人类工程活动与地质环境的相互作用

人类工程活动与地质环境的相互作用田志强（环境与规划学院1126108952）摘要人类工程活动往往受到地质环境的制约，同时生产力的发展，使人类对自然条件的改变起到了巨大的作用。人类的工程活动改变着地球面貌，甚至导致地球上出现新的地质现象。它作为活跃的因素，积极地影响着地质环境，促进其次生演化。地质环境的次生演化常会对人类工程活动产生次生制约。因此，人类工程活动与地质环境表现为相互依存、相互作用的关系。通过对这种相互作用的基本概念，制约关系进行讨论，可以对工程环境调控提供重要依据，减少人为地质灾害的发生几率，使人类在健康的环境生活发展。关键词人类工程活动地质环境人地相互作用引言环境问题已成为人类社会生存和发展的重大问题之一，其本质是人类活动与自然环境的关系，即人地关系未能妥善协调，而且失调有日益严重的趋势。这说明人类活动对自然环境的影响力越来越大，对自然环境特性及其演化规律认识不够、对人类活动与自然环境相互作用的后果估计不足，因而不能自觉地、科学地调控人地关系，以期取得可持续的发展人类活动中，工程建设是提供设施、保证人类社会发展和其他各种活动得以实施的基础，不论是资源、能源的开发、工农业生产、交通运输，还是科学技术的发展、国防建设，以及环境整治、灾害防治等，无一不以工程建设为前导人类工程活动，即从事工程建设和矿山开采，已成为人类各类活动中最重要的内容之一。我国已建成8.5万余座水库大坝，12万公里铁路和370多万公里公路，25种主要金属矿产10618座，大小煤矿一万多座，百万人口级大城市达数十座，数量多、规模大、建设速度快举世瞩目。然而现今在许多工程地区已经出现严重的环境问题，影响工程进行和地区的发展，导致生活和生产条件的恶化，甚至发生地质灾害。例如，由于开采矿产，过量抽汲地下水等原因造成的地面沉降、开裂和塌陷，引起地下管道的损坏、地面不平、排水不畅、洼地成涝建筑物开彩出现危屋险墙，严重危害人民的生活和安全又如由于开挖道路、建筑深基坑、水库蓄水等引起的滑坡、塌方，占其总数的70%,滑塌体往往堵塞交通，损坏民用建筑物，威协人民生命财产安全。现今中国数十座大中城市、矿山工业地区、大型基础设施工程地区的环境恶化，急待整治。总之，人类工程活动和地质环境的失调可导致地质环境的恶化，产生对周围人民生活的危害、资源的破坏和地区发展的不良影响。对人类工程活动与地质关系的研究，以期指导调控其相互作用是当今环境问题研究的重要而迫切的任务。1.地质环境对人类活动的影响1.1地质环境承载力的特点环境承载力又称环境承受力或环境忍耐力。它是指在某一时期，某种环境状态下，某一区域环境对人类社会、经济活动的支持能力的限度。地质环境的承载力具有（1）客观性，地质环境的本质属性是其具有承载力的根源。也从根本上决定了地质环境承载力的大小。（2）可变性，地质环境的结构和功能的改变会导致地质环境承载力的变化（3）可控性，人类在掌握地质环境演变规律和人类活动一地质环境相互作用机制的基础上，根据生产和生活的实际需要，可以对地质环境进行有目的的开发、利用和改造，寻求地质环境限制因子并降低其限制强度，从而可以使地质环境承载力在量和质两方而朝着人类预定的目标变化，以保障人类社会、经济活动的可持续发展。1.2工程地质环境承载力对工程活动的制约工程地质环境要素主要有水、土、工程空间（包括地面和地下空间），因此地质环境承载力按照不同地质要素分解成地下水环境承载力、土壤环境承载力、地面工程承载力和地下空间承载力。环境要素的承载力制约着工程活动的建设。在工程建设中各阶段所要考虑的地质环境制约，主要有5方面:(1)地圈宏观环境;(2)地质灾害;(3)岩土地质环境;(4)水文地质环境;(5)次生环境。这些环境因素通过其对工程地区的区域稳定性、深部稳定性、地面稳定性、山体稳定性和围岩稳定性直接影响到工程的规划、选址、设计、施工和运行中的工程决荒对于地质灾害、岩土地质、水文地质的作用。在传统的工程地质评价中已经考虑得较多，但对于地圈环境及次生环境则重视不够，往往缺乏足够的估价。结果往往造成更严重的环境地质问题。宏观地质环境指以岩石圈为主和大气、生物、水圈相互作用形成的区域性地圈地质环境，表现为岩土、水土及地下水等大面积的运移，如泥沙运移、水土流失、荒漠化、土地浸没、河道迁他海水入侵、土地盐渍化、土层冻融等典型的实例为黄河三门峡水库，由于黄土高原来沙量过大，建成后无法解决淤沙问题，进行改建时只好削减发电和蓄洪量，以加大排沙量，才能使工程地质环境对工程的制约的功能达到规划和设计的目标次生地质环境指受已建工程的影响，而使原生地质环境有明显变化的地质环境在矿区进行工业、民用和道路工程建设时，必须预先估计矿区开采时已造成的、或将要造成的岩土结构破损和岩土运栋尤其是对尚未出现，但在已建或在建工程影响范围内，次生地质环境问题必须予以重视例如:抚顺石油一厂建于抚顺煤矿露天采坑上盘，建厂时，距采坑边界较远，未能预见厂区地质环境的变化，但随着开采面的加深和向侧帮推移，石油一厂地基变形、开裂、厂房及炼油设施遭到损坏;韩城电厂受邻近地下采煤的影响，发生滑动位移及地基变形;南水北调中线工程经过矿山地下采空区，其地面岩层受塌陷变形，其范围必须查明并采取必要的工程措施以确保安全目前正在勘测设计的金沙江向家坝水电站，坝址两岸煤层受当地居民多年开采，山体受到松动，在坝址选择上应尽量避开采空。2.人类活动对地质环境的影响2.1人类活动的内容人类工程活动是指采取工程措施进行能源、资源开发利用，工农业基础设施和人民生活设施的建设等有关活动，包括规划，设计、施工、开采和运行等人类的活动，不论其生活生产和社会等活动都依赖于工程设施，即人类工程活动所提供的产品一一矿山或建筑椒按照工程建设的行业功能来看，可分为水利水电工程、交通运输、矿业工程、化学冶金等工业基地，城镇设施，国防基地工程，灾害防治及环境保护工程等。2.2人类工程活动地质效应地质环境作为自然系统处于其自身演化过程地质环境经过岩层建造、构造变形表生演化形成工程前期的地质格忌在无工程建设的条件下，它继续遵从表生演化的规律变化。例如，在地面表现为物质的风化剥蚀、运移和沉积，以及相应的地形变化;在某些剧烈的大气、水的影响下，岸坡受到严重侵蚀，引起滑坡和崩塌，之后又恢复平衡状态人类工程活动主要是从事工程建设，通过规划、选址、设计提出工程兴建的方案，然后进行施工，建成工程后继续维护和运布T}从工程的功能来看，可分为矿山工程交通工程、水利水电工程地下水资源工程城市和工业建设等类型每种工程项目都可能是不同规模的建筑物系统，这些建筑物的兴建和运营，以各种不同作用方式产生对地质环境系统的扰动，造成地质环境系统中因子能量的增长或减弱，因而改变整个系统的状态，造成地质环境质量的变化从工程建设的兴建和运行过程中可能对地质环境系统产生的作用来看，可有以下几种方式(表1）表1.工程活动对地质环境的作用序号工程作用类型作用方式作用结果1工程荷载建筑物对地基或围岩加载1地基及其周围变形:2地基及周围应力集中区内的岩土屈服拉张变形2岩土开挖形成新临空而及应力释放1临陆空而外岩土变形:2应力调整及出现屈服区和拉张区:3地下水排出，引起动态变化:4地下水补给，引起水质恶化3水流、水体调节岩土中水的排出及补入1岩土中渗压改变:2岩土的水理软化:3岩土的水力祸合:4地下水水量水质改变4工程热力作用岩土中温度的改变1岩土中附加温度应力与变形:2岩土水温度改变.触发水岩的水理、水化作用工程载荷工程建筑物的自重及其运行时与其他自然和人为作用力的叠加，造成在工程和地质介质边界面的荷载如大坝作用在地基上的坝体自重力和水库中水推力组成的荷载;高层建筑物在地基上作用荷载为其自重、内部设施自重和所受风力等组成;桥梁作用在桥基上为其自重及桥上行车、行人荷载;而用于地下贮存或运输流体的洞室，则以其内部流体的压力施加于岩面上按荷载的性质可分为静荷载动荷载及周期重复荷载一般工程荷载，可用工程与岩土界面上的压力来表征。岩土开挖矿山和大型工程建设都离不开岩土的开挖，在开挖的岩土面上建基，这是工程建设的普遍行为。矿山为了采集矿石必须进行大规模的岩土开挖，而地下空间的利用，如隧洞、地下厂房、地下洞库等亦需大量开拣即使是地面工程为平整地面和设置地基面等也要开挖岩土，形成基坑、沟槽、渠道工程活动中的岩土开挖，对地质环境可产生多种作用和影响，如:岩土应力状态的卸载和调整;岩土开挖爆破损伤和振动;岩土临空面位置、形态的改变;在开挖后形成的界面上承受建筑物的荷载;由于开挖引起地下水的排I},地表水的聚集;开挖后岩土的堆积和处理等水流水体调节有相当一部分工程其功能就是对水流水体的调节，如水库、水渠、输水隧洞、堤坝等水利工程建筑，又如钻孔、水井等地下水供水工程，则起到调节地下水的功能广义地讲，石油、天然气的开采地下水及热水开采、油气的地下储存，都是水及流体的调节工程由于极大部分工程都涉及到岩土开挖，因此，都在不同程度上影响到地下水的排泄和水位的动态过程，也可认为是工程的水文作用。在工程作用下地表及地下水系统受到的影响，表现为水位水流方向、梯度、速度的变化，同时由于水岩作用也可产生物理的、化学的变化工程热力作用在工程和岩土界面上发生热传输，可改变初始的热流和温度格恳有些工程在建成后保持边界上比较稳定的温度，如水库库底温度常年较低，而水渠水温则周期变化放射性废料处理洞室，则有一定幅度逐渐升n}由于在工程和岩土界面上的热传播，可导致岩土介质中温度变化，产生温度应力及一系列的物理及化学的变化2.3人类工程活动与地质环境相互作用工程荷载作用主要是对岩土内应力状态的叠加极限的范围内产生屈服破损，在拉应力区可出现张裂形成新的应力状态在应力状态超过强度事实上岩土介质的物性随着应力状态的涨落，物性有所变化，而物性变化也会带来应力场和变形场的调整工程开挖中形成新的临空面，并引起岩土内在应力的释放和调整岩土体有向临空面位移的趋势，某些部位结构松弛，物性改变同时由于开挖的原因，地下水暴露，压力下降，诱发水流向临空面，从而改变岩土中渗流动态渗流结果是岩土体的应力状态改变产生变瓜同时，由于水岩作用，渗流可造成岩土体物性变化渗流边界条件的人为改变，产生向岩土介质中渗入或由其渗出，均可改变渗压的分布，影响到应力的分瓶同时，由于渗流的水岩体又可改变物性，引起渗压的调整，以及由此的应力场调整温度边界条件的改变，可改变岩土体中的温度及随之产生的温度应力，后者也将参与岩土介质应力场的调整渗流边界条件的人为改变，产生向岩土介质中渗入或由其渗出，均可改变渗压的分布，影响到应力的分瓶同时，由于渗流的水岩体又可改变物性，引起渗压的调整，以及由此的应力场调整温度边界条件的改变，可改变岩土体中的温度及随之产生的温度应力，后者也将参与岩土介质应力场的调整工程在上述诸作用的影响下，地质环境可发生以下的变化，形成次生环境:①岩土体应力状态的调整;②渗流渗压的改变;③岩土体物性的变化(结构松弛和压密、变形性能、力学强度及渗透特性的变化);①岩土体的变形或失稳，包括开裂、变形和运动工程活动作用规模和地质环境特性相协调时，环境效应不明显，各项变化在正常情况范围之内，不致产生严重的环境危害。当工程活动在规模上和地质环境特性不相适应时，在岩土体内产生大规模的屈服区或拉损区，产生大变形;或者产生过大的渗压或渗流这时可出现地质环境严重恶化，导致环境危害或灾害。2.4人类工程活动带来的地质灾害2.4.1地质灾害的特点地质灾害不但具有多种自然属性特征,而且具有多种社会属性特征。这些特征主要表现为：地质灾害的必然性或不可避免性；地质灾害的周期性；地质灾害的群发性；地质灾害与社会经济的互馈性；地质灾害的可防御性以及地质灾害防治的长期性等。2.4.2地质灾害的分类典型的环境危害或灾害主要有以下几种:(1）地面沉降，表现为地下水超量抽汲或油气开采，以及地下开挖，引起地下水位下降而产生地面连续变形(2)地面塌陷，表现为由于地下矿山开采，或地下水位因抽水、或地下开挖而下降所造成的地面塌陷，或岩溶地面塌陷。(3)地面裂缝，表现为由于地下水开采