从岩体结构控制论到工程地质耦合论及其传承发展*

李广诚

(水利部水利水电规划设计总院， 北京 100120， 中国)

0 引 言

工程地质学从20世纪20年代建立开始，在解决了大量的工程地质问题的同时，作为一个学科也在不断进行其理论的探索。20世纪70年代谷德振(1979)提出的岩体结构控制论垫定了工程地质学的理论基础， 20世纪90年代王思敬等(1995)提出的地质环境理论把工程地质理论提升到了一个新的高度。21世纪初李广诚(2001)提出了工程地质耦合理论，是工程地质理论探索方面的一个有益尝试。

1 谷德振王思敬等工程地质理论概述

1.1 谷德振：岩体结构控制论

谷德振先生是中国科学院学部委员(院士)，中国工程地质学家、构造地质学与地质力学家，他在国际上也具有崇高的威望。他是中国工程地质学奠基人之一。是他创立了岩体工程地质力学这一新的学科，并提出了岩体结构控制论这一重要理论。

岩体结构控制论的主要思想是：结构面和结构体是构成岩体结构的两个基本单元，岩体结构制约着岩体物理力学性状、岩体变形破坏机制，控制着岩体稳定性。谷德振先生在1979年出版的专著《岩体工程地质力学基础》中系统阐述了这一理论(谷德振， 1979)。谷先生的岩体结构控制论的主要内容包括岩体结构形成的物质基础、岩体结构的地质力学分析、岩体裂隙水和岩溶水的形成、运动和分布规律以及岩体结构特性和岩体的变形破坏规律等。谷德振先生认为：工程建设中不论工程地质问题如何复杂，归纳起来就是一个与工程有关的岩体稳定问题。岩体之所以失稳，影响因素很多，但最关键的因素在于岩体内部存在着一些软弱结构面，根据这些软弱结构面的空间分布状态和组合关系形成了岩体结构的概念。

谷德振先生的岩体结构控制论，推动了我国工程地质学的整体发展，为我国工程地质学树立了一个新的里程碑。在国际工程地质领域也有重要影响。

1.2 王思敬：环境地质理论

王思敬先生是中国工程院院士，工程地质学家、环境地质学家。他提出了人类工程活动与地质环境依存关系和相互作用理论，开展了工程建设和地质环境相互影响和制约的研究，开拓了环境工程地质领域，为工程和城市建设地质环境研究提供了理论基础。他是中国当代工程地质学界的领军人物，在他的带领下，中国的工程地质学研究得到了迅猛发展。

环境地质学是一门应用地质学科，是地质科学和环境科学两者相互渗透、重新交叉组合而形成的一门新的边缘学科。它以人-地质环境系统为对象，研究地质环境和人类工程活动的相互作用及其发展、演化趋势，重点是地质灾害和环境地质问题的产生和发展，在此基础上提出合理协调人-地质环境关系，有效地预防地质灾害和环境地质问题的对策和措施。他的这一思想在其论文《环境地质学的现状及发展方向》(王思敬等， 1995)和专著《Geoenvironmental Consideration in the Strategic Planning of Regional Development》(Wang， 1998)中做了系统阐述。

王思敬先生的工作发展了工程地质力学理论。在工程岩体变形破坏机制研究的基础上，发展了岩石工程稳定性分析原理和方法。他在发展岩体结构理论、创建工程地质力学领域中做出重大贡献。他及其同行的工作使中国的工程地质学研究走到世界前列。

1.3 李广诚：工程地质耦合理论

在前人工作的基础上，李广诚在2001年提出了工程地质耦合理论。其基本思想就是认为在工程勘察、工程设计和工程建设中应将工程系统与自然系统做最佳的耦合。耦合理论的基本内容在其论文《工程地质耦合理论初步研究》(李广诚， 2001)和其专著《工程地质决策概论》(李广诚等，2006)中做了系统阐述，其中包括工程地质耦合的定义、耦合的内容与方法、耦合理论的图示模型、耦合理论的数学模型、耦合理论的应用步骤及其循环、工程地质学耦合理论的决策准则、耦合度及其风险性分析等。

工程地质耦合理论是对工程地质理论的一个新的探索，其涉及的诸多问题值得做进一步的深入研究。

2 工程地质理论的传承与发展

谷德振先生在1979年提出岩体结构控制论，进入20世纪80年代他又适时地提出了“环境工程地质”的概念。

王思敬先生在谷先生工作的基础上，发展了工程地质力学理论，将“环境工程地质”的概念上升到理论的高度，提出了环境工程地质理论。

环境工程地质理论主旨在于人类工程活动与环境的相互影响、相互作用，而李广诚将这一思想扩大到更大的范围，提出工程地质耦合理论，强调工程系统应与自然系统做最佳的耦合。

任何理论都不是凭空产生的，后人的工作是在前人工作的基础上进行的，是前人工作的继承和发展，各种理论在时间和内容上都有所搭接。纵观谷德振先生提出的岩体结构控制论、王思敬先生提出的地质环境理论和李广诚提出的工程地质耦合理论，可以看出它们是一脉相承、传承发展的结果。岩体结构控制论-地质环境理论-耦合理论的基本情况对照比较见表 1。从时间的层序上也可以用图 1表示。

表 1 岩体结构控制论-地质环境理论-耦合理论对照表Table 1 Comparison table of Rock mass structure control theory-Geological environment theory-Coupling theory

图 1 工程地质理论的传承与发展Fig. 1 The inheritance and development of engineering geological theory

3 工程地质理论在实际工作中的应用

任何正确的理论都是工程实践的指南。上述提及的3个理论都在不同层级、不同方面对工程实际起着重要的指导作用。可以说任何一个成功的地质工程或涉及到地质的工程建设，都一定是成功应用了上述理论与思想：

任何成功的工程都是对岩体结构有了充分的了解并依此做出了正确的判断——岩体结构控制论。

任何成功的工程都是使工程建筑适应了其地质环境——地质环境理论。

任何成功的工程都是将工程系统和地质系统做了最佳的耦合——耦合理论。

3.1 工程地质理论在十三陵蓄能电站地下厂房选址中的分析

十三陵抽水蓄能电站位于北京市昌平区，其核心建筑是一个大规模的地下厂房(长145m×宽23m×高46.6m)。从20世纪70年代开始，地下厂房位置的选择经历了由浅入深、由粗到细的不同的勘察设计阶段，并最终在一个复杂的地质环境中选择了一块良好的岩体开挖厂房。表 2是十三陵抽水蓄能电站厂房位置选择过程，现应用上述3个理论对这个过程进行剖析。

表 2 十三陵抽水蓄能电站厂房位置选择Table 2 Location selection of the Ming Tombs pumped storage power station

3.1.1 岩体结构控制论

十三陵地下厂房位置的选择一直是被岩体结构所控制。在第3阶段，厂房围绕着砾岩、安山岩和灰岩3个方案选择，这是岩体结构从宏观角度对厂房位置进行控制。不同的岩石其岩体结构不同，砾岩完整性较好，安山岩裂隙发育，灰岩有可能存在岩溶现象且可布置地下厂房的岩体较小。经过比选最后选择了砾岩方案。

第4阶段，砾岩区被F1、F2和F42划分为3个区，这是砾岩岩体中几条大断层及各区内断裂发育程度对厂房位置的控制。经过比选选择了Ⅱ区方案。

第5阶段，工程开始施工时，在原设计的厂房位置上方打了一条中导洞，并在洞中揭示了f1-f3-f9断裂带、f16-f19断裂带和f30断裂带。这是具体到某一岩块的岩体结构对厂房位置的控制。经过比选最后选择了C方案。

3.1.2 地质环境理论

十三陵抽水蓄能电站的建设及其位置的选择，在第1、第2阶段是社会的需要和地理位置等自然条件的需要，是将工程建设与自然环境包括地质环境相适应。在第3阶段到第5阶段，则是将工程建设与地质环境相适应。

3.1.3 耦合理论

十三陵抽水蓄能电站厂房位置的选择，开始是将工程系统与社会系统和自然系统相耦合，后来是将工程系统与自然系统中的地质系统相耦合。也就是说，工程建筑物的布置要针对该处地质条件的特点，利用地质条件、适应地质条件、尽可能少地对不良地质条件进行处理，从而保证工程建筑物在技术上安全稳定、经济上合理，即使工程系统与地质系统做最佳的耦合。

3.2 工程地质理论在紫坪铺水库区域稳定性分析评价中的应用

2008年5月12日14时28分04秒四川汶川发生里氏8.0级大地震，地震烈度达到11度。紫坪铺水库是一个大型水利枢纽工程，该水库在建库前区域稳定分析评价以及工程建筑在地震中的表现也是上述工程地质理论应用的典范。

紫坪铺水库位于四川西部著名的龙门山断裂与中央断裂带所夹持的块体上。这两条断裂带延伸长达500km，是发震断裂，具有长期的活动性和继承性。汶川地震后，紫坪铺大坝经受了远超过地震设防烈度的考验，但大坝的主体建筑没有受到很大影响，仅局部产生了一定程度的震损。

在地震发生的过程中，对紫坪铺大坝安全稳定产生影响的因素主要是两个方面：一是坝区断裂展布与坝址位置的选择，二是坝轴线方向与地震波的传播方向。从另一个角度来说，如果在大坝的建设阶段——勘察设计过程中设计者对这两个问题有所考虑并采取了正确方案，则是此工程建筑系统对自然系统实现了最佳的耦合。

图 2 地震波传播方向与坝轴线的关系Fig. 2 The relation between seismic wave line direction and dam axis

分析紫坪铺大坝坝址的选择过程，可以得出以下结论：

(1)大坝总体来说位于活动的构造带上，但枢纽区无活动性断层，处于相对稳定的区间或地块上；

(2)大坝处于龙门山断裂带的下盘，其相对稳定；

(3)大坝采用了抗震性较好的面板堆石坝；

(4)从震中到大坝地震波的传播方向与坝轴线近于平行，大坝面板在这个方向上抗震性能较强(图 2)；

(5)工程设计具有一定的安全裕度。

同样，紫坪铺水库大坝位置的选取、轴线方向的选择以及所采取的工程措施也是被区域岩体结构所控制，是工程建设的地质体适应了地质环境，从而使工程系统与地质条件做了最佳耦合。

3.2.1 岩体结构控制论

任何一个水利水电工程的建设，其勘察设计的第一步就是区域地质条件和构造稳定性的调查与评价，这就是宏观的岩体结构控制。龙门山断裂带及其他活动性断层都是控制紫坪铺水库位置选择的重要因素。

3.2.2 地质环境理论

紫坪铺水利枢纽工程位置的选择和大坝位置的选择，就是要使其适应该区的地质环境。主要建筑物的形式及其布置也是要使工程建筑与地质环境相适应。

3.2.3 工程地质耦合理论

紫坪铺工程建设可以说是工程建筑系统与工程地质系统耦合的典范，也正是这个原因使紫坪铺大坝等建筑物经受住了汶川地震这样强震的考验。这种耦合表现在几个方面：坝址位置的选择与区域地质条件做了较好的耦合，面板堆石坝具有较好的抗震性能与区域高烈度地震条件做了较好的耦合，坝轴线方向与地震传播方向近于平行使面板受力状态与地震波的传播方向做了较好的耦合。

4 结 语

最后有几点应予说明：

(1)本文并不是对工程地质理论的综述，诸多学者在工程地质学的研究探索中提出过的其他相关理论在文中都未提及，如孙广忠先生的地质工程思想，罗国煜教授提出的岩体结构优势面理论等。迄今为止，工程地质理论发展也许呈树枝状，本文所表述的仅是一个分枝而已。

(2)本文提及的3种理论不是替代关系，是相互补充和逐步深化的关系。也就是说3个理论在工程地质实践中可同时运用。

(3)文中举的两个工程实例都是后分析，即用上述理论对成功的案例进行剖析。如果在今后的工程实践中能够事前用这些理论做指导，将会使目前的工程地质勘察评价水平上一个台阶。

(4)在工程地质研究与实践中，工程地质理论的研究还处于探索阶段，还需要工程地质技术人员做更多的工作。