1  問題的提出

 

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

 

  (1)邊坡滾石形成機理和防治的工程地質力學綜合研究;(2)如何對巖石工程的各方面信息進行綜合集成以便為工程設計和施工提供方法。

 

  應當指出, 前者是一個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邊坡滾石防治問題得到重視, 而且還逐步形成了一個產業。但問題是我國在這方面的研究仍甚少, 與現在高速公路的快速發展很不相稱。正因為如此, 作者相信:社會的巨大需要必將推動邊坡滾石防治工程向前發展。所以有關滾石的研究(包括理論和方法、技術的研究)很可能將成為工程地質力學新的研究熱點。

 

  后者也由于巖土工程的可變更設計和信息化施工對方法的需求。而受到關注。事實上, 近年來有關巖土工程信息的綜合集成的理論、方法和技術的研究受到越來越多的重視。

 

  2  邊坡滾石防治的工程地質力學系統研究

 

  一般而言, 巖石邊坡的穩定性, 歷來是邊坡問題工程地質力學研究的一個中心問題。事實上, 邊坡穩定問題也一直為巖石邊坡工程設計工程師所重視, 因為設計和施工都是以有關邊坡穩定性的研究成果為基礎的。但實際上對于某些邊坡來說, 除了邊坡穩定性問題以外, 還有一類應當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

 

  在工程地質學科中, 邊坡穩定是研究最多的課題之一。數以千計的論著和教科書都論及邊坡的穩定性問題。其中不少論述邊坡穩定評價的條件、理論、方法、運算公式和應用等內容。但對于同樣可能發生于邊坡上的滾石問題卻很少見之于工程地質和巖石力學教科書。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, 從設計角度看,滾石問題與邊坡穩定分析相比畢竟較為次要;第二,以前因山區國道線和高速公路很少, 故邊坡由于滾石所引發的事故相對較少。因此對有關滾石防治等問題重視不夠, 所發表的論文也必然較少。但目前的情況正在發生變化:隨著國家建設的快速發展, 建于山區的高速公路和高等級公路越來越多, 而以陡峰風光為主的旅游景點也在增加。在這種情況下,邊坡滾石的發生次數也必然比以前多。可以設想,如果對之認識不足, 且有關滾石的發生機理和防治技術等研究跟不上, 那么因滾石導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 時因山體滑坡而導致多塊巨石(最大的一塊重達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)貴州省高等級公路貴新公路上距貴陽約55km 處, 于2001 年7 月25 日16 時公路右側滾下一塊數十公斤重的石塊, 擊穿客車右側擋風玻璃, 造成1 人死亡。家屬將省高等級公路管理局等告上法庭。一審判賠33 萬元。

 

  (3)據作者實地考察, 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。但排水溝側墻卻被巨石砸壞。另外, 設計上所用的防滾石的塑料掛網被滾石“破肚”損壞多處。這說明防治滾石網的設計是需要科研支持的。

 

  另外, 還有多次伴隨著滑坡發生的滾石事故。這里不再列舉。

 

  事實上, 巖石邊坡滾石問題的研究, 不僅可以有效地保護生命和財產, 而且在一定程度上還可減少邊坡治理的總投資, 因為優質的滾石防治設計可以適當壓縮路邊面積和提高邊坡角度來減少開挖工程量。另外, 允許時還可減少護坡的強度。

 

  2 .2  滾石研究動態

 

  據初步調研, 國外巖石力學和工程地質界在滾石的研究方面遠比國內活躍。瑞士等國家還以有關研究成果為基礎成立了滾石防治為主的產業公司,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)巖土防護工程有限公司。我國隨著工程建設的快速發展, 有關滾石防治市場越來越大。盡管如此, 我國至少在目前形成產業的條件仍不具備。其中一個重要原因是國內工程地質、巖石力學界在滾石發生機理和防治技術等方面的研究很少。據不完全資料, 我國中國科學院地質研究所、成都理工學院、香港大學和香港理工大學等單位, 以及本文作者等從不同角度對此進行過研究。

 

  縱觀國內外有關滾石問題的研究動態, 可以指出三點:第一, 雖然滾石問題越來越受到重視, 但有關研究仍很不充分, 尤其在國內這方面研究也許只能算剛剛起步;第二, 即使在國外, 也缺少系統研究(即從滾石的地質成因、發生概率、運動軌跡、參數反演防治方法技術及其優化等部分組成的系統研究)。

 

  所以有關滾石工程地質和巖石力學研究還需加強;第三, 隨著我國國民經濟的飛速發展, 可以預計在不遠的將來我國滾石問題的研究將成為工程地質力學研究的新的熱點。有關防治也有可能逐步形成新的產業。

 

  2 .3  滾石研究方法和主要研究內容

 

  據上所述, 作者認為滾石邊坡研究的方法, 應當是在廣泛調查的基礎上, 針對各類可能發生滾石的邊坡的特點和設計、施工難題, 開展有關地質條件、滾石發生機理和防治技術等的系統研究。

 

  據初步研究, 對于不涉及滑坡的滾石問題至少可以考慮以下7 個方面研究內容:

 

  (1)邊坡滾石發生的地質條件及滾石發生概率的研究;(2)滾石運動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)滾石防護方法及其優化問題;

 

  (5)滾石攔網新型緩沖器的研制;

 

  (6)防護方法設計和施工中的技術問題;

 

  (7)防護系統的美學問題。

 

  3  巖土工程信息綜合集成的研究

 

  在工程地質力學理論、方法和應用研究取得很大進展的今天, 一個新的研究方向正在引人注目地出現在我們的眼前。這就是, 巖土工程信息綜合集成的研究課題。可以預見, 由于巖土工程設計的需要, 這一新的研究課題還將受到越來越多的關注。

 

  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、構造、結構(巖體結構和土體結構)、力學性質和所處的環境(地應力環境和地下水環境)等方面的復雜性, 所以巖土工程變形、破壞的過程和結果在理論上是不可能僅靠理論計算來加以準確預測的。這往往使巖土工程的設計者和施工者感到棘手:如果信息掌握得不夠多或者不夠準確, 就有可能導致工程處理不當結果;或者設計過于保守造成浪費;或者造成工程事故、延續工期, 增加投資, 甚至出現大的傷亡事故。

 

  為了使工程設計在理論上合理, 技術上可行, 一些工程地質、巖石力學的研究者采用了系統科學理論和方法。崔政權、黃潤秋、李廣誠、王在泉等從一般系統論原理出發對此進行研究, 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雜巨系統理論為基礎來研究巖土工程設計施工中的工程地質和巖石力學問題。

 

  作者主張, 通過對也屬于系統科學范疇的開放的巨復雜系統方法論、工程地質力學的理論框架和方法體系的研究, 找出兩者相結合的切入點, 對這兩門學科的共同研究對象—巖土工程的特性(包括所具有的巨系統特性和與外界交換物質、能量、信息等特點)進行重點研究, 以形成工程地質力學的一個專門方法論, 即工程地質力學綜合集成理論(可簡稱為EGMS)[ 15] 。該方法論的主要特點是:它的應用是以各種有關應用對象(即某具體巖土工程)的信息(包括來自理論分析的成果、專家群體的經驗知識和經驗判斷力、現場監測所獲得的數據等3 部分信息)為基礎的。換言之, EGMS 也是一種有關巖土工程信息綜合集成的方法。在實際工程應用中, 設計工程師通常可根據有關理論分析方面的成果(包括工程地質勘察資料及對資料的地質分析和對工程所作的力學分析等的結果)、由有關工程設計、施工、監理、巖石力學、工程地質等方面專家組成的專家群體(即專家組)的經驗(包括有關技術規范)等對該工程的變形破壞的發生、部位、規模以及過程等進行預測, 并以測自現場的各種數據(通常以位移實測值為主)為基礎, 不斷地對工程穩定性作出評價和修改設計, 以達到逐步接近實際情況和實現優質設計的目的。

 

  3 .2  EGMS 的主要研究內容

 

  工程地質力學綜合集成方法是一種以工程地質力學和開放的復雜性巨系統方法論(即綜合集成方法)為基礎, 以巖土工程設計和施工為應用對象的方法論。所以EGMS 的研究通常是圍繞著有關理論基礎、方法, 技術和應用等問題進行的。它主要涉及以下幾個方面:

 

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

 

  (3)根據“優先監測突破口”原理設計巖土工程的監測系統, 而突破口則是依據理論分析和專家群體經驗而確定的。

 

  (4)監測方法和技術的研究

 

  (5)從理論分析成果、專家經驗及動態監測數據出發進行的邊坡加固需求度的研究。

 

  (6)有關綜合適用性指標(CSI)的研究

 

  (7)綜合損害度和綜合加固度;

 

  (8)位移時空綜合預測法;

 

  (9)按EGMS 思路設計的邊坡新型加固技術:

 

  預應力錨梁和預應力錨固樁;

 

  (10)以EGMS 為指導思想的綜合地質信息系統(SGIS)的研究。

 

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

 

  這些應用清楚地表明,EGMS 是可行的, 是可以在巖土工程的可變更設計和信息化施工中發揮重要作用的。

 

  4  結 論

 

  通過上述分析, 可以得出以下幾點結論:

 

  (1)邊坡滾石對穿過山區的重要公路, 乃至鐵路上的交通工具、線路和人身安全已經構成威脅。而且隨著山區高速公路、高等級公路和旅游事業的發展, 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。由于滾石防治是需要大量研究成果為基礎的, 所以在社會巨大需要的推動下滾石研究將在不久的將來將成為工程地質力學研究的新熱點。

 

  (2)包括EGMS 在內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計和信息化施工的重要支柱。由于傳統的巖土工程設計方法本身存在著許多不足, 所以大規模的巖土工程建設需要發展信息綜合集成的方法, 以推動設計理論和方法的發展。作者相信, 正是這種社會的巨大需要, 巖土工程信息綜合集成方法(包括EGMS)將逐步成為工程地質力學研究的另一新熱點。

 

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