李廣誠

(水利部水利水電規(guī)劃設計總院， 北京 100120， 中國)

0 引 言

工程地質學從20世紀20年代建立開始，在解決了大量的工程地質問題的同時，作為一個學科也在不斷進行其理論的探索。20世紀70年代谷德振(1979)提出的巖體結構控制論墊定了工程地質學的理論基礎， 20世紀90年代王思敬等(1995)提出的地質環(huán)境理論把工程地質理論提升到了一個新的高度。21世紀初李廣誠(2001)提出了工程地質耦合理論，是工程地質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理論概述

1.1 谷德振：巖體結構控制論

谷德振先生是中國科學院學部委員(院士)，中國工程地質學家、構造地質學與地質力學家，他在國際上也具有崇高的威望。他是中國工程地質學奠基人之一。是他創(chuàng)立了巖體工程地質力學這一新的學科，并提出了巖體結構控制論這一重要理論。

巖體結構控制論的主要思想是：結構面和結構體是構成巖體結構的兩個基本單元，巖體結構制約著巖體物理力學性狀、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《巖體工程地質力學基礎》中系統(tǒng)闡述了這一理論(谷德振， 1979)。谷先生的巖體結構控制論的主要內容包括巖體結構形成的物質基礎、巖體結構的地質力學分析、巖體裂隙水和巖溶水的形成、運動和分布規(guī)律以及巖體結構特性和巖體的變形破壞規(guī)律等。谷德振先生認為：工程建設中不論工程地質問題如何復雜，歸納起來就是一個與工程有關的巖體穩(wěn)定問題。巖體之所以失穩(wěn)，影響因素很多，但最關鍵的因素在于巖體內部存在著一些軟弱結構面，根據這些軟弱結構面的空間分布狀態(tài)和組合關系形成了巖體結構的概念。

谷德振先生的巖體結構控制論，推動了我國工程地質學的整體發(fā)展，為我國工程地質學樹立了一個新的里程碑。在國際工程地質領域也有重要影響。

1.2 王思敬：環(huán)境地質理論

王思敬先生是中國工程院院士，工程地質學家、環(huán)境地質學家。他提出了人類工程活動與地質環(huán)境依存關系和相互作用理論，開展了工程建設和地質環(huán)境相互影響和制約的研究，開拓了環(huán)境工程地質領域，為工程和城市建設地質環(huán)境研究提供了理論基礎。他是中國當代工程地質學界的領軍人物，在他的帶領下，中國的工程地質學研究得到了迅猛發(fā)展。

環(huán)境地質學是一門應用地質學科，是地質科學和環(huán)境科學兩者相互滲透、重新交叉組合而形成的一門新的邊緣學科。它以人-地質環(huán)境系統(tǒng)為對象，研究地質環(huán)境和人類工程活動的相互作用及其發(fā)展、演化趨勢，重點是地質災害和環(huán)境地質問題的產生和發(fā)展，在此基礎上提出合理協(xié)調人-地質環(huán)境關系，有效地預防地質災害和環(huán)境地質問題的對策和措施。他的這一思想在其論文《環(huán)境地質學的現狀及發(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)展了工程地質力學理論。在工程巖體變形破壞機制研究的基礎上，發(fā)展了巖石工程穩(wěn)定性分析原理和方法。他在發(fā)展巖體結構理論、創(chuàng)建工程地質力學領域中做出重大貢獻。他及其同行的工作使中國的工程地質學研究走到世界前列。

1.3 李廣誠：工程地質耦合理論

在前人工作的基礎上，李廣誠在2001年提出了工程地質耦合理論。其基本思想就是認為在工程勘察、工程設計和工程建設中應將工程系統(tǒng)與自然系統(tǒng)做最佳的耦合。耦合理論的基本內容在其論文《工程地質耦合理論初步研究》(李廣誠， 2001)和其專著《工程地質決策概論》(李廣誠等，2006)中做了系統(tǒng)闡述，其中包括工程地質耦合的定義、耦合的內容與方法、耦合理論的圖示模型、耦合理論的數學模型、耦合理論的應用步驟及其循環(huán)、工程地質學耦合理論的決策準則、耦合度及其風險性分析等。

工程地質耦合理論是對工程地質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 工程地質理論的傳承與發(fā)展

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

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

環(huán)境工程地質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，提出工程地質耦合理論，強調工程系統(tǒng)應與自然系統(tǒng)做最佳的耦合。

任何理論都不是憑空產生的，后人的工作是在前人工作的基礎上進行的，是前人工作的繼承和發(fā)展，各種理論在時間和內容上都有所搭接?？v觀谷德振先生提出的巖體結構控制論、王思敬先生提出的地質環(huán)境理論和李廣誠提出的工程地質耦合理論，可以看出它們是一脈相承、傳承發(fā)展的結果。巖體結構控制論-地質環(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 巖體結構控制論-地質環(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 工程地質理論的傳承與發(fā)展Fig. 1 The inheritance and development of engineering geological theory

3 工程地質理論在實際工作中的應用

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作用?？梢哉f任何一個成功的地質工程或涉及到地質的工程建設，都一定是成功應用了上述理論與思想：

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

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

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

3.1 工程地質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70年代開始，地下廠房位置的選擇經歷了由淺入深、由粗到細的不同的勘察設計階段，并最終在一個復雜的地質環(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，現應用上述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 巖體結構控制論

十三陵地下廠房位置的選擇一直是被巖體結構所控制。在第3階段，廠房圍繞著礫巖、安山巖和灰?guī)r3個方案選擇，這是巖體結構從宏觀角度對廠房位置進行控制。不同的巖石其巖體結構不同，礫巖完整性較好，安山巖裂隙發(fā)育，灰?guī)r有可能存在巖溶現象且可布置地下廠房的巖體較小。經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)內斷裂發(fā)育程度對廠房位置的控制。經過比選選擇了Ⅱ區(qū)方案。

第5階段，工程開始施工時，在原設計的廠房位置上方打了一條中導洞，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構對廠房位置的控制。經過比選最后選擇了C方案。

3.1.2 地質環(huán)境理論

十三陵抽水蓄能電站的建設及其位置的選擇，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，是將工程建設與自然環(huán)境包括地質環(huán)境相適應。在第3階段到第5階段，則是將工程建設與地質環(huán)境相適應。

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條件的特點，利用地質條件、適應地質條件、盡可能少地對不良地質條件進行處理，從而保證工程建筑物在技術上安全穩(wěn)定、經濟上合理，即使工程系統(tǒng)與地質系統(tǒng)做最佳的耦合。

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

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也是上述工程地質理論應用的典范。

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，紫坪鋪大壩經受了遠超過地震設防烈度的考驗，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，如果在大壩的建設階段——勘察設計過程中設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)實現了最佳的耦合。

圖 2 地震波傳播方向與壩軸線的關系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，可以得出以下結論：

(1)大壩總體來說位于活動的構造帶上，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)域巖體結構所控制，是工程建設的地質體適應了地質環(huán)境，從而使工程系統(tǒng)與地質條件做了最佳耦合。

3.2.1 巖體結構控制論

任何一個水利水電工程的建設，其勘察設計的第一步就是區(qū)域地質條件和構造穩(wěn)定性的調查與評價，這就是宏觀的巖體結構控制。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，就是要使其適應該區(qū)的地質環(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環(huán)境相適應。

3.2.3 工程地質耦合理論

紫坪鋪工程建設可以說是工程建筑系統(tǒng)與工程地質系統(tǒng)耦合的典范，也正是這個原因使紫坪鋪大壩等建筑物經受住了汶川地震這樣強震的考驗。這種耦合表現在幾個方面：壩址位置的選擇與區(qū)域地質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 語

最后有幾點應予說明：

(1)本文并不是對工程地質理論的綜述，諸多學者在工程地質學的研究探索中提出過的其他相關理論在文中都未提及，如孫廣忠先生的地質工程思想，羅國煜教授提出的巖體結構優(yōu)勢面理論等。迄今為止，工程地質理論發(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種理論不是替代關系，是相互補充和逐步深化的關系。也就是說3個理論在工程地質實踐中可同時運用。

(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，將會使目前的工程地質勘察評價水平上一個臺階。

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