岩土工程前沿第2-5次课228

工程领域前沿（部分）主要内容：第一节岩土工程进展概述；第二节岩体工程的不确定特性；第三节岩质边坡工程；第四节环境岩土与地质灾害（环境岩土、滑坡预报、灾害监测手段等）；第五节地质勘探技术；第六节国内外岩土工程的研究差距与展望；第七节岩体工程研究部分热点。岩土工程包含于许多工程门类之中。它们又可分为土质工程与岩体工程两大类。地质灾害、岩土环境也是岩土工程必须面对的课题。近年来我国大兴各类工程建设，工程规模宏大，影响深远，为世界所瞩目。在这些工程实践中，我国岩土工程的技术和科学研究也得到空前的发展。其工程技术和科学研究水平处于国际前列。第一节岩土工程进展概述以水电工程为例。堤防和土石坝是我国涉及国计民生的重要土质工程，在其工程实践中提出了许多岩土工程的基础性科学问题，如土的本构关系、饱和及非饱和土的渗流、边坡稳定、抗震问题等。其中高土石坝工程大大推动了土的本构关系理论、数值计算的发展和试验设备与技术的进步。我国的小浪底斜心墙堆石坝、三峡二期围堰等大型土石坝工程都以科技攻关的形式进行过多单位、多模型、多程序的分析计算，对于工程设计起到了重要的指导作用。而土石坝的研究也推动了大型土工离心机和大型高压三轴试验设备和技术的发展。在堤坝工程中，渗流的分析和渗流控制；筑坝材料研究；抗震问题的研究也取得进展。隧洞及地下工程和岩质边坡是岩石力学和岩体工程的课题。人们在理论和机理方面开展了从宏观到微观、细观的不同层次的研究和探索。一方面，将研究的目光从岩体转向山体、地体，大范围大尺度的工程建设和资源开发；另一方面，着眼于岩体中的裂纹的起始、分叉、发展、断裂到破坏的全过程研究，引进了损伤和断裂力学的概念，建立适用的计算模型。非连续的理论和方法在岩体工程中是强有力的计算手段。地下洞室设计的新奥法，促进了现代地下工程的一系列新概念和新理论的形成。在各种稳定分析中，以极限平衡理论和方法为基础，计算方法有下限解法和上限解法。岩体中的渗流对于水利工程和环境工程都至关重要，已取得丰硕的研究成果，也面临不少需要进一步研究的课题。防灾减灾目前成为水利科学中岩土工程的重要领域。关于水利工程中堤防的破坏机理、隐患检测、工程加固方法；堤防的安全性评估、风险分析和管理也是目前许多国家研究的重点；土石坝及其他岩土工程的抗震反应分析也是防灾减灾的重要课题。这些问题在我国已受到重视与关注。在我国轰轰烈烈地开展岩土工程建设的同时，经济技术先进的国家将岩土学科的重点转入了资源、环境和生态等问题。而对于大型水利工程的建设给予更多的质疑；环境岩土受到极大重视；环境友好的地下空间利用开发受到欢迎。我国在这方面的差距固然是由于发展水平的差异所造成关心重点的不同，但是发达国家在其发展过程中的经验与教训是值得我们借鉴的。我国的决策层和岩土科学技术人员增强保护我国的水资源，保护环境和生态的意识是非常迫切和必要的。第二节岩体工程的不确定特性1、概述在工程建设中，为了满足岩石工程建设前期的工程规划与设计需要，应进行地质勘探以搞清楚岩体的地质条件（岩性、构造、层理、断裂、岩溶等），开展岩石力学试验工作以查明岩体的力学特性及其赋存的条件（如岩体应力状态、地下水运行状态等），进行各种专题研究，了解工程岩体的应力、变形状态，评估工程岩体的稳定性。根据以上资料、数据和结果，进行岩石工程设计，决定建筑物的轮廓、尺寸及各种支护加固办法，选用合理的开挖方法和程序。通过这种前期工作争取把一切情况在开工前都弄清楚，以便开工后就按照既定的要求和程序进行施工，达到工程既经济又安全且效率又高。所以设计就相当于工程建设中的各种规章、规程，必须严格执行。然而在工程实践中，开工后总会遇到这样那样没有预见到的情况和问题，以致不得不修改设计，改变原来设想的做法。就是说，在前期工作原以为认识清楚了、确定了的东西其实有些并未搞清楚或发生了变化，还不很清楚、不很确定，有时甚至是很不确定。这就是在岩石工程中经常提及的不确定性问题，不确定性也是在各类工程建设中岩石所共有的特点。2、岩体工程中不确定性的来源一般来说，工程中遇到以下三方面条件的变化要修改先前设计：其一是地质条件、岩体性状的变化；其二是施工条件的变化（包括器材供应、施工技术掌握的不均一、质量控制等人为因素）；其三是洪水、地震、气候等环境条件的异常变化。后两方面情况对于除岩石工程外其他工程也是可能导致修改设计的因素，而对于岩石工程来说，地质条件、岩体性状的变化是导致修改设计的主要因素。也就是说，岩石工程中的不确定性，主要来源于地质条件、岩体性状的不确定性。这是因为天然岩体在历经了复杂的成岩过程和后期亿万年构造运动的改造后，其性状和赋存条件千差万别，可以说，每一处工程场址的岩体、不同工程部位的岩体都是不相同的。并且工程岩体一般都深埋地下，其性状与裸露于表面的岩体有时差别很大，隐蔽性突出。相比之下，工程前期勘探工作量总有限，不可能将所有节理裂隙等地质特征和变异都揭露出来，一般只能通过坑槽、钻孔、平硐获得的局部资料，进行统计分析获得平均的和优势的分布概念。施工开挖后，揭露出没有预见到的意外现象（如某种地质缺陷）是难以避免的。在这种情况下，为研究天然岩体的力学性状而进行的试验、测试和计算分析也会遇到同样的问题，前期试验研究得到的力学参数、曲线、应力、位移分布等也具有相应的不确定性。例如，三峡工程从20世纪50年代开始，对大坝基岩进行了十分详尽、数量巨大的地质勘探和试验研究工作，取得了丰富的资料，特别是对影响稳定的缓倾角节理问题进行了专题研究。然而，开工后开挖揭露出的情况与原先分析的有很大差别，不得不在施工期间针对特殊地段补充进行了集中的地质勘探工作和一系列专题研究，修改了设计。这也是岩石工程中不确定性的突出事例。3、不确定性给岩石工程带来的影响地质条件和岩体力学性状的这种不确定性，是岩石力学研究中的主要困难，试验研究成果（即使是现场岩体力学试验）代表的只是与试验点条件相似的天然岩体，通过大量试验可以得到该试验地段岩体力学性质的平均概念和可能变化的范围，但仍然不能对较大范围工程岩体的力学性状给出确定的数值来。地质条件和岩体力学性状的这种不确定性，也给岩石工程建设带来一系列消极影响：一方面，施工开挖后如果没有及时揭露原先没有发现的缺陷，就会给工程留下安全隐患，有时会引起施工期岩体失稳，事后处理延误工期；另一方面，为了对付这种不确定性，设计中不得不采用偏于保守的参数和条件、保留过大的安全裕度，不必要地增加工程量和投资。这种地质条件上的不确定性，也给岩石力学研究带来了以下特点：其一，对天然岩体力学性状的认识是随着地质条件不断揭露而逐渐深入的，也就是说，对岩体的认识具有阶段性；其二，试验研究可以获得岩体性状（力学参数、应力—位移分布、强度和承载能力等）的可能变化范围，也可以力求减小这个变化范围，却总难以针对一定规模的岩体给出十分准确的数据。4、减小岩石工程中不确定性的途径为了减小岩石工程中的不确定性，工程前期的地质勘探工作应尽量做细，岩石力学试验研究要更深入，设计中对岩体承载能力的利用要留有适当的余地和有备用方案。但是，最为有效的是施工中要根据临时发现的情况及时修改设计，也就是说，要进行动态设计。所谓动态设计，其实就是早年太沙基的Designasyougo的思想，即在施工中不断补充和修改设计的思想。后来隧洞建设中产生的新奥法的核心也就是要根据施工揭露的新情况不断调整、修改、优化设计。其实，这种做法应当不仅限于隧洞施工，对一切岩石工程（包括边坡、坝基）都是适用的。例如，三峡双线五级船闸高边坡工程的施工中就曾经历过这样的努力和实践。动态设计中修改设计的依据是施工开挖中不断揭露出来新的岩石情况、开挖爆破的影响和参数、施工地质测绘和监测、试验资料。工作的要点是对于这些信息和资料要及时综合、分析、反馈、调整，不及时就达不到动态设计的目的。然而，实现动态设计最关键的问题是设计、地质、施工、监测、监理和业主等各方面要密切配合，而不能分家、相互牵制、防范。要建立一个各方面（各环节）密切配合（而不是互相牵制）的体制。已故的国际岩石力学学会创始人之一L．缪勒教授打过一个比喻，形容在新奥法隧洞施工中有关各方之间的关系，彼此应当十分默契、密切配合，合作得像一个优秀的篮球队一样。5地质勘探工作可减少不确定性工程地质的主要任务是将天然岩体的情况查明。根据现行设计规范要求，在一个坝址区内的岩体情况，只要是与工程建筑物有关的，都要全面弄清楚，包括岩性、岩石的组分、结构、岩体构造、断裂、风化、溶蚀、侵蚀（剥蚀）等许多方面，并进而研究它们的成因、演变历史、分布规律等。在可研报告阶段和初步设计阶段还要求说明岩土体物理力学性质、提出岩土物理力学性质参数，论述和评价工程岩体的稳定条件，提出加固、处理意见。显然，岩石力学的工作在这里是包含在工程地质任务中的。在岩石力学已经成为独立学科和专业的今天，根据以往大量工程实践经验，我们可以就工程地质与岩石力学的分工提出这样一个模式：凡是不需要通过物理力学性质试验研究就可以得到的有关岩石、岩体性质的说明和描述，属于工程地质专业范围；反之，则归于项目工程地质和岩石力学两方面都要做，例如关于岩体节理裂隙的定量描述、工程岩体的分级、分区等，只是侧重点和使用的方法各有不同。利用弹性波穿过岩体时的反应来探测、研究岩体的物理力学性质，在工程地质中属于物探工作，侧重于查明岩体情况，在岩石力学中是研究岩体物理力学性质的一种方法。重要的是，分工不能分家：一切岩石力学的试验研究工作都必须和地质工作紧密联系、结合，包含几重含义：首先，岩石力学工作者必须对地质工作的成果——关于岩石、岩体的性质和状况的描述有详尽的了解；其次，室内试验取样、现场试验选点都应当与地质人员结合进行，以便保证试验结果具有足够的代表性；试验结果分析、解释要紧密结合试点附近的地质条件进行（特别是在试验结果出现异常时）；各种计算分析数学模型的建立、本构关系和强度准则的选用、计算域（范围）的确定等都必须符合实际地质条件，应有地质人员参与。对分析、计算结果的解释和应用也要在充分考虑地质背景条件下进行。6工程设计可防避不确定性如果将工程设计理解为工程建设的前期工作，那么工程地质勘查和岩石力学试验研究都是工程设计的一部分内容，都是其中的一个重要环节。但对具体的设计工作而言，岩石力学研究是为工程建设服务的一项独立的专业，各有分工不同。岩石力学为工程建设的服务不应当是一种消极、被动的服务，而是一种积极的、主动的、参与式的服务。也就是说，一方面它应当按设计规范的要求，向设计工作提供有关天然岩体性状的资料；另一方面它还要将对工程岩体分析研究的结果反馈给设计，提出优化设计的建议。从岩石力学的角度看，水利水电的岩石工程设计的任务可以概括如下：根据工程地质勘探和岩石力学试验研究提供的关于天然岩体的地质条件和物理力学性质，考虑水文、气象等其他方面的条件，按照本枢纽对各水工建筑物功能的要求，确定岩石基础、地下洞室和岩石边坡的位置、尺寸、加固处理措施、施工开挖方法和程序等。与此相应地，岩石力学试验研究的任务为：根据水工布置的需要，通过现场和室内试验研究，提供关于天然岩体的物理力学性质的认识和资料（包括物理力学性质参数、应力—应变关系曲线，本构关系、变形和强度属性等），并按照工程设计选出的岩石工程方案，通过计算分析、模型试验或原型监测，阐明有关工程岩体的力学性状（应力、应变分布、塑性区或破裂损伤区），对其稳定性或失稳破坏形态做出评价。从岩石力学的角度提出优化设计方案、岩体加固处理的建议。第三节岩质边坡工程1、第一个问题：水利工程中的岩质边坡水利水电工程中边坡的开挖与水库水位的升降都可能导致边坡的失稳定。我国已建和在建的大型水利水电工程如三峡、二滩、李家峡、五强溪、隔河岩、小湾、天生桥二级河龙滩等涉及的天然边坡高达400~1000m，工程边坡高达200~400m，垂直开挖坡高近100m。漫湾水电站、龙羊峡水电站、天生桥二级水电站、隔河岩水电站等都发生过规模较大的边坡失稳，造成很大损失。龙滩水电站进口倾倒蠕变体约1300万m3需加固治理。在三峡库区，蓄水以后可对库区人民生命财产造成