绪论
一、地质与水利
地质学是研究地球的科学。它除了研究地球及其各圈层的起源、结构、组成物质、演化历史和运动规律外，还通过系统研究资源、能源、环境、生态、自然灾害和地球信息问题，为国家宏观决策和重大工程项目的可行性研究提供科学依据。地质科学在国家经济、社会发展中占有举足轻重的地位。1996年，江泽民同志在会见第30届国际地质学大会的中外地质界知名人士时指出：“矿产资源、水资源、地震、火山、滑坡、地面沉降、海平面上升、表土的沙漠化等等，都与地质工作关系密切，因此，地质工作是实施可持续发展战略的支柱性、基础性工作。”
工程地质学与水文地质学，是从近代地质科学发展起来的两门新兴学科。工程地质学是研究与工程建筑有关的地质问题的科学；水文地质学是研究地下水的科学。这两门学科都是地质科学知识和经验在生产实践中的应用。
水利是人类开发利用水资源和防治水旱灾害的活动。它主要包括防洪、治涝、抗旱、灌溉、排水、城市和工业供水、人畜饮水、水力发电、水土保持、水运、水产养殖和水环境保护等方面。水利的基本手段是兴修各类水利工程。一切水利工程都是修建在地壳表层上，自然界的地质体和地质环境与水利工程建设有着密切的关系。可以说，水利建设离不开地质学，尤其是工程地质学与水文地质学。地质工作不仅是水利建设的开路先锋，而且贯穿其全部过程，要确保查明并充分考虑到影响工程选址、设计、施工、运营和维护的所有地质因素，充分利用有利的工程地质条件，分析可能出现的工程地质问题，并注意不良地质现象对工程的影响，以及由于工程兴建而引起的新的地质问题。地质工作的好坏，直接关系着工程建筑的安全稳定性、技术可行性和经济合理性。
（一）水利工程地质条件
水利工程地质条件，是指与水利工程建筑有关的地质条件的总和。它包括地形地貌、地层岩性、地质结构（地质构造与岩体结构）、物理地质现象、水文地质条件和天然建材等六个方面。在水利工程建设之前，工程地质工作首要的根本任务就是要查明建筑地区的工程地质条件，为建筑场地的选择、工程的布置和优化设计提供所需的工程地质资料。如果对地质条件事先没有仔细查明，工程设计没有可靠的地质依据，就会给工程留下隐患。据国际大坝委员会的不完全统计，世界上发生事故的589座水坝，其中大多数与不良的地质条件有关。如法国的马尔帕塞薄拱坝，坝高66m，由于坝基左岸岩体裂隙发育，未经地基处理，蓄水后岩体发生张裂位移达2.1m，致使整个坝体于1959年12月2日崩溃，水库拦蓄的3000万m3水顿时下泄，冲毁下游一个村镇，死亡400余人，经济损失达6800万美元。
举世闻名的巴拿马运河，是沟通太平洋和大西洋的洋际水道。从1882年动工开凿，到1914年通航，历时33年之久，全长93km（图1）。施工期间，在两大洋分水岭的挖方地段（即盖拉尔段）不少岸边滑动，严重的塌方延缓了工期，造成人员的大量伤亡。运河完工后的第二年，挖方地段又发生巨大的山崩和滑坡（如东库累布腊滑坡），崩塌体堵死了开通的运河。为此，又花了5 年时间，挖土石5800 万m 3，相当于这一段运河总开挖量的40%之多，单是停航5 年的经济损失就达10 亿美元。原因是分水岭地段岩性较软，主要为粘土页岩，次为砂岩和砾岩，岩体破碎，风化强烈，人工开挖后形成临空面，从而导致挖方段不少岸坡沿着页岩与砂砾岩的界面发生滑动破坏。为此，美国政府付出了沉痛的代价。
图1 巴拿马运河图
由此可见，在自然界很难找到完全适合工程建筑要求的地质条件，每一项工程或多或少总会程度不同地存在着工程地质问题。工程地质工作的中心任务就是要分析和预测可能发生的工程地质问题，提出对不良工程地质问题处理的措施和建议。
（二）水利工程地质问题
水利工程地质问题，是指水利工程与地质条件之间的矛盾，即场地的工程地质条件不能满足水工建筑物稳定、经济和使用等方面的要求，而存在的地质缺陷和问题。水利工程建设中常遇到的有三大工程地质问题，即稳定问题（包括坝基、坝肩、库岸、渠道边坡、隧洞围岩及进出口边坡稳定等）、渗漏问题（包括坝区、库区、渠道渗漏等）和水利环境地质问题。新中国成立50 多年来，水利建设取得了举世瞩目的成就，兴修的24.5 万km长的江河堤防和8.4 万座水库等一大批水利工程，保证了全国1／3 耕地和1／2 人口的防洪安全，保护了60%以上的工农业产值，每年向工农业和城市供水5200 亿m3。这些工程无论对发展工农业生产，还是抗御水旱灾害，保护人民生命财产都发挥了重要作用。在水利建设中，我国水利地质工作者进行了系统的（从区域地质、坝区地质到库区地质等方面）工程地质勘察和研究，在高水头、大流量、高地震烈度、复杂地质地形条件下，已成功修建了刘家峡、乌江渡、龙羊峡等百米以上的高坝大库，同时也解决了许多国内外少见的工程地质问题，如在建的黄河小浪底工程坝基深厚松散层渗漏和稳定问题，左岸泄洪、排沙、灌溉和引水发电等16 条隧洞组成的地下工程围岩稳定问题，长江三峡工程永久船闸开挖高边坡稳定问题，坝基深层抗滑稳定问题，水库诱发地震问题等。但是，也有一些工程对复杂的地质问题缺乏详细的工程地质勘察研究，一些设计方案没有充分的地质依据，结果导致施工困难，拖延工期，遗留后患需要进行处理，工程效益长期不能发挥。如北京十三陵水库，坝基和库区存在着深厚的古河道砂砾石层，透水性较强，建坝初期未作垂直防渗处理，致使水库多年不能正常蓄水。20 世纪60 年代作了坝基防渗处理，坝基不漏了，但库区古河道仍在渗漏，使约50%的库水流失。直到1991 年为兴建抽水蓄能电站，在库区做了一道防渗墙，才彻底解决了渗漏问题。
黄河三门峡水利工程，是万里黄河干流上修建的第一座水利枢纽，担负防洪、防凌、供水和发电等任务。该工程混凝土重力坝高106m，长875m，库容96 亿m3。1960 年9 月水库建成蓄水后，引起岸边黄土崩塌，塌岸宽度一般30～90m，最宽达294m，长度200 多km，占全部库岸线的41.5%。加上黄河水含沙量高（平均为32.21kg／m 3，洪水期为651kg／m3），库区淤积问题严重。水库淹没、浸没范围扩大，引起周围地下水位抬高，土地盐碱化和沼泽化30 万亩。淤积末端上延，库尾潼关一带渭河入黄不畅，雨季洪水对古城西安构成威胁。为此，分别在1965 年和1967 年对枢纽工程的泄流建筑物进行了两次改造，增建了泄流设施，加大了排沙能力，水库也改为低水头运行，原设计发电装机120 万kW，直到1973年12 月26 日第一台机组才并网发电，长期装机容量只有20 万kW，工程效益不能充分发挥。三门峡水库经历了蓄水滞洪（1960～1964 年）、滞洪排沙（1965～1973 年）和蓄清排浑、调水调沙（1974～1982 年）运行三个阶段，现在基本达到了泥沙冲淤平衡，成功地解决了泥沙淤积问题，发电装机也增至40 万kW。造成三门峡水库塌岸和淤积问题的原因是：当时我们缺乏实践经验，加上委托国外专家设计，对库区特殊的自然地理条件和地质环境认识不够，对黄河中上游水土流失、黄土湿陷、泥沙淤积的严重性和它的影响估计不足，把治理黄河泥沙问题看得太简单了。从三门峡水库的修建和运行实践可以看出，在多泥沙的河流上兴修水库，宜选择峡谷型库区，设计足够的坝高，确定合理的运行水位，布置足够的泄流和排沙设施，拟定适合来水来沙条件和库区特点的运行方式，这样水库就不会淤积。
水利水电工程实践证明，工程建筑不怕地质条件复杂，也不怕地质问题繁多，只要在工程建设的全部过程中重视地质工作，就能从地质角度保证建筑物安全稳定与经济合理。水利工程地质勘察工作程序可分为规划、可行性研究、初步设计和技施设计四个阶段，其工作方法有工程地质测绘、勘探、试验和长期观测等（详见水利水电工程地质勘察VCD光盘）。
（三）水文地质条件
水文地质条件包括地下水的形成、分布、埋藏条件和运动规律，以及地下水的水质、水量及其动态变化特征等。在水利建设中，水文地质工作不仅要配合上述工程地质工作，提供有关地下水方面的资料，以综合研究建筑物的稳定和渗漏问题，而且要合理开发利用地下水资源，防治地下水害，这在保证工业和城镇供水、农田灌溉、人畜饮水、防涝治碱和环境保护等方面，都具有十分重要的意义。尤其是对一个水资源短缺的国家，开发利用地下水对社会的稳定和地区经济的发展有着特殊重要的作用。
我国水资源总量为28124 亿
／a，其中地下水资源为8288 亿m 3／a，约占总水量的30%。但水资源的时空分布差异较大，北方人均、亩均水资源占有量分别仅为南方的1／6 和1／10，特别是黄淮海滦河流域缺水十分严重，泉水干涸，河水断流，地下水便成了重要的供水水源。就是水量丰沛的南方地区，也有许多以地下水供水为主的城市，更何况由于水量时空分布不均和地表水质污染，南方也经常闹水荒。1993 年沿海300 多个城市因缺水造成上千亿元的经济损失。所以在我国，无论是北方，还是南方，水利建设不仅需要利用地表水，而且需要开采地下水，这就要进行大量的水文地质工作。20 世纪70 年代以来，为打井抗旱，寻找地下水资源，开展了全国性的水文地质普查工作，兴修农用机电井355 万眼，年开采地下水500 多亿m 3，发展井灌面积1.1 亿亩，改造盐碱地8400 多万亩，解决了数以亿计的人畜饮水困难问题。90 年代末，为了实施国家开发西部战略，我国水文地质工作者又运用遥感技术（RS）、物探、同位素、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和计算机信息系统等先进技术，在西部展开了以重点缺水地区和苦咸水分布地区为主的找水工作，已探明可采地下水量10 多亿m 3，查明鄂尔多斯盆地蕴藏着丰富的地下水，储量达250亿m3，在被誉为“生命禁区”的罗布泊地区和“死亡之海”的塔克拉玛干沙漠腹地也找到了地下淡水。
从新世纪开始，我国将进入一个全面建设小康社会并加快推进现代化的新的发展阶段。但洪涝灾害频繁、干旱缺水、水生态环境恶化三大问题，尤其是水资源短缺问题，已经成为我国经济社会可持续发展的重要制约因素。1999 年元旦，江泽民同志指出：“水是人类生存的生命线，也是农业和整个经济建设的生命线。我们必须高度重视水的问题。人无远虑，必有近忧。一方面洪涝灾害历来是中华民族的心腹之患，另一方面水资源短缺越来越成为我国农业和经济社会发展的制约因素。我们要在全民族中大力增强保护和合理利用水资源的意识，把兴修水利作为保证我国跨世纪发展目标的一项重大战略措施来抓”。水利大发展，需要地质勘察研究为先导，水利地质工作者的任务是光荣而艰巨的。
值得注意的是，面向21 世纪的中国水利正在实现由“工程水利”向“资源水利”的转变。所谓的资源水利，就是要水资源与国民经济和社会发展紧密联系起来，进行综合开发，科学管理。它主要体现在水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护等6 个方面。从当前和今后发展来看，水资源的配置、节约和保护三个方面的任务将更为突出。这就要求我们在水利工作中，不仅注重水利工程的兴建，而且更注意水资源的保护。工程地质与水文地质要适应新的水利形势，要从资源水利的角度，重新认识工程地质条件和工程地质问题，要利用它们的双重属性，在保证工程建筑安全稳定的前提下，要兼顾水资源的有效控制利用和水环境的保护。如地下水在工程地质条件中常对工程的稳定性和渗漏性产生不利影响，但地下水又是一种宝贵的水资源，在工程采取隔水和排水措施时，要考虑利用它和保护它。水库渗漏，对水库蓄水不利，但在一定条件下它可调节下游地下水，补充泉水和井的流量。如果坚持传统的设计目标——防止任何一点渗漏，那么坚固的大坝将会隔断河流与地下水之间的水力联系。地下水因得不到补充，使其水位下降，河岸边的湿地消失，大自然的生态环境遭到了破坏。
二、本课程的主要内容与教学要求
本课程是水利水电工程技术专业和农业水利技术专业的一门专业课，主要内容有：
（1）地质基础部分包括第一、二、三章。主要是介绍关于地球、地质方面的基础知识。如地球的圈层构造、地形地貌、地质作用、地层和地质年代、矿物及岩石、地质构造、岩体结构、地震、物理地质作用与现象等。并就岩石、第四纪松散沉积物和岩体的工程地质性质，地质构造与工程建设的关系，以及地震等不良地质现象对工程的影响作了一般介绍。此外，还附有典型实例图件和资料，以便学会阅读、分析及应用。
（2）水文地质部分即第四章。主要讲述地下水的形成、赋存条件和运动规律，地下水的埋藏类型及其特征，地下水向集水建筑物的稳定运动，以及地下水资源评价。
（3）工程地质部分即第五章。主要介绍了水利建设中常遇到的一些工程地质问题，如坝基、隧洞围岩稳定问题，坝区、库区渗漏问题。还有水利环境地质问题，这是现代工程地质学发展和研究中的一个重要方面。对坝址、坝型选择的工程地质条件仅作了一般性介绍。
以上三部分是相互关联和逐步联系专业实际的，在教学过程中应运用辩证唯物主义的观点和方法，理论联系实际，地质联系工程，由浅入深，循序渐进。
本课程实践性很强，根据部颁教学大纲要求，其基本教学过程，分讲课、实验实训课及作业和野外地质实习三个环节。通过学习，应达到以下几点教学要求：
1）掌握工程地质与水文地质基本知识，能识别常见的岩石、地质构造和地质现象，并初步认识它们对水利工程的影响。
2）学会阅读工程地质与水文地质资料（包括地质图和地质报告），对水利建设中常遇到的工程地质问题有一定的分析、评价能力。
3）能对一般工程地质问题提出处理措施意见。