1  問題的提出

 

  由谷德振先生等人于上一世紀(jì)70 年代提出的巖體工程地質(zhì)力學(xué), 因其具有很強(qiáng)的解決實(shí)際巖石工程問題的能力而被廣泛地應(yīng)用于各類邊坡工程、地下工程和井工程等的設(shè)計(jì)和施工。在工程應(yīng)用過程中, 新課題不斷被提出, 并在這些課題的解決過程中, 巖體工程地質(zhì)力學(xué)的理論、方法和技術(shù)逐步形成和得到發(fā)展。同時(shí), 也由于目前大規(guī)模巖石工程建設(shè)的需要, 又有不少需要解決的工程地質(zhì)力學(xué)問題被提了出來, 例如本文將要論及的以下兩個(gè)不同的問題值得研究者的關(guān)注:

 

  (1)邊坡滾石形成機(jī)理和防治的工程地質(zhì)力學(xué)綜合研究;(2)如何對(duì)巖石工程的各方面信息進(jìn)行綜合集成以便為工程設(shè)計(jì)和施工提供方法。

 

  應(yīng)當(dāng)指出, 前者是一個(gè)多年以前就已有人作過研究的課題。在國外由于高速公路的普遍修建等原因而使有關(guān)邊坡滾石防治問題得到重視, 而且還逐步形成了一個(gè)產(chǎn)業(yè)。但問題是我國在這方面的研究仍甚少, 與現(xiàn)在高速公路的快速發(fā)展很不相稱。正因?yàn)槿绱? 作者相信:社會(huì)的巨大需要必將推動(dòng)邊坡滾石防治工程向前發(fā)展。所以有關(guān)滾石的研究(包括理論和方法、技術(shù)的研究)很可能將成為工程地質(zhì)力學(xué)新的研究熱點(diǎn)。

 

  后者也由于巖土工程的可變更設(shè)計(jì)和信息化施工對(duì)方法的需求。而受到關(guān)注。事實(shí)上, 近年來有關(guān)巖土工程信息的綜合集成的理論、方法和技術(shù)的研究受到越來越多的重視。

 

  2  邊坡滾石防治的工程地質(zhì)力學(xué)系統(tǒng)研究

 

  一般而言, 巖石邊坡的穩(wěn)定性, 歷來是邊坡問題工程地質(zhì)力學(xué)研究的一個(gè)中心問題。事實(shí)上, 邊坡穩(wěn)定問題也一直為巖石邊坡工程設(shè)計(jì)工程師所重視, 因?yàn)樵O(shè)計(jì)和施工都是以有關(guān)邊坡穩(wěn)定性的研究成果為基礎(chǔ)的。但實(shí)際上對(duì)于某些邊坡來說, 除了邊坡穩(wěn)定性問題以外, 還有一類應(yīng)當(dāng)受到重視的問題在我國尚未引起足夠重視。這就是所謂巖石邊坡的滾石問題。

 

  2 .1  巖石邊坡滾石問題研究的重要性

 

  在工程地質(zhì)學(xué)科中, 邊坡穩(wěn)定是研究最多的課題之一。數(shù)以千計(jì)的論著和教科書都論及邊坡的穩(wěn)定性問題。其中不少論述邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)的條件、理論、方法、運(yùn)算公式和應(yīng)用等內(nèi)容。但對(duì)于同樣可能發(fā)生于邊坡上的滾石問題卻很少見之于工程地質(zhì)和巖石力學(xué)教科書。連論及滾石問題的論著也是鳳毛麟角。究其原因是多方面的:第一, 從設(shè)計(jì)角度看,滾石問題與邊坡穩(wěn)定分析相比畢竟較為次要;第二,以前因山區(qū)國道線和高速公路很少, 故邊坡由于滾石所引發(fā)的事故相對(duì)較少。因此對(duì)有關(guān)滾石防治等問題重視不夠, 所發(fā)表的論文也必然較少。但目前的情況正在發(fā)生變化:隨著國家建設(shè)的快速發(fā)展, 建于山區(qū)的高速公路和高等級(jí)公路越來越多, 而以陡峰風(fēng)光為主的旅游景點(diǎn)也在增加。在這種情況下,邊坡滾石的發(fā)生次數(shù)也必然比以前多?？梢栽O(shè)想,如果對(duì)之認(rèn)識(shí)不足, 且有關(guān)滾石的發(fā)生機(jī)理和防治技術(shù)等研究跟不上, 那么因滾石導(dǎo)致的工程事故也一定越來越多。

 

  (1)陜西省西萬公路秦嶺段(西萬公路40km +200 m 處)于2001 年8 月18 日9 時(shí)因山體滑坡而導(dǎo)致多塊巨石(最大的一塊重達(dá)8 t 多)從50 多米高的邊坡滾下, 將坡上的一棵樹砸斷, 大轎車砸壞,造成2 人死亡, 6 名受傷的重大事故[ 5] 。

 

  (2)貴州省高等級(jí)公路貴新公路上距貴陽約55km 處, 于2001 年7 月25 日16 時(shí)公路右側(cè)滾下一塊數(shù)十公斤重的石塊, 擊穿客車右側(cè)擋風(fēng)玻璃, 造成1 人死亡。家屬將省高等級(jí)公路管理局等告上法庭。一審判賠33 萬元。

 

  (3)據(jù)作者實(shí)地考察, 浙江省104 國道線上處于東陽—嵊州段的大鼻頭山的花崗石滾石多次飛向公路。所幸未砸中車輛。但排水溝側(cè)墻卻被巨石砸壞。另外, 設(shè)計(jì)上所用的防滾石的塑料掛網(wǎng)被滾石“破肚”損壞多處。這說明防治滾石網(wǎng)的設(shè)計(jì)是需要科研支持的。

 

  另外, 還有多次伴隨著滑坡發(fā)生的滾石事故。這里不再列舉。

 

  事實(shí)上, 巖石邊坡滾石問題的研究, 不僅可以有效地保護(hù)生命和財(cái)產(chǎn), 而且在一定程度上還可減少邊坡治理的總投資, 因?yàn)閮?yōu)質(zhì)的滾石防治設(shè)計(jì)可以適當(dāng)壓縮路邊面積和提高邊坡角度來減少開挖工程量。另外, 允許時(shí)還可減少護(hù)坡的強(qiáng)度。

 

  2 .2  滾石研究動(dòng)態(tài)

 

  據(jù)初步調(diào)研, 國外巖石力學(xué)和工程地質(zhì)界在滾石的研究方面遠(yuǎn)比國內(nèi)活躍。瑞士等國家還以有關(guān)研究成果為基礎(chǔ)成立了滾石防治為主的產(chǎn)業(yè)公司,如瑞士的布魯克(GEOBRUGG)公司和意大利的SITAF 公司等。前者還打入了中國市場, 在四川成立了布魯克(成都)巖土防護(hù)工程有限公司。我國隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展, 有關(guān)滾石防治市場越來越大。盡管如此, 我國至少在目前形成產(chǎn)業(yè)的條件仍不具備。其中一個(gè)重要原因是國內(nèi)工程地質(zhì)、巖石力學(xué)界在滾石發(fā)生機(jī)理和防治技術(shù)等方面的研究很少。據(jù)不完全資料, 我國中國科學(xué)院地質(zhì)研究所、成都理工學(xué)院、香港大學(xué)和香港理工大學(xué)等單位, 以及本文作者等從不同角度對(duì)此進(jìn)行過研究。

 

  縱觀國內(nèi)外有關(guān)滾石問題的研究動(dòng)態(tài), 可以指出三點(diǎn):第一, 雖然滾石問題越來越受到重視, 但有關(guān)研究仍很不充分, 尤其在國內(nèi)這方面研究也許只能算剛剛起步;第二, 即使在國外, 也缺少系統(tǒng)研究(即從滾石的地質(zhì)成因、發(fā)生概率、運(yùn)動(dòng)軌跡、參數(shù)反演防治方法技術(shù)及其優(yōu)化等部分組成的系統(tǒng)研究)。

 

  所以有關(guān)滾石工程地質(zhì)和巖石力學(xué)研究還需加強(qiáng);第三, 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展, 可以預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來我國滾石問題的研究將成為工程地質(zhì)力學(xué)研究的新的熱點(diǎn)。有關(guān)防治也有可能逐步形成新的產(chǎn)業(yè)。

 

  2 .3  滾石研究方法和主要研究內(nèi)容

 

  據(jù)上所述, 作者認(rèn)為滾石邊坡研究的方法, 應(yīng)當(dāng)是在廣泛調(diào)查的基礎(chǔ)上, 針對(duì)各類可能發(fā)生滾石的邊坡的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)、施工難題, 開展有關(guān)地質(zhì)條件、滾石發(fā)生機(jī)理和防治技術(shù)等的系統(tǒng)研究。

 

  據(jù)初步研究, 對(duì)于不涉及滑坡的滾石問題至少可以考慮以下7 個(gè)方面研究內(nèi)容:

 

  (1)邊坡滾石發(fā)生的地質(zhì)條件及滾石發(fā)生概率的研究;(2)滾石運(yùn)動(dòng)軌跡的估算及其影響因素分析;

 

  (3)滾石沖擊力的反演原理和反分析方法的研究;(4)滾石防護(hù)方法及其優(yōu)化問題;

 

  (5)滾石攔網(wǎng)新型緩沖器的研制;

 

  (6)防護(hù)方法設(shè)計(jì)和施工中的技術(shù)問題;

 

  (7)防護(hù)系統(tǒng)的美學(xué)問題。

 

  3  巖土工程信息綜合集成的研究

 

  在工程地質(zhì)力學(xué)理論、方法和應(yīng)用研究取得很大進(jìn)展的今天, 一個(gè)新的研究方向正在引人注目地出現(xiàn)在我們的眼前。這就是, 巖土工程信息綜合集成的研究課題?？梢灶A(yù)見, 由于巖土工程設(shè)計(jì)的需要, 這一新的研究課題還將受到越來越多的關(guān)注。

 

  3 .1  信息綜合集成研究的必要性

 

  由于工程巖土體在巖性、礦物組成、構(gòu)造、結(jié)構(gòu)(巖體結(jié)構(gòu)和土體結(jié)構(gòu))、力學(xué)性質(zhì)和所處的環(huán)境(地應(yīng)力環(huán)境和地下水環(huán)境)等方面的復(fù)雜性, 所以巖土工程變形、破壞的過程和結(jié)果在理論上是不可能僅靠理論計(jì)算來加以準(zhǔn)確預(yù)測的。這往往使巖土工程的設(shè)計(jì)者和施工者感到棘手:如果信息掌握得不夠多或者不夠準(zhǔn)確, 就有可能導(dǎo)致工程處理不當(dāng)結(jié)果;或者設(shè)計(jì)過于保守造成浪費(fèi);或者造成工程事故、延續(xù)工期, 增加投資, 甚至出現(xiàn)大的傷亡事故。

 

  為了使工程設(shè)計(jì)在理論上合理, 技術(shù)上可行, 一些工程地質(zhì)、巖石力學(xué)的研究者采用了系統(tǒng)科學(xué)理論和方法。崔政權(quán)、黃潤秋、李廣誠、王在泉等從一般系統(tǒng)論原理出發(fā)對(duì)此進(jìn)行研究, 并取得了很好的研究成果;李世輝、王思敬和本文作者則以開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)來研究巖土工程設(shè)計(jì)施工中的工程地質(zhì)和巖石力學(xué)問題。

 

  作者主張, 通過對(duì)也屬于系統(tǒng)科學(xué)范疇的開放的巨復(fù)雜系統(tǒng)方法論、工程地質(zhì)力學(xué)的理論框架和方法體系的研究, 找出兩者相結(jié)合的切入點(diǎn), 對(duì)這兩門學(xué)科的共同研究對(duì)象—巖土工程的特性(包括所具有的巨系統(tǒng)特性和與外界交換物質(zhì)、能量、信息等特點(diǎn))進(jìn)行重點(diǎn)研究, 以形成工程地質(zhì)力學(xué)的一個(gè)專門方法論, 即工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成理論(可簡稱為EGMS)[ 15] 。該方法論的主要特點(diǎn)是:它的應(yīng)用是以各種有關(guān)應(yīng)用對(duì)象(即某具體巖土工程)的信息(包括來自理論分析的成果、專家群體的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)判斷力、現(xiàn)場監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)等3 部分信息)為基礎(chǔ)的。換言之, EGMS 也是一種有關(guān)巖土工程信息綜合集成的方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中, 設(shè)計(jì)工程師通常可根據(jù)有關(guān)理論分析方面的成果(包括工程地質(zhì)勘察資料及對(duì)資料的地質(zhì)分析和對(duì)工程所作的力學(xué)分析等的結(jié)果)、由有關(guān)工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、巖石力學(xué)、工程地質(zhì)等方面專家組成的專家群體(即專家組)的經(jīng)驗(yàn)(包括有關(guān)技術(shù)規(guī)范)等對(duì)該工程的變形破壞的發(fā)生、部位、規(guī)模以及過程等進(jìn)行預(yù)測, 并以測自現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)(通常以位移實(shí)測值為主)為基礎(chǔ), 不斷地對(duì)工程穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)和修改設(shè)計(jì), 以達(dá)到逐步接近實(shí)際情況和實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)設(shè)計(jì)的目的。

 

  3 .2  EGMS 的主要研究內(nèi)容

 

  工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成方法是一種以工程地質(zhì)力學(xué)和開放的復(fù)雜性巨系統(tǒng)方法論(即綜合集成方法)為基礎(chǔ), 以巖土工程設(shè)計(jì)和施工為應(yīng)用對(duì)象的方法論。所以EGMS 的研究通常是圍繞著有關(guān)理論基礎(chǔ)、方法, 技術(shù)和應(yīng)用等問題進(jìn)行的。它主要涉及以下幾個(gè)方面:

 

  (1)工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成方法論的形成及其基礎(chǔ)理論研究(2)基于EGMS 的工程類比法的研究

 

  (3)根據(jù)“優(yōu)先監(jiān)測突破口”原理設(shè)計(jì)巖土工程的監(jiān)測系統(tǒng), 而突破口則是依據(jù)理論分析和專家群體經(jīng)驗(yàn)而確定的。

 

  (4)監(jiān)測方法和技術(shù)的研究

 

  (5)從理論分析成果、專家經(jīng)驗(yàn)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)出發(fā)進(jìn)行的邊坡加固需求度的研究。

 

  (6)有關(guān)綜合適用性指標(biāo)(CSI)的研究

 

  (7)綜合損害度和綜合加固度;

 

  (8)位移時(shí)空綜合預(yù)測法;

 

  (9)按EGMS 思路設(shè)計(jì)的邊坡新型加固技術(shù):

 

  預(yù)應(yīng)力錨梁和預(yù)應(yīng)力錨固樁;

 

  (10)以EGMS 為指導(dǎo)思想的綜合地質(zhì)信息系統(tǒng)(SGIS)的研究。

 

  在這些研究中, 不僅探討了EGMS 及與之相關(guān)的理論問題, 還涉及到作者在若干實(shí)際巖土工程中的成功應(yīng)用。例如作者在五強(qiáng)溪水電站船閘邊坡, 某導(dǎo)彈發(fā)射井、彩云大廈深基坑[ 29] 等不同類型的重要工程中成功地應(yīng)用了EGMS 方法和技術(shù)。

 

  這些應(yīng)用清楚地表明,EGMS 是可行的, 是可以在巖土工程的可變更設(shè)計(jì)和信息化施工中發(fā)揮重要作用的。

 

  4  結(jié) 論

 

  通過上述分析, 可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

 

  (1)邊坡滾石對(duì)穿過山區(qū)的重要公路, 乃至鐵路上的交通工具、線路和人身安全已經(jīng)構(gòu)成威脅。而且隨著山區(qū)高速公路、高等級(jí)公路和旅游事業(yè)的發(fā)展, 該問題將越來越突出。雖然滾石問題的研究我國早已開始, 但近年來基本上處于“冷卻” 狀態(tài)。由于滾石防治是需要大量研究成果為基礎(chǔ)的, 所以在社會(huì)巨大需要的推動(dòng)下滾石研究將在不久的將來將成為工程地質(zhì)力學(xué)研究的新熱點(diǎn)。

 

  (2)包括EGMS 在內(nèi)的巖土工程信息綜合集成方法, 已逐步成為巖土工程可變更設(shè)計(jì)和信息化施工的重要支柱。由于傳統(tǒng)的巖土工程設(shè)計(jì)方法本身存在著許多不足, 所以大規(guī)模的巖土工程建設(shè)需要發(fā)展信息綜合集成的方法, 以推動(dòng)設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展。作者相信, 正是這種社會(huì)的巨大需要, 巖土工程信息綜合集成方法(包括EGMS)將逐步成為工程地質(zhì)力學(xué)研究的另一新熱點(diǎn)。

 

  (3)關(guān)于滾石發(fā)生條件、防治方法和關(guān)于工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成方法論的成果, 可望廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的高陡邊坡以及其它巖土工程的設(shè)計(jì)中。作者相信, 它們也可在西部山區(qū)的一些重大工程(包括川藏線公路和目前處于規(guī)劃階段的川藏鐵路等工程)建設(shè)中發(fā)揮重要作用, 并相信它們將在應(yīng)用中逐步完善起來。