1、北京大學(xué)空間信息工程實驗室,第三講 生態(tài)環(huán)境問題,程承旗 博士 教授 北京大學(xué)空間信息工程實驗室,第五章 交通線路建設(shè)的環(huán)境地質(zhì)問題,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,51 概述 國內(nèi)外修筑鐵路或公路等交通線造成山體的崩滑現(xiàn)象，已屢見不鮮。例如，我國的寶成線、寶天線、鷹夏線等都是有名的“病害”線。國外在這方面的報道則更多，如 1986年6月 21日哥倫比亞西南部一段山間公路發(fā)生大滑坡，致使幾十輛汽車被大量土石方吞沒。長期以來，諸如此類崩滑現(xiàn)象不僅嚴(yán)重地妨礙甚至中斷交通，更嚴(yán)重的是破壞了地質(zhì)環(huán)境，形成帶狀工程地質(zhì)環(huán)境惡化區(qū)。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,最近3年（199719

2、99），我國用于交通建設(shè)的投資每年以超過20的幅度增長，在今后一段時間內(nèi)，還將以此幅度或更大的幅度增長。因此，在建或即將上馬的交通建設(shè)工程量將是巨大的，由此引起對地質(zhì)環(huán)境的破壞作用，及其誘發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題也將日益增多，必須引起我們的注意和重視。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,在此要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，這里所指的交通建設(shè)僅指鐵路和公路。因此，它是一種典型的表層線形建筑物，往往要穿越許多地質(zhì)環(huán)境條件極不相同的地區(qū)，會遇到許許多多不同的環(huán)境地質(zhì)問題。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,例如，我國交通大動脈之一的京九鐵路，沿線的主要環(huán)境地質(zhì)問題有： 黃河下游、長江中游洪水的威脅。黃河下游淤積嚴(yán)重，致使河床不斷抬高；近

3、年來，長江水位居高不下，加上京九線地處長江中游，上游帶來的泥沙沉積，造成河床變淺，江西九江段去冬今春己出現(xiàn)多處江堤崩塌事故，這些都對京九鐵路的安全構(gòu)成隱患； 北部平原區(qū)土地沙漠化的環(huán)境地質(zhì)問題。特別是開封一蘭考一商丘、任丘一河間一帶最為嚴(yán)重。 南部山區(qū)滑坡、崩塌及泥石流等自然地質(zhì)災(zāi)害。南部山區(qū)一方面地形起伏大，溝谷縱橫，山坡陡峻，為重力作用提供了有利條件，再加上亂砍亂伐、陡坡開荒造成水土流失，致使南部山區(qū)滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生，京九鐵路沿線必須加強(qiáng)對這些災(zāi)害的預(yù)防。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,交通工程環(huán)境地質(zhì)學(xué)，就是研究交通線路環(huán)境地質(zhì)問題的學(xué)科。對交通線路通過地帶（段）的地質(zhì)

4、環(huán)境條件和環(huán)境地質(zhì)問題形成機(jī)制的研究，為交通線路的勘測設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，以正確處理工程建筑與地質(zhì)環(huán)境之間的關(guān)系，充分利用有利因素，避免或改進(jìn)不利因素，使修建的交通線路能更好地實現(xiàn)多快好省的要求，并達(dá)到合理利用和保護(hù)交通線路地質(zhì)環(huán)境的目的。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,52 影響交通線路建設(shè)的地質(zhì)環(huán)境條件 我國地域遼闊，自然條件復(fù)雜，在交通建設(shè)中常常遇到各式各樣的自然條件和環(huán)境地質(zhì)問題，如康藏公路、青藏公路、天山公路等長大干線，都以地質(zhì)條件復(fù)雜著稱于世。必須具有一定的環(huán)境地質(zhì)學(xué)的科學(xué)理論，才能正確處理交通建設(shè)與自然地質(zhì)條件的相互關(guān)系。影響交通工程的地質(zhì)環(huán)境，在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究的不

5、同階段或因工程類型的不同，可能有所側(cè)重，但其基本內(nèi)容不外乎以下幾方面：,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（1）地形地貌 地形地貌的主要調(diào)查研究內(nèi)容有：地形地貌的類型、成因、特征及其發(fā)展過程，地形地貌與巖性、構(gòu)造等地質(zhì)因素的關(guān)系，地形地貌與工程地質(zhì)條件的關(guān)系及其對路線選擇和路基工程的影響等。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,地形地貌條件與交通工程建設(shè)有著密切的關(guān)系。交通工程是建筑在地表的線型建筑物，常常穿越不同的地貌單元，在交通線路的勘測設(shè)計、橋隧位置選擇等方面，經(jīng)常會遇到不同的地形地貌問題，從而在宏觀上決定了地質(zhì)環(huán)境的主要類型，控制交通線路地質(zhì)作用的種類和強(qiáng)度，制約環(huán)境地質(zhì)問題的類型和嚴(yán)重程度，因此，

6、地形地貌條件便成為評價交通工程地質(zhì)條件的重要內(nèi)容之一。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,從路線角度來講，山坡穩(wěn)定性高，坡度平緩，對布設(shè)線路無疑是有利的。特別對越嶺線的展線山坡，坡度平緩不僅便于展線回頭，而且可以拉大上下線間的水平距離，既有利于路基穩(wěn)定，又可減少施工時的干擾。但平緩山坡，特別是在山坡的一些拗洼部位，通常有厚度較大的坡積物和其它重力堆積物分布，再加上坡面徑流容易在此匯聚，一旦這些堆積物與下伏基巖的接觸面因開挖而被揭露后，遇到不良水文情況，很容易引起堆積物沿基巖頂面發(fā)生滑動。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（2）地層巖性 地層的層序、厚度、年代、成因及其分布，巖石的種類、性質(zhì)、風(fēng)化破碎程度

7、及風(fēng)化層厚度，巖土體的類別與工程性質(zhì)等，決定著具體的環(huán)境地質(zhì)問題的種類和性質(zhì)，是重要的物質(zhì)基礎(chǔ)條件。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（3）地質(zhì)構(gòu)造 斷裂和格皺的位置、構(gòu)造線的走向、產(chǎn)狀等形態(tài)特征和地質(zhì)力學(xué)特征，巖層的產(chǎn)狀及其接觸關(guān)系，軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況及其與交通線路的關(guān)系等，為交通線路的環(huán)境地質(zhì)作用提供動力基礎(chǔ)和控制條件，制約環(huán)境地質(zhì)問題的性質(zhì)和發(fā)展方向。 大量的工程實踐表明，無論是邊坡巖體的破壞，地基巖體的滑移，還是隧洞巖體的塌落等，大多是沿著巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生的。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（4）水文地質(zhì)條件 水本身是一種重要資源和最活躍的地質(zhì)環(huán)境因素，又是最易受人為活動影響的對象，經(jīng)

8、常成為環(huán)境地質(zhì)問題最重要的激發(fā)因素。因此，必須詳細(xì)調(diào)查研究地下水的類型、水位、賦存狀態(tài)及其分布，地表水體的水位、流量、流向、流速、洪水位等情況。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（5）第四紀(jì)地質(zhì) 包括第四紀(jì)沉積物的成因類型、土的工程地質(zhì)分類及其空間變化規(guī)律，土力學(xué)性質(zhì)，特殊土體的研究與評價。這些都是交通線路工程建設(shè)，特別是路基、路面穩(wěn)定性的重要因素。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（6）氣候條件 氣候條件常直接影響水文地質(zhì)條件、巖性，并間接影響地貌條件等，是不可輕視的地質(zhì)環(huán)境因素。常常影響環(huán)境地質(zhì)問題的性質(zhì)、類型、發(fā)展方向和程度。位于布隆迪西南部的布尼公路，竣土后一年內(nèi)瀝青路面全部破壞的原因之一，就

9、是施工期間正是雨季，致使路基清坡不認(rèn)真，基礎(chǔ)沒有處理好。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（7）不良地質(zhì)現(xiàn)象 各種不良地質(zhì)現(xiàn)象和特殊地質(zhì)問題，如滑坡、崩塌、泥石流、巖溶、風(fēng)沙。沼澤、軟土和多年凍土區(qū)等，它們會給交通線路的合理布局、工程設(shè)計和施工帶來困難，對建筑物的穩(wěn)定和正常使用造成危害。因此，對于它們的形成條件、分布范圍、發(fā)育程度、分布規(guī)律及其對交通線路的影響要進(jìn)行研究，以便采取措施，改善或克服其不利因素。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（8）地震作用 強(qiáng)烈地震不僅能毀壞路基、路面和橋梁，還能誘發(fā)滑坡、崩塌與泥石流，造成比地震本身還要嚴(yán)重的損失，如摧毀道路和橋梁、掩埋居民點(diǎn)。因此，在規(guī)劃交通線路及其

10、工程活動時，都必須考慮地震這樣一個極其重要的環(huán)境地質(zhì)因素，要根據(jù)沿線地震基本烈度的區(qū)劃資料，結(jié)合巖性、構(gòu)造、水文等條件，確定必須設(shè)防的烈度7度的界線，并在修建各種建筑物時，也要考慮可能最大的地震強(qiáng)度從而采取相應(yīng)的防震措施。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（9）人類活動 人類在交通線路施工和營運(yùn)中所進(jìn)行的開挖、填筑、棄石堆積、車輛運(yùn)行等活動，既是人類施加給地質(zhì)環(huán)境的交通線路地質(zhì)作用，也可看作是產(chǎn)生環(huán)境地質(zhì)問題的因素，它既是破壞地質(zhì)環(huán)境的最重要的因素，常處于主導(dǎo)地位或激發(fā)地位，又可是改善地質(zhì)環(huán)境的因素，是可調(diào)控程度最高的因素，是環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究的重要內(nèi)容。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,5.3 交通線

11、路建設(shè)的環(huán)境地質(zhì)問題,1.路塹邊坡的穩(wěn)定問題 在交通線路建設(shè)中，由于開挖路塹與平整路基，易崩滑的軟弱巖層和斷裂構(gòu)造分布區(qū)地段在豐水年常常發(fā)生崩塌、滑坡，破壞原有邊坡的穩(wěn)定，產(chǎn)生交通線路的“病害”。如成昆鐵路全線有183處滑坡，其中屬于交通建設(shè)引起或復(fù)活的古滑坡有77處，占滑坡總數(shù)的42；另有泥石流溝141條，其中28條是由于工程建設(shè)引發(fā)的。另外，鷹夏線沿線由于路塹斜坡多屬于風(fēng)化強(qiáng)烈的花崗巖組成，也常在雨季產(chǎn)生崩滑流災(zāi)害。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,交通線路上的邊坡穩(wěn)定性問題，除取決于巖體結(jié)構(gòu)外，獨(dú)具特色的影響因素是：開挖路塹破壞了斜坡的自然穩(wěn)定休止角，長期而反復(fù)的車輛振動和地下水或降雨的作用

12、則促進(jìn)了邊坡的疲勞破壞。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球為填筑鐵路與公路路堤所用的土方量可與全球河流所堆積的物質(zhì)量相當(dāng)，由此可見陸上交通線，尤其是山區(qū)的交通線對山體穩(wěn)定的破壞，主要是由于開挖路塹破壞了自然邊坡的穩(wěn)定條件：,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,破壞自然邊坡穩(wěn)定坡角，致使坡體應(yīng)力場變化，產(chǎn)生新的剪應(yīng)力與張應(yīng)力，如重慶市施家梁滑坡與青草壩滑坡，就是因為修筑道路挖斷坡腳巖層使上部巖體失去支撐而形成；,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,切斷巖層各種軟弱結(jié)構(gòu)面而形成不利的楔體，常常形成崩塌密集帶，如涪陵市環(huán)城公路，在自流井組與新田溝組粘土巖夾粉砂巖的地層內(nèi)開掘，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體

13、破碎，引起十分普遍的崩滑現(xiàn)象；,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,在大氣和水的作用下，開挖面巖石強(qiáng)度下降，開挖棄土與崩滑松散物質(zhì)遇暴雨極易形成泥石流。如巫山長梁鄉(xiāng)范家溝公路沿溝的一側(cè)向外傾的砂泥巖斜坡開挖，形成崩滑體，遇暴雨常形成泥石流；,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,植被破壞，加快水土流失；棄土棄石加載，破壞平衡條件等; 道路經(jīng)過老滑坡體，潛在結(jié)構(gòu)面在來往車輛的反復(fù)振動、暴雨、地震等外力作用下，可能導(dǎo)致老滑坡的復(fù)活，引起大規(guī)模的崩滑流事件。其特點(diǎn)是沿交通線成群出現(xiàn)，但成因相近，形成帶狀工程地質(zhì)環(huán)境惡化區(qū)。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,山區(qū)交通線的邊坡穩(wěn)定，巖性是基礎(chǔ)條件，各種性質(zhì)結(jié)構(gòu)面是控制因素，二

14、者共同構(gòu)成不同類型的巖體邊坡。然而，在實際工作中，由不同性質(zhì)巖體構(gòu)成的邊坡高度和坡度有很大差異。因此，在交通線的修筑中，正確確定邊坡坡角、安全開挖高度，采取必要的防護(hù)措施，是保護(hù)工程地質(zhì)環(huán)境的主要研究內(nèi)容。最近由中國建筑工業(yè)出版社出版的工程地質(zhì)手冊（第三版）詳細(xì)列出了“巖石邊坡坡度與高度參考數(shù)值”，可供實際工作參考。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,對于重大開挖工程，因坡角值對經(jīng)濟(jì)效益的影響十分敏感，必須通過綜合分析，采用工程地質(zhì)類比法確定坡角。邊坡安全高度的確定，一般可參照王促香的建議：完整與比較完整的硬質(zhì)巖層的邊坡，其垂直高度以不大于30m為宜；完整與比較完整的軟質(zhì)巖層，以不大于25m為宜；極

15、軟巖與土質(zhì)邊坡，以不大于20m為宜；當(dāng)路塹與隧道工程造價相差不多時，應(yīng)優(yōu)先考慮隧洞方案。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,2路、橋地基的穩(wěn)定問題 隨著我國綜合國力的增強(qiáng)，公路等級正在逐步提高，從而對路、橋地基勘察的要求也越來越高，地基穩(wěn)定性的處理，直接影響公路的造價與安全度。這一問題也引起的各方面的重視。 路、橋地基的穩(wěn)定問題，關(guān)系到交通線路的路線選擇。路線選擇是由多種因素決定的，地質(zhì)條件只是其中之一，但它是一個重要的因素，有時甚至是控制性因素。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,路線選擇方案有大方案與小方案之分，所謂大方案是指影響整體的路線方案，如越甲嶺還是乙?guī)X，沿丙河還是丁河，常屬于路線基本走向的問

16、題。而小方案是指部分性的線路方案，如走還口左邊還是右邊，沿河右岸還是左岸，一般屬于線位方案。工程地質(zhì)環(huán)境因素不僅影響小方案的選擇，有時也影響大方案的選擇。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（1）交通線路的路基一般應(yīng)滿足的要求 具有足夠的整體穩(wěn)定性。 具有足夠的強(qiáng)度。 具有足夠的水穩(wěn)性。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（2）交通線路的路基勘測必須符合的條件 應(yīng)查明沿線地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件和土力學(xué)性能。當(dāng)線路通過1：2：5的斜坡地段時，還應(yīng)查明上覆土體與基巖接觸面的橫向坡度和軟弱結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,勘測點(diǎn)一般應(yīng)沿線路中心布置，對高路堤、深路塹、斜坡地段和其它特殊地

17、質(zhì)條件地還應(yīng)布置一定數(shù)量的橫剖面，且每個剖面上勘測點(diǎn)不少于3個。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,進(jìn)行巖土工程實驗，并提供必要的物理力學(xué)指標(biāo)。 具體的路線方案的選擇一般分為平原區(qū)與山嶺區(qū)兩種情況進(jìn)行研究 。 山嶺區(qū)一般是選擇沿河線，還是越嶺線的問題。平原區(qū)主要分一般地區(qū)和強(qiáng)震地區(qū)來分別考慮。路線選擇中應(yīng)具體注意的環(huán)境地質(zhì)問題，這里就不詳述。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,（3）橋位選擇時要注意的環(huán)境地質(zhì)問題 橋位應(yīng)盡可能選在河道順直、水流集中、河床穩(wěn)定的地段，以保證橋梁在使用期間不受河流強(qiáng)烈沖刷的破壞或由于河流改道而失去作用。同時，應(yīng)盡量避開有沙洲、急彎，主支流匯合的地段，而選擇河漫灘較窄、沒有河叉

18、的地段。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,橋位應(yīng)選擇在岸坡穩(wěn)定、地基條件良好、無嚴(yán)重不良地質(zhì)現(xiàn)象的地段，以保證橋梁和引道的穩(wěn)定并減低工程造價。通常橋位應(yīng)選擇在沖積層較薄、河底基巖堅硬完整的地段。在山區(qū)要特別注意兩岸有無崩滑流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，若有，應(yīng)仔細(xì)查明其規(guī)模、性質(zhì)、穩(wěn)定程度及其對橋梁的危害度。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,橋位應(yīng)盡可能避開順河方向及平行橋梁線軸線方向的大斷裂，尤其不可在未膠結(jié)的斷裂破碎帶和有可能活動的斷裂帶上建橋。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,3隧道圍巖的穩(wěn)定問題 隧道工程引起的環(huán)境地質(zhì)問題主要有疏干地下水和產(chǎn)生地表塌陷，尤其是隧道穿過強(qiáng)巖溶化巖層時。此外，隧道穿過破碎巖體時，

19、還可能產(chǎn)生洞頂或洞壁坍塌。如中梁山鐵路隧道和歌樂山公路隧道，都不同程度地疏干了上部巖層地下水，于地表產(chǎn)生數(shù)十處塌陷。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,青藏鐵路的關(guān)角越嶺隧道長達(dá)4006m，最大埋深520m，由于其地處強(qiáng)烈的晚近活動構(gòu)造帶內(nèi)，在以地應(yīng)力為主的各種因素作用下，路基和隧道出現(xiàn)了長期難以整治的“病害”，如拱頂裂縫、掉塊、邊墻裂縫、底板底鼓、路基中心線偏移與導(dǎo)坑縮徑等等。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,隧道圍巖系指隧道周圍一定范圍內(nèi)，對隧道穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響的巖體。隧道穿越山嶺時，破壞了原有的應(yīng)力平衡，而在隧道圍巖中產(chǎn)生新的應(yīng)力和變形，這種應(yīng)力以及松動巖層作用在襯砌上的壓力稱為山體壓力。這種壓力

20、是評定隧道圍巖穩(wěn)定性的主要內(nèi)容和隧道襯砌設(shè)計的主要依據(jù)。,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,54 交通線路建設(shè)環(huán)境地質(zhì)問題的預(yù)測和防治,交通工程建設(shè)過程一般分為：可行性研究、初步設(shè)計、施工和營運(yùn)等階段，因此，交通工程建設(shè)過程中，相應(yīng)包括各階段的環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究內(nèi)容，歸納起來主要有以下幾個方面：,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,可行性研究（或稱條件研究）階段的環(huán)境地質(zhì)論證，主要研究線路規(guī)劃通過地帶（段）的地質(zhì)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)條件以及開發(fā)建設(shè)要求，進(jìn)行開發(fā)交通線路工程與地質(zhì)環(huán)境間利、弊的全面系統(tǒng)分析，對交通建設(shè)來說，這一點(diǎn)并不重要。重要的是研究交通線路開發(fā)工程在不同地區(qū)的適宜性和可能產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題及其性質(zhì)

21、、規(guī)模和危害程度，預(yù)測社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效應(yīng)，為通過區(qū)開發(fā)工程布局綜合規(guī)劃和專項工程布局規(guī)劃的宏觀決策服務(wù)；,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,初步設(shè)計階段，主要對交通線路通過地區(qū)的環(huán)境地質(zhì)因素和環(huán)境地質(zhì)作用及問題進(jìn)行全面的環(huán)境地質(zhì)評價、預(yù)測，進(jìn)行多方案對比研究，以投資省、問題少為前提條件，選擇最優(yōu)方案，并為交通線路通過地區(qū)的開發(fā)和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)改善工程布置設(shè)計，提供環(huán)境地質(zhì)依據(jù)，建立它們之間的最優(yōu)組合體系，充分發(fā)揮社會、經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)環(huán)境的最佳綜合效益；,北京大學(xué)空間信息工程實驗室,施工、營運(yùn)階段，主要根據(jù)施工、營運(yùn)中所產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題，作進(jìn)一步的研究，對現(xiàn)有道路工程的環(huán)境地質(zhì)問題，應(yīng)查明其發(fā)育分布特征及其規(guī)律，并對重要線路、典型問題進(jìn)行深入研究，評價其危害度，同時針對環(huán)境地質(zhì)問題的類型、規(guī)模、危害度的不同，制定切實可行的防治措施，以