人类工程建设与地质环境的协调发展

人类工程建设与地质环境的协调发展

【摘要】：从可持续发展的角度出发，以地质环境的属性与功能、工程建设与地质环境的联系、工程地质环境稳定性评价三个方面为中心议题探讨了地质环境与工程建设之间的协调发展问题。

【关键词】：地质环境；工程建设；可持续发展

现代科学技术条件下，各种工程建设带来了经济的繁荣、环境的美化和人民生活水平的提高。同时也带来了土地资源枯竭、水资源紧缺、能源耗竭等地质环境问题。工程建设所处的地质环境既是地质演化的产物, 也保留着工程建设过程中留下的痕迹，地质环境能否进入良性演化, 关系到生态环境的演化趋势。进行工程建设对地质环境影响效应及其演化趋势的研究, 是促进人类工程活动与地质环境可持续发展战略的重要组成部分。

1. 地质环境及其特征

地质环境是指人类赖以生存、繁衍的地球表层的地质空间，即生物圈、大气圈、水圈和岩石圈相互交汇而成的地质空间。它是岩石圈上部（表层部分）有特殊性质的部分，是一个多因子系统，其主要因子是岩石、土壤、有机物、气体、地下水、生物（包括微生物）以及动力作用等。

2. 工程建设与地质环境的联系

人类工程经济建设与地质环境相互作用、相互制约、相互影响，这种作用、制约、影响具有两重性，即正的益化作用和负的恶化作用。地质环境以地质资源（矿产、水、土地

等）造福人类，而又以自然灾害危害人类。人类工程经济建设（采矿、工程建筑、工农业生产等）即可以改善生态环境，如植树造林防止水土流失、土地沙漠化，水利工程防治洪涝灾害等，但也可以造成灾害和环境问题，如水土污染、边坡失稳等等。

2.1工程建设受工程地质环境制约

地质环境的制约主要表现在工程项目的功能在一定的地质环境作用下受到限制或障碍,因而在工程的规划、选址、布局、设计、施工中都必须因地制宜的考虑工程的适宜性, 以期所兴建的工程的功能得到充分的发挥, 获得最佳的经济和社会效益。

在工程建设中各阶段所要考虑的地质环境制约, 主要有5 方面：（1）地圈宏观环境；（2）地质灾害；（3）岩土地质环境；（4）水文地质环境；（5）次生环境。这些环境因素通过其对工程地区的区域稳定性、深部稳定性、地面稳定性、山体稳定性和围岩稳定性直接影响到工程的规划、选址、设计、施工和运行中的工程决策。

2.2人类工程活动对地质环境的影响效应

人类工程活动与地质环境之间相互作用的问题,是一个协调”人- 地”关系的问题,是一个需要我们去研究、去探索的自然过程与社会发展互馈的问题。因此我们在研究地质环境对人类活动制约的基础上,更应重点研究人类活动对地质环境的影响效应,如何评价、预测和控制,以规范人类工程活动行为,提高地质环境质量,减轻灾害对人类的威胁,从而保持人类文明的可持续发展。

2.2.1 人类工程活动对地质环境的作用方式

人类工程活动以各种不同作用方式对地质环境系统产生扰动, 造成地质环境质量的变化。从工程建设的兴建和运行过程中可能对地质环境系统产生的作用来看, 可有以下几种方式（表1）。

（1） 工程荷载

工程建筑物的自重及其运行时与其他自然和人为作用力的叠加, 造成在工程和地质介质边界面的荷载。如大坝作用在地基上的坝体自重力和水库中水推力组成的荷载；高层建筑物在地基上作用荷载为其自重、内部设施自重和所受风力等组成；桥梁作用在桥基上为其自重及桥上行车、行人荷载；而用于地下贮存或运输流体的洞室, 则以其内部流体的压力施加于岩面上。

按荷载的性质可分为静荷载、动荷载及周期重复荷载。一般工程荷载, 可用工程与岩土界面上的压力来表征。由于岩土体的承载能力及工程建筑物结构材料强度所限, 工程荷载一般在10M Pa 之内。只是对某些特殊的工程项目, 如火箭发射台、地下核试验工程等, 基岩面可受到极大的冲击荷载。

（2） 岩土开挖

矿山和大型工程建设都离不开岩土的开挖, 在开挖的岩土面上建基, 这是工程建设的普遍行为。矿山为了采集矿石必须进行大规模的岩土开挖, 而地下空间的利用, 如隧洞、地下厂房、地下洞库等亦需大量开挖。即使是地面工程为平整地面和设置地基面等也要开挖岩土, 形成基坑、沟槽、渠道。工程活动中的岩土开挖, 对地质环境可产生多种作用和影响, 如：岩土应力状态的卸载和调整；岩土开挖爆破损伤和振动；岩土临空面位置、形态的改变；在开挖后形成的界面上承受建筑物的荷载；由于开挖引起地下水的排泄、地表水的聚

集； 开挖后岩土的堆积和处理等。

（3） 水流、水体调节

有相当一部分工程其功能就是对水流、水体的调节, 如水库、水渠、输水隧洞、堤坝等水工建筑物。又如钻孔、水井等地下水供水工程, 则起到调节地下水的功能。广义地讲, 石油、天然气的开采、地下水及热水开采、油气的地下储存, 都是水及流体的调节工程。由于极大部分工程都涉及到岩土开挖, 因此, 都在不同程度上影响到地下水的排泄和水位的动态过程, 也可认为是工程的水文作用。在工程作用下地表及地下水系统受到的影响, 表现为水位、水流方向、梯度、速度的变化, 同时由于水岩作用也可产生物理的、化学的变化。

（4） 工程热力作用

在工程和岩土界面上发生热传输, 可改变初始的热流和温度格局。有些工程在建成后保持边界上比较稳定的温度, 如水库库底温度常年较低, 而水渠水温则周期变化。放射性废料处理洞室, 则有一定幅度逐渐升高。由于在工程和岩土界面上的热传播, 可导致岩土介质中温度变化, 产生温度应力及一系列的物理及化学的变化。

从上述人类工程活动对地质环境的普遍性及影响能力来看, 工程的岩土开挖和堆填, 以及水流、水体调节是最重要的。工程的荷载作用及热力作用, 一般作用范围较局限, 作用引起的环境效应也较小。岩土开挖和水流、水体调节, 是人类工程活动施加于地质环境的岩土水等物质的运移。边界条件的改变、尤其是势能梯度的改变, 造成岩土水状态失衡, 进入位移和运动状态, 从而造成更大范围的岩土水系统的要素和总体功能的改变。地质环境系统中岩土水组成、结构格局、性能和赋存状态的改变, 以及边界条件的变化, 标志着地质环境质量的变化。

2.2.2人类工程活动引发工程地质环境恶化的表现

（1） 诱发地震问题。由于修建水库、深井注水、矿山开采，改变了地壳原有的应力状态和地壳岩石的结构与性质，破坏了地壳已有的应力平衡状态，导致应力释放而诱发地震。

（2） 地面沉降问题。地下水的强烈开采是造成地面沉降的直接原因，如上海、天津等城市，由于过量开采地下水导致大面积地面沉降，继而产生的危害早已为人所知。

（3） 滑坡复活、边坡失稳问题。因大量工程建设（如铁路、公路建设等） 破坏了斜坡的稳定平衡条件，引发无数崩塌、滑坡、泥石流灾害问题，在我国西南西北地区尤其严重，包括长江、黄河上游沿岸，成昆、川黔、陇海、宝成铁路沿线，青藏、川藏公路沿线。