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中圖分類號:TU 文獻標識碼:A 文章編號:1008-925X(2012)O8-0116-01
1、引言
19世紀中葉,國外的地質工作者開始對工程地質條件進行系統理論研究,逐步形成了工程地質學的學科體系[1]。工程地質學是研究與工程建設、人類活動有關的各種地質作用與環境,研究工程與地質體之間的相互作用關系及其產生的有關問題的科學[2]。工程地質學的研究對象,從根本上講就是工程地質條件與工程建筑之間的運動和發展,其實質就是各類工程地質問題,工程地質問題的提出、分析和解決是工程地質學的主旋律,構成了其的基本的矛盾運動,并有力地推動了其發展。
2、工程地質問題的回顧
2.1.1 學科性質
傳統工程地質的核心任務就是查明工程地質條件,結合工程作出相關的工程地質評價[2];從工程學角度來看,工程地質學科必須深化到工程中去,將查明條件、評價評判再往前延伸,開展工程設計和施工工程地質。因此,從工程地質學科特性來說應是地質學與工程的交叉結合,它和基礎地質學不同,具有理學和工學的雙重特性,這就決定了工程地質問題是工程地質學永恒的主題。
2.1.2 學科產生與發展的歷程
學科的產生和發展與工程建設及人類工程活動相伴生,工程地質學作為一門應用學科,它的形成和發展依賴于工程建設的需求和發展。經過40多年的工程實踐和理論創新,工程地質學的內涵和外延不斷拓展,步入了現代科學技術的行列。從引進蘇聯工程地質學理論和方法開始,經過50年成千上萬項工程的多方實踐和理論創新,使我國的工程地質學得到突飛猛進的發展,取得顯著成就,積累大量經驗,獲得突破性進展,在一定程度上形成了具有我國自己特色的工程地質學體系。舉世矚目的三峽工程,黃河小浪底水利工程等的興建,標志著中國工程地質實踐的廣度、深度都達到了很高的水平,反映了中國工程地質發展的歷程及與其相匹配的工程地質水平。
工程地質人員通過對工程地質問題的分析解決,逐漸形成了特定的思維方式,它是理論和實踐的結合和概括。因此,思維方式的發展反映了工程地質學科的進步和發展歷程。工程地質思維主要經歷了以下幾種形式:地質演化思維、地質結構思維、地質工程(巖土工程)思維、環境工程地質思維、工程地質系統思維[3]。這些思維的發展體現著工程地質工作者在長期的工作中所總結出來的優秀經驗,同時體現了人類認識自然改造自然的辯證過程。
從工程地質學發展的過程我們可以發現這個過程是人類對自然的一個認識過程,從被動到主動,從主動到拓展,逐步完善使得地質工程發展更加趨向于完美。
3、工程地質問題的發展
3.1.1 工程地質問題的提出基于學科知識領域
任何一門學科都有其研究對象、研究內容、研究方法、基本問題、基本理論和研究前沿等,并由此構成一門學科的知識領域。因此,在研究事物的某一層面時,對象的內核與外延的界定必然涉及相應學科的知識領域,并使學科功能得到一定的體現。
一個現象或問題的產生可能有多個原因,各自依賴于一定的學科知識,因此就有相應的解決方法。以滑坡為例,滑坡的破壞可能是由于斜坡巖土體強度不夠、可能是由于河流沖刷坡腳使斜坡形狀發生變化,也有可能是由于斜坡內應力狀態發生變化所致。相應地,對這些滑坡的研究需要運用滑坡動力學、地震工程學、工程地質學及巖體力學等學科知識,并因此提出不同的抗滑減災措施,使各個學科的研究目標得以實現
3.1.2 工程地質問題的界定體現學科的發展
工程地質條件并非一成不變,而是具有一定的生命特征,有其產生演化特性因此工程地質學發展的過程是一個不斷創新的過程,體現的是一種發展的思維而不是定勢思維。傳統工程地質學中,工程地質條件通常包括區域構造地質、地形地貌、地層巖性、物理力學性質、地下水、動力地質現象等方面,顯然無法包容制約工程建設活動的各類因素,工程地質環境代替工程地質條件,可理解為地質環境與工程環境的迭加與復合,是當代工程地質學的研究對象。環境工程地質不僅要研究工程活動中地質環境對工程安全的影響,而且要研究工程活動對人類生存環境的影響,其主要目的是保護地質環境,使人類工程活動與地質環境保持良好的協調關系。體現的是人與自然和諧相處的思想。這是工程地質人員以發展的眼光在不斷變化的工程中總結的規律也是寶貴的經驗。
基于工程地質條件環境化、活性化思想提出的工程地質問題稱為具有環境化、活性化思想的工程地質問題[3]。由于問題的提出基于學科的知識領域,因此對這類工程地質問題的界定就必然反映出工程地質學科的發展水平。目前,我國在水土保持、水庫運用管理、庫壩聯合運用以及加高淤積水庫大壩的勘察研究方面積累了許多寶貴經驗,提出了研究水庫淤積問題的主要工程地質任務,并總結出“蓄清排混”的運用規律。
水庫泥沙淤積問題的界定反映出在水庫工程地質工作中考慮水庫建設與地質環境相互影響的重要性,充分體現了工程地質條件環境化的思想。
4、結束語
工程地質問題是地質學科和工程學科的交叉點,工程地質學通過這一交叉點不斷和邊緣以外的學科結合、交織和滲透,從而改進內涵、擴大外延,促進學科發展,并形成了特定的思維方式,因此,工程地質問題是工程地質學發展的源動力。具有環境化、活性化思想的工程地質問題的提出基于本學科的知識領域,因此,對這類工程地質問題以工程地質環境作為研究對象,全面研究工程建設與地質環境的相互聯系、相互制約和相互作用,保護環境,保證社會、經濟可持續發展已成為當代工程地質學的主要特征,表明工程地質學發展進入了新的發展階段。
參考文獻:
作者簡介:汪演強(1955-),男,廣東石油化工學院建筑工程學院工程師,主要從事巖土工程勘察及工程地質學研究,(E-mail)。
摘要:工程地質學在土木工程專業中具有至關重要的學科地位。針對目前工程地質學課程存在的主要問題,對工程地質學課程建設及教學方法提出切實可行的改革措施。全方位培養學生理論聯系實際能力、分析問題和解決問題的能力、創新能力和工程意識,培養具有較高素質的高級技術人才。
關鍵詞:工程地質學;土木工程專業; 教學改革
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1005-2909(2013)03-0091-04 一、 工程地質學的學科地位
土木工程專業人才培養方案提出的培養目標是:畢業生能在房屋建筑、工程勘察、地基基礎、地下建筑、道路、橋梁等設計、研究、施工、教育、管理、投資開發部門從事技術或管理工作。工程地質學是土木工程專業一門必修的專業基礎課,一方面為土力學與基礎工程學等專業課程的學習奠定基礎,另一方面擔負著與工程地質勘察有關的應用地質學基礎理論知識學習及實踐實習的重要任務,培養學生的實踐能力及創新精神。工程地質學通過巖土工程勘察為工程建設服務。在工程建設中首先要查明建設地區或建筑場地的工程地質條件,分析、預測和評價可能存在和發生的工程地質問題,及其對建筑物和地質環境的影響和危害,提出防治不良地質作用的措施。可見必須要有扎實的工程地質學知識才能在實際工程建設中完成工程地質勘察任務。
工程地質問題,是涉及生命和財產安全的大問題,稍有疏忽即可釀成大禍。西安建筑科技大學舊圖書館、鐵一局幼兒園教學樓以及西安化工六院某家屬樓等,都是由于建筑場地地質條件沒勘察清楚,剛好建在地裂縫上而遭到破壞。1976年7月28日唐山7.8級大地震,造成65萬多間房屋坍塌,24萬多人死亡,主要是建筑結構防震措施缺失及地基液化造成的房屋倒塌,原唐山礦冶學院的圖書館樓因地基液化下陷了一層半。委內瑞拉曾發生6.4級地震,致使樓房地基土液化下陷(圖1),也屬于地基處理方案不合理造成的工程地質問題。2009年6月27日上海“倒樓”工程事故, 13層樓房(7號樓)整體倒覆(圖2),事故原因是施工方將樓房南側開挖4.6 m深的地下室挖出的土方堆置在樓北側,高度達10 m左右,加上雨水滲入誘發土體失穩,致使基礎樁折斷樓房失去支撐而倒覆。該工程事故屬人工改變地質環境及雨水滲入誘發土體失穩的工程地質問題。從以上工程事故案例可以看出,天災固然不可抗拒,但人禍可以避免,這就要求土木工程師熟練掌握工程地質學知識。可見工程地質學課程設置,在土木工程建設中具有舉足輕重的學科地位。
圖1 地基土液化樓房下陷
圖2 上海倒樓事故現場
二、工程地質學課程存在的主要問題
據調查了解及結合學院的實際情況,目前土木工程專業工程地質學教學在師資、實踐教學方面存在許多問題[1],而最突出的問題主要有以下兩方面。
首先是課程授課學時少。土木工程專業工程地質學為30學時,實際授課課時為26學時。其他多數院校的課時設置為36學時[2]。而按新專業設置,工程地質學教學內容多,在教學內容安排上除了滿足主要的工業與民用建筑專業方向外,還要兼顧道路與橋梁工程、巖土工程、地下工程等專業方向。地質基礎知識是學科基礎,必須牢固掌握,而工程巖土學、水文地質學基礎、工程地質分析及巖土工程勘察是分析和解決工程地質問題的專業應用部分,這些知識更加重要。課時設置太少,教學深度難以達到人才培養方案中的培養目標。
其次,室內實驗及野外實習少,個別院校沒有開設實驗實習。 因課時少,在課程設計中往往是首先減少實驗實習,致使實踐教學環節薄弱或缺失。同時,非地質院校開設的土木工程專業,基本上都沒有地質基礎方面的實驗室,如礦物巖石實驗室、地質構造模型室,以及野外地質實習基地。野外地質實習的師資力量也不足,一般非地質院校僅有1~2位工程地質學任課教師,不具備帶領野外實習的條件,所以基本上都沒有開設野外實習。學生在學習中缺少感性認識,紙上談兵使這門實踐性很強的課程教學大打折扣。
三、教學改革措施
基于工程地質學課程目前存在的主要問題及課程設置的重要性,在適當增加教學課時及工程地質實驗實習資金投入的同時,依據多年教學經驗,應從以下兩方面著手改革。
(一)課程建設方面的改革
(1)相關課程的任課教師組成教學科研團隊,開展相關的教學科研活動。由于工程地質學課程教學課時少,所以從事工程地質學教學的教師相對較少,不能形成強大的師資隊伍。但工程地質學、土力學及基礎工程學課程知識相關性較大,可以組成一個教學科研團隊,開展相關的教學科研活動及設計性、綜合性實驗研究。對這些課程中相互交叉、重復的部分內容進行協商調整。如工程地質學中土的工程地質特性,包括土的物質組成、土的物理力學性質、土的分類與分級,以及地下水的徑流狀態等,在土力學中屬于重點內容。房屋建筑工程地質問題及深基坑開挖工程地質問題,在基礎工程學中有較詳細講授。這些內容在工程地質學中不宜重復授課。
(2) 充分利用實驗室教學資源。 據調查了解,許多理工科院校在開辦土木工程專業的同時,也開設有地理科學類專業,廣東石油化工學院也開設了這兩個專業。地理科學類專業開設的地質學也都需要進行地質基礎實驗。為充分利用實驗室教學資源,節約實驗室重復建設的資金投入,建議兩個專業共同建設使用礦物巖石實驗室、地質構造模型室,完善地質基礎實驗教學。開展常見造巖礦物及三大類巖石的認識、鑒定實驗,增強學生對礦物、巖石的感性認識,開展地質構造模型實驗,使學生理解并掌握地質構造的立體空間展布。
(3)開設巖土工程勘察綜合性實驗。在土木工程專業人才培養目標中可見,畢業生應能在工程勘察部門從事技術及管理工作。因此,在加強巖土工程勘察理論知識講授的同時,有必要開設巖土工程勘察綜合性實驗。把工程地質學、土力學、基礎工程學與工程測量等課程中簡單、分散、獨立的相關實驗統一起來,組合成為巖土工程勘察綜合性實驗。實驗內容包括對某一建筑場地測量定位、鉆探、原位測試、采取巖土試樣、鑒定描述、室內土工試驗,綜合分析評價,確定土巖層承載力特征值,建議建筑物的基礎持力層及基礎類型,提出與建筑場地、環境相關的巖土工程綜合治理建議。綜合性實驗旨在把實驗項目與生產實際聯系起來,培養學生的動手能力、綜合運用能力、創新能力。巖土工程勘察綜合性實驗應連續進行,獨立設置課程,時間具有連續性,可以培養學生連續工作的毅力和能力,利于學生提前熟悉就業環境,增強工程意識,形成嚴謹的科學態度。巖土工程勘察綜合性實驗更貼近土木工程專業實際,體現大工程觀的教育思想。
(4) 開設工程地質相關的專題講座。 定期開設工程地質相關專題講座,介紹工程地質與工程建設的依附關系,介紹工程建設、巖土工程治理等方面有關工程地質的典型案例和最新研究成果,提高學生對工程地質學的學習興趣和日后工程建設設計施工時對工程地質條件的重視。介紹工程地質的新理論、新技術和新方法,拓寬學生的知識面,開闊視野,使學生更多地了解、接受最新的前沿科技成果,使學生能站在更高、更廣的角度分析問題,為學生將來成為優秀的土木工程師打下扎實的基礎。
(二) 教學方法改革
(1)首先要教會學生獲取知識及創新的能力。 大學本科教學的核心并不是讓學生去掌握某一種實驗方法或某一個專業知識,而是讓學生學會發現問題、解決問題的思路及方法,培養學生獲取知識及創新的能力[3],實現青出于藍而勝于藍。根據專業特點,掌握地質學“將今論古、以古證今”的思維方式和研究方法,養成從地質演化角度分析工程地質條件的思維習慣。地球的內外力地質作用是永不停息的,無時無刻都在按地質演化規律發生著變化,特定的建筑工程與場地地質環境之間是有條件的、動態的平衡,一旦某一因素的變化超越了平衡極限,平衡被打破,工程地質條件就要發生變化,甚至危害建設工程,引發建設工程事故。學會分類、總結、歸納及演繹的邏輯思維方法,將復雜的地質現象(問題)簡單化,將特殊的地質現象(問題)典型化,將一般的地質現象(問題)規律化[4]。提高學生自主獲取知識的能力,拓展思維,使學生能在課堂授課時間以外,通過自學獲得更多有關工程地質的知識,為日后的拓展學習奠定基礎,增強創新意識,提升創新能力。
(2)重視學生對實物標本的接觸觀摩鑒定,實施全開放實驗。為學生認識、鑒定常見造巖礦物及常見巖石創造條件,實施全開放實驗。也就是在相應的內容講授及實物標本鑒定演示后,把多套常見礦物巖石標本分組留給學生長時間保管。如圖3所示,學生在宿舍利用課余時間做常見礦物巖石鑒定實驗,學生在做鑒定實驗時允許其刻劃、敲打標本,讓學生有較多機會接觸、認識、鑒定實物標本,并相互交流討論鑒定體會,反復識記常見造巖礦物及巖石的主要特征。填補部分院校沒有地質基礎實驗室的缺陷,可以收到在實驗室實驗異曲同工的效果。在實際工作中常見的礦物主要有石英、長石、云母、方解石等,常見的巖石主要有花崗巖、閃長巖、玄武巖、礫巖、砂巖、泥巖、頁巖、石灰巖、片麻巖、千枚巖等,這些礦物巖石標本比較容易采集。可利用野外實量采集這些常見的礦物巖石標本,或到地質勘察及地質礦產生產單位收集這些標本,個別難采集的標本應投入資金購買。正由于這些標本容易采集,可當作易耗品借給學生保管,課程結束后才回收標本,提高實驗標本的利用率。
圖3 學生利用課余時間鑒定礦物巖石標本
(3)重視地質理論與工程實踐的密切聯系。 地質是工程地質,不能脫離工程建設而單純講授地質理論。如講授三大類巖石時,應結合工程實例分析其工程性質,介紹其作為建筑材料、地基、邊坡與周圍環境的工程性質。在講授地下水對工程建設的影響、常見不良地質作用及其防治、不同工程類型常見工程地質問題等內容時,緊密結合較典型的實際工程案例講授。如茂名市某單位辦公樓建筑基礎工程案例,建筑物設計有一層地下室,設計采用天然地基箱型基礎,由于設計人員對地下水設防水位不重視,沒有抗浮設計,在樓房建到地面時回填了基坑邊坡,平整了室外地面。當建到第二層時,一場暴雨使整棟建筑物上浮,升高了38 cm,造成工程事故。通過具體工程案例,與學生共同分析、討論,找出工程事故的工程地質原因,提出有關工程地質問題的防治措施,培養學生理論聯系實際的能力,及分析問題、解決問題的能力。
(4)充分利用多媒體技術教學。 多媒體教學不僅可以擴大課堂教學的信息量,而更主要的是增強教學直觀性,提高教學質量。如將各種地質現象、工程地質問題、不良地質作用及其防治措施,特別是由于地質原因造成的工程事故及處理措施,以圖片的形式給學生演示,輔助教學。把地質構造、地層接觸關系等地質演化形成過程制作成動畫,使學生更容易理解并增強記憶。如背斜、向斜構造的形成過程及在地面出露的巖層新老關系特征,以動畫展示各階段的過程:地殼下降的同時沉積一套從下至上、由老到新的地層層序地層受水平運動擠壓形成背斜、向斜褶皺構造顯示背斜核部為老巖層,兩翼為新巖層,向斜核部為新巖層,兩翼為老巖層地殼上升的同時背斜、向斜上部地層被風化剝蝕削平或背斜成谷向斜成山從地表面顯示中間為老巖層,兩側新巖層對稱重復出現的為背斜;中間為新巖層,兩側老巖層對稱重復出現的為向斜。利用錄像設備將野外地質實習、巖土工程勘察施工(包括各種測試、鉆探等)制作成電視錄像片,在講授相應的內容時播放,或放在網絡教學平臺,讓學生隨時下載觀看。增強感性認識,為實踐實習打好基礎,也可以節省實踐實習時間,或代替部分實踐實習,填補部分院校沒有開設實踐實習教學的不足。生動、形象、直觀的教學使學生更容易理解。
四、結語
工程地質學是土木工程專業必修的專業基礎課,是一門學時不多、內容豐富、教學難度較大、富有挑戰性的課程。要培養基礎理論知識充實,具有較強的實踐能力和創新精神,綜合素質高的優秀土木工程師,學校必須要加大對專業建設的投入:完善基礎地質實驗室并定期補充足夠數量的實驗標本,建立野外地質實習基地,確保相應的實踐實習,包括工程地質勘察實習。任課教師更要加強學習,不斷總結、改革教學方法,更新工程地質新技術、新方法,收集積累工程實踐案例,從工程建設實際出發培養具有綜合素質的高級工程技術人才。
參考文獻:
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[3]張俊林.在本科畢業設計中培養學生創新能力的改革與實踐[J].重慶科技學院學報:社會科學版,2008(1):20-21.
[4]曹麗文.工程地質學思維方法培養的教學研究[J].中國地質教育,2002(4): 54-57.
Teaching reform on engineering geology
WANG Yanqiang
1.工程地質學科的爭議
教科書對工程地質學的三種定義:①工程地質學是研究與工程有關的地質問題的科學;②工程地質學是研究人類工程活動與地質環境相互作用的科學;③工程地質學是研究人類工程建設活動與自然地質環境相互作用和相互影響的一門地質科學。
從以上三種定義的實質中均不難看出,工程地質學強調的工程和地質的關系,研究的是人類工程活動與自然地質環境的相互作用。但是,近年來工程地質學科卻正在經歷著前所未有的挑戰,工程地質學被異名為巖土工程學,工程地質勘察被稱之為巖土工程勘察。工程界有此呼聲,學術界有此呼應,一些大專院校也紛紛效仿,甚至工程地質這個專業在高校也被取消了。一時間,似乎工程地質已經成了守舊傳統,巖土工程才是先進時髦的,才是可以適應市場經濟并與國際接軌的。這是近年來分歧最大的爭議。
這些年來工程地質勘察的不景氣以及市場競爭的不規范化,工程地質勘察隊伍增加了巖土工程的業務是完全必要的,但將巖土工程作為工程地質的救世主,則值得商榷了。
根據筆者的理解,巖土工程是一項工程應用技術,是針對地質體的工程缺陷實施的工程措施而進行的一系列設計和施工過程的總稱。巖土工程的任務是“處理”地質體的工程缺陷,使之滿足工程建筑物對地基的工程要求,因此又有“巖土工程處理技術”的別名,說明巖土工程的確是一項實實在在的工程技術。確立工程地質學是一門獨立的學科,盡管也僅僅是本世紀初的事,并不象數學、物理學、天文學等等著名學科那樣歷史悠久,然而,之所以將工程地質定義在“學科”這樣的高度上,是因為她具備學科的一些基本特性和基本理論,這就是地質學的基本特性和基本理論,換句話說,工程地質學的基本理論就是地質學(當然更包括數學、力學、化學等等),因此,又將工程地質學界定為地質學的一個分支學科或應用學科,這是符合實際的。工程地質學的最新定義也是較為全面的:研究人類工程活動與地質環境相互作用的科學。顯然,工程地質與巖土工程盡管有相似之處,但也有天地之別。如果將巖土工程界定為工程地質學科的一個分支,好象還說得過去;而反過來用巖土工程來代替工程地質,則實在有些牽強附會。
1997年6月20-27日,國際工程地質學會在希臘召開了一次學術討論會,會上決定將本學會名稱改為:國際工程地質學與環境學會。我國組團15人參加,王思敬任團長。隨后國內也有人提出工程地質學會改名,以便與國際接軌,但一直未獲通過。在近幾年的中國地質學會工程地質專委會會議上,學科和學會更名問題的交鋒一直也沒有停止過。我國工程地質界的前輩專家學者們多數也不同意更名,認為如此嚴肅的基礎性應用性學科,沒有必要放棄自己的傳統風格,我國的工程建設任務十分繁重,工程地質學科的研究和發展前景仍然是艱巨和光明的。
2.工程地質工作的任務
在工程建設中,工程地質工作的任務十分繁重,也異常艱巨,主要任務是:①選址,選擇在地質條件上相對最優的工程建筑地區或場地;②評價,闡明工程建筑區或場地的工程地質條件,進行定性和定量的工程地質評價,準確界定工程地質問題;③預測工程建筑物興建和運用過程中地質條件的可能變化,為研究改善和防治工程地質缺陷的措施提供依據;④調查工程建筑物所需的天然建筑材料等。
3.工程地質專業的尷尬
工程地質專業是工程建設的基礎性專業,沒有這個專業,一切工程建設均將成為空中樓閣,這是常識性問題,我們在這里反復強調好象有些多于。然而,現實確讓這一基礎性專業處于一個十分尷尬的境地,主要表現在:
①工程地質專業本身的特殊性、復雜性和實踐性;
②專業不景氣,社會地位和經濟地位與工程地質專業不相適應,工作環境、工作條件的局限,擇業行為中的浮躁動機,專業本身的局限性;
③規程規范存在的問題;
④工程地質勘察技術的局限性;
⑤相關專業對工程地質專業的輕視;
⑥長官意志,某些決策者對工程地質專業的無知或輕視;
⑦世人對工程地質專業的不了解與不理解。
4. 在工程建設中的地質教訓
由于地質問題而嚴重影響工程建設的實例太多,教訓太深刻,順手拈來幾個實例:
①云南漫灣水電站左壩肩順層滑坡和建材問題;
②貴州天生橋二級水電站廠址、隧洞等問題;
③貴州東風水電站右壩肩和帷幕線上的巖溶問題;
④烏江彭水水利樞紐前期工作重復問題;
⑤雅礱江錦屏二級水電站巖溶地下水問題;
⑥軟弱夾層的遺漏對工程建設的重大影響,葛州壩、西津溢洪道等。
5. 工程地質在工程建設中的決定性作用
任何地質條件下都可以建工程,對嗎?這個問題也是這些年來工程界的一個熱門話題,筆者認為答案是否定的。
①陜西東莊水庫灰巖壩址滲漏嚴重不能建壩;
②小浪底滑坡性質界定對設計的影響;
③天生橋二級水電站移民區是否滑坡對移民安置的影響;
④堤防工程中的堤基垂直防滲引起的環境地質問題,有時可能是決定性的;
⑤地質邊界條件和地質參數對工程設計的影響。
6.相關學科在工程地質中的應用
①系統工程在工程地質中的應用;
②計算機技術在工程地質中的應用;
③遙感、物探、GPS等;
④水工設計施工與工程地質的關系。
清晰的工程概念是地質師所必需的。潘家錚院士對地質師的要求:應該有系統地學習水工建筑物的基本設計理論,計算方法,以及地基缺陷的影響,各種處理的措施,各種成功和失敗的經驗;最好補一些數學、力學、水力學、巖土力學、巖石試驗、有限元分析和計算機應用等方面的基礎課。五十年代初,由于我國水利水電工程地質專業人才奇缺,一批設計師改行從事工程地質專業的學習和工作,后來大都成為工程地質專業的優秀專家。實踐證明,地質師的工程概念清晰,地質工作會得心應手;反之則可能事倍功半。
7.工程地質要面對現實著眼未來
汪恕誠部長最近講話強調:不能老修改設計,因為搞招投標尤其是國際合同,修改設計就意味著被索賠。修改一個設計,似乎節省了某一個工程量,而索賠量比這個還大,大量修改設計怎么得了?汪部長的這段講話似乎在批評設計,實則是水利水電工程地質的一個千載難逢的新的契機。
如何理解汪部長的這段話?我們認為首先要搞清楚為什么修改設計,水利工程因為地質問題而修改設計的可以舉出若干例子來。
修改設計往往賴地質,我們當然可以理直氣壯地說:前期地質工作投入不夠,工程地質條件不清楚,地質基礎資料不準確,工程地質分析出力不夠或分析工作的深度不到家,工程地質問題的界定不明確或界定有錯誤,學術技術問題得不到廣泛的討論和爭論,工程地質問題的真理有時往往掌握在少數人手里。
中圖分類號:G712 文獻標識碼:A 文章編號:1672-5727(2012)05-0106-02
改革開放三十多年來,各行各業大興土木,城市建設日新月異。要保證項目建設安全,需要對建設場地進行工程地質條件勘察,才能進入設計、施工、建設階段。縱觀世界各國的建筑工程事故,以地基基礎事故為主。地基基礎是建筑物的地下隱蔽工程,費用約占總造價的20%~25%,一旦出現事故不易覺察,修補處理較為困難,所需費用較高。實踐證明,地基基礎問題在相當程度上與工程地質問題相關,是涉及人的生命和財產安全的大問題。而土木工程專業的畢業生大多從事工程設計、施工、監理等工作,也有人進入相關領域從事工程地質勘察設計、規劃和管理工作。可見,具有良好的工程地質知識對他們以后所從事的工作意義重大。
工程地質學課程的特點
工程地質學是研究人類的工程活動與地質環境相互關系的學科。它的任務是為各類工程建筑的規劃、設計、施工提供地質依據,以便從地質條件上保證工程建筑的安全可靠、經濟合理、使用方便、運行順利。為大型項目工程建設提供可行性研究報告,對擬建工程場地進行工程地質條件評價,為地基基礎設計提供合理建議,對于場地存在的地質問題在深入分析的基礎上提出處理措施,為地基加固工程的設計和施工提供依據。同時,還要研究評價由于工程興建引起的環境地質問題,以及可能誘發的地質災害對工程建筑本身及周圍環境的影響、如何及時消除安全隱患等問題。
對于土木工程專業而言,工程地質學是一門專業基礎課程,主要培養學生閱讀地質資料、查明和分析工程地質條件、解決工程地質問題的能力,工程技術人員必須能夠看懂地質資料,必須清楚建設范圍內的地質條件,了解可能出現的地質問題及應該采取的防治措施。只有這樣,才能進行正確的設計和施工,才能有效保證建筑物的安全和穩定。為后續的土力學、基礎工程等專業課程的學習奠定基礎,為以后所從事的工程建設工作提供相關專業知識。課程特點表現為:(1)教學內容多,涉及多個學科。僅就土木工程專業而言,工程地質學講授的主要內容包括礦物與巖石、地質作用和地質年代,地質構造,巖、土體的工程地質性質,地下水,地貌及第四紀松散堆積物,不良地質條件下的工程地質問題,巖體工程穩定性問題,巖土的工程地質分級分類,工程地質勘察等。該課程涉及礦物學、巖石學、構造地質學、土質學、土力學、巖石力學、動力工程地質學、區域工程地質學、工程地質勘察、地基處理等相關內容。(2)概念多,實踐性強。工程地質學涉及許多名詞概念及專業術語,許多理論知識比較抽象,直接理解往往有一些困難,需要通過實驗、實習、實訓的途徑加以解決,表現出較強的實踐性。(3)學時不多。一般土木工程專業只有30~40個課時。由于教學內容豐富、教學難度大,要上好這門課具有挑戰性。
土木工程專業工程地質學教學現狀
重視不夠 工程地質學作為土木工程專業的基礎性學科,學生還沒有感覺到它的重要性,以為不是主要專業課程,在專業中的作用不大,導致學生不具備工程地質方面的專業技能和專業素質,對以后所從事的工作造成不良影響。
部分內容比較枯燥 初次接觸本課程的學生感覺比較陌生,由于工程地質基礎知識理論性較強,概念多,與工程實際聯系較少,學生會感覺乏味,學習興趣降低。
野外地質實習基地缺乏 工程地質學實踐教學包括室內實驗和野外實踐實訓教學。室內實驗涉及土工方面的實驗及各類礦物、巖石標本實驗室、地質構造模型室等,大部分高校都有。一般地質類的工科高校都有野外固定的地質實習基地,而對于大部分土木工程專業的高校來說,野外實習基地相對比較匱乏。由于實踐教學條件不足,使大部分土木工程專業的學生在短時間內具有地質學方面的感性知識往往是很困難的。
綜合利用多種教學
方法和手段提高教學質量
隨著社會的發展和科學技術的不斷進步,多媒體、網絡技術已成為人們日常學習、生活、工作交流的工具之一。傳統的授課方式也在逐漸發生改變,充分利用各種教學資源,采取多種教學方法和手段提高學習興趣和教學質量成為關鍵。筆者通過多年教學實踐總結出以下幾點。
結合專業需要優化教學內容、精選整編教材 首先,應結合土木工程專業方向和專業需要,以及土木工程專業的學生以前從未接觸或很少接觸過工程地質的有關知識的特點,通過本課程的學習,使學生能讀懂地質資料,能夠利用地質資料完成工程項目的設計、施工、監理等工作。教學內容不僅應包括工程地質的基本理論知識,同時要重點突出實踐性教學環節, 要在知識覆蓋面、深度、廣度上下工夫,不斷完善工程地質學的教學內容,保證學生在工程地質學方面的專業素質,構建優良的教學體系結構。任課教師可以根據教學內容設計優選教材。教材是教學的基礎,是教育思想、教學觀念、教學內容、教學方法與手段的載體,是人才培養的依據,只有使用高質量的教材才能培養出高素質的人才。由于工程地質學教材很多,且各有特點,從中選出適合土木工程專業的理想教材至關重要。一本好的工程地質學教材,不僅要涵蓋工程地質領域的基礎知識,還要通俗易懂、重點突出,將整個工程地質領域眾多基本理論和方法濃縮成系統性和專業性兼顧的知識體系。由于土木工程專業教學計劃的限制,適合自身專業特色的工程地質學教材不多,因此,授課內容不能僅僅局限于教材。優化教學的方法是在查閱大量參考文獻基礎上,對教材內容進行重新組織、加工精練、補充提高,及時汲取最新的研究成果和工程實例,加入工程地質勘察新技術、新規范,積極整合優秀教改成果,做到理論知識恰如其分地與具體工程實際緊密結合,使學生不出課堂就能夠把主要知識點與實際工程無縫對接,在有限的時間內獲取盡可能多的知識。堅持以提高學生整體素質為基礎,以培養學生綜合能力,特別是創新能力和實踐能力為主線,對教學內容進行整合。
合理運用現代多媒體、網絡技術提高教學效果 應用多媒體技術可以大大提高學生的學習興趣與效率,增加信息量。比如,在講“礦物與巖石”這一章節時,若僅采用傳統板書教學,很難講清楚,而且學生也難以理解、想象出各種礦物與巖石的特征,而利用多媒體將常見的礦物和巖石的真實圖片放在大屏幕上講解后,再進行室內實習,學生很容易就能識別出常見礦物與巖石標本。同理,把地質圖的閱讀、地質災害的形成、預防與處理、地形地貌、地質構造、常見工程事故及處理措施、工程地質現場勘察技術等內容采用圖片、聲音、動畫、文字、錄像的形式展現出來,可使學生有身臨其境的感覺。可見多媒體教學不僅可以擴大課堂教學的信息量,而且還能增強教學的直觀性、主動性,提高教學質量。應構建課程教學網站,將教學內容、教學大綱、教學方法、教學課件、錄像、實綱、作業練習、在線測試、交流、答疑等掛在校園網上供學生隨時查閱,為學生提供一個交互、開放式的理論與實踐結合的教學環境。同時,也為學生自主學習提供良好的教學平臺,彌補課堂教學課時少的缺點。
將理論教學與案例教學相結合 單純理論教學不能充分調動學生學習的積極性,因為聽課時間稍長,學生就容易疲憊,導致精神不集中。只有理論與案例教學結合,才能調動學生思維能動性,使學生在不知不覺中由傳統教學中的被動接受知識變為積極運用知識,有效提高學生的理論水平和實踐能力。將理論知識實踐化,其捷徑是采用工程實例分析,即案例教學。在教學中有針對性地運用適宜的工程實例資料,通過學生的獨立思考與集體協作,對具體實例進行分析、研究和討論。案例教學具有參與性、啟發性和時效性的特點。如對于常見的地震等地質災害,先采用多媒體課件講授地震等地質災害的成因、發生、發展以及結果和危害等,再通過如“5.12汶川地震”等地質災害進行案例教學,學生會對授課內容產生強烈的共鳴,并在短時間內銘記于心。
創建完善的教學實習基地,加強實踐性教學環節 工程地質學是一門實踐性比較強的課程,實踐性教學環節是該課程的重要組成部分,良好的實習條件是教學質量的重要保證。實踐教學的基本任務就是讓學生親自接觸各種真實的地質現象及工程地質問題,并利用已學到的理論知識來考察、辨析它們,進而加深對課堂教學內容的理解。可根據實綱要求,安排校內實驗與野外實習。校內實驗主要包括實驗室礦物與巖石標本觀察和地質圖的閱讀等,是為了培養學生對常見礦物和巖石的識別能力,訓練學生地質圖的讀圖能力。實驗內容為:觀察標本、鑒別區分常見的造巖礦物與常見三大類巖石(巖漿巖、沉積巖和變質巖);通過閱讀地質圖,要求學生講述圖上所表示的地形、地貌、地質構造、地層巖性及其產狀、接觸關系等。每次實驗前根據實綱要求,教師制定實習任務,讓學生做預習,設計實驗方案。實習時以教師現場指導、教學示范、學生自主探究方式進行。比如,對礦物、巖石的鑒定及描述等方面,通過實物介紹、實習操作示范等,使學生在短時間掌握要領,順利完成實習任務。野外實習也是必不可少的教學環節。野外實習的內容主要是進行各種地質構造的野外觀察、地質繪圖、工程地質勘察,地質資料的現場記錄整理等。教師在野外現場對實習內容要點反復講解,示范操作要領、步驟;要求學生必須做到勤思考、勤動手、勤問、勤記錄,即勤于動手考察地質現象、勤于思考產生這種地質現象的內外因素、勤于對某些問題進行較深入探索和研究。通過野外實踐環節鍛煉學生對自然地質現象的觀察識別、動手能力、分析問題和解決問題的能力以及對原始數據資料的收集和編錄的能力,能夠讓學生懂得野外地質工作的基本方法,在加深理解的基礎上學會分析土木工程與地質的密切關系,熟悉土木工程建設中常見的地質問題及處理方法,及時消化和鞏固所學的基本理論知識。此外,走出校門進行野外地質實習,還可以培養土木工程專業學生吃苦耐勞、遵守紀律、團結協作等優良品質,有利于增強學生體魄和意志力。
改變現有成績考核辦法 工程地質成績分為兩個部分,即理論教學與實習、實訓成績。理論教學成績考核應多方面考核評定學生成績。其中,考試成績占60%(理論知識的考核應結合工程地質學課本,以閉卷的形式考核基本知識、基本理論,要求學生在規定的時間內完成);平時成績占40%,其中,課堂教學成績考核占平時成績的15%(主要考查上課表現);課后作業及論文等占平時成績的25%。這種考核方式注重學習過程的考核,可避免學生考前突擊記憶,考完后很快忘記的弊端,提高學習效果。在實習成績考核中,實習紀律占20%(考察學生實習是否缺席、遲到、早退等),集中實習占60%(其中原始記錄及實習表現占20%,實習報告占40%),同學之間相互考評成績占20%。這種考核方式有利于對實習全過程進行考評,促進學生的學習積極性。
多年來的教學實踐證明,在教學過程中不斷完善教學內容,改進教學方法與手段,充分利用現代科技成果服務于教學,針對專業需要進行課程教學設計,堅持理論聯系實際,加強實踐性教學環節,改革考核辦法有利于增強學生學習的興趣,有利于培養學生的動手能力和工程地質方面,專業素質,為土木工程專業學生從事工程建設工作奠定良好的基礎。
參考文獻:
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工程地質學是研究與工程建設有關的地質問題的科學。它的研究對象是地質環境與工程建筑二者相互制約、相互作用的關系,以及由此而產生的地質問題,包括對工程建筑有影響的工程地質問題,和對地質環境有影響的環境地質問題。它的任務是為各類工程建筑的規劃、設計、施工提供地質依據,以便從地質上保證工程建筑的安全可靠、經濟合理、使用方便、運行順利。
1.工程地質學與巖土力學的研究對象
工程地質學與巖土力學是將巖土作為建筑物的地基材料或介質來研究的一門學科,主要研究土的工程性質及土在荷載作用下的應力,變形和強度問題,為設計與施工提供土的工程性質指標與評論方法,土的工程問題的分析計算原理,是土木工程技術專業的技術基礎。
工程地質學從土的成因與成分出發,研究土的工程性質的本質與機理。對土的荷載,溫度及濕度等因素作用下發生的變化作出數量上的評價,并根據土的強度,變形機理提出改良土質的有效途徑。
2.巖土力學發展歷程
18世紀以前,許多土力學問題只憑借經驗解決。
1773-1776年,法國庫侖(Coulomb)根據試驗,提出了土的抗剪強度和土壓力和滑動土鍥理論,土力學進入古典理論時期1857年,朗肯(Rankine)從塑性應力場出發建立了新的土壓力理論。
1885年,法國辛納斯克(Roussinesq)求得半無限空間彈性體在豎向集中力作用下,全部6個應力分量和3個形變分量的理論解,為以后計算地基變形建立了理論基礎。
達西(Darcy,1856年)通過水在砂中的滲流試驗,建立達西公式,為以后研究滲流和固結理論打下了基礎。
1922年瑞典費倫紐斯(Fellenius)在處理鐵路滑坡問題時,提出了土坡穩定分析方法。
1925年,美國土力學家太沙基(Terzaghi)的“土力學”(Erdbaumec
hanik)出版,土力學進入了一個新的時期,使土力學成為一門獨立的學科。
為了總結和交流世界各國的理論和經驗,1936年國際土力學基礎工程學會成立,之后每4年召開一次國際土力學和基礎工程會議,推動了這門學科在世界范圍的發展。
1956年進入近代土力學時期。這是以美國科羅拉多州波德爾(Bouder,colorado)舉行的粘土抗剪強度學術會議以及英國正在開展的土應力—應變性質研究工作為時代的標志。
在以后的時間里,由于計算機的普及應用,促使土力學在基本理論、計算方法、室內和現場的試驗設備等諸多方面都取得了革命性的發展。
3.巖體工程地質力學的建立與巖體力學研究
巖體就是由結構面和結構體組合而成的。結構面按其延續的長短可以分級,但其形成則受巖石成因和后期地質構造變動的控制,因而其分布規律和形狀、寬度等可以通過地質力學加以分析。這樣他們就把地質力學與巖石力學結合起來對巖體結構加以分析,創立了一門新的分支學科:巖體工程地質力學。把巖體結構分為塊狀結構、鑲嵌結構、碎裂結構、層狀結構、層狀碎裂結構、散體結構等類型。不同結構類型的巖體其力學性質和變形破壞規律也不同。我國在軟弱、破碎巖體的研究方面也取得較大進展,例如斷層巖的分類及其物理力學特性和穩定性評價的研究;泥化夾層的物質與結構特征及其力學性質的研究;膨脹巖的膨脹機理和處理措施的研究等。
4.工程地質學與土力學的專業關系
工程地質學與土力學是一門研究土的工程問題的學科,是土木工程學科的一部分。土是一種自然地質歷史產物,是一種特殊的變形體材料,它既服從連續介質力學的一搬規律,又是其特殊的的應力——應變關系和特殊的強度,變形規律,形成了巖土力學不同于一般固體力學的分析方法和計算方法。巖體力學是近展較快的科學分支,巖體力學是在巖體結構控制論的基礎上,對巖體的力學性狀及其變形、位移及破壞過程和規律的研究。巖土力學的理論與方法又是學習專業課程與從事土木工程技術工作必需的基礎知識。
在路基工程中,土是修筑路堤的基本材料,同時它又是支撐路堤的地基。路堤的臨界高度和邊坡的取值都與土地抗剪強度指標及土體的穩定性有關;未了獲得具有一定強度和良好水穩定性的地基,需要采用碾壓的施工方法壓實填土,而碾壓的質量控制方法正是基于對土的擊實特性的研究成果;擋土墻設計的側向荷載——土壓力的取用需借助于土壓力理論計算;近年來,我國高速公路大量修建,對路基的沉降計算與控制提出了很高的技術要求,而解決沉降問題需要對土地壓縮特性進行深入的研究。
在路面工程中,土基的凍脹與翻漿在我國北方地區是非常突出的問題,防治凍害的有效措施也是以土質學的原理為基礎的;穩定土是比較經濟的基層材料,它就是根據土的物理化學性質提出的一種土質改良措施,目前深層攪拌水泥土樁在公路的軟基處理中就得到了廣泛應用;道路一般在車輛的重復荷載作用下工作,因此需要研究土在重復荷載作用下的變性特征,而抗震設計更需要研究土的動力特征。
在橋梁工程中,基礎工程常常是能否在預選橋址建橋的技術關鍵,基礎工程的造價占總造價的比重很大,經濟、合理的橋梁基礎設計需要依靠土力學基本理論的支持;對于超靜定的大跨度橋梁結構,基礎的沉降、傾斜或水平位移是引起結構過大次應力的重要因素;在軟土地區高速公路建設中的“橋頭跳車”是影響工程質量的技術難題,解決這一難題的技術關鍵在于如何處理好橋墩與高路堤之間沉降差,這涉及樁基和高路堤的沉降計算與控制、填土的碾壓質量控制以及軟基地加固處理等問題。我國蘇州的虎丘塔和意大利的比薩斜塔都是因為基礎的不均勻沉降造成塔身嚴重傾斜,危及了塔的安全。因此需要計算出不同時間的基礎沉降量,還需確定地基容許承載力。特別對于超靜定結構的橋梁更為重要。另外,橋臺背后的土壓力等,也需要應用土力學的方法進行計算。
【參考文獻】
關鍵詞:工程地質學;發展;應用;成就
Key words:Engineering Geology;development;application;achievement
中圖分類號:TU19 文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)04-0187-01
1 我國工程地質學的發展歷程
20世紀60年代,工程地質的實踐,積累了大量資料和一定的實際經驗,學科進入獨立發展階段,各建設部門制定自己的勘察規范,以山區工程建設為主,對工程地質提出更高的要求,巖土測試技術提高,定量評價有所發展。到了以經濟建設為中心和改革開放的年代,各方面的建設蓬勃發展,工程地質在已往基礎上取得了重大發展。勘察質量提高,新的勘察規范制定,向著工程領域拓展,承擔勘測、工程處理的系列工作。新型、巨型工程向工程地質勘察提出了新的要求。科學研究工作取得豐碩成果,創立了自己的新的理論,引入有關科學的新理論、新方法;學術活動頻繁。
2 工程地質勘察質量不斷提高
工程地質的任務就在于為工程建筑進行工程地質勘察,認識擬建工程所在地區的工程地質條件,為建筑的位置選擇和設計、施工提供地質依據。
國家規定的基建程序是:任何工程建設不進行勘察工作就不準設計,沒有設計不準施工。這就賦予了工程地質重大而光榮的職責,避免了不顧地質條件是否適宜而盲目興建工程給國家造成的損失。建筑設計分為可行性研究、初步設計、技(術)施(工)設計等階段,工程地質勘察也隨之分階段進行,對工程地質條件的了解愈來愈深入,這是完全符合認識規律的。建筑位置的選擇具有戰略意義,起著充分利用有利的地質條件、避開不利條件的作用。位置選得好,不但能保證工程的安全,而且工程處理也較簡單,經濟上合理。位置的地質選擇只是一個方面,還要看政治、經濟等方面的因素,最后綜合考慮選定。
3 我國工程地質學理論體系的形成
工程地質問題和環境地質問題是可以預測的,只要查清工程地質條件,又有了規劃設計部門所提供的有關工程建筑的類型和規模,尤其是建筑物作用力的大小和性質,就可以建立二者相互作用的物理模型,進而建立計算模型,做出問題的定性分析和定量分析,對建筑場地給予工程地質評價,指出問題的嚴重,哪些地質因素不利,不能滿足工程建筑的要求。應當采取何種措施予以補救,是減小建筑物的規模以適應地質條件,還是采取工程處理措施,改善條件,以滿足建筑物的要求、消除不良影響。這要從技術條件上和經濟合理性上進行比較才能確定。由上述可知,工程地質學研究的目標在于協調工程建筑與工程地質條件之間的矛盾關系,既保證工程建筑造福人類,又避免它對環境造成不良影響。
4 三維建模在工程地質工作中的應用
4.1 運用先進的可視化技術與交互圖形技術建立數據庫,存儲和管理現場勘探實測和試驗數據,建立工程地質體的三維模型,工程地質工作者可隨著勘察或研究工作的不斷深入細致,對研究(工作)區域隨時補充信息來自動顯示地質信息在研究(工作)區域內的分布,從而不斷提高模型精度,并且利用模型反饋回來的信息及時發現已有勘察工作中的不足,從而及時修改勘察或研究工作方案,指導下一步勘探或研究工作的實施。
4.2 工程地質三維建模與可視化的深入研究,可以充分利用已有現場勘探實測或試驗數據,達到節約投資減少勘察或研究成本的目的。當現場勘探和試驗數據資料不足情況下,通過對已有數據的插值與擬合到建立三維模型,可以推斷和預測未知區域或研究較少區域的地質信息或巖土體物理力學參數的分布趨勢,從而為減少勘探工作量提供科學的可靠的依據,達到節約花費,為生產或研究部門產生直接經濟效益的目的。
4.3 工程地質巖土體是復雜的不規則形體,存在各種地質巖性層面、結構面以及各種空間分布的地質與力學信息,完全表達地質信息的空間分布及巖層和結構面間的位置關系,工程地質三維建模與可視化研究是大有作為的。
5 五十年來的科研成就
5.1 巖體工程地質力學的建立與巖體力學研究。與土力學相比,巖體力學直到20世紀60年代還是知之甚少。在工程地質勘察中發現巖體中的裂隙發育情況不同對巖體的力學性質與行為影響很大,而巖體的變形破壞實際上是受其中的軟弱結構面的控制,包括層面、斷層面、裂隙、片理、劈理等,也稱不連續面,使巖體成為非均質、各向異性的不聯系介質。結構面之間的巖石體稱為結構體。總體上來說巖體就是由結構面和結構體組合而成的。結構面按其延續的長短可以分級,但其形成則受巖石成因和后期地質構造變動的控制,因而其分布規律和形狀、寬度等可以通過地質力學加以分析。這樣就把地質力學與巖石力學結合起來對巖體結構加以分析,創立了一門新的分支學科:巖體工程地質力學。把巖體結構分為塊狀結構、鑲嵌結構、碎裂結構、層狀結構、層狀碎裂結構、散體結構等類型。不同結構類型的巖體其力學性質和變形破壞規律也不同。
2工程地質勘察對工程建設的重要性
工程地質的任務就在于為工程建筑進行工程地質勘察,為建筑的位址選擇和設計、施工提供地質依據。國家規定的基建程序是:任何工程建設不進行勘察工作就不準設計,沒有設計不準施工。這就賦予了工程地質重大而光榮的職責,避免了不顧地質條件是否適宜而盲目興建工程給國家造成的損失。建筑設計分為可行性研究、初步設計、技(術)施(工)設計等階段,工程地質勘察也隨之分階段進行,對工程地質條件的了解愈來愈深入,這是完全符合認識規律的。建筑位址的選擇具有戰略意義,起著充分利用有利的地質條件、避開不利條件的作用。位址選得好,不但能保證工程的安全,而且工程處理也較簡單,經濟上合理。位址的地質選擇只是一個方面,還要看政治、經濟等方面的因素,最后綜合考慮選定。工程地質學為工程建設服務,是通過工程地質勘查來實現的,通過勘察和分析研究,闡明建筑地區的丁程地質條件,指出并解決所存在的工程地質間題,為建筑物的設、施工以至使用提供所需的地質資料。它的主要任務是:(1)闡明建筑地區的工程地質條件,并指出對建筑物有利的和不利的岡京;(2)論證建筑物所存在的工程地質問題,進行定性和定計的評價,作出確切的結論;(3)選擇地質條件優良的建筑場址,并根據場址的地質條件合職配段各個注筑物;(4)根據建筑場址的具體地質條件,提出有關建筑物類型、規模、糾構和施工力法的合理建議,以及保證建筑物正常使用所應注意的地質要求;(5)研究工程建筑物興建后對地質環境的影響,預測義發展演化趨勢,并提山對地質環境合理利用和保護的建議;(6)為擬定改善和防治不良地頂作用的措施方案提供地質依據。工程建筑的類型很多,如工業民用建筑物、鐵路、公路、水運建筑、水利水電建筑、礦山建筑、海港工程和近海石油開采以及國防工程等。每一類型建筑又有一系列建筑物群體組成,如高樓大廈、工業廠房、道路、橋梁、隧道、地鐵、運河、海港、堤壩、電站、礦井、巷道、油庫、飛機場等。這些建筑物有些位于地面上,有的埋于地下,都脫離不開地殼,無不與地質環境息息相關。他們的形式不同、規模各異,對地質環境的適應性以及對地質環境的相互作用也越來越強烈,越來越復雜。我國的各類工程、鐵路公路、水利水電、城鄉建設、工業、國防、礦山、港口等建筑,尤其是大型建筑,都是先做了反復的工程地質勘察工作才進行設計、施工、修建完成的,因而基本上沒有因為地質問題而失敗。
3我國工程地質學理論體系的形成
工程地質問題和環境地質問題是可以預測的,只要查清工程地質條件,又有了規劃設計部門所提供的有關工程建筑的類型和規模,尤其是建筑物作用力的大小和性質,就可以建立二者相互作用的物理模型,進而建立計算模型,做出問題的定性分析和定量分析,對建筑場地給予工程地質評價,指出問題的嚴重,哪些地質因素不利,不能滿足工程建筑的要求。應當采取何種措施予以補救,是減小建筑物的規模以適應地質條件,還是采取工程處理措施,改善條件,以滿足建筑物的要求、消除不良影響。這要從技術條件上和經濟合理性上進行比較才能確定。由上述可知,工程地質學研究的目標在于協調工程建筑與工程地質條件之間的矛盾關系,既保證工程建筑造福人類,又避免它對環境造成不良影響。
4工程地質的科研成就
4.1巖體工程地質力學的建立與巖體力學研究
與土力學相比,巖體力學直到20世紀60年代還是知之甚少。在治淮工程、武漢和南京長江大橋以及三峽工程等一系列工程地質勘察中發現巖體中的裂隙發育情況不同對巖體的力學性質與行為影響很大,而巖體的變形破壞實際上是受其中的軟弱結構面的控制,包括層面、斷層面、裂隙、片理、劈理等,也稱不連續面,使巖體成為非均質、各向異性的不聯系介質。結構面之間的巖石體稱為結構體。總體上來說巖體就是由結構面和結構體組合而成的。結構面按其延續的長短可以分級,但其形成則受巖石成因和后期地質構造變動的控制,因而其分布規律和形狀、寬度等可以通過地質力學加以分析。這樣他們就把地質力學與巖石力學結合起來對巖體結構加以分析,創立了一門新的分支學科:巖體工程地質力學。把巖體結構分為塊狀結構、鑲嵌結構、碎裂結構、層狀結構、層狀碎裂結構、散體結構等類型。不同結構類型的巖體其力學性質和變形破壞規律也不同。我國在軟弱、破碎巖體的研究方面也取得較大進展,例如斷層巖的分類及其物理力學特性和穩定性評價的研究;泥化夾層的物質與結構特征及其力學性質的研究;膨脹巖的膨脹機理和處理措施的研究等。
4.2環境工程地質與地質災害研究
20世紀80年代以來,環境問題日益嚴重。為了合理利用和保護地質環境,我國開展了環境工程地質的研究。幾十年來在一些重點地區和大型工程地區做了不少研究工作,以工程建筑所引起的閃生地質環境研究為主,包括對人類生存和生產造成損失和威脅的各種地質災害,諸如地面沉降、地面塌陷、地裂縫、滑坡、崩塌、泥石流、水庫誘發地震、沙漠化、水土流失等。
Abstract: the engineering geology information design is engineering geology of the application of development and extension, it means that engineering geology of the application of technology has been greatly improved, and the engineering design optimization is of great significance, according to the engineering practice and engineering geology of the theoretical foundation, and the engineering geological problems of informatization related summed up and summarized, the paper analyzes the engineering geological information design of the rock mass structure surface of the network simulation technology and numerical simulation method.
Keywords: engineering geology, numerical simulation, information design, the rock mass structure surface network simulation
中圖分類號:S611文獻標識碼:A 文章編號:
1 前言
工程地質學在最近十幾年取得了重大技術進步,已經形成了理論與方法的工程地質學體系。尤其是最近幾年交通工程的大力發展,工程地質信息化在其中得到廣泛應用,邊坡工程地質的理論得到深化,地質災害勘察、設計、施工一條龍思想逐漸成型,工程地質信息化設計在這種環境下得到了很好的發展。.
在傳統工程地質中,其主要任務就是簡單地為工程建筑提供必需的地質資料,工程地質在這個過程中沒有參與設計,更不用談什么優化設計,以致得在復雜的工程地質條件下,設計與地質嚴重脫節,最終導致事故的發生或者工程建造忽略地質條件而使成本過高等問題。
現代工程地質較傳統的有了很大的變化,前者要求從工程設計的角度進行工程地質工作的布置,并完成資料的收集與更新工作。現代工程地質要求工程地質直接參加設計,甚至很多時候工程的設計必須主要圍繞著工程地質來進行。工程地質的相關工作在整個工程的設計與施工階段都占據著舉足輕重的角色,根據地質條件的不斷反饋,來完成工程設計的優化目的。
工程地質信息化設計是現代工程地質學中一個重要的特征,也是區別于傳統的工程地質學的主要特征,它包含了兩項重要技術,即巖體結構面網絡模擬與數值模擬,兩者不斷地發展與成熟,為信息化設計提供了重要保證。
2 工程地質化設計的基本思路
工程信息化的設計基本思路可以從邊坡工程信息化設計的過程來說明,如圖1所示,:
圖1 工程地質信息化設計思路及過程
工程地質信息化設計十分注重全過程地質與設計的協調、不同工作步驟之間的協調。這種設計思路的核心可以歸結為兩點,即設計過程模擬和穩定性分析。設計過程模擬是整個工程地質信息化設計的重要部分,占有舉足輕重的作用,模擬過程就是好比于實際工程的“試驗”過程,相當于實際工程的演練。穩定性分析則是應用于設計之前和加入治理工程結構之后,它與設計過程模擬兩個部分缺一不可。
由此可見,設計是整個工程的核心部分,預測則是關鍵部門,工程地質分析是整個預測環節的中心工作,兩個部分共同決定了工程地質信息化設計的重要地位。
3 工程地質化設計的數值模擬技術
最近十幾年中,電子計算機技術得到了飛速的發展,各行各業的工作開展都開始得益于計算機的強大功能,工程地質問題的解決在從中受益,這包括了工程地質問題中的數值模擬理論和方法都開展于計算機。
數值方法的突出優點眾多,其中最大的優點是能夠較好地考慮復雜邊界條件、非均質特性、介質的各向異性及其隨時間的變化、介質不連續性等復雜地質條件。它通過計算機技術將巖土體工程結構作為整體進行模擬仿真,經過這種模擬的試驗階段來取得一種最佳的方案。
目前,在工程地質學中常用的數值方法主要有:塊體理論(biock theory,BT)、有限單元法中的節理單元法(joint eiement,JE)、不連續變形分析(discontinuous deformation anaiysis,DDA)、快、塊體彈簧元法(BSM)、速拉格朗日法( fast Lagrangian anaiysis ofcontinue,FLAC)、無網絡伽遼金法(eiement free Gaierkin method,EGM)和數值流形法。這幾種方法對巖土工程與工程地質方面的特殊問題的解決都十分有效。
4 巖體結構面網絡模擬技術
巖體結構面網絡模擬是以Monte-Carior 為原理,通過較少量結構面資料,按照一定的測量方法,推測巖體空間結構面分布特征。圖2 為根據精測線法獲取的某公路邊坡結構面資料模擬出的巖體空間三維結構面網絡圖。
圖2 某工程巖體三維網絡模擬成果
此外,通過網絡模擬,還能獲取巖體各類幾何參數,作為工程設計的參考資料。圖3 示出了巖體結構面線密度的分布特征.:
圖3 某工程巖體結構面線密度分布特征
通過網絡模擬獲取的巖土結構面信息,尤其是施工過程中的相關結構面方面的信息,可以反復不斷進行模擬,不斷優化設計,修正設計,以求達到最佳。
5結束語
隨著科技的不斷發展,工程地質的理論和實踐知識都將會得到程度更大的提高,工程地質信息化將為工程地質施工的主要發展方向,其技術的不斷發展和深化在整個工程地質學中都具有重要的意義。
參考文獻
[1] 工程地質學 張忠苗主編/2007-02-01/中國建筑工業出版社
[2] 工程地質倪宏革,時向東主編/2009-08-01/北京大學出版社
中圖分類號:F416文獻標識碼: A 文章編號:
一、引言
本文從工程地質以及巖土工程的特點,介紹了工程地質與巖土工程的區別,指出兩者之間的關系,進一步介紹兩者的發展,方便讀者更好地去理解工程地質與巖土工程兩個概念。
二、工程地質與巖土工程的區別
工程地質是研究與工程建設有關地質問題的科學。工程地質學的應用性很強,各種工程的規劃、設計、施工和運行都要做工程地質研究,才能使工程與地質相互協調,既保證工程的安全可靠、經濟合理、正常運行,又保證地質環境不因工程建設而惡化,造成對工程本身或地質環境的危害。工程地質學研究的內容有:土體工程地質研究、巖體工程地質研究、工程動力地質作用與地質災害的研究、工程地質勘察理論與技術方法的研究、區域工程地質研究、環境工程地質研究等。
巖土工程是土木工程中涉及巖石和土的利用、處理或改良的科學技術。巖土工程的理論基礎主要是工程地質學、巖石力學和土力學;研究內容涉及巖土體作為工程的承載體、作為工程荷載、作為工程材料、作為傳導介質或環境介質等諸多方面;包括巖土工程的勘察、設計、施工、檢測和監測等等。
由此可見,工程地質是地質學的一個分支,其本質是一門應用科學;巖土工程是土木工程的一個分支,其本質是一種工程技術。
三、工程地質與巖土工程的關系
雖然工程地質與巖土工程分屬地質學和土木工程,但關系非常密切,這是不言而喻的。有人說:工程地質是巖土工程的基礎,巖土工程是工程地質的延伸,是有一定道理的。
工程地質學的產生源于土木工程的需要,作為土木工程分支的巖土工程,是以傳統的力學理論為基礎發展起來的。但單純的力學計算不能解決實際問題,從一開始就和工程地質結下了不解之緣。與結構工程比較,結構工程面臨的是混凝土、鋼材等人工制造的材料,材質相對均勻,材料和結構都是工程師自己選定或設計的,可控的。計算條件十分明確,因而建立在材料力學、結構力學基礎上的計算是可信的。而巖土材料,無論性能或結構,都是自然形成,都是經過了漫長的地質歷史時期,在多種復雜地質作用下的產物,對其材質和結構,工程師不能任意選用和控制,只能通過勘察查明,而實際上又不可能完全查清。巖土工程師不敢相信單純的計算結果,單純的計算是不可靠的,原因就在于工程地質條件的不確知性和巖土參數的不確定性,不同程度地存在計算條件的模糊性和信息的不完全性。因而雖然土力學、巖石力學、計算技術取得了長足進步,并在巖土工程設計中發揮了重要作用,但由于計算假定、計算模式、計算方法、計算參數等與實際之間存在很多不一致,計算結果總是與工程實際有相當大的差別,需要進行綜合判斷。“不求計算精確,只求判斷正確”,十分強調概念設計,已是巖土工程界的共識。
綜合判斷的成敗,關鍵在于對地質條件的判斷是否正確。既然巖土體是地質歷史長期演化的產物,研究其規律性,對關鍵性的問題進行預測和判斷,就只能靠工程地質專家了。譬如要建造一條隧道,沒有工程地質專家幫助,土木工程師只能“望山興嘆”。即使進行了鉆探,面對一大串巖芯、土木工程師雖然能夠辨別哪一段硬,哪一段軟,哪一段完整,哪一段破碎,但難以建立整體概念,“只見樹木、不見森林”。而有經驗的工程地質專家,通過地面地質調查,就可大致判斷地下地質構造的輪廓,就可預測建造隧道時可能發生哪些工程地質問題。再根據需要,采用物探、鉆探、等手段,由粗而細,由淺而深,構造出工程地質模型,明確哪些地段條件簡單,哪些地段條件復雜,哪些地段可能冒頂,哪些地段可能突水。沒有深厚的地質基礎,哪能識別斷層的存在,軟夾層的空間分布,哪能搞清結構面的優勢方向,地下水的賦存和運動規律,哪能說清巖溶、膨脹巖,初始地應力對工程的影響等等。可以說,在地質條件復雜的地區,巖土工程師離開了工程地質專家將寸步難行。譬如醫療、工程地質專家的任務是協助醫生對病情做出正確的診斷,并提出治療的建議。診斷是否正確是治療能否成功的關鍵,這是人所共知的。
四、工程地質與巖土工程的發展
關于工程地質與巖土工程今后發展的方向和重點,已有不少專家通過不同方式發表了意見,本文不擬具體涉及。從大方向觀察,筆者認為,工程地質與巖土工程這兩個專業,既不會逐漸歸為一體,也不會逐漸分離,而是像兩條纏繞在一起的鏈子,在互相結合,互相滲透,互相依存中發展。
1.地學與力學的結合
地質學和力學是巖土工程的兩大支柱。地質學有一套獨特的研究方法,通過調查,獲取大量數據,進行對比綜合,去粗取精,去偽存真,由此及彼,由表及里,找出科學規律。這是一種歸納推理的思維方式,側重于成因演化,宏觀把握和綜合判斷。巖土工程是以力學為基礎發展起來的,力學以基本理論為出發點,結合具體條件,構建模型求解。這是一種演繹推理的思維方式,側重于設定條件下的定量計算。但是,工程地質學家如果不掌握力學,則對工程地質問題難以做出定量而深入的評價,難以對工程處理發表中肯的意見;巖土工程師如果不懂得地質,則難以理解地質與工程之間的相互作用,也難以對癥下藥,提出合理的處置方案。這兩種思維方式有很好的互補性,應互相滲透,互相嫁接,必能在學科發展和解決復雜巖土工程問題中發揮巨大作用。
2.抓住機遇,努力創新
半個世紀來,無論工程地質還是巖土工程,我國取得的巨大成就和科技創新是有目共睹的。現在的中國,一方面是工業化尚待繼續完成,城市化和新鄉村的建設正在加速進行;另一方面,保護環境,使社會經濟協調和可持續發展的任務已經擺在我們的面前。21世紀對中國,將是水利、水電、道路、橋隧、高層建筑和地下工程并駕齊驅的世紀,工業化、城市化、鄉村現代化、保護和改善環境等并舉的世紀。我國地質條件異常復雜,環境特別脆弱,對工程地質和巖土工程帶來了許多世界級的難題,也為創新提供了空間和機遇。希望工程地質專家和巖土工程師抓住機遇,在完成工程任務的同時,發揚創新精神,提出更先進的科學理論和實用技術。要結合重大工程問題創新,結合中國特點創新,更要在原創性和概念創新方面狠下功夫。只有原始創新,從概念上突破,才能領導國際潮流,將我國工程地質和巖土工程的科技水平推向新的高度,走在世界前列。
3.關于專業人才的培養
過去設置工程地質專業,培養了大批工程地質人才,是學習蘇聯和計劃經濟的結果。現在高校本科撤消了工程地質專業,大批工程地質人員轉向巖土工程,是向市場經濟轉軌和工程建設的需要。但絕不是巖土工程可以替代工程地質,不再需要工程地質人才了。今后的巖土工程師主要來自土木系,他們雖然學過工程地質,但深度是有限的。投入工作后,側重點和注意力主要放在工程問題的處理上,很難下功夫修補地質學功底,遇到復雜地質問題還得請教地質學家。中國的地質條件如此復雜,工程建設規模如此巨大,沒有高素質的工程地質專門人才難以設想。因此,高校應將工程地質和巖土工程作為重要二級學科,培養相應的碩士和博士,作為技術骨干,不斷充實到建設隊伍中去。
五、結語
綜上所述,工程地質是地質學的一個分支,其本質是一門應用科學;巖土工程是土木工程的一個分支,其本質是一種工程技術,兩者有本質上的區別。因此,筆者希望通過本文的介紹,能夠讓讀者認清工程地質與巖體工程的關系,認清這兩個不同的概念。
參考文獻:
中圖分類號:TV文獻標識碼: A
一般來說,工程地質是調查、研究、解決與人類活動及各類工程建筑有關的地質問題的科學。工程地質研究的主要內容有:確定巖土組分、組織結構(微觀結構)、物理、化學與力學性質(特別是強度及應變)及其對建筑工程穩定性的影響,進行巖土工程地質分類,提出改良巖土的建筑性能的方法;研究由于人類工程活動的影響而破壞的自然環境的平衡,以及自然發生的崩塌、滑坡、泥石流及地震等物理地質作用對工程建筑的危害及其預測、評價和防治措施;研究解決各類工程建筑中的地基穩定性,如邊坡、路基、壩基、橋墩、硐室,以及黃土的濕陷、巖石的裂隙的破壞等,制定一套科學的勘察程序、方法和手段,直接為各類工程的設計、施工提供地質依據;研究建筑場區地下水運動規律及其對工程建筑的影響,制定必要的利用和防護方案;研究區域工程地質條件的特征,預報人類工程活動對其影響而產生的變化,作出區域穩定性評價,進行工程地質分區和編圖。隨著大規模工程建設的發展,其研究領域日益擴大。除了巖土學和工程動力地質學、專門工程地質學和區域工程地質學外,一些新的分支學科正在逐漸形成,如礦山工程地質學、海洋工程地質學、城市工程地質及環境工程地質學、工程地震學。但是隨著我國經濟的迅速發展現代化建設與環境存在沖突,而且現在大學生雖多,但真正的人才卻少之又少,因此我們要抓住機遇,迎接挑戰,正確處理工程地質 環境 人才 機遇之間的關系,總之工程地質與人類的生活密切相關。
一、崩塌的概念
崩塌是指陡峻斜坡的巨大巖塊,在重力作用下突然而猛烈地向下傾倒、翻滾、崩落的現象。崩塌經常發生在山區河流、河谷的陡峻山坡上,有時也發生在高陡的邊坡上。它來勢迅猛,對道路交通可造成直接危害。在設計中應避免使用不合理的高陡邊坡,避免大挖大切。在施工中應清除坡面危石或采取坡面加固、調整水流等措施。
二、滑坡的概念:
滑坡的概念:滑坡是指斜坡巖土體在重力作用下,一定的軟弱面或華東帶整體下滑的現象。西南地區(云、貴、川、藏)是我國滑坡分布的主要地區,其他地區的山區、丘陵區、包括黃土高原,亦有不同類型的滑坡分布。
1、滑坡的發育過程
(1)、蠕動變形階:歷時長,是滑坡預測和預防的重要階段。
(2)、滑動破壞階段: 速度大、來勢猛、破壞力大。
(3)、漸趨穩定階段。
2、影響滑坡的因素
(1),邊坡形態;坡高,坡角。
(2)、巖土性質;強度,含水量,完整性。
(3);構造面的產狀。
(4),水;靜水,動水
(5)、振動荷載;地震。
三、泥石流的概念:
由暴雨或冰雪迅速融化形成的一種突然爆發性的含大量泥沙、石塊的急驟水流,并且攜帶堆積在緩坡或山谷中的大量堆積物成為泥石洪流沖向山前地帶的現象,稱泥石流泥。石流是主要發生在地質不良、地形陡峻的山區或山前區,與水文氣象、人類活動有關,是突然爆發性的,由泥砂石塊組成的特殊洪流。泥石流的防治可考慮水土保持、跨越、排導和滯流攔截等措施。
其形成原因主要有;
(1).溝槽縱坡較大、便于積水、集物的陡坡的地形地貌。
(2).流域內有豐富的松散固體物。
(3).流域中上游有大量的降雨,急劇消融的冰雪或水庫的潰決短時間內有大量的水源供給。
四、水利水電工程地質的特點
1 特殊性與復雜性
在水利水電、電力、工民建、交通、港航、航天、航空、地礦、市政建設等等凡是存在土建工程,要與地質體(地基)打交道的行業,都有工程地質專業,因此,我們稱工程地質專業是工程建設的基礎性專業,是不必爭議的。由于水利水電工程建設自身的特殊性和復雜性,使得水利水電工程地質又是所有這些不同行業的工程地質專業中涉及面最廣、問題最復雜、任務最艱巨、聲望最高、最具權威性的業界龍頭。
水利水電工程建設的特殊性首先表現在工程建筑物的特殊性。工業與民用建筑到處可以見到基本相同甚至完全相同的建筑物,可以部分或全部套用標準設計圖紙。而水工建筑物則不然,世界上有成千上萬座水庫大壩,你就很難找到兩座完全相同的大壩。決定大壩的規模、壩型、結構等工程要素的自然條件很復雜,而工程地質條件則是最主要的自然條件之一。水工建筑物的第二個特殊性是與水打交道,所承受的主要荷載是水荷載。水利水電工程不允許失事,一旦失事,損失將十分慘重。
2 實踐性與經驗性
水利水電工程地質的另一特點是強烈的實踐性與經驗性。在中國水利學會勘測專委會1999年度學術研討會上,工程地質界知名前輩專家天津院的李仲春教授語重心長地警示工程界:工程地質這個專業太難了,工程地質決策不是通過計算和試驗所能左右的,很大程度上取決于我們的工程經驗,即是十分成功的工程,也很難證明它既安全可靠又經濟合理。李仲春教授的肺腑之言充分表達了工程地質專業的實踐性與經驗性的深刻含義。 工程地質理論上的任何一項新進展,新方法,新技術,都必須通過大量試驗研究、分析論證和工程實踐的檢驗。例如,近二十年來隨著數理基礎學科和計算機技術的發展,壩基、洞室和邊坡穩定性分析計算的理論和方法有了長足的進展,但是這些計算成果仍然只能是工程設計和決策的一種參考,因此在工程界有一種通用說法:不可不信也不可全信。許多工程實例足以說明采取慎重態度的必要性。有些工程從分析計算上看是安全的,實際上卻出了問題;而另一些工程通過計算認為不安全,但卻安全運行了數十年。因此我們搞工程建設,工程經驗往往又是起決定作用的。
3工程地質測不準原理
著名的量子力學測不準原理:“不能同時測準粒子在某一瞬間的速度和位置”。我們不妨借用這個原理來揭示工程地質的一些本質性問題事實上,地質體中的某些性質的確是測不準的。例如某一組結構面的產狀,你只能用一個區間值來表述,如果僅用一個確定值來表述則肯定不符合客觀實際。又如工程地基巖體的物理力學參數,它只能是一個區間值或統計值,因為地質體中每一點的性質都可能是變化的。地質參數精確到某一個具體數值的時候,千萬不要把它當成是絕對準確的,否則會誤導精確評價的可信性。
五、小結
人類社會的進步與發展,實際上又是一部人與自然相互協調和相互影響的壯麗史詩。以前我們把人與自然的關系當成是與天斗與地斗的斗爭關系,實踐證明,人與大自然斗爭的結果,雖然取得了一些局部性的小勝利,而大自然反過來對人類的懲罰卻是災難性的。人類的每一次產業革命,無不與工程建設有直接關系,與地質環境有直接或間接關系。建國以來,我國的基本建設此起彼伏,新一輪的建設正在興起。在多專業組成的基建隊伍這個龐大樂團中,地質師要起到指揮和首席演奏家的作用,甚至還要擔負起獨奏華彩樂章的作用。盡管工程地質學科正在經歷著前所未有的挑戰,工程地質工作也存在著這樣那樣的問題和難題,然而這更是機遇。抓住機遇迎接挑戰,順應自然,保護環境,防止災害,造福人類,是工程地質學家和地質師的艱巨任務和不可推卸的責任。
參考文獻
1:韋港 《工程地質隨想》 1996年4月24日