人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的相互作用

1、.人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的相互作用 田志強(qiáng) （環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院 1126108952）摘要 人類工程活動往往受到地質(zhì)環(huán)境的制約，同時生產(chǎn)力的發(fā)展，使人類對自然條件的改變起到了巨大的作用。人類的工程活動改變著地球面貌，甚至導(dǎo)致地球上出現(xiàn)新的地質(zhì)現(xiàn)象。它作為活躍的因素，積極地影響著地質(zhì)環(huán)境，促進(jìn)其次生演化。地質(zhì)環(huán)境的次生演化常會對人類工程活動產(chǎn)生次生制約。因此，人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境表現(xiàn)為相互依存、相互作用的關(guān)系。通過對這種相互作用的基本概念，制約關(guān)系進(jìn)行討論，可以對工程環(huán)境調(diào)控提供重要依據(jù)，減少人為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生幾率，使人類在健康的環(huán)境生活發(fā)展。關(guān)鍵詞 人類工程活動 地質(zhì)環(huán)境 人地相互作用 引言

2、環(huán)境問題已成為人類社會生存和發(fā)展的重大問題之一，其本質(zhì)是人類活動與自然環(huán)境的關(guān)系，即人地關(guān)系未能妥善協(xié)調(diào)，而且失調(diào)有日益嚴(yán)重的趨勢。這說明人類活動對自然環(huán)境的影響力越來越大，對自然環(huán)境特性及其演化規(guī)律認(rèn)識不夠、對人類活動與自然環(huán)境相互作用的后果估計不足，因而不能自覺地、科學(xué)地調(diào)控人地關(guān)系，以期取得可持續(xù)的發(fā)展人類活動中，工程建設(shè)是提供設(shè)施、保證人類社會發(fā)展和其他各種活動得以實(shí)施的基礎(chǔ)，不論是資源、能源的開發(fā)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸，還是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、國防建設(shè)，以及環(huán)境整治、災(zāi)害防治等，無一不以工程建設(shè)為前導(dǎo)人類工程活動，即從事工程建設(shè)和礦山開采，已成為人類各類活動中最重要的內(nèi)容之一。我國已建成

3、8.5萬余座水庫大壩，12萬公里鐵路和370多萬公里公路，25種主要金屬礦產(chǎn)10618座，大小煤礦一萬多座，百萬人口級大城市達(dá)數(shù)十座，數(shù)量多、規(guī)模大、建設(shè)速度快舉世矚目。然而現(xiàn)今在許多工程地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)境問題，影響工程進(jìn)行和地區(qū)的發(fā)展，導(dǎo)致生活和生產(chǎn)條件的惡化，甚至發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。例如，由于開采礦產(chǎn)，過量抽汲地下水等原因造成的地面沉降、開裂和塌陷，引起地下管道的損壞、地面不平、排水不暢、洼地成澇建筑物開彩出現(xiàn)危屋險墻，嚴(yán)重危害人民的生活和安全又如由于開挖道路、建筑深基坑、水庫蓄水等引起的滑坡、塌方，占其總數(shù)的70%,滑塌體往往堵塞交通，損壞民用建筑物，威協(xié)人民生命財產(chǎn)安全?，F(xiàn)今中國數(shù)十座大

4、中城市、礦山工業(yè)地區(qū)、大型基礎(chǔ)設(shè)施工程地區(qū)的環(huán)境惡化，急待整治。總之，人類工程活動和地質(zhì)環(huán)境的失調(diào)可導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境的惡化，產(chǎn)生對周圍人民生活的危害、資源的破壞和地區(qū)發(fā)展的不良影響。對人類工程活動與地質(zhì)關(guān)系的研究，以期指導(dǎo)調(diào)控其相互作用是當(dāng)今環(huán)境問題研究的重要而迫切的任務(wù)。1.地質(zhì)環(huán)境對人類活動的影響1.1地質(zhì)環(huán)境承載力的特點(diǎn)環(huán)境承載力又稱環(huán)境承受力或環(huán)境忍耐力。它是指在某一時期，某種環(huán)境狀態(tài)下，某一區(qū)域環(huán)境對人類社會、經(jīng)濟(jì)活動的支持能力的限度。地質(zhì)環(huán)境的承載力具有（1） 客觀性，地質(zhì)環(huán)境的本質(zhì)屬性是其具有承載力的根源。也從根本上決定了地質(zhì)環(huán)境承載力的大小。（2） 可變性，地質(zhì)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能的改

5、變會導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境承載力的變化（3） 可控性，人類在掌握地質(zhì)環(huán)境演變規(guī)律和人類活動一地質(zhì)環(huán)境相互作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)和生活的實(shí)際需要，可以對地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行有目的的開發(fā)、利用和改造，尋求地質(zhì)環(huán)境限制因子并降低其限制強(qiáng)度，從而可以使地質(zhì)環(huán)境承載力在量和質(zhì)兩方而朝著人類預(yù)定的目標(biāo)變化，以保障人類社會、經(jīng)濟(jì)活動的可持續(xù)發(fā)展。1.2工程地質(zhì)環(huán)境承載力對工程活動的制約工程地質(zhì)環(huán)境要素主要有水、土、工程空間（包括地面和地下空間），因此地質(zhì)環(huán)境承載力按照不同地質(zhì)要素分解成地下水環(huán)境承載力、土壤環(huán)境承載力、地面工程承載力和地下空間承載力。環(huán)境要素的承載力制約著工程活動的建設(shè)。在工程建設(shè)中各階段所要考慮的地質(zhì)環(huán)

6、境制約，主要有5方面:( 1)地圈宏觀環(huán)境;( 2)地質(zhì)災(zāi)害;( 3)巖土地質(zhì)環(huán)境;( 4)水文地質(zhì)環(huán)境;(5)次生環(huán)境。這些環(huán)境因素通過其對工程地區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性、深部穩(wěn)定性、地面穩(wěn)定性、山體穩(wěn)定性和圍巖穩(wěn)定性直接影響到工程的規(guī)劃、選址、設(shè)計、施工和運(yùn)行中的工程決荒對于地質(zhì)災(zāi)害、巖土地質(zhì)、水文地質(zhì)的作用。在傳統(tǒng)的工程地質(zhì)評價中已經(jīng)考慮得較多，但對于地圈環(huán)境及次生環(huán)境則重視不夠，往往缺乏足夠的估價。結(jié)果往往造成更嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題。宏觀地質(zhì)環(huán)境指以巖石圈為主和大氣、生物、水圈相互作用形成的區(qū)域性地圈地質(zhì)環(huán)境，表現(xiàn)為巖土、水土及地下水等大面積的運(yùn)移，如泥沙運(yùn)移、水土流失、荒漠化、土地浸沒、河道遷他

7、海水入侵、土地鹽漬化、土層凍融等典型的實(shí)例為黃河三門峽水庫，由于黃土高原來沙量過大，建成后無法解決淤沙問題，進(jìn)行改建時只好削減發(fā)電和蓄洪量，以加大排沙量，才能使工程地質(zhì)環(huán)境對工程的制約的功能達(dá)到規(guī)劃和設(shè)計的目標(biāo)次生地質(zhì)環(huán)境指受已建工程的影響，而使原生地質(zhì)環(huán)境有明顯變化的地質(zhì)環(huán)境在礦區(qū)進(jìn)行工業(yè)、民用和道路工程建設(shè)時，必須預(yù)先估計礦區(qū)開采時已造成的、或?qū)⒁斐傻膸r土結(jié)構(gòu)破損和巖土運(yùn)棟尤其是對尚未出現(xiàn)，但在已建或在建工程影響范圍內(nèi)，次生地質(zhì)環(huán)境問題必須予以重視例如:撫順石油一廠建于撫順煤礦露天采坑上盤，建廠時，距采坑邊界較遠(yuǎn)，未能預(yù)見廠區(qū)地質(zhì)環(huán)境的變化，但隨著開采面的加深和向側(cè)幫推移，石油一廠地基變

8、形、開裂、廠房及煉油設(shè)施遭到損壞;韓城電廠受鄰近地下采煤的影響，發(fā)生滑動位移及地基變形;南水北調(diào)中線工程經(jīng)過礦山地下采空區(qū)，其地面巖層受塌陷變形，其范圍必須查明并采取必要的工程措施以確保安全目前正在勘測設(shè)計的金沙江向家壩水電站，壩址兩岸煤層受當(dāng)?shù)鼐用穸嗄觊_采，山體受到松動，在壩址選擇上應(yīng)盡量避開采空。2.人類活動對地質(zhì)環(huán)境的影響2.1人類活動的內(nèi)容人類工程活動是指采取工程措施進(jìn)行能源、資源開發(fā)利用，工農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和人民生活設(shè)施的建設(shè)等有關(guān)活動，包括規(guī)劃，設(shè)計、施工、開采和運(yùn)行等人類的活動，不論其生活生產(chǎn)和社會等活動都依賴于工程設(shè)施，即人類工程活動所提供的產(chǎn)品一一礦山或建筑椒按照工程建設(shè)的行業(yè)功

9、能來看，可分為水利水電工程、交通運(yùn)輸、礦業(yè)工程、化學(xué)冶金等工業(yè)基地，城鎮(zhèn)設(shè)施，國防基地工程，災(zāi)害防治及環(huán)境保護(hù)工程等。2.2人類工程活動地質(zhì)效應(yīng)地質(zhì)環(huán)境作為自然系統(tǒng)處于其自身演化過程地質(zhì)環(huán)境經(jīng)過巖層建造、構(gòu)造變形表生演化形成工程前期的地質(zhì)格忌在無工程建設(shè)的條件下，它繼續(xù)遵從表生演化的規(guī)律變化。例如，在地面表現(xiàn)為物質(zhì)的風(fēng)化剝蝕、運(yùn)移和沉積，以及相應(yīng)的地形變化;在某些劇烈的大氣、水的影響下，岸坡受到嚴(yán)重侵蝕，引起滑坡和崩塌，之后又恢復(fù)平衡狀態(tài) 人類工程活動主要是從事工程建設(shè)，通過規(guī)劃、選址、設(shè)計提出工程興建的方案，然后進(jìn)行施工，建成工程后繼續(xù)維護(hù)和運(yùn)布t從工程的功能來看，可分為礦山工程交通工程、水

10、利水電工程地下水資源工程城市和工業(yè)建設(shè)等類型每種工程項(xiàng)目都可能是不同規(guī)模的建筑物系統(tǒng)，這些建筑物的興建和運(yùn)營，以各種不同作用方式產(chǎn)生對地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的擾動，造成地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中因子能量的增長或減弱，因而改變整個系統(tǒng)的狀態(tài)，造成地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的變化從工程建設(shè)的興建和運(yùn)行過程中可能對地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生的作用來看，可有以下幾種方式(表1） 表1.工程活動對地質(zhì)環(huán)境的作用序號工程作用 類型作用方式作用結(jié)果1工程荷載建筑物對地基或圍巖加載1地基及其周圍變形:2地基及周圍應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的巖土屈服拉張變形2巖土開挖形成新臨空而及應(yīng)力釋放1臨陸空而外巖土變形:2應(yīng)力調(diào)整及出現(xiàn)屈服區(qū)和拉張區(qū):3地下水排出，引起動態(tài)變化:

11、4地下水補(bǔ)給，引起水質(zhì)惡化3 水流、水體調(diào)節(jié)巖土中水的排出及補(bǔ)入1巖土中滲壓改變:2巖土的水理軟化:3巖土的水力禍合:4地下水水量水質(zhì)改變4工程熱力作用巖土中溫度的改變1巖土中附加溫度應(yīng)力與變形:2巖土水溫度改變.觸發(fā)水巖的水理、水化作用 工程載荷 工程建筑物的自重及其運(yùn)行時與其他自然和人為作用力的疊加，造成在工程和地質(zhì)介質(zhì)邊界面的荷載如大壩作用在地基上的壩體自重力和水庫中水推力組成的荷載;高層建筑物在地基上作用荷載為其自重、內(nèi)部設(shè)施自重和所受風(fēng)力等組成;橋梁作用在橋基上為其自重及橋上行車、行人荷載;而用于地下貯存或運(yùn)輸流體的洞室，則以其內(nèi)部流體的壓力施加于巖面上按荷載的性質(zhì)可分為靜荷載動荷載

12、及周期重復(fù)荷載一般工程荷載，可用工程與巖土界面上的壓力來表征。 巖土開挖 礦山和大型工程建設(shè)都離不開巖土的開挖，在開挖的巖土面上建基，這是工程建設(shè)的普遍行為。礦山為了采集礦石必須進(jìn)行大規(guī)模的巖土開挖，而地下空間的利用，如隧洞、地下廠房、地下洞庫等亦需大量開揀即使是地面工程為平整地面和設(shè)置地基面等也要開挖巖土，形成基坑、溝槽、渠道工程活動中的巖土開挖，對地質(zhì)環(huán)境可產(chǎn)生多種作用和影響，如:巖土應(yīng)力狀態(tài)的卸載和調(diào)整;巖土開挖爆破損傷和振動;巖土臨空面位置、形態(tài)的改變;在開挖后形成的界面上承受建筑物的荷載;由于開挖引起地下水的排i,地表水的聚集;開挖后巖土的堆積和處理等 水流水體調(diào)節(jié) 有相當(dāng)一部分工程

13、其功能就是對水流水體的調(diào)節(jié)，如水庫、水渠、輸水隧洞、堤壩等水利工程建筑，又如鉆孔、水井等地下水供水工程，則起到調(diào)節(jié)地下水的功能廣義地講，石油、天然氣的開采地下水及熱水開采、油氣的地下儲存，都是水及流體的調(diào)節(jié)工程由于極大部分工程都涉及到巖土開挖，因此，都在不同程度上影響到地下水的排泄和水位的動態(tài)過程，也可認(rèn)為是工程的水文作用。在工程作用下地表及地下水系統(tǒng)受到的影響，表現(xiàn)為水位水流方向、梯度、速度的變化，同時由于水巖作用也可產(chǎn)生物理的、化學(xué)的變化工程熱力作用 在工程和巖土界面上發(fā)生熱傳輸，可改變初始的熱流和溫度格懇有些工程在建成后保持邊界上比較穩(wěn)定的溫度，如水庫庫底溫度常年較低，而水渠水溫則周期變

14、化放射性廢料處理洞室，則有一定幅度逐漸升n由于在工程和巖土界面上的熱傳播，可導(dǎo)致巖土介質(zhì)中溫度變化，產(chǎn)生溫度應(yīng)力及一系列的物理及化學(xué)的變化 2.3人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境相互作用工程荷載作用主要是對巖土內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的疊加極限的范圍內(nèi)產(chǎn)生屈服破損，在拉應(yīng)力區(qū)可出現(xiàn)張裂形成新的應(yīng)力狀態(tài)在應(yīng)力狀態(tài)超過強(qiáng)度事實(shí)上巖土介質(zhì)的物性隨著應(yīng)力狀態(tài)的 漲落，物性有所變化，而物性變化也會帶來應(yīng)力場和變形場的調(diào)整工程開挖中形成新的臨空面，并引起巖土內(nèi)在應(yīng)力的釋放和調(diào)整巖土體有向臨空面位移的趨勢，某些部位結(jié)構(gòu)松弛，物性改變同時由于開挖的原因，地下水暴露，壓力下降，誘發(fā)水流向臨空面，從而改變巖土中滲流動態(tài)滲流結(jié)果是巖土體的

15、應(yīng)力狀態(tài)改變產(chǎn)生變瓜同時，由于水巖作用，滲流可造成巖土體物性變化滲流邊界條件的人為改變，產(chǎn)生向巖土介質(zhì)中滲入或由其滲出，均可改變滲壓的分布，影響到應(yīng)力的分瓶同時，由于滲流的水巖體又可改變物性，引起滲壓的調(diào)整，以及由此的應(yīng)力場調(diào)整溫度邊界條件的改變，可改變巖土體中的溫度及隨之產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，后者也將參與巖土介質(zhì)應(yīng)力場的調(diào)整 滲流邊界條件的人為改變，產(chǎn)生向巖土介質(zhì)中滲入或由其滲出，均可改變滲壓的分布，影響到應(yīng)力的分瓶同時，由于滲流的水巖體又可改變物性，引起滲壓的調(diào)整，以及由此的應(yīng)力場調(diào)整 溫度邊界條件的改變，可改變巖土體中的溫度及隨之產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，后者也將參與巖土介質(zhì)應(yīng)力場的調(diào)整 工程在上述諸作

16、用的影響下，地質(zhì)環(huán)境可發(fā)生以下的變化，形成次生環(huán)境:巖土體應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整;滲流滲壓的改變;巖土體物性的變化(結(jié)構(gòu)松弛和壓密、變形性能、力學(xué)強(qiáng)度及滲透特性的變化);巖土體的變形或失穩(wěn)，包括開裂、變形和運(yùn)動工程活動作用規(guī)模和地質(zhì)環(huán)境特性相協(xié)調(diào)時，環(huán)境效應(yīng)不明顯，各項(xiàng)變化在正常情況范圍之內(nèi)，不致產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境危害。當(dāng)工程活動在規(guī)模上和地質(zhì)環(huán)境特性不相適應(yīng)時，在巖土體內(nèi)產(chǎn)生大規(guī)模的屈服區(qū)或拉損區(qū)，產(chǎn)生大變形;或者產(chǎn)生過大的滲壓或滲流這時可出現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境嚴(yán)重惡化，導(dǎo)致環(huán)境危害或?yàn)?zāi)害。2.4人類工程活動帶來的地質(zhì)災(zāi)害2.4.1地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害不但具有多種自然屬性特征,而且具有多種社會屬性特征。這些特征

17、主要表現(xiàn)為：地質(zhì)災(zāi)害的必然性或不可避免性；地質(zhì)災(zāi)害的周期性；地質(zhì)災(zāi)害的群發(fā)性；地質(zhì)災(zāi)害與社會經(jīng)濟(jì)的互饋性；地質(zhì)災(zāi)害的可防御性以及地質(zhì)災(zāi)害防治的長期性等。2.4.2地質(zhì)災(zāi)害的分類典型的環(huán)境危害或?yàn)?zāi)害主要有以下幾種:(1）地面沉降，表現(xiàn)為地下水超量抽汲或油氣開采，以及地下開挖，引起地下水位下降而產(chǎn)生地面連續(xù)變形(2)地面塌陷，表現(xiàn)為由于地下礦山開采，或地下水位因抽水、或地下開挖而下降所造成的地面塌陷，或巖溶地面塌陷。(3)地面裂縫，表現(xiàn)為由于地下水開采，地面沉降在一定區(qū)域地質(zhì)條件下產(chǎn)生地面開裂和錯動 (4)斜坡崩滑，表現(xiàn)為由于坡腳開挖、坡頂或坡面地表水(水渠工程工業(yè)或生活用水等)入滲水庫蓄水等造成

18、滑坡或崩塌;或因坡腳下地下開采等，造成坡頂開裂和崩塌(5)次生泥石流，表現(xiàn)為尾礦、棄碴堆積失穩(wěn)而造成的泥石流 （6)岸坡侵蝕，表現(xiàn)為水渠水庫的水流及水浪產(chǎn)生對岸坡侵蝕和岸坡再造 （7)浸沒，由于水庫蓄水及其他工程用水入滲，造成地下水位提高，接近地表，造成建筑物基礎(chǔ)或地下建筑浸沒于地下水位之下。(8) 疏干，由于隧道或地下開挖，造成斷裂或張開裂隙入滲，引起地面池博河溪、水渠的干涸2.4.3地質(zhì)災(zāi)害多人類生活與健康的危害在產(chǎn)生直接的環(huán)境危害時，往往還有一系列危害伴生出現(xiàn)，形成系列的環(huán)境危害鏈，影響到工程區(qū)人類生活、生存的環(huán)境質(zhì)量例如，地面失穩(wěn)(變形、開裂、塌陷)可誘發(fā)城市多種環(huán)境危害:建筑物傾斜或

19、倒塌;建筑物開裂，出現(xiàn)危房;地面平整性破壞、路面破壞;地面高低不平，洼處積水不易排泄，土地泥濘;地裂造成地面水入滲，可能引起地下水水質(zhì)惡化或污染;地下管道變形、破裂，造成電源斷路、油氣逸出、污水外泄等危害;地下結(jié)構(gòu)破損;地表水疏干，影響植被生長與綠化，等等又如斜坡崩塌，將直接影響邊坡上及邊坡下人們的生命財產(chǎn)與建筑物受到災(zāi)害性威協(xié);同時又造成道路堵塞、中斷;滑體滑入江湖或水庫中造成涌浪，使碼頭漲水，船泊翻倒、淹沒沿岸建筑物等結(jié)語 減輕災(zāi)害損失是本世紀(jì)最后十年全人類共同奮斗的目標(biāo)，需要做的事情很多，不僅要著眼于突發(fā)性自然災(zāi)害的防、抗、救，防止人類工程活動誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害是實(shí)現(xiàn)減災(zāi)效益的首要方面。加強(qiáng)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害研究、把人類盲目行為減少到最低程度是必須認(rèn)真研究解決的首要問題.參考文獻(xiàn)1.王思敬 論人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境的相互作用及其環(huán)