學(xué)科，并提出了巖體結(jié)構(gòu)控制論這一重要理論。

巖體結(jié)構(gòu)控制論的主要思想是：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體是構(gòu)成巖體結(jié)構(gòu)的兩個基本單元，巖體結(jié)構(gòu)制約著巖體物理力學(xué)性狀、巖體變形破壞機制，控制著巖體穩(wěn)定性。谷德振先生在1979年出版的專著《巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)》中系統(tǒng)闡述了這一理論(谷德振， 1979)。谷先生的巖體結(jié)構(gòu)控制論的主要內(nèi)容包括巖體結(jié)構(gòu)形成的物質(zhì)基礎(chǔ)、巖體結(jié)構(gòu)的地質(zhì)力學(xué)分析、巖體裂隙水和巖溶水的形成、運動和分布規(guī)律以及巖體結(jié)構(gòu)特性和巖體的變形破壞規(guī)律等。谷德振先生認(rèn)為：工程建設(shè)中不論工程地質(zhì)問題如何復(fù)雜，歸納起來就是一個與工程有關(guān)的巖體穩(wěn)定問題。巖體之所以失穩(wěn)，影響因素很多，但最關(guān)鍵的因素在于巖體內(nèi)部存在著一些軟弱結(jié)構(gòu)面，根據(jù)這些軟弱結(jié)構(gòu)面的空間分布狀態(tài)和組合關(guān)系形成了巖體結(jié)構(gòu)的概念。

谷德振先生的巖體結(jié)構(gòu)控制論，推動了我國工程地質(zhì)學(xué)的整體發(fā)展，為我國工程地質(zhì)學(xué)樹立了一個新的里程碑。在國際工程地質(zhì)領(lǐng)域也有重要影響。

1.2 王思敬：環(huán)境地質(zhì)理論

王思敬先生是中國工程院院士，工程地質(zhì)學(xué)家、環(huán)境地質(zhì)學(xué)家。他提出了人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境依存關(guān)系和相互作用理論，開展了工程建設(shè)和地質(zhì)環(huán)境相互影響和制約的研究，開拓了環(huán)境工程地質(zhì)領(lǐng)域，為工程和城市建設(shè)地質(zhì)環(huán)境研究提供了理論基礎(chǔ)。他是中國當(dāng)代工程地質(zhì)學(xué)界的領(lǐng)軍人物，在他的帶領(lǐng)下，中國的工程地質(zhì)學(xué)研究得到了迅猛發(fā)展。

環(huán)境地質(zhì)學(xué)是一門應(yīng)用地質(zhì)學(xué)科，是地質(zhì)科學(xué)和環(huán)境科學(xué)兩者相互滲透、重新交叉組合而形成的一門新的邊緣學(xué)科。它以人-地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)為對象，研究地質(zhì)環(huán)境和人類工程活動的相互作用及其發(fā)展、演化趨勢，重點是地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境地質(zhì)問題的產(chǎn)生和發(fā)展，在此基礎(chǔ)上提出合理協(xié)調(diào)人-地質(zhì)環(huán)境關(guān)系，有效地預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境地質(zhì)問題的對策和措施。他的這一思想在其論文《環(huán)境地質(zhì)學(xué)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向》(王思敬等， 1995)和專著《Geoenvironmental Consideration in the Strategic Planning of Regional Development》(Wang， 1998)中做了系統(tǒng)闡述。

王思敬先生的工作發(fā)展了工程地質(zhì)力學(xué)理論。在工程巖體變形破壞機制研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展了巖石工程穩(wěn)定性分析原理和方法。他在發(fā)展巖體結(jié)構(gòu)理論、創(chuàng)建工程地質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域中做出重大貢獻。他及其同行的工作使中國的工程地質(zhì)學(xué)研究走到世界前列。

1.3 李廣誠：工程地質(zhì)耦合理論

在前人工作的基礎(chǔ)上，李廣誠在2001年提出了工程地質(zhì)耦合理論。其基本思想就是認(rèn)為在工程勘察、工程設(shè)計和工程建設(shè)中應(yīng)將工程系統(tǒng)與自然系統(tǒng)做最佳的耦合。耦合理論的基本內(nèi)容在其論文《工程地質(zhì)耦合理論初步研究》(李廣誠， 2001)和其專著《工程地質(zhì)決策概論》(李廣誠等，2006)中做了系統(tǒng)闡述，其中包括工程地質(zhì)耦合的定義、耦合的內(nèi)容與方法、耦合理論的圖示模型、耦合理論的數(shù)學(xué)模型、耦合理論的應(yīng)用步驟及其循環(huán)、工程地質(zhì)學(xué)耦合理論的決策準(zhǔn)則、耦合度及其風(fēng)險性分析等。

工程地質(zhì)耦合理論是對工程地質(zhì)理論的一個新的探索，其涉及的諸多問題值得做進一步的深入研究。

2 工程地質(zhì)理論的傳承與發(fā)展

谷德振先生在1979年提出巖體結(jié)構(gòu)控制論，進入20世紀(jì)80年代他又適時地提出了“環(huán)境工程地質(zhì)”的概念。

王思敬先生在谷先生工作的基礎(chǔ)上，發(fā)展了工程地質(zhì)力學(xué)理論，將“環(huán)境工程地質(zhì)”的概念上升到理論的高度，提出了環(huán)境工程地質(zhì)理論。

環(huán)境工程地質(zhì)理論主旨在于人類工程活動與環(huán)境的相互影響、相互作用，而李廣誠將這一思想擴大到更大的范圍，提出工程地質(zhì)耦合理論，強調(diào)工程系統(tǒng)應(yīng)與自然系統(tǒng)做最佳的耦合。

任何理論都不是憑空產(chǎn)生的，后人的工作是在前人工作的基礎(chǔ)上進行的，是前人工作的繼承和發(fā)展，各種理論在時間和內(nèi)容上都有所搭接?？v觀谷德振先生提出的巖體結(jié)構(gòu)控制論、王思敬先生提出的地質(zhì)環(huán)境理論和李廣誠提出的工程地質(zhì)耦合理論，可以看出它們是一脈相承、傳承發(fā)展的結(jié)果。巖體結(jié)構(gòu)控制論-地質(zhì)環(huán)境理論-耦合理論的基本情況對照比較見表 1。從時間的層序上也可以用圖 1表示。

表 1 巖體結(jié)構(gòu)控制論-地質(zhì)環(huán)境理論-耦合理論對照表Table 1 Comparison table of Rock mass structure control theory-Geological environment theory-Coupling theory

圖 1 工程地質(zhì)理論的傳承與發(fā)展Fig. 1 The inheritance and development of engineering geological theory

3 工程地質(zhì)理論在實際工作中的應(yīng)用

任何正確的理論都是工程實踐的指南。上述提及的3個理論都在不同層級、不同方面對工程實際起著重要的指導(dǎo)作用?？梢哉f任何一個成功的地質(zhì)工程或涉及到地質(zhì)的工程建設(shè)，都一定是成功應(yīng)用了上述理論與思想：

任何成功的工程都是對巖體結(jié)構(gòu)有了充分的了解并依此做出了正確的判斷——巖體結(jié)構(gòu)控制論。

任何成功的工程都是使工程建筑適應(yīng)了其地質(zhì)環(huán)境——地質(zhì)環(huán)境理論。

任何成功的工程都是將工程系統(tǒng)和地質(zhì)系統(tǒng)做了最佳的耦合——耦合理論。

3.1 工程地質(zhì)理論在十三陵蓄能電站地下廠房選址中的分析

十三陵抽水蓄能電站位于北京市昌平區(qū)，其核心建筑是一個大規(guī)模的地下廠房(長145m×寬23m×高46.6m)。從20世紀(jì)70年代開始，地下廠房位置的選擇經(jīng)歷了由淺入深、由粗到細(xì)的不同的勘察設(shè)計階段，并最終在一個復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中選擇了一塊良好的巖體開挖廠房。表 2是十三陵抽水蓄能電站廠房位置選擇過程，現(xiàn)應(yīng)用上述3個理論對這個過程進行剖析。

表 2 十三陵抽水蓄能電站廠房位置選擇Table 2 Location selection of the Ming Tombs pumped storage power station

3.1.1 巖體結(jié)構(gòu)控制論

十三陵地下廠房位置的選擇一直是被巖體結(jié)構(gòu)所控制。在第3階段，廠房圍繞著礫巖、安山巖和灰?guī)r3個方案選擇，這是巖體結(jié)構(gòu)從宏觀角度對廠房位置進行控制。不同的巖石其巖體結(jié)構(gòu)不同，礫巖完整性較好，安山巖裂隙發(fā)育，灰?guī)r有可能存在巖溶現(xiàn)象且可布置地下廠房的巖體較小。經(jīng)過比選最后選擇了礫巖方案。

第4階段，礫巖區(qū)被F1、F2和F42劃分為3個區(qū)，這是礫巖巖體中幾條大斷層及各區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育程度對廠房位置的控制。經(jīng)過比選選擇了Ⅱ區(qū)方案。

第5階段，工程開始施工時，在原設(shè)計的廠房位置上方打了一條中導(dǎo)洞，并在洞中揭示了f1-f3-f9斷裂帶、f16-f19斷裂帶和f30斷裂帶。這是具體到某一巖塊的巖體結(jié)構(gòu)對廠房位置的控制。經(jīng)過比選最后選擇了C方案。

3.1.2 地質(zhì)環(huán)境理論

十三陵抽水蓄能電站的建設(shè)及其位置的選擇，在第1、第2階段是社會的需要和地理位置等自然條件的需要，是將工程建設(shè)與自然環(huán)境包括地質(zhì)環(huán)境相適應(yīng)。在第3階段到第5階段，則是將工程建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境相適應(yīng)。

3.1.3 耦合理論

十三陵抽水蓄能電站廠房位置的選擇，開始是將工程系統(tǒng)與社會系統(tǒng)和自然系統(tǒng)相耦合，后來是將工程系統(tǒng)與自然系統(tǒng)中的地質(zhì)系統(tǒng)相耦合。也就是說，工程建筑物的布置要針對該處地質(zhì)條件的特點，利用地質(zhì)條件、適應(yīng)地質(zhì)條件、盡可能少地對不良地質(zhì)條件進行處理，從而保證工程建筑物在技術(shù)上安全穩(wěn)定、經(jīng)濟上合理，即使工程系統(tǒng)與地質(zhì)系統(tǒng)做最佳的耦合。

3.2 工程地質(zhì)理論在紫坪鋪水庫區(qū)域穩(wěn)定性分析評價中的應(yīng)用

2008年5月12日14時28分04秒四川汶川發(fā)生里氏8.0級大地震，地震烈度達(dá)到11度。紫坪鋪水庫是一個大型水利樞紐工程，該水庫在建庫前區(qū)域穩(wěn)定分析評價以及工程建筑在地震中的表現(xiàn)也是上述工程地質(zhì)理論應(yīng)用的典范。

紫坪鋪水庫位于四川西部著名的龍門山斷裂與中央斷裂帶所夾持的塊體上。這兩條斷裂帶延伸長達(dá)500km，是發(fā)震斷裂，具有長期的活動性和繼承性。汶川地震后，紫坪鋪大壩經(jīng)受了遠(yuǎn)超過地震設(shè)防烈度的考驗，但大壩的主體建筑沒有受到很大影響，僅局部產(chǎn)生了一定程度的震損。

在地震發(fā)生的過程中，對紫坪鋪大壩安全穩(wěn)定產(chǎn)生影響的因素主要是兩個方面：一是壩區(qū)斷裂展布與壩址位置的選擇，二是壩軸線方向與地震波的傳播方向。從另一個角度來說，如果在大壩的建設(shè)階段——勘察設(shè)計過程中設(shè)計者對這兩個問題有所考慮并采取了正確方案，則是此工程建筑系統(tǒng)對自然系統(tǒng)實現(xiàn)了最佳的耦合。

圖 2 地震波傳播方向與壩軸線的關(guān)系Fig. 2 The relation between seismic wave line direction and dam axis

分析紫坪鋪大壩壩址的選擇過程，可以得出以下結(jié)論：

(1)大壩總體來說位于活動的構(gòu)造帶上，但樞紐區(qū)無活動性斷層，處于相對穩(wěn)定的區(qū)間或地塊上；

(2)大壩處于龍門山斷裂帶的下盤，其相對穩(wěn)定；

(3)大壩采用了抗震性較好的面板堆石壩；

(4)從震中到大壩地震波的傳播方向與壩軸線近于平行，大壩面板在這個方向上抗震性能較強(圖 2)；

(5)工程設(shè)計具有一定的安全裕度。

同樣，紫坪鋪水庫大壩位置的選取、軸線方向的選擇以及所采取的工程措施也是被區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)所控制，是工程建設(shè)的地質(zhì)體適應(yīng)了地質(zhì)環(huán)境，從而使工程系統(tǒng)與地質(zhì)條件做了最佳耦合。

3.2.1 巖體結(jié)構(gòu)控制論

任何一個水利水電工程的建設(shè)，其勘察設(shè)計的第一步就是區(qū)域地質(zhì)條件和構(gòu)造穩(wěn)定性的調(diào)查與評價，這就是宏觀的巖體結(jié)構(gòu)控制。龍門山斷裂帶及其他活動性斷層都是控制紫坪鋪水庫位置選擇的重要因素。

3.2.2 地質(zhì)環(huán)境理論

紫坪鋪水利樞紐工程位置的選擇和大壩位置的選擇，就是要使其適應(yīng)該區(qū)的地質(zhì)環(huán)境。主要建筑物的形式及其布置也是要使工程建筑與地質(zhì)環(huán)境相適應(yīng)。

3.2.3 工程地質(zhì)耦合理論

紫坪鋪工程建設(shè)可以說是工程建筑系統(tǒng)與工程地質(zhì)系統(tǒng)耦合的典范，也正是這個原因使紫坪鋪大壩等建筑物經(jīng)受住了汶川地震這樣強震的考驗。這種耦合表現(xiàn)在幾個方面：壩址位置的選擇與區(qū)域地質(zhì)條件做了較好的耦合，面板堆石壩具有較好的抗震性能與區(qū)域高烈度地震條件做了較好的耦合，壩軸線方向與地震傳播方向近于平行使面板受力狀態(tài)與地震波的傳播方向做了較好的耦合。

4 結(jié) 語

最后有幾點應(yīng)予說明：

(1)本文并不是對工程地質(zhì)理論的綜述，諸多學(xué)者在工程地質(zhì)學(xué)的研究探索中提出過的其他相關(guān)理論在文中都未提及，如孫廣忠先生的地質(zhì)工程思想，羅國煜教授提出的巖體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢面理論等。迄今為止，工程地質(zhì)理論發(fā)展也許呈樹枝狀，本文所表述的僅是一個分枝而已。

(2)本文提及的3種理論不是替代關(guān)系，是相互補充和逐步深化的關(guān)系。也就是說3個理論在工程地質(zhì)實踐中可同時運用。

(3)文中舉的兩個工程實例都是后分析，即用上述理論對成功的案例進行剖析。如果在今后的工程實踐中能夠事前用這些理論做指導(dǎo)，將會使目前的工程地質(zhì)勘察評價水平上一個臺階。

(4)在工程地質(zhì)研究與實踐中，工程地質(zhì)理論的研究還處于探索階段，還需要工程地質(zhì)技術(shù)人員做更多的工作。