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从“上天容易入地难”看工程地质学的发展
来源:     作者:      2016-10-08 13:20       

 

■尚彦军 帕尔哈提·祖努

常言道“上天容易入地难”。难在什么地方?著名采矿专家于学馥先生曾说过:时间、空间、强度、物质、能量、信息,且不说每个方面都有问题,而地学需要解的是这五方面参量组合而成的大方程组。因此常有人说,一个优秀的工程地质学家是涵盖多个专业的小型专家群,是地质工程建设的“风水师”和标本兼治的“郎中”。那么现实问题是,工程地质学发展就是勘察和灾害防治吗?

作为地质和工程之间的桥梁,工程地质学是两者众多类型和级别的集成,而不是简单的地质加工程理论知识的下游应用。工程地质学从1950年兴起到今天的遍地开花,从1979年首届工程地质学术大会参会200人到2012年的800多人,因经济而兴,因工程而荣,更因环境而美。

作为老大难的工程地质学,难就难在涉及因素众多、动态变化大、时间周期长、地下深度大等方面问题,新技术的开发和引进迫在眉睫。与地球打交道最直接的工程地质学,其理论必然也要有更大的创新发展。

首先是多因素问题。地质、地理、气象、水文都与地质体结构特性和变形破坏密切相关,如地震、滑坡的预测预报难等。那么这些在区域、场地和工作面等不同层次多方面的因素,西方通用的是统计学方法。在我国,李世煇先生利用数十个信息全、代表性好、研究程度高的地下工程作为了待设计复杂地下工程的样板,称为典型类比分析法(PTA: precedent type analysis),得到了以擅长统计著称的西方人的欣赏和科学引用。

其次是动态变化。地球形成至今的46亿年先后经历了5次全球生物大灭绝,阜平、五台,到燕山和喜玛拉雅山运动等12次以上地质构造运动,造就了众多的山脉与河流。而如今虽然从卫星遥感到深地钻探,对地球变化监测可谓多方位多参量,但面对每年深度数公里到数百公里、次数达500多万次的级别不等的地震,动力作用无处无时不在,单纯用GPS监测地质体蠕变模式来预报以黏滑机制和应力突然释放为特征的大地震显得不再完全适宜。硬岩岩爆常用地应力和岩石强度比来判别,而对软岩则常用李世煇先生等人提出的变形速率比值判别法来评判。后者给出的0.05的无量纲阈值,经过长期地下工程正反两方面验证已上升到行业定理。因此,不同深度温度、压力都在发生变化的地质体,变形破坏方式多样,单纯用应力或应变都不很合适。对软岩变形和硬岩岩爆用不同仪器和指标是合适的。我们的水库大坝、核电站、地铁和高楼大厦在这样动态条件下也必然会经历蠕变到突变的过程,而关键拐点的监控正是确定其工程寿命所在。

最后是地表下深度问题。在深部温度场、应力场、渗流场和化学场耦合作用客观存在。它们的边界条件、初始条件是什么?就地球来说这个系统应是与水圈、生物圈和大气圈有物质、能量和信息交换的开放或半开放系统,属于钱学森先生提出并研究的开放复杂巨系统,那么我们常用的计算机模拟多场耦合往往是前提多、耦合效果不可信或难以检验,其原因在于机械化的组合或单纯交给了计算机,而实际上此类系统应是理论、经验和监控三者紧密结合才可以解决。

因此,工程地质学发展面临着物质、结构和能量等之间的复杂关系,单靠理论和经验已难以突破或长足发展,这反映在了从占统治地位的地质构造理论从板块构造、地体(微板块)到地幔柱,模型渐趋复杂化,但对一些复杂现象的实质性认识并未真正解决,最直接的影响就是地震预测预报难题。当前情况下,急需借鉴和引入信息、智能和自动化技术方法,如信息的0-1编码、条形码到二维码技术等。将上述多因素多参量问题加以数字量化,用探测技术和CT扫描技术可将地球内部黑箱变为灰箱,现阶段想全面数字化后而将其化为白箱几无可能,尤其是其深部和动态变化如此复杂条件下。这在促使我们反思,中医式的师傅带徒弟模式是否完全合适?经验传承固然很重要,但是如果师傅一味强调老的理论知识和技能的掌握及其传承而忽略了信息时代知识爆炸和新技术突飞猛进的现状,单纯的专业分工已难以解决上述复杂性问题,相反,很可能会阻碍多学科交叉基础上的创新、新技术和方法的引进和应用,所谓的胆大会变为蛮干或顾此失彼。现实情况下我国工程地质学界发展形势很好,但与很多学科相比创新性落后了,其关键在于新技术引进和发展不够,这些问题值得深思。

我国一带一路战略实施首先是基础设施的规划和建设,地质工程首当其冲。其选址、工程方案和对地质环境的扰动及其防灾减灾不单是技术人员的事,也是规划部门和精准扶贫、新农村建设所关心的。这就需要工程地质学坚守避让地质灾害、防治地质灾害的底线或红线,而追求工程目标和环境和谐及可持续发展的上限。在下游的减灾防灾和工程治理面前,对不同尺度的形成历史达百万年、上亿年的地质体,其变形破坏模式和机理这些理论问题研究不清,那自然就难以“对症下药”了。

针对我国2020年全面建设小康社会的奋斗目标,工程地质面临着新的挑战和机遇,需要地质条件定性的结构模式化、量化和精细化,也需要大力引进、吸收和创新发展信息、自动化和智能控制技术,这样才能更好地破解“上天容易入地难”的难题。

(作者系新疆工程学院教授)

《中国科学报》 (2016-09-26 第7版 观点)