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1、环境岩土工程学研究的发展主讲： 党进谦水利与建筑工程学院报告内容环境岩土工程学产生的背景环境岩土工程的形成环境岩土工程的定义、内容环境岩土工程的特点环境岩土工程的研究方法21世纪中国最具挑战性的环境岩土工程问题 1 环境岩土工程学产生的背景 环境岩土工程是当今人类工程活动对环境的作用和影响的深度和广度的不断增加、人类面临的环境问题日趋突出的必然结果。大自然实质上是一个封闭的循环系统，由大气圈、水圈、生物圈、岩土圈组成，它们之间是紧密联系又相互制约的，其中任何一部分发生变化时，就会影响到其他几部分。 岩土工程以工程目的，研究岩石和土的工程性质。当岩石和土的工程性质或环境不能满足工程要求时，就要采
2、取工程措施，对岩石和土进行整治和改造。由于人们对自然认识水平的限制，在整治和改造岩土过程中，不可避免地存在着很大的盲目性和破坏性。 20世纪80年代以来，水体和土壤污染、水土流失、土地退化与沙漠化、泥石流、滑坡、固体废弃物和核废料处理、洪旱灾害、古迹保护等世界性的环境问题，一直威胁着人类的健康和安全，而且是人类直接相关的自然环境的破坏加重。传统岩土工程发展到今天，面临着一系列新的问题： 第一，如何整治和改造复杂的岩土环境。岩土工程的作用对象是岩土体，岩土体的工程性质和环境直接影响工程活动。为了适应经济发展的需要，人类进行工程活动的场址的选择空间越来越小，将以前认为不适合居住和进行工程建设的大量
3、土地开发利用，迫使人类在极其困难的环境中开发建设巨大的工程项目。规模巨大的跨海工程、三峡工程、青藏铁路工程、南水北调工程等，岩土体的性质非常复杂，受环境影响强烈。 第二，如何减少工程活动对环境的破坏。当今人类的工程活动已成为地球表层特别活跃的因素和力量，人为对环境的影响和扰动远大于自然因素，工程活动破坏地表植被、扰动岩土体，影响水循环，打破了原有环境的平衡，必然诱发环境的破坏。如地下工程活动破坏了地下水系，引起地面泉水枯竭；隧道开挖破坏了岩土体的结构，导致山体滑坡和泥石流；过量抽取地下水引起区域性的地面沉降；大型水利工程建设诱发岸坡崩塌、地震等。 第三，如何通过岩土工程活动合理处理废弃物，并防
4、治废弃物对环境污染。人类日益增长的生产、生活活动，产生了大量的副产品，工业垃圾、生活垃圾及其它废弃物，特别是有毒有害或放射性废弃物的大量堆积，不仅挤压人类的生存空间，而且污染环境，造成传染性疾病流行，导致人口死亡；废弃物的淋滤造成下游地下水体污染，引起人、动物和植物中毒等。 第四，如何使工程建设与岩土环境协调发展。工程建设与岩土环境是相互作用的，工程活动改变岩土环境，导致岩土体的性质发生变化，反作用于工程建设。随着城市化、工业化的发展，人类工程活动对岩土环境影响的强度和范围越来越大；岩土环境对人类工程活动的制约作用亦越来越突出。 以上这些问题，要求岩土工程师们所考虑的不仅是工程本身的技术问题，
5、还应考虑工程与环境的协调发展。对于这些问题，仅靠传统岩土工程学是无法解决的，必须结合环境科学、化学、生物学、土壤学等自然学科和社会学、经济学等社会科学。环境岩土工程学作为多学科的交叉点应运而生。 2 环境岩土工程学的形成 全球性的环境破坏和退化，使人类的生存和发展受到日益严重的挑战，环境问题已成为全人类共同关注的焦点。20世纪70年代，人类对环境问题的认识有了一个飞跃，环境意识日益增强，环境保护热潮在全球蓬勃兴起。 人们越来越意识到，人类的一切活动必须建立在对自然发展演化规律深刻认识的基础上，必须强调人地关系的协调发展，人类的工程活动必须从追求局部、短期利益的阶段向追求整体、长远利益的阶段发展
6、。 1986年方晓阳教授在第一届环境岩土工程国际学术研讨会上，将环境岩土工程定位为“跨学科的边缘科学，覆盖了在大气圈、生物圈、水圈、岩石圈及地质微生物圈等多种环境下土和岩石及其相互作用问题”。同年方晓阳教授出版了环境岩土工程专著，在该书中指出，传统的土力学和岩土工程研究缺乏对环境岩土性质影响的考虑，而实际上，岩土工程问题正是由于环境、化学和生物作用等造成的。 美国土木工程师学会(ASCE)的岩土工程分会(GT)，意识到岩土工程活动中的环境问题日益突出，于20世纪90年代初开始酝酿改变他们所办刊物岩土工程的名称，以使其包容更广泛的涉及岩土环境的内容。1997年正式改名为岩土与环境工程，标志着“环
7、境岩土工程”的诞生。 3 环境岩土工程的定义和研究内容 3.1 环境岩土工程的定义 环境岩土工程作为一门新兴的研究领域，近年来发展迅速，其内涵也在不断的丰富之中。关于环境岩土工程的定义和学科地位，各家看法不一，目前尚未统一，其研究内容和范围也存在较大的差异。 方晓阳教授（1986）指出：环境岩土工程是一门交叉学科，覆盖了在大气圈、生物圈、水圈和地质微生物圈等各种环境下土和岩石及其相互作用的问题。 胡中雄教授（1990）：环境岩土工程是应用岩土工程的概念进行环境保护的一门学科。 龚晓南（2000）：环境岩土工程是岩土工程与环境科学密切结合的一门学科，它主要是应用岩土工程的观点、技术和方法为治理和
8、保护环境服务 袁建新（1996）：环境岩土工程学是一门新兴的综合交叉学科，它涉及岩土力学与岩土工程、卫生工程、环境工程、土壤学、地质学、水文地质、水文地球物理、地球化学、工程地质、采矿工程以及农业工程学等。 施斌（2000）：环境岩土工程是用岩土工程的基本原理、方法和手段防止自然和人类活动引起的岩土环境恶化，分析和评价环境与各类岩土工程间的相互作用和影响，改善城市和人类环境的运行和生活质量，保持人类社会经济的可持续发展。 白彦光（2003）：环境岩土工程研究环境与岩土体之间的相互作用和影响，应用岩土工程的理论、技术和方法为治理和保护环境服务，以及应用环境科学的理论、方法研究岩土工程问题。3.2
9、 环境岩土工程的研究内容和分类 环境岩土工程学的研究内容非常广泛，涉及到与岩土工程有关的所有环境问题，即凡自然环境、以及自然环境经过人类作用形成的客观环境与岩土工程相互作用的问题，都是环境岩土工程的工作内容。工程活动与环境是相互作用的，工程活动对环境的影响并不局限于工程场址的直接环境，会涉及到工程场址以外更大范围的环境；同时，工程在建设和运行期间，可能导致环境的次生演化，不利的环境条件或次生演化的环境都可能影响工程建设和正常运行。所以环境岩土工程学所要解决的技术问题，是将人类干扰或破坏了的环境和不利的环境塑造成人地和谐的人类生存环境，使人类工程活动与环境协调发展。在这个条件下，环境岩土工程的研
10、究内容有： 第一，人类与自然环境之间的共同作用问题。这类问题的动因主要是由自然灾变引起的，研究自然灾变（如地震、水土流失、洪涝灾害等）发生的原因、规律、诱发因素、造成的危害等，建立自然灾变的预测预报模型，寻求减少灾害损失的岩土工程协调技术，通过岩土工程的方法抵御由于天灾引起的环境问题。 第二，人类生产、生活活动与环境之间的共同作用问题。这类问题的动因主要是人类自身，随着城市化水平的提高，各种有毒有害废弃物排放增多，污染大气、土壤、地下水和河流，危害人类健康。废弃物处理的环境岩土工程技术，包括：填埋设计和施工；有毒和放射性废料的封闭；环境污染的净化技术；场地运营、监控和填筑；废弃物淋滤液控制系统
11、（如截水墙、排水井）等。 第三，人类工程活动与环境之间的相互作用问题。研究人类的工程活动对周围环境的影响，如基坑开挖对周围环境的影响；密集建筑群中打桩造成的挤土效应；强夯施工等的震动、躁声对周围环境的影响；城市地铁隧道盾构施工对周围环境的影响等。 4 环境岩土工程学的特点 1)研究对象的系统性。环境岩土工程学以解决人类岩土工程活动所产生的环境问题为主题，人类岩土工程活动处于封闭的循环的自然环境系统中，构成系统的各要素之间是紧密联系又相互制约的，任何一部分的运动变化，都会影响到其他几部分，同时也在其他几部分的影响之下。环境岩土工程就是在自然环境这个大系统下，研究自然环境与岩土工程相互作用而形成的
12、复合系统的运动规律。 2)研究内容的广泛性。环境岩土工程学涉及的问题非常广泛，既要研究包括在各种工程地质条件下的勘察、设计、施工、监测，安全和可靠地建造各类土木工程等岩土工程内容，更要研究应用各种方法和手段，防止自然和人类工程活动引起的岩石、土、水、大气环境的恶化，分析和评价环境与各类岩土工程之间的相互作用和影响，以确保工程的安全运行和人类生活质量的提高。 3)研究问题的复杂性。岩土体是自然的产物，又处在自然与人类活动的共同作用下，其性质对局部环境条件的变化非常敏感。环境要素是多序列的，每个序列中又有多种类型，在工程活动中，各种要素之间的相互作用和相互关系又在不断地变化。可见，环境岩土工程问题
13、是由局部逐渐向区域扩展的复杂的环境演化问题。 4) 研究方法的多学科性。环境岩土工程学的研究领域涉及到自然科学和社会科学的许多方面，研究方法上，强调多学科性，尤其强调大气圈、水圈、岩石圈和生物圈对岩土工程的影响，其中又特别强调化学和生物的作用，强调环境科学和工程与当前岩土工程的结合。 5)研究目标的长远性。陈新民在论环境岩土工程一文中指出：环境岩土工程问题的本质和核心是预测。其研究目标不单是考虑现在，更重要的是考虑长远的问题。如固体废弃物的填埋处置，既要保证现在的安全，又要考虑将来的变化和再利用；又如在考虑工程建设与环境的相互作用时，从工程在建设和运行期间可能导致环境的次生演化出发，根据变化后
14、的环境特征，分析工程与环境的协调发展。 6) 研究成果的社会性。环境岩土工程学的研究成果，具有广泛的应用价值，但又是一种很难应用的研究成果。环境问题是全人类共同关心的重大论题，环境问题的最终解决在施以技术手段的同时，还要加强社会管理，提高社会管理水平才能实现。所以，环境岩土工程学研究成果的实施，必须得到全社会的承认和法律法规的支持。 7) 学科发展的法规性。立法对促进环境岩土工程学的发展起着决定性作用。如1980年前后，美国连续颁布了三个有关保护建筑环境方面的联邦法律，强调对已有建筑项目和拟建项目的环境评估，以此为契机，各大岩土工程公司纷纷开展这方面的业务和研究。1995年10月30日颁布的中
15、华人民共和国固体废物污染环境防治法，促进了固体废弃物处理与处置技术和理论的发展。 8) 学科的低效益性。环境岩土工程学的效益很大一部分体现为社会效益和生态效益，经济效益较低，利益和成本比远小于传统岩土工程。这也是环境岩土工程学研究成果推广困难的一大因素。 5 环境岩土工程学的研究方法 一种是粒子能量场理论。方晓阳教授针对岩土工程学研究方法的不足，提出了可用于分析各种环境条件下岩土性质的统一方法粒子能量场理论，该理论包括基本粒子、粒子系统和能量场三部分。粒子能量场有机械能场、热能场、电能场、磁能场和放射能场五部分组成。机械能场对岩土工程性质起着重要作用，但只能决定问题的短期性状，环境（热、电、放
16、射）能场与自然环境关系密切，对岩土性质的影响是长期的。粒子能量场理论能识别和表征岩土工程问题的每个阶段，可用于岩土工程问题的识别和分类、修正室内与现场试验或理论和试验结果、预期岩土工程的长期性状等三个领域。 一种是优势面理论。环境岩土工程的研究要从地质环境的地球物理场、地球化学场和岩土体质量的基础入手，注意场地区域性和综合性特征，突出人类活动的影响作用，最终完成环境演化的预测分析，并导出相应的对策和治理方法。优势面理论认为：各种环境岩土工程问题均是一个以优势面为骨架，受多种因素作用的系统，岩土体的稳定性是由岩土体结构或优势面控制的，各种因素通过优势面起作用。因此，防止岩土体稳定性破坏的各种处理
17、措施都是在消除优势面的导滑作用后方可奏效。优势面的确定是依据两类优势面的概念，即地质优势面和统计优势面，地质优势面反映性质优势，统计优势面反映数量优势。通过两类优势面的分析，找到真正的控制性结构面真正优势面，进行稳定分析。6 21世纪中国最具挑战性的环境岩土世纪中国最具挑战性的环境岩土工程问题工程问题 1) 台湾海峡横跨工程 连接大陆与台湾岛的台湾海峡横跨工程，是一项极复杂的工程。不利的环境条件有：地震、火山活动、海啸、台风、暴雨、强海浪以及复杂的地质构造和地理特点，该项目覆盖了工程、政治、环境、经济和社会诸多方面的问题。 2）戈壁沙漠绿化工程 我国西北地区戈壁沙漠面积129.5km2，沙漠的主要环境问题有：热、风和水，沙漠绿化的目的是使沙漠水环境的相互作用处于最佳状态，从而使广大的废地变成人类生存的有用农田。实现该目的的主要问题是水，解决水的方法就是用太阳电磁作用取水，即利用太阳能融化天山雪水以满足干旱和沙漠地区的灌溉需要。
