水电建设中土石方开挖对生态环境的影响

宋晓晨 冯高峰 徐东升

水能同太阳能、风能、地热能、海洋能等一样,都是可再生的能源。相对于以传统化石燃料为能源的电力工程来说,水电工程所带来的直接环境污染和生态影响要小很多。然而,它仍然对环境和生态造成了不可小觑的污染和破坏。因而大型水电建设对生态环境的影响[1]分为规划设计阶段的影响、施工阶段的影响和运行管理阶段的影响,充分体现了对环境保护的重视[2]。

1 水电工程建设施工阶段对环境生态的影响

需要特别强调指出的是,水利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[3]。

1.1 水电工程建设中的施工开挖

1)主体工程开挖。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。拱坝开挖的重点是坝肩,要清除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。在山区建设的水电站,由于大量的施工开挖,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。

2)施工辅助工程开挖。a.场地平整。施工用的辅助工程如:混凝土拌和楼、砂石骨料场、钢筋场、钢管厂、机械修理厂、大型施工机械的停放场等,都需要平整出宽敞的场地,对地基有一定的要求。另外,施工单位和业主生活区也需要有一定面积的平整地面。这些往往需要大方量的开挖,然而在工程建成后,往往人去楼空,留下一片狼藉。b.道路修建。首先坝址区的进场公路往往里程较大,施工开挖的土石方量很大,还有就是在主体工程、辅助工程、生活区域相互之间,往往都需要许多临时性的施工道路。c.料场开挖。大坝、厂房等混凝土工程需要大量的砂石骨料,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,于是形成大片的荒山秃岭。d.危岩、陡坡和滑坡的处理。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;有的天然岸坡很陡或稳定性不足;坝址区和水库区常有可能复活的古滑坡存在。

1.2 施工开挖对生态环境的破坏

1)植被和覆盖层挖除。土石方开挖,首先要清除的就是植被和覆盖层,覆盖层的开挖使植物丧失了生存的必要条件——土壤,土壤的丧失使工程建成后恢复植被极为困难。

2)水土流失。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,加重了水土流失的环境灾难,严重者可能导致泥石流。

3)潜在地质灾害增加。主要是那些公路边坡、料场弃渣边坡、施工场地开挖周边的边坡等,一般不会进行永久性加固处理。在暴雨、地震等影响下极易发生崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害。

2 岩石力学在生态环境保护中的作用

岩石力学应当在帮助工程的设计和施工,将对环境和生态的消极影响降到最低,这是岩石力学学科不可推卸的责任[4,5]。

2.1 减少土石方开挖

为了尽量减少开挖,在工程设计之初,应该优化建筑物的结构和尺寸,对天然岩体应尽量保护,加固岩体以提高其承载能力,而避免采用简单挖除的办法。

2.2 减少边坡开挖

用隧道代替傍山削坡的公路,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等。从而减少开挖量,减少对天然地表的植被的破坏,减少潜在地质灾害发生的几率。

2.3 详细勘探和研究,减小岩体认识的不确定性

应当尽量加深对岩体的认识,力求弄清岩体的极限承载能力,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,从而减少不必要的工程开挖量。

2.4 充分利用岩体的自稳能力和承载能力

1)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。

2)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。

3)边坡稳定。针对边坡中影响稳定性的软弱夹层、断裂破碎带、节理密集带等局部问题进行加固处理,尽量减少简单采用减小坡度的办法增加边坡稳定性,力求减少开挖量。

3 结语

一切工程建设都要围绕可持续发展,从长远利益出发,因而在设计施工的过程中应该提高以下几点认识:

1)水利工程在设计的初期,不仅要考虑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,制定如何消除负面影响、保护环境和生态条件的相关措施;

2)在进行水电工程设计时,应将工程放在具体的地质、环境和生态的条件下,考虑工程建设和当地人民生活、生产、经济发展等多方面联系和影响;

3)水电工程设计过程中的经费预算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费用包含在内;

4)水电工程施工过程应该严格按照设计流程施工,监理部门应该做好严格监督的作用,督促施工过程中对环境的保护。

[1] 朱党生.水利水电工程环境影响评价[M].北京:中国环境科学出版社,2006.

[2] 曹永强,倪广恒,胡和平.水利水电工程建设对生态环境的影响分析[J].人民黄河,2005,27(1):56-58.

[3] 方子云,邹家祥,郑连生.中国水利百科全书:环境水利分册[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[4] 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.

[5] 董学晟.岩石工程与环境保护[J].长江科学院院报,2009,26(4):22-26.