岩石工程与环境保护

董学晟

岩石工程与环境保护

董学晟

（长江科学院科学技术委员会，武汉 430010）

近年来，环境保护问题变得越来越紧迫，作为一种可再生能源，水力发电受到了极大的重视，但它却并不是一种绝对清洁的能源。不论是在施工期还是在运行期，水力发电工程都会给环境和生态条件施加一些负面的影响。施工中大量的土石方开挖完全毁坏了建设场地上的植被和土壤，导致大面积水土流失，增加了潜在的滑坡数量。在进行西南水电开发的规划和建设时，应当就区域内梯级电站建设对环境和生态条件的综合影响和长期影响进行详尽的研究和分析，并提出了几条减少土石方开挖的原则性建议。

岩石力学；水力发电；环境保护；生态条件；土石方开挖

当今人类社会面临全球变暖的巨大变故已是不争的事实。气候异常、极端天气现象、越来越频繁加剧发生的自然灾害，步步紧逼。大规模的水利水电建设对于环境和生态条件的负面影响如何，是一个很大的课题。仅从水电建设中的岩石工程这个侧面来看，问题还是很严重的。首先可以肯定的是，水力发电不是绝对清洁的能源；其次，水电工程建设施工对环境和生态条件的负面影响严重；而岩石力学学科可以为减少这些负面影响做出贡献。

1 水力发电不是绝对清洁的能源

相对于以化石燃料为能源的电力工程来说，水电站所带来的直接环境污染和生态影响要小得多。水能和太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能一样，是可再生的能源。利用水力发电时并不向周围环境和大气投放废弃、污染物质，然而，它并不是绝对的清洁能源。

拦河大坝截断天然水流，水库是新出现的水域，都对河流和水库周围的环境（土地、水文和气象等）和生态（动物群落、植物群落）造成影响。这些影响有正面的（有益的），但其负面影响也必须重视。有些影响短期就可看到，但更值得注意的是那些要经过较长时间才显现出来、一经出现就难以纠正的影响。应当在做出工程建设决策之前，在规划、设计水电工程时进行详尽、细致的调查和研究。

在这方面，俄罗斯人做得较好。早在上个世纪90年代初，他们就注意开展了这方面的研究。例如莫斯科动力学院可再生能源教研室主任В.И.维萨里昂诺夫和Л.А.佐洛托夫编写了《可再生能源的生态学问题》①В.И.维萨里昂诺夫，Л.А.佐洛托夫.可再生能源的生态学问题（内部学习资料），董学晟译，陈济生校，2007.一书，作为学生的教材。此书就可再生能源开发中对生态、环境的影响，在有关能源工程项目的规划设计中如何评估这些影响，以及在设计阶段如何采取措施尽量减小负面影响等方面，进行了比较全面系统的阐述。主要内容是关于传统的可再生能源——即水力发电工程建设（包括小水电建设）。对于非传统的可再生能源（太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能），除生态环境方面的问题外，对其原理、主要技术工艺、资源情况等也作了一般性的介绍。

大型水电建设对环境和生态条件的影响分为设计阶段可以评估的影响、施工期的影响和运行期的影响。设计阶段可以评估的7个方面影响是：

（1）土地淹没。大型水库淹没大量土地和耕地，特别是在平原和丘陵地区。即使是山区，形成大量库容的地带，往往就是当地人民赖以生存、极为宝贵的坪坝。

（2）库岸浸没和再造。除了水库直接淹没的土地外，库岸周边的土地还受到浸没和库岸再造的影响（约占被淹没土地面积的3%～5%）。在土地被浸没的复杂过程中，土地质量可能发生衰退。库岸再造是导致近岸土地变形的物理-地质过程的总和，包括冲刷、磨蚀、滑坡、卡斯特、管涌等。

（3）水文条件改变。大坝上游形成湖泊型的水体，其水位状态完全取决于水利枢纽的工作状态。下游河道的水位和流量状态、建筑物上下游的冰热力学状况、泥沙冲淤、河道演变等也都改变了。

（4）气候改变。大型水库水域上辐射平衡改变，周边地带春季和夏初气温降低、夏末和秋季气温抬高，气温的日变幅和年变幅要减小；空气湿度增加，水面的蒸发增加；直接在水域上的降水减少，而在邻近地区的降水则可能增加。风速增加，风向改变。

（5）景观改造。大型水库的建造显著地改变天然景观，施工过程中破坏了原有的生态景观，地形、地貌有很大的变化，植被遭严重损坏。

（6）水质变化。水库的天然自净化能力比河流的要低20%～30%。工业和生活污水的排放，以及农业废水流入水库，水被有营养的物质污染了，蔓生水草，破坏水生态系统平衡，水库富营养化使水质降低。

（7）地质构造变化。水库区域的地震活动性增加，较弱的震动数量增加，需要考虑水库诱发地震现象。

在施工期才显现出来的影响，也有7个方面，即：声学污染，建筑施工时对大气的污染，水体浑浊、石油产物的排放，施工管理建筑物、仓库、交通的建筑及生活废料、污染物的突发投放和排放，高峰建筑影响，土壤和植被的破坏，和对动物、植物区系的综合影响。但这些是设计阶段无法进行预评估或预测的。

运行期的影响是：水库充蓄与消落，即库水位涨落变化造成的影响；建筑物和设备直接产生的污染；水道和水库输水带来的污染。具体有：滩地疏干，冬季土地淹没，下游冰热力变化和气候变化；水库的热污染、机械污染（淤积）和化学污染；生物学污染、有机污染（天然的和人工的），富营养物质污染和细菌污染；有毒化学品和石油产品污染；事故对自然环境的影响。

该书还从生态影响的角度阐述了如何进行水电站与火电站及其它替代电站的效益比较。“水电站库区土地资源的保护”是很有教益的一章，它要求从工程设计一开始就考虑受水库影响土地的保护，包括筑堤围护、排水、受影响土地的再开发、土壤改良、淹没损失的评估等方面。接着专门研究了水库影响区土地的开发，提出了综合水利的概念和建立水保护区的设想，介绍了防治水库富营养化的研究方法。对于水电枢纽运行期，提出了建立水库区生态系统并进行管理的要求，内容包括：地下水位、水质、生态过程等。其中特别指出，生态环境保护措施不单单会限制一些生产活动，有时也会提高生产效果，带来经济效益。最后，专门阐述了与水电工程有关的生态环境监测工作，对监测的基本概念、目的和任务、组织、特征指标、监测对象状态的评估等都作了系统介绍。

综观俄罗斯人的做法，有3点值得我们学习、借鉴：

（1）水利枢纽工程、水电站工程的设计任务，不仅仅是设计枢纽建筑物和工程本身，还应包括认识工程对环境和生态条件的影响，制定消除负面影响、保护环境和生态条件的措施。

（2）在进行水电工程设计时，应将枢纽工程放在地区的地质、地理和生态的大环境中，紧密结合当地人民生活、工农业生产、社会活动、经济发展，考虑工程和建筑物等多方面联系和影响。

（3）水电工程设计中各种经济效益评估、费用计算或比较，都应将工程对生态和环境的影响，以及为消除负面影响而采取保护措施的代价包含在内。

2 水电工程建设对环境生态的影响

上面阐述的主要是建成后的水电站对环境和生态条件的影响。然而需要强调指出：水电工程建设过程中对环境和生态的破坏比建成后的更为严重，许多负面影响不仅在施工期间，而且在水库、电站运行后的很长时间都难以消除，其中影响最大的就是开挖工程。这个问题至今没有引起足够的重视。

2.1 水电工程的施工开挖

建筑工程的一项重要工程就是土石方开挖，水力发电工程也是如此。大型水利水电枢纽土石方开挖量常常大得惊人，如三峡工程的土石方开挖达1亿m3。一般可分为主体工程等永久性工程的开挖（大坝及相关建筑物），和施工辅助设施等临时工程的开挖两类。

主体工程首先是大坝坝基开挖。重力坝坝基一般要求挖到新鲜基岩，或者至少也要挖到微风化层，保证基岩与混凝土之间有足够的抗剪强度。对于拱坝来说，坝肩开挖是重点，要清除断裂密集、有软弱夹层或破碎带的岩体，保证拱座岩体在坝体的推力作用下有足够的稳定性。当地材料坝的坝基开挖要求虽然较低，但也必须剥离覆盖层，清除表层松动、破碎的岩石。地下洞室开挖山体内部的岩体，一般对外部的环境、气候影响较小，但是洞室的进、出口门脸段为了保证边坡稳定性，开挖规模常常也很大。地面电站厂房由于安装机组和设置尾水洞的需要，基坑挖得很深。建在露天的输、变电站也需要开挖到稳定的基岩。此外，还有永久性的交通道路开挖，如上坝公路、进场公路等。在山区建设的水电站，上述这些基础和道路的开挖，往往造成高陡边坡，为保证这些边坡的长期稳定性，常常需要采取复杂的工程措施。

施工辅助企业和临时工程有施工场地平整，施工道路修建，采料场开挖，天然滑坡、陡坡和危岩的处理、加固几种土石方开挖：

（1）施工场地平整。施工用的附属企业如：混凝土拌合楼、沙石骨料场、碎石机厂、钢筋场、钢管厂、水厂、机械修理厂、大型施工机械的停放场等，都需要平整出宽广的场地，对地基有一定的要求。施工人员的生活区有宿舍、食堂、医院、运动场、商店等等，也都需要有一定面积的平整地面。山区水电站选址的一个重要因素就是有无方便的施工场地。大、中型水电站的施工场地往往需要进行大量的土石开挖、平场，建成一个绵延许多公里、有如小市镇规模的工区（如刘家峡水电站的小川，隔河岩工程的西寺坪，三峡工程的八河口）。工程建成后，往往人去楼空，留下一片荒芜的建筑群。

（2）施工道路修建。在主体工程与附属企业之间、各主体工程之间、附企之间、生活区域与施工现场之间，都需要许多临时性的施工道路。这些公路众多，除少数贯穿整个施工期的干道外，一般标准较低，许多是随用随修，用过随时废弃。在大型工程的施工现场，我们往往可以见到纵横交错、密如蛛网般的临时道路，其间土石横流，原有的地形地貌完全不可辨认。

（3）采料场开挖。混凝土大坝、厂房等混凝土工程需要大量的沙石骨料，河滩上天然卵石和砂料往往是要么数量不够，要么质量不行，通常都需要人工开采。至于当地材料坝（土坝、堆石坝等）更是主要依靠开山采料、制料。合乎质量要求的岩层有时埋藏较深，那就不仅要将覆盖层挖除，还要将上面质量不符合要求的岩层都挖掉，于是整个山头被揭掉，有时相互连接，形成大片的荒山秃岭（如图1）。

（4）滑坡、陡坡和危岩的处理。坝址区和水库区常有可能复活的古滑坡存在；有的天然岸坡很陡或稳定性不足；由于卸荷作用，近岸山体常因岸剪裂隙发育形成不稳定的危岩体。为保证岸坡和山体的长期稳定性，在处理这些滑坡体、危岩体时，出于经济的考虑，常常采用挖除的手段，由此造成连片的裸露山崖屡见不鲜（如图2）。

图1 水布垭工程右岸石料场Fig.1 Right bank quarry of Shuibuya Project

图2 加固处理后的水布垭马崖高边坡Fig.2 Maya high slope of Shuibuya Project after stability treatment

2.2 开挖对环境和生态的破坏

大面积土石方开挖工程往往彻底地改变了坝区和水库区当地的地形、地貌，完全破坏了当地原有的生态系统，对邻近一定范围内的气候、水文环境和生态条件也有很大影响。大致有以下几方面：

（1）植被完全被清除。所有土石方开挖，第一步就是清除植被。上述各种开挖，尽管要求各自不同，但植被都会被清除。因此，在施工开挖区内，任何原有的生物群落都不复存在了。

（2）覆盖层（土壤、砂砾层等）基本被挖除。除少数简易的临时房屋、场地和便道外，挖除覆盖层是各种基础开挖的最低要求，而土壤是植物生存的必要条件，土壤的丧失使工程建成后恢复植被极为困难。

（3）风化、破碎岩层被清除。其清除范围主要是在加固后的边坡、危岩体等部位。从土壤的角度看，风化破碎的岩层是土壤形成的物质基础和植物矿质养分元素（氮除外）的最初来源，称为土壤母质。失去了母质，土壤再生的条件也丧失了。

（4）水土流失增加。大范围土石方开挖本身就相当于人为地造成大面积彻底的“水土流失”。开挖留下了许多裸露边坡，其坡度一般都比天然边坡要大，一到雨季，水、土直泻而下，更加重了水土流失的环境灾难。

（5）潜在的滑坡地段增加。主要是那些临时公路边坡、料场周围边坡、施工场地开挖周边的边坡等，受经费限制一般都不会进行永久性加固处理。在电站运行期间，在暴雨、地震等影响下极易发生山体失稳和滑坡。即使没有人员、财产损失，也加剧了水土流失。

需要特别强调的是，土壤是生命的赖以存在的基础。土壤内含有矿物质、有机质和微生物，矿物质、有机质都是植物养分的重要来源，微生物分解有机质和矿物质、固定氮素；土壤是一个疏松多孔体，能够保持水分；土壤是植物生长不可缺少的，特别是表层土壤往往形成腐殖质，是植物养分主要来源。宏观地看，土壤是岩石圈表面的疏松表层，是陆生植物生活的基质和陆生动物生活的基底。土壤不仅为植物提供必需的营养和水分，而且也是土壤动物赖以生存的栖息场所。失去了土壤，植物无法生存，没有植物，动物也不能生存。土壤是岩石风化的产物，岩石经过漫长的地质年代风化成结构疏松的风化壳，其上部就是土壤母质，再要经过数十、百万年才能形成今天的土壤。建设一个大型水利水电工程，挖除了植被、土壤和表层风化岩石，留下许多平方公里满目疮痍的裸露岩石表面，要恢复其生态环境，依靠人工在石头缝里种几棵树苗，是无济于事的。

2.3 西南水电开发问题

近十多年来，我国大力开发西南大河的水电资源，金沙江、大渡河、雅砻江、澜沧江、怒江都纷纷提出了梯级开发计划。金沙江梯级规划有许多版本，中游河段有”一库八级”的方案，即上虎跳峡、两家人、梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉和观音岩。雅砻江口至宜宾的下游河段有4级：乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝。雅砻江21级，如已建、在建的二滩、官地、锦屏一级、二级等。大渡河有龚嘴、铜街子、瀑布沟等22级。澜沧江有漫湾、大朝山、小湾、糯扎渡等14级。引起争议的怒江水电资源开发规划有13级。按这些规划，几乎每一寸水头都要得到利用，其中不少是在高山深谷中的巨型工程。

这些水库建成后对整个流域，乃至整个西南地区的气候、水文环境和生态条件的长期影响如何？客观、科学的研究成果尚未见到。但仅从施工期的影响看，对环境的破坏就将十分严重。这地区的山体一般都十分陡峭、河谷狭窄，两岸多有不稳定的高边坡和古滑坡。沿这样的山坡修建施工道路和平整场地，为了形成稳定的边坡，必然要进行大面积的削坡，清除大片植被和表土、乃至部分风化破碎的岩石。受到破坏和影响的范围很大，有时会一直到山顶（图3）。所以，一个电站施工影响的不是一个“点”，也不仅是一条“线”，而是一大片。可以很容易地想像到，一条河的梯级开发造成的‘秃山’是一片连一片，以至于整个流域、整个区域。这里，一到雨季将会出现大范围的水土流失，陡坡段由于被公路横切成路堑，边坡稳定性大大降低，滑坡将频繁出现（汶川大地震后次生灾难之一的滑坡，大量发生在公路沿线，就是证明）。

图3 大渡河瀑布沟水电站工地Fig.3 Construction site of Pubugou Hydropower Station on the Dadu River

金沙江、澜沧江、怒江3条源自青藏高原唐古拉山的河流在云南西北与四川、西藏接壤的横断山脉地区并行奔流400 km。澜沧江与金沙江最近直线距离为66 km；澜沧江与怒江的最短直线距离为16 km。这三江沿深大断裂发育，使地形深切形成3条大峡谷。三江并流地区占我国国土面积不到0.4%，却拥有全国20%以上的高等植物和全国25%的动物种数，栖息着77种国家级保护动物和34种国家级保护植物，被誉为“世界生物基因库”［1］。有研究表明［2］：近30年来在气候干旱化和人为活动的影响下已经出现草场退化、冰川萎缩、雪线上升、土壤沙化和水土流失等生态环境荒漠化问题。全面开发三江的水电资源将造成十分严重的环境生态问题。

一个水电工程的建设，直接影响的不过是几平方公里至几十平方公里，相对于一个地区（更不要说全国）来说，是一个点，是很微小的；但是一个连续开发的水电站梯级，那造成的危害就是一条线、一条河的流域；几条河的梯级开发影响的是一大片。这不单纯是数量的线性增加。整个地区水文条件的变化，对大气环流影响如何？小范围内生态条件恶化，在周围未恶化环境的影响下，经过相当时间，可能逐渐得到恢复。范围大了，还能恢复吗？以往建设速度较低，一年或几年增加一个大电站，其环境和生态的影响人们可以仔细跟踪研究，据以修正做法。现在大干快上，一二十年，二三十年内水电资源要开发殆尽，那种研究还能跟得上吗？大自然的反应如何？都需要全面地、仔细地进行研究和权衡。

四川汶川的一条岷江小支流——草坡河的经历可给我们一些警示［2］。草坡河全长45.5 km，多年平均流量17.1 m3／s，落差大，全河平均比降6.35%。汶川地震前已建和在建的电站14座，都是径流式的涵洞引水电站。这些水电工程造成水坝和电站之间的河段水量减少或干涸，整个草坡河被割裂得支离破碎，原生及水生环境均遭破坏，工程施工期极大地破坏了两栖动物的栖息和繁殖生境，导致卵团密度、蝌蚪密度和成体的数量急剧下降。这些水坝在地震中已大多被毁坏。

3 岩石力学如何为环境和生态服务

岩石工程是水电建设工程的重要组成部分，岩石工程离不开岩石力学。岩石力学在为工程服务的同时，应当帮助工程的设计和施工，将对环境和生态的消极影响尽量减小到最低限度，这是岩石力学学科不可推卸的责任［3］。

（1）在满足工程需要的同时，要尽量减少开挖。为了尽量减少开挖，一方面应在优化建筑物的几何形态和减小尺寸，另一方面要尽量保护、增加岩体的承载能力，即加固岩体，避免采用简单挖除的办法。

（2）多开洞、少挖边坡。用公路隧道代替傍山削坡而成的公路，用引水隧洞代替顺山坡开挖成的明渠，用地下厂房代替坡上布置的明厂房。由于线路短、开挖断面小，开挖量会大大减少，除进、出口地段外，基本上不会破坏地表的土壤和植被。

（3）多勘探、多研究，加深认识岩体、减小不确定性。应当尽量加深对岩体的认识，力求弄清岩体承载能力可能达到的限度，充分发挥天然岩体的潜力，确定改造加固岩体所能达到的限度，在设计中增大可靠度、减小对安全裕度的要求，减少不必要的开挖工程量。为此，工程前期工作要尽量做细，充分利用施工地质和性状监测提供的信息。

（4）多加固少挖除，充分保护和利用岩体的自稳能力和承载能力。①危岩处理：风化、软弱岩体或被断层、节理切割的破碎岩体，在开挖扰动、产生新的临空面后容易形成危岩体或不稳定块体，对它们应当尽量采用加固措施，少用简单的挖除办法。②岩石边坡稳定：应针对边坡中影响稳定性的软弱层带、大的断层破碎带、节理密集带等局部问题进行加固处理，不宜采用减小坡度的办法增加边坡稳定性。③建筑物的基础处理：只要基岩岩体的强度指标和变形指标达到了设计要求，或者不低于作为替代物的混凝土的指标，就应当保留在基础中不要挖掉，不必一定要挖到新鲜岩体。

总的说来，一切都应从整体出发，从长期出发，从全国人民、子孙后代的长久利益出发。

［1］ 郭菊馨，王自英，白 波，等.云南三江并流地区气候变化及其对环境的影响［J］.云南地理环境研究，2006，（2）：48-52.

［2］ 李成.草坡河的美丽与哀愁［J］.大自然，2008，（6）：11-13.

［3］ 董学晟，田 野，邬爱清.水工岩石力学［M］.北京：中国水利电力出版社，2004.

Rock Engineering and Environmental Protection

DONG Xue-sheng
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

In recent years the environmental problems become more and more urgent.Great emphasis has been put on water power development in our country，as a renewable energy source.But it is not an absolutely clean power source.Both in construction period and in operation time water power projects will bring negative influences on the environment and ecological condition.Rock and earth excavation of huge quantity in construction works destroys the vegetation cover and soil on the work site entirely，so causes water and soil erosion in large area.Potential landslide areas increase.It is necessary to make a comprehensive research and analysis including the synthetic impacts on environment and ecological condition over a long period when the water power developments in south-west area of our country are to be planned and implemented.Several suggestions to decrease the rock and earth excavation are given.

rock mechanics；water power；environmental protection；ecology；rock and earth excavation

TV213.4

A

1001-5485（2009）04-0022-05

2008-11-27；

2009-01-06

董学晟（1932-），男，湖北大冶人，教授级高级工程师，主要从事水工岩石力学研究，（电话）027-82829703（电子信箱）dongxc＠mail.crsri.cn。

（编辑：周晓雁）