第七届工程地质大会论文

　 工程地质理论与理论体系探讨 

　李广诚 （水利部水利水电规划设计总院

　 北京 100011）

　摘

　要：工程地质学是一门应用性很强的学科，多年来前人也曾在这一学科中提出了诸多的理论。但是这些理论或只应用于某一特定条件，或各种理论之间缺少沟通。本文系统分析研究了前人提出的有关工程地质理论，并在此基础上建立了工程地质学理论体系，同时提出工程地质学的基本思想就是将工程系统与自然系统作最佳程度的耦合。

　关键词：工程地质

　耦合论

　理论体系 中图分类号：

　 文献表示码：

　A DISCUSSION ON

　ENGINEERING GEOLOGIC AL THEORY AND ITS T T HEORETICAL

　SYSTEM Li Guangcheng

　(Water Resources and Hydropower Planning and Design General Institute, MWR, China)

　ABSTRACT: Engineering geology is a subject that has a wide application in many fields. Many theories have been proposed for this subject in past years. However, these theories are only applicable under some specific conditions, and the systematic studies are very few on their interlinks among various theories. This paper makes a systematic study and analysis of the engineering geological theories those were proposed before, and proposed an engineering geology theory system. Meanwhile, it points out that the fundamental objective of the engineering geology is to make an optimum coupling between the engineering system and the natural system.

　 KEY WORDS: Engineering geology; Coupling theory; Theory system

　工程地质学做为一门独立的学科已有七十年的历史。但是这一学科长期以来一直是以解决实际问题为目的。由于这一学科的实用性较强，人们总是侧重于研究解决工程中出现的某些具体问题，而缺少对这一学科做理论上的系统的探讨。虽然我们对这一学科的某一方面或某一问题已经有了非常深入的研究，或在其某一分支学科中提出了相应的理论，但就工程地质学本身而言，却一直没有一个完整的理论和理论体系。本文在总结前人研究工作的基础上，试图将工程地质学的有关理论做

　 

　李广诚（1961- ），男，博士，教授级高级工程师，从事工程地质决策与工程地质理论的研究。

　一系统的总结，并尝试建立起工程地质学的一个理论体系。

　科学的目的在于认识自然，技术的目的在于改造自然。工程地质学既有科学的属性，也包括技术的属性。从科学的角度说，工程地质既揭示自然的一般规律，也揭示某一物体（地质体）的特有规律；从技术的角度说，工程地质学的根本目的在于改造自然。不管工程地质学属于科学技术那一个范畴，都需要有自己的理论体系，科学需要理论，技术也需要理论。

　1. 工程地质理论体系研究现状 工程地质学是研究与工程有关的地质问题的科学，是介于工程学与地质学之间的边缘科学。关于工程地质学的基本理论和理论体系前人已做了许多有益的思考和探索。

　在工程地质学建立之初，它以地质学为其理论基础。但是经过长期的工程实践，人们发现工程地质学与地质学在诸多方面有着较大的差别。它不仅仅要依赖于地质学的某些理论研究地质学的某些现象，同时还要依赖工程建筑理论研究工程建筑物的某些特征。为了工程建设的目的，工程地质学在研究地质体的某些特征时，与其它地质学科所侧重的内容大相径庭。于是人们发现用地质学的理论很难做为工程地质学的基本理论了。因此人们开始探索工程地质学自身的基本理论。

　70 年代初，我国著名工程地质学家谷德振院士提出并建立了岩体工程地质力学，指出岩体工程地质力学“以工程地质学为基础，以地质力学和岩体力学为手段，专门解决岩体稳定问题”。岩体工程地质力学由地质成因理论到地质结构理论，进而发展为工程地质相互作用理论。但是从谷先生定定义就可看出，岩体工程地质力学只是工程地质学的一个方面，它只是从力学的角度阐述岩体结构中有关工程地质问题，而工程地质学的范畴并不仅仅限于此，它除岩体结构外，还包括土体结构、地下水的作用等等。

　继谷先生之后，又有人相继提出了土体结构控制论等有关理论。但是所有这些理论目前都缺乏系统的深化、总结，进而逐步丰富、完善和提高成为一个理论体系。

　由于上述理论研究的片面性，工程地质学术界曾出现过较大的争论，人们各持一词，理论上难以统一。有人认为自己的理论是唯一正确的理论，也有人认为工程地质学就没有什么理论。因此造成工程地质理论研究的低糜与困惑，这严重影响了工程地质学的发展。几年前国家教委进行学科归并，取消了工程地质学这一学科，不能说不是受上述因素的影响。

　2. 工程地质理论体系问题研究的必要性 2.1 长期的工程实践需要理论作指导 中国革命的导师毛泽东曾经说过：“没有革命的理论，就没有革命的实践。”工程地质学是一门应用性极强的学科，它以解决实际工程地质问题为目的，但是如果长期没有一套完整的理论体系作指导，其在应用过程中必然会出现这样那样的问题。在理论上，将造成基本概念和理论体系的混乱；在实际工作中，轻者将造成工程决策失误，出现工程造价不合理，工程运行不安全等问题，重者可能引发工程事故。

　一个完整的学科都应该有自己的理论体系。这个体系一般包括三个方面：理论体系、方法体系

　和技术体系。工程地质学与许多应用科学一样，是一门应用性的科学，尤其与医学有许多相似之处，只不过它们研究的对象不同罢了。曾经有人否定工程地质学的科学性，他们认为工程地质学只要凭实际工程经验就可以解决一切问题了。但是，长期的工程实践告诉我们，工程地质工作仅仅凭着简单的实际经验的积累是不够的，它方方面面的工作都是在一定的理论指导下完成的，这些理论包括岩土特性的成因理论、区域地质演化与稳定理论、岩土结构理论、岩土变形破坏理论等。但是由于工程地质学相对年轻，人们研究的领域各不相同，所以目前还没有将这些理论统一化、系统化，人们对工程地质学的理论或处于朦胧的状态，或执某一家之言。从人类科学研究的历史上看，数学、物理学等一些经典学科在过去都曾经历过这样一个阶段。而今天，在工程地质飞速发展的情况下，实际工程地质工作已经在呼唤有一套完整的工程地质理论体系出现，以此来指导我们的工作。

　2.2 众多的研究成果需要进行总结归纳 工程地质作为一门独立的学科已有近百年的历史，在这漫长的时期中，从事工程地质工作的专家学者，对工程地质的理论方法都作了较多的研究。特别是近代以来，随着人类社会大规模的工程建设，和以计算机技术为代表的科学技术的发展，工程地质学的研究更是进入了一个新的阶段，并积累了大量的研究资料和成果。这些研究成果目前需要进行进一步的总结归纳。

　2.3 百家争鸣到一定阶段需要理论上的逐步统一 在工程地质学的发展过程中，有众多的学者和工程技术人员提出了各种各样的工程地质理论，形成了百家争鸣的局面。但是象其他学科一样，百家争鸣到一定阶段需要理论上的逐步统一。人们通过实践——认识——再实践——再认识的过程，逐步地去粗取精，去伪存真，认识逐渐趋于一致，理论逐步得到统一。

　2.4 学科的发展需要一个完整的理论体系 任何一个学科的发展都是经过由初级到高级，由粗糙到完善的过程。同时任何学科发展到一定阶段都需要一个完整的理论体系。理论体系的建立是学科发展的必然结果，但也需要人们主观的努力推动。也正是建立了这种完整系统的理论体系，才有助于推动学科的进一步发展和完善。工程地质学的发展目前就需要这种理论体系的建立，以推动工程地质学的进一步发展。

　3. 工程地质理论体系问题研究的可行性

　近百年来人们长期的工程地质实践为工程地质理论的研究奠定了坚实的基础。前人和现人多年的研究、探索也已取得了丰硕的研究成果。近代大规模的工程建设进一步推动了工程地质各种问题的研究，也为工程地质的深入研究提供了契机。纵观科技发展史，试验、研究工作进展到一定阶段必将有理论的产生和飞跃，工程地质的研究现在也已经到达了这一阶段。以上这些都使工程地质理论的系统研究成为可能。

　在中国，近年来大规模的工程建设，为工程地质的研究提供类广泛的研究空间和研究基础，也

　提出并解决了各种各样的工程地质问题。这使中国工程地质的研究发展有条件走向世界的前列。

　另一方面，由于中国近代历史发展的特殊原因，中国工程地质学科的科学技术人员与其它领域一样，人员结构存在着断代现象，既缺少 60 年代和 70 年代的大学毕业生。这种断代给中国科技的发展和经济建设带来了巨大的损失。但从另一方面来说，也正是这种人员结构的断代造成了科技思想的断代，而思想的断代便于科技人员思想的转轨。因此从这个意义上说，也使新一代的工程地质科技工作者更便于学习和接受新的科技思想和方法，也更便于提出新的科技思想和科技理论。

　4. 工程地质学研究内容及与其他学科的关系 工程地质学的研究和工程地质问题的解决涉及到的学科种类繁多，它几乎涉及到了基础科学的各门学科，包括数学、物理学、化学、天文学、生物学等等。它也涉及到了地质学中的各门分支科学，包括普通地质学、构造地质学、地层学、地史学、岩石学、矿物学、地质力学、地下水动力学、第四纪地质学、岩石（体）力学。制图理论与方法、计算机科学等也是工程地质学中经常使用的基本工作手段。系统科学、运筹学、决策论也已在工程地质问题的研究中得到了广泛的应用。由于工程地质学的实用性，经济学、社会学中的诸多问题也是研究工程地质实际问题时经常而且必须涉猎工程地质学 基础科学 基础地质学 边缘科学 计算机应用科学 图 1 工程地质学与其它学科的关系 Fig.1 The relationship between engineering geology and other disciplines 社会科学 经 济 学 美

　学 制 图 学 动力地质学 构造地质学 地层学 地史学 岩石学 矿物学 地质力学 地下水动力学 岩石（体）力学学 第四纪地质学学 数学 物理学 有机及无机化学 理论力学 材料力学 弹性力学 系统论 信息论 运筹学 控制论 决策理论

　工程建筑学

　到的。在人类科学技术的各门学科中，也许没有哪一门学科象工程地质学这样要涉及到如此众多的基础科学、边缘科学、应用科学（图 1）。

　5. 工程地质耦合理论基本思想 在前人大量实际工作和研究工作的基础上，认真分析工程地质学的目的、方法及各种理论的内涵，可以发现工程地质学的一个基本思想，就是将工程系统与自然系统做最佳的耦合。这一思想贯穿于工程地质学实际应用时的始终，也是分析解决各种各样工程地质问题的基本指导思想。这一思想可以简称为耦合论。

　耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式之间通过各种形式的相互作用而彼此影响一致联合互动的现象。工程建设中，工程区所处的自然条件（也包括工程经济条件、社会条件等）是一个完整的自然系统 N。工程建筑物本身一般也是由几部分组成的，各组成部分之间有着密切的联系，其是一个完整的工程系统 P。工程设计就是将工程系统 P 与自然系统 N 做最佳的耦合。

　实际工程中，我们有时需要在自然系统中添加一个人工系统，如建一座大坝，盖一座大楼；也有时需要在自然系统中减去一个人工系统，如地下洞室的开挖，矿山的开采等。前者可以认为是在自然系统中增加一个正系统，后者可以认为是在自然系统中增加一个负系统。但是不管是增加正系统还是增加负系统，都需要使人工系统与自然系统达到最大程度的耦合。

　但实际工程中，两个系统在天然状态下完全达到耦合是不可能，都需要进行修改处理，或者说对系统进行修改。这种修改方法有二：

　①改变自然系统 N：即采取工程措施，改变自然系统的某些属性。如挖除不宜于做建筑物基础的地层或对建筑物布置有影响的土石体，灌浆提高天然岩土层的密实度及承载力，锚固边坡上已有的或将有的开裂面增强其稳定性等。

　②改变工程系统 P：即修改设计，改变建筑物形式。如调整坝高、坝型、装机、建筑物布置方式、建筑物位置的选择、建筑物尺寸的选用等等。

　应该指出，一项优秀的设计应是尽可能少的改变自然系统 N，并且应该充分利用和适应自然系统。

　耦

　 合

　耦

　 合

　工程地质学耦合理论

　自然系统

　社会条件

　地质条件

　工程系统 工程建筑物 设计有关学科 社会经济、 环境有关学科 狭义工程地质学

　图 2 工程系统与自然系统(工程地质系统)的耦合 Fig.2 Coupling between the engineering system and the natural （engineering geological）system

　其它自然条件

　气象、水文等条件

　对自然系统的影响 反

　 馈 反

　 馈 对工程系统的影响 耦合理论 工程措施(技术方法) 工程特性 社会条件 工程系统 自然系统 地质条件 工程施工组织 工程施工工艺与技术 工程施工机械 工程施工程序 工程施工方法 工程布置 工程位置 工程结构 工程规模 工程用途 区域环境 地形地貌 社会环境 社会需求 岩体物理力学性质 水文地质条件 岩体结构及质量 风化卸荷 地质构造 地层岩性 经济环境 工程运行及检测 工程施工 工程设计 资料分析 社会调查 工程勘察

　图 3

　 耦合理论的基本内容及其相互关系 Fig.3 The principal contents and their interrelation of Coupling Theory 工程地质及工程决策 其它自然条件 气候条件 水文条件 观测调查

　从工程的角度来说，工程建筑实际上就是将自然系统与工程系统进行最佳程度的耦合。而在自然系统中除去工程地质条件之外还包括社会经济、社会环境等诸多因素的制约，自然条件中也包括诸如气象、水文等方方面面的问题，但这些问题已经超与工程地质学所应研究的范畴了。从工程地质学本身来说，其目的就是将工程地质条件与工程建筑物作最佳程度的耦合，也就是我们讲的狭义上的工程地质学（图2）。

　可以说任何一个成功的工程都是自然系统与工程系统取得最佳耦合的结果。反之，任何一个失败的工程都是自然系统与工程系统未相耦合造成的。

　耦合理论基本内容及其相互关系见图 3。在此图中，工程的耦合侧重于传统意义上的工程地质内容。实际上在自然系统中还包括社会条件（社会需求、社会环境、经济环境等）、水文、气象等因素，工程系统中还包括工程结构和工程措施等。但在传统的工程地质学中，这些都不属于工程地质学研究的内容，而要做好一个工程，这些都是我们必须考虑和研究的问题。

　耦合理论在实际工程中的应用步骤见图 4 6. 工程地质学的理论体系 一个学科理论体系的建立，应具备这样两个功能：一是理论体系中应基本涵盖目前已有的各种理论、方法、学科；二是应反映各种理论方法的相互关系。工程地质理论体系的建立也应该达到这样两个目标，同时应使每一位从事工程地质工作的人员可以在这个体系中找到自己研究工作的位置。

　工程地质学的特征是，既要研究地质条件，也要研究建筑物的特征。分析一下工程地质学中我们所研究的问题，工程地质的研究可以归结为四个方面：地质历史的研究、工程地质环境的研究、工程地质介质的研究和工程地质介质之间与介质与建筑物之间作用力的研究。实际上为了研究上述问题，前人已经做了大量工作并已经形成了一些专门学科，诸如地史学、地层学、区域地质学、构造地质学、岩石学、地质力学、岩石（体）力学等。这些学科或做为分支学科直接隶属于工程地质学，或多年被工程地质学所借用。根据工程地质学的特点，人们在多年实际工作和理论探索的基础上，也先后形成岩土特性的成因理论、区域地质演化与稳定理论、岩土结构理论、工程地质相互作用理论、岩土变形破坏理论等（图 5）。同时也曾提出过诸如岩体结构控制论、土体结构控制论、地质工程理论等诸多的工程地质理论。分析一下这些理论的本质意义和它们之间的相互关系，结合人图 4

　工程地质耦合的实施步骤 Fig.4 Execution steps of engineering geology coupling

　 工程地质处理 工程地质分析 工程地质勘察 工程地质反馈 工程地质决策 工程地质观测 工程地质物探 工程地质测量 工程地质钻探 工程地质测绘 工程地质试验 工程地质检测 施工方法与工艺 自然历史分析法 工程地质类比法

　模型模拟试验法 数学力学分析法 决策工程地质学 工程地质在实际工程中的的实施步骤

　们多年来的工程实践，人们不难看出：工程地质学研究的诸多问题其根本意义就在于如何使工程建筑物充分适应自然工程地质条件，从而建造一个性能合理、造价低廉、运行安全的工程建筑物。因此从工程地质学本身来说，其根本目的就是寻求工程系统和工程地质系统进行最佳耦合（图 6）。

　在以往的工程地质研究中，前人提出的岩（土）体结构控制论、地质构造控制论等实际上都是在某一特定的工程地质环境下是正确的，也就是说工程系统在该特定环境下与工程地质系统达到了耦合，而在另一种条件下就不能耦合了。因此这些理论只能是工程地质学的分论。而边坡稳定理论、岩溶理论、坝基抗滑稳定理论、建筑物地基稳定理论等都是工程地质学的个论。用上述的任何一种理论都很难概括工程地质学的基本内涵。

　笔者认为耦合理论是贯穿于工程地质学整个学科的的基本思想，其原因是：①工程地质工作的目的是为了耦合：出发点和终极目标都是为了耦合；②工程地质工作的全过程是耦合：从实际工作步骤看，勘察——分析——决策——治理——反馈五个阶段都是为了工程系统与自然系统的耦合，从工程各个阶段的划分看，规划——可行性研究——初步设计——施工——运行反馈五个阶段也是为了工程系统与自然系统的不断耦合；③现有工程地质学的各学科的终极目标是为了耦合；④工程地质学现有的各种理论的终极目标也是为了耦合。

　构造地质学 环境工程地质学 区域地质学 地层学 图 5

　工程地质学研究内容及相关理论 Fig.5 Research contents of engineering geology and its relevant theories

　动力地质学 地质学 地史学 岩石学 矿物学 地质力学 地下水动力学 岩石（体）力学 第四纪地质学 介 质 作用力 历 史 环 境 岩土特性的成因理论

　岩土结构理论

　岩土变形破坏理论

　系统工程地质理论 区域地质演化与稳定理论

　工程地质相互作用理论

　工程地质学理论 学

　科 研究内容分类 工程建筑物 工程地质耦合理论 工程地质学研究内容

　耦

　 合 图 6

　工程地质学理论体系 Fig.6

　The theoretical System of Engineering Geology

　工程地质学耦合理论 自然条件 工程条件 地质条件 社会条件

　介 质 作用力 历 史 环 境 工程地质处理 工程地质分析 工程地质勘察 工程地质反馈 工程地质决策 工程地质观测 工程地质物探 工程地质测量 工程地质钻探 工程地质测绘 工程地质试验 工程地质检测 施工方法与工艺 自然历史分析法 工程地质类比法

　模型模拟试验法 数学力学分析法 决策工程地质学 耦合方法 工程地质基本理论 工程地质个论 区域稳定理论 边坡稳定理论 地下洞室稳定理论 坝基工程地质稳定理论 水库工程地质 建筑物地基工程地质理论 环境工程地质理论 其它工程地质相关理论 特殊岩(土)工程地质理论 岩溶工程地质理论 水库渗漏理论 库水壅高浸没理论 水库诱发地震理论 其它自然条件

　岩土特性的成因理论

　岩土结构理论

　岩土变形破坏理论

　区域地质演化与稳定理论

　工程地质相互作用理论

　工程地质分论

　7. 工程地质基本理论下一步应研究的问题 工程地质学基本理论和理论体系的研究，是一个比较复杂的问题，其既需要有丰富的长期工作的经验，也需要具有较高的理论水平。它需要从解决实际工程地质问题的目的出发，对各种理论学说进行系统的分析、总结、归纳、精炼、升华，其本身就是一个系统工程。

　工程地质学的有关理论和理论体系的研究下一步应重点研究以下几个问题：

　①总结实际工程经验，理论上的进一步归纳、提高； ②工程地质学及相关学科相互关系的研究； ③工程地质理论及其理论体系的进一步总结、归纳、系统、完善。

　工程地质理论的研究应按以下步骤进行：首先是现有理论的 总结归纳；第二现有理论的系统、提高；第三建立理论体系；第四在可能的情况下提出工程地质学的基本理论。

　本文的观点仅仅为个人心得，资料和水平所限，文中的观点难免片面偏颇。此文的目的在于抛砖引玉，吸引国内外一些对此问题感兴趣的专家学者就此问题进行深入的研究探索，从而推动工程地质这门科学发展到一个更高的层次。

　参考文献：

　1. 李广诚. 工程地质耦合理论初步研究[J]. 工程地质学报，2001,12（4）. Li Guangcheng. A Study on the Engineering Geological Coupling Theory. Journal of Engineering Geology. 2001,12（4）. 2. 王思敬. 新世纪工程地质学[A]

　中国工程地质五十年[C] 地震出版社 2000 年. Wangsijing. The Engineering Geology in new century. Fifty years of China Engineering Geology. Beijing: Seismic Press, 2000. 3. 黎宁青. 工程地质学发展中某些问题的探讨[A] 中国工程地质五十年[C] 地震出版社 2000. Li Ningqing, A discussion on some problems in development of Engineering Geology. Fifty years of China Engineering Geology. Beijing: Seismic Press, 2000. 4. 张咸恭等. 中国工程地质学[M]. 北京：科学出版社，2000. Zhang Xiangong et al. China Engineering Geology. Beijing: Sciences Press,2000. 5. 谷德振. 工程地质学研究现状[A]

　谷德振文集[C]

　地震出版社

　1994. Gu Dezhen. The study status quo on Engineering Geology. Gu Dezhen’s Corpus. Seismic Press, 1994.