1、环境岩土工程学概论绪论 1.1环境岩土工程学的发展 1.2环境岩土工程学的基本概念 1.3环境岩土工程学研究的内容和分类 1.4环境岩土工程学的研究现状1.1环境岩土工程学的发展 随着经济的迅速发展、科技的进步，人类活动对环境产生的负面影响渐渐凸现：环境污染和生态破坏。当今世界的十大环境问题 大气污染；温室效应加剧；地球臭氧层减少；土地退化和沙漠化；水资源短缺；环境岩土工程学 海洋环境污染恶化；“绿色屏障”锐减；生物种类不断减少；目前地球上物种的灭绝速率是人类活动之前的100到1000倍。按照中等范围的全球气候变暖情形，到2050年，占地球陆地表面积20%的区域中，有15%37%的物种注定消亡
2、。垃圾成灾；人口增长过快等。南极生物粪中的南极生物粪中的666666、DDTDDT(Environmental Pollution,2003,in press)(Environmental Pollution,2003,in press)plume muscle brainliverdrop.fategg02468HCHs(ng/g)aplume drop.musclebrain liveregg bloodfat0102030100150200250300350400DDTs(ng/g)b羽毛 肌肉 大脑 肝 粪 脂肪 蛋羽毛 粪 肌肉大脑 肝 蛋 血液 脂人与自然和谐相处我们美丽的家园地球
3、对自然的敬畏感(尊天敬地)建设者就是破坏者 一门新兴学科环境岩土工程学应运而生。它既是一门应用性的工程学，又是一门社会学。环境岩土工程新学科形成的背景环境岩土工程新学科形成的背景：从土力学的发展过程来看，从土力学的发展过程来看，1925年太沙年太沙基（基（K.Terzaghi）发表了第一本土力学经典著发表了第一本土力学经典著作，开始把力学和地质科学结合起来，解决了作，开始把力学和地质科学结合起来，解决了许多工程实际问题；许多工程实际问题；直到直到50年代年代，才形成了土力学与基础工程，才形成了土力学与基础工程这门学科；这门学科；到到80年代年代，随着社会的发展，都感觉到原，随着社会的发展，都感
4、觉到原来的学科范围已不能满足社会的要求，随着各来的学科范围已不能满足社会的要求，随着各种各样地基处理手段的出现，土力学基础工程种各样地基处理手段的出现，土力学基础工程领域有所扩大，形成了领域有所扩大，形成了岩土工程岩土工程新学科。新学科。进入进入90年代年代，设计师考虑的问题不单单是，设计师考虑的问题不单单是工程本身的技术问题，而是以环境为制约条件，工程本身的技术问题，而是以环境为制约条件，因此不仅是岩土工程学科，包括其他学科，如因此不仅是岩土工程学科，包括其他学科，如力学、化学、生物学、土壤学、医学等各自都力学、化学、生物学、土壤学、医学等各自都感到力不从心了。感到力不从心了。工程建设遇到的
5、环境问题、区域性的地质、工程建设遇到的环境问题、区域性的地质、地震灾害问题、生活中的环境问题、工矿企业地震灾害问题、生活中的环境问题、工矿企业生产引起的环境问题等。生产引起的环境问题等。世界著名环境公害事件 1、比利时马斯河谷烟雾事件、比利时马斯河谷烟雾事件（1930年）2、美国、美国“黑风暴黑风暴”事件事件（1934年）美国漫画里的黑风暴美国覆辙美国覆辙黑风暴过后的美国农场 3、日本神奈川废电池事件、日本神奈川废电池事件（1939年）4、美国洛杉矶光化学烟雾事件、美国洛杉矶光化学烟雾事件（1943年）5、美国多诺拉烟雾事件、美国多诺拉烟雾事件（1948年）6、英国伦敦烟雾事件、英国伦敦烟雾事
6、件（1952年）7、日本水俣病事件、日本水俣病事件（19531956年）8、日本富山骨痛病事件、日本富山骨痛病事件（19551972年）9、日本四日市哮喘病事件、日本四日市哮喘病事件（1959年）10、英国海域石油污染事件英国海域石油污染事件（1967年）人们在清理被原油污染的海岸 11、日本米糠油事件、日本米糠油事件（1968年）12、美国拉芙运河事件、美国拉芙运河事件（1977年）13、欧洲、欧洲“黑三角地带黑三角地带”事件事件（1980年）14、世界噪声公害事件、世界噪声公害事件（1981年）15、印度博帕尔事件、印度博帕尔事件（1984年）因博帕尔农药厂毒气泄漏而毙命的牲畜 被博帕尔农
7、药厂毒气夺去生命的孩子 16、前苏联切尔诺贝利核泄漏、前苏联切尔诺贝利核泄漏事件事件（1986年）在切尔诺贝利事故中受到核污染的患者 17、英国发现疯牛病英国发现疯牛病（1986年）18、剧毒物污染莱茵河事件、剧毒物污染莱茵河事件（1986年）19、喜马拉雅山出现黑雪、喜马拉雅山出现黑雪（1991年）20、“生物圈生物圈2号号”实验失败实验失败（1993年）生物圈二号外景 21、南极上空臭氧层空洞的发、南极上空臭氧层空洞的发现现（1994年）臭氧层变化图 22、厄尔尼诺和拉尼娜现象频、厄尔尼诺和拉尼娜现象频繁出现繁出现（1995年）23、二噁英污染肉鸡、二噁英污染肉鸡（1999年）24、中国非
8、典、中国非典(2003)(2003)25、亚洲禽流感、亚洲禽流感(2005)(2005)汽车汽车:消耗资源的无底洞、移动的大气污消耗资源的无底洞、移动的大气污染源染源 滥用农药滥用农药 国外发展现状 国外对环境岩土工程的研究主要集中于垃圾土、污染土（固体废弃物）的性质、理论与控制等方面 制定了各种各样的法律法规 重视固体废物的安全填埋技术 投入了许多高新技术（填埋场基础、密封技术、安全技术）环境岩土工程学问题 渗滤液的处理技术有难度，达不到理想的处理效果环境岩土工程学国内发展现状 较国外的研究范围上有所扩展，可归纳为两大类：第一类是人类与自然环境之间的共同作用问题。称为大环境问题。第二类是人类
9、的生活、生产和工程活动与环境之间的共同作用问题。称为小环境问题。制定法律法规中华人民共和国固体废物污染环境防治法1996年4月1日施行问题 固体废物数量巨大，种类繁多，性质复杂，已经造成的严重污染；技术落后，措施不当；法规不完备、管理体制不完善、执法不严；资金不足1.2环境岩土工程学的基本概念 工程岩土环境受自然环境与社会经济系统的双重控制而形成一个开放复杂的巨系统。其研究领域包括自然科学和社会科学的许多方面。环境岩土工程学是以岩土工程学与环境科学的基本理论为基础，研究人类工程活动对地球土壤岩石圈环境的作用和影响的学科。它是土木工程-岩土工程学的分支，也是环境科学的重要组成部分。其主要研究对象
10、是岩土工程问题(由于环境、化学和生物作用等造成的)其最大特点是在研究分析岩土工程问题时，考虑了环境因子的作用，将传统概念上的岩土工程学研究领域扩展到垃圾填埋处理、土体石油污染、核废料的处置、沙漠化问题、湿地和海岸带侵蚀等方面。环境岩土工程学兴起的学科意义 首先，该学科作为木工程领域的分支，其最基本的学科思路主要来源于两个方面：即环境科学的学科思路与岩土工程学的学科思路。它首次将这两种学术思路有机渗透结合，并根据所研究的具体对象或具体问题，创造出与其相适应的新的学科思路，这无疑是土木工程领域的重大突破，也是环境科学史上一次新的飞跃。人类环境中自然环境、工程环境和社会环境三个构成方面是相互联系、相
11、互影响、相互作用的，其中起主导作用的是人类的工程活动，由此产生的工程环境问题无疑是环境科学研究中最主要的环境问题之一，而这也正是环境岩土工程学要研究的对象和主要内容。环境岩土工程学第一次将工程环境问题放在环境问题的首要位置上来研究。不但拓宽了环境科学和岩土工程学的研究领域和学术思路，而且也为人类协调其自身与自然之间的关系、解决环境、人口、资源与发展的世界性问题提供了新的思路、工具和途径。环境岩土工程学基础理论体系的建立 现代科学的发展趋势主要有高度分化和高度综合两个方向，这也是现代科技发展的重要特征之一。环境岩土工程学就是一门高度综合性的交叉学科，其基础理论体系的建立。要涉及到与之相关学科基础
12、理论的有机结合、现代科学新理论的渗入及现代高新技术的支持等许多方面。多学科基础理论的有机结合 环境岩土工程学作为土木工程学科与环境科学两者相互渗透发展形成的门前沿科学，岩土工程学中土质学、土力学、岩石力学、工程地质等基本理论，仍然是环境岩土工程学的基础理论；要解决工程环境问题，岩土工程学的基本理论还必须与环境科学中的基本理论，特别是环境物理化学的基本理论、环境质量的基本理论与环境趋势变化预测、控制与管理，以及有关监测系统的基本理论，相互溶合起来形成新的理论基础。可以这样说，相邻相关学科基础理论有机结合是环境岩土工程理论基础形成最为基本的前提。从这一角度来看，环境岩土工程学的基础理论正处于形成与
13、发展阶段。如评价土水污染物相互作用的粒子能场理论(方晓阳，l989)，已逐渐进入了成熟及应用阶段。现代科学新理论的渗入 由于环境岩土工程学研究的对象-土壤、岩石圈以及其研究内容的高度复杂性。特别是许多有关因素的可变性与非确定性，所以，既要应用复杂系统的理论 如信息论、系统论、控制论等进行系统分析，纳入系统工程的轨道 又要应用新发展起来的非线性力学、耗散结构学以及现代应用数学、模糊数学、优化理论、灰色理论、神经网络理论、分形几何理论、混合物理论、可靠度理论、随机过程理论等等复杂理论，来创造新的理论体系；现代科学新理论的渗入是该学科基础理论体系形成的首要条件之一。现代高新技术的支持 在环境岩土工程
14、研究的技术方法与手段上，应配合诸如数值模拟、物理模拟等新方法，计算机、遥感等高新技术：以及建立监测系统、数据库系统、专家系统等手段，来开展工程环境发展趋势预测、预报，这也是该学科建立完整基础理论体系的一个不可缺少的方面。例如，采用扫描电镜对岩土介质工程性质、地基加固机理等进行研究；采用CT技术研究冻土、黄土等的岩土材料内部结构及在各种荷载作用下结构的变化过程；采用土工离心模型试验技术对实际工程进行模拟；用探地雷达技术对地下掩埋垃圾场进行调查，确定年代久远垃圾场的位置及评价有害物质对地下水造成的污染程度，查明滑坡成因，圈定滑坡范围，探测和维护古建筑物结构；采用3S(遥感技术RS)、(地理信息系统
15、GIS)、(全球定位系统GPS)作为新兴的地球空间信息科学的核心。这些技术在环境岩土工程中有着广泛的应用，如对环境变化进行监测等等。非饱和土力学理论 非饱和土骨架形成的孔隙中含有水和空气，它是四相系的。即固相(土颗粒)、液相(孔隙流体水)、气相(孔隙气体一空气)和液气接触面组成。液相和气相之间的接触面既不同于液相也不同于气相。接触面是一个独立的相，称为第四相。土层是一种多孔介质，溶质在多孔介质中的运动是一种复杂的物理化学过程，运动过程中溶质在介质中的分布特点受流体性质、溶质性质和多孔介质性质等因素的影响，在非饱和土层中，又受到水分分布特征的制约使得溶质运移极为复杂。对于非饱和土的渗透特性的研究
16、有助于研究土中污染的运移机理 总之，环境岩土工程学包括自然科学和社会科学的许多领域，代表一个开放型的复杂巨系统；其基础理论体系的建立，除相邻相关学科基本理论有机结合外。还必需将现代科学的新理论，如系统论、信息论、控制论以及现代应用数学等渗入其中，并紧紧依靠现代高新技术如计算机科学技术等的支持；在此基础上。立足其自身的研究对象和主要内容，来建立起与之相适应的、多学科性的基础理论体系。环境岩土工程学观念1，地球本质上是一个封闭的循环系统。地球是由大气圈、水圈、生物圈的岩石圈四部分组成的整体，在变化的条件下，任何一部分都在不断地改变。而一部分控制着另一部分，它们是相互制约，相互调整的，相互之间共同作
17、用。6个基本观念：表 11 某些物质在自然循环中滞留的时间 地球物质 滞留时间 水蒸气 10 天(低气层下)二氧化碳 510 天 烟雾颗粒 数月数年 大气圈 对流层 一周几周 水 200 万年 氧 2000 年 生物圈 二氧化碳 300 年 大西洋表面 10 年 大西洋深水 600 年 太平洋表面 25 年 太平洋深水 1300 年 水圈 陆上地下水 150 年(760m 以上)水 44000 年 盐类 2200 万年 钙离子 120 万年 硫酸盐离子 1100 万年 钠离子 26000 万年 海水组成要素 氯离子 无限 注：本表来源于 The Earth and Human Affairs
18、by the National Academy Copy right 1972 by the National Academy of SceienceUSA 岩石圈内地质循环的速率 观念2 地球是人类合适的栖息地，但它能提供的资源是有限的。地球上的资源并非很丰富；相反人口不断增长造成资源的相对缺乏。第一是人的寿命延长，无计划生育等造成人口爆炸；第二是不切实际地盲目增加生产造成资源浪费；第三地球的矿产接近极限；第四环境不可逆的破坏造成的风险越来越大；珍妮路易丝卡尔梅特的法国老太太，她活了122年零164天。令科学家感兴趣的是，人的自然寿命上限究竟是多少？2006年11月探索 爱达荷大学生物学系的
19、史蒂芬奥斯塔德预测，到2150年，人类寿命将可能超过150岁 伊利诺伊大学芝加哥公共卫生学院的杰伊奥士安斯基认为，130岁将会是人类寿命的上限。正常人到底能活多少年？细胞分裂次数与分裂周期测算法认为，人类寿命是其细胞分裂次数与分裂周期的乘积。自胚胎期开始，细胞分裂50次以上，分裂周期平均为2.4年，从而推算出人类寿命至少是120岁。性成熟期测算法推算，人类的自然寿命应为112150岁。生长期测算法推算，人类的自然寿命为100175岁。怀孕期测算法推算，人类的自然寿命最高可达167岁。以上4种方法推算的结果表明，人类正常的自然寿命都应该在100岁以上。观念3 物质演变过程是通贯整个地质年代起作用
20、演变进程(量和频率)受自然和人为诱发、支配。研究今天可推测未来 知道过去可以更好了解今天 可持续发展观念4 自然在不断地演化，而且经常危害着人类；但是，这些灾害是可以认识和可能躲避的。这种威胁生存的灾害，人类必须设法降低到最小的限度。图图1-1 地域形态地域形态 图图1-2 水流侵蚀强度水流侵蚀强度 图1-3 风化强度 图1-4 物质消融强度 观念5 土地和水的资源有计划地利用。观念6 人类人口无计划地增长人类的活动应对环境保护负有责任，但无计划的增长对环境的影响是十分明显的。人口大量增长，人类的居住空间大量膨胀，对自然界的索取也越来越多。图1-6 人口增长与物种消亡 曾经金碧辉煌的帕尔米拉遗
21、址(叙利亚)环境岩土工程学1.3环境岩土工程学研究的内容和分类 研究内容可分成二大类：第一类称为环境工程。大环境问题(第一环境问题)。第二类是指由人类工程活动引起的一些环境问题。小环境问题(第二环境问题)其中用岩土工程的方法抵御由各种化学污染引起的环境问题。称为环境卫生工程。例如：城市各种废弃物的处理、污泥的处理等等。环境卫生工程是环境岩土工程学的一个重要方面，其研究内容包括：污染的机理、最终处置的方法和设计以及环境监测等。环境岩土工程学内容及分类 内成的 地震灾害 火山灾害 大环境问题 外成的 洪水灾害 水土流失 沙漠化 盐碱化 区域性滑坡 环境卫生工程 有毒有害废弃物污染 生活、生产活动引
22、起的 采矿造成采空区坍塌 尾矿淋滤污染 过量抽汲地下水引起地面沉降 环境岩土工程学研究的内容 小环境问题 工程活动引起的 在密集建筑群中打桩造成挤土、振动、噪声对居住环境的影响 地下工程引起的地层移动 1.4环境岩土工程学的研究现状大环境岩土工程中的主要问题 1地震灾害 2土壤退化 3洪水灾害 4温室效应 5水土流失 地 震地 震日本新泻1964年地震时砂土液化影响。这些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏。1985年墨西哥大地震中，大部分建筑倒塌。亚美尼亚城在1988年地震中几乎被完全摧毁。地震后站在废墟上的印度小女孩。1976年危地马拉的旧危地马拉城在地震后的废墟。火山喷发视频洪涝酸雨海水入侵海啸 海啸是一种灾难性的海浪，通常由震源在海底下50千米以内、里氏震级6.5以上的海底地震引起。水下或沿岸山崩或火山爆发也可能引起海啸。在一次震动之后，震荡波在海面上以不断扩大的圆圈，传播到很远的距离，正象卵石掉进浅池里产生的波一样。海啸波长比海洋的最大深度还要大，轨道运动在海底附近也没受多大阻滞，不管海洋深度如何，波都可以传播过去。印度洋地震后海底山脊倒塌形成山崩地段印度洋地震后海底山脊倒塌形成山崩地段沙漠化 水土流失小环境岩土工程中的主要问题 1过量抽汲地下水引起的地面沉降 2各类工程活动引起的若干环境岩土工程问题 3采矿对环境的影响
