水库大坝的类型及其对生态系统的影响

王富强 李时

人们常说的大坝一般指河床上的挡水建筑物，主要用来拦截江河，形成水库或壅高水位，为发电、防洪、灌溉、供水、航运等提供条件。挡水建筑物是水电工程枢纽建筑物的重中之重，对上下游沿岸人民生命财产安全至关重要。

人类很早就知道修建水坝改善生活。世界上有记录的最早的水坝是公元前2900年埃及人为向当时的首都孟菲斯供水而在尼罗河上建造的一座高15米的砌石坝。目前仍在使用的世界上最古老的水坝现存于伊拉克，建于公元前1300年。 1878年法国建成第一座水电站后，水坝增加了新的功能——发电。

大坝的分类

早期人们多以土石材料筑坝，19世纪后期随着水泥生产工艺的成熟和质量的提高，混凝土越来越多地用来筑坝。19世纪中叶以前人们多凭经验建坝，随着科学技术的发展，国际筑坝技术的日新月异，大坝家族也日益枝繁叶茂。

大坝类型繁多，分类没有统一模式，可按不同的方式进行分类：按工作型态，可分为刚性坝、柔性坝和半刚半柔坝三大类；按筑坝材料，可分为混凝土坝、浆砌石坝、土坝、堆石坝等；按受力方式，可分为重力坝、拱形重力坝、重力拱坝、拱坝、支墩坝、均质坝、面板坝、心墙坝、重力墙堆石坝等；按防渗形式，可分为混凝土防渗、沥青混凝土防渗、土防渗、土工膜防渗、橡胶防渗、钢板防渗等；按结构形式，可分为整体式、宽缝式、空腹式等重力坝，单曲、双曲等拱坝，连拱、大头、平板等支墩坝，均质、分区等土坝，土质、混凝土、沥青混凝土、土工膜、钢板等心墙堆石坝，混凝土、沥青混凝土、土工膜、喷混凝土等面板堆石坝，还有橡胶坝等；按坝身是否过水，可分为溢流坝、非溢流坝；按施工工艺，可分为浇筑混凝土坝、碾压混凝土坝、砌石坝、水力冲填式土石坝、抛填式土石坝、定向爆破土石坝、碾压式土石坝等。此外，还有土和混凝土组成的混合坝，以及近年新兴的融合混凝土坝、胶凝砂砾石坝和堆石混凝土坝等。

我国的大坝建设起步较晚，筑坝技术发展可大致分为四个阶段，即艰难起步阶段（新中国建立之前）、自主创业阶段（新中国建立至改革开放前）、借鉴学习阶段（改革开放后至21世纪初）、突破发展阶段（21世纪以来）。

据统计，截至2011年，中国约有87000座大坝，约占世界的一半，其中200米以上的超级高坝多在2000年后建成。经过数十年发展，我国在大坝数量、类型、坝高和筑坝技术上均有了突飞猛进的发展，重力坝、拱坝和土石坝等多种坝型都有了很大发展，新材料、新结构也在坝工建设中得到了发展和应用。在不断研究和实践中，人们总结出控制大坝安全的主要因素，如抗滑稳定、抗渗稳定、应力稳定、变形稳定和耐久稳定等，坝型不同，稳定控制的重点也不同，目前已形成了相应规范体系，为大坝安全保驾护航。

混凝土重力坝依靠结构自身重量维持稳定，对地形地质条件的适应性较好，便于布置泄水和引水设施，结构受力明确，安全可靠度高，在我国水利水电工程中得到了广泛应用，举世闻名的长江三峡大坝即采用此坝型。20世纪末，我国重力坝坝高由150米级跨入200米级；碾压混凝土重力坝技术也得到大力发展，先后建成了世界上最高的龙滩和光照碾压混凝土重力坝。重力坝由于材料强度不能充分发挥，坝体断面尺寸较大，相应水泥用量多，外来材料运输量大，且温度控制难度大，工程投资较高，制约了超高重力坝的大规模发展。

混凝土拱坝以结构合理、体型优美和超载能力强而著称，坝身还可泄水，常修建在地质条件较好的狭窄河谷中。相对于重力坝，拱坝的经济优势较为明显，相同条件下拱坝体积约为重力坝的1/1.5～1/5。我国2009年建成的小湾拱坝高295米，在建的锦屏一级拱坝高305米，均为同类坝世界最高。随着技术的发展，拱坝不仅在体型设计上日新月异，在筑坝材料上也不断创新，碾压混凝土拱坝即是一种竞争力较强的坝型。我国已建最高的碾压混凝土拱坝是大化水坝，坝高135米；在建最高的是万家口子坝，高167.5米。拱坝对地质条件要求高，勘察工作量较大、周期较长，复杂地质条件下的拱座和边坡处理工程量大，高拱坝温控与防裂要求高，施工期坝体应力控制复杂，这些问题一定程度上限制了高拱坝的选型。

土心墙堆石坝以土心墙作为防渗体，对地形地质条件适应性非常强，尤其是对于河床覆盖层深厚、设计地震烈度高等不利自然条件，是一种安全和经济的选择。我国土心墙堆石坝建设起步相对较晚，但发展非常迅速，目前已建成坝高261.5米的糯扎渡大坝，拟建的双江口坝高314米，建成后将成为世界最高土心墙堆石坝。但土心墙堆石坝的体积较大，心墙料开采占用土地较多，土料施工受气候影响较大。

混凝土面板堆石坝以其上游面的钢筋混凝土面板作为防渗体，该坝型以适应性好、工程量省和施工快而深受坝工界青睐。1985年，我国开始建设首座混凝土面板堆石坝，随后该坝型得到快速发展，建成了一批200米级高坝，包括世界最高的面板堆石坝——高233米的水布垭坝。受试验手段的限制，堆石填筑料的力学性能很难通过室内试验准确把握，坝体变形预测仍是超高堆石坝的技术难题，尚待深入研究。

随着社会和经济的不断发展，人们对安全、环保和效率等都提出了更高的要求，有些坝型被逐渐淘汰，譬如宽缝式和空腹式重力坝，支墩坝，重力墙堆石坝，水力冲填式、抛填式和定向爆破土石坝，钢板防渗坝等。而一些新坝型如碾压混凝土坝、碾压式堆石坝、胶凝砂砾石坝和堆石混凝土坝等，则展露出蓬勃生机，不断壮大和繁荣着大坝家族。

经过数十年的发展，我国大坝建设取得了丰硕成果，在充分保障安全性的前提下，筑坝技术已达到或正在向300米级高拱坝、300米级高土心墙堆石坝，300米级高面板堆石坝、250米级高碾压混凝土重力坝、深厚覆盖层上250米级高土石坝、150米级高碾压混凝土拱坝等方向发展。

大坝对生态系统的危害

大坝兴建后，形成的水库特别是大型水库，将使其周围环境发生明显的改变。对生态环境的影响主要表现在库区的淹没，滑坡、坍岸，水库淤积，生态变化，水质变化，气象变化，诱发地震等方面。

（1）淹没。建坝后，水位在坝前壅高形成回水，在回水范围内，耕地、矿藏、名胜古迹等被淹没；工厂、铁路、公路及附属设施需要拆迁；居民需要迁移，城镇需要迁建。土地和设施的赔偿费，拆迁费用相当庞大。

（2）滑坡、坍岸。岸坡浸水后，掩体的抗剪强度降低，在水库水位降落时，有可能因丧失稳定而坍滑。库区大范围坍岸，会加剧水库淤积；而坝址附近的滑坡，将给工程的正常施工和运行带来极为不利的后果。

（3）水库淤积。由于水流入库后流速减慢，挟沙能力降低，使泥沙颗粒先粗后细逐步下沉，造成淤积。淤积不仅会使库容减小，缩短水库寿命，加大淹没损失，还将影响电站和航运的正常运行。

（4）生态变化。建坝蓄水对生态环境有很大影响，受影响的有库区和下游陆地生态系统，也有河流水生生态系统或直至河口生态系统。例如，水库淹没影响陆生植物生存，并破坏其生存环境。又如，水环境变化对珍稀、濒危水声生物的种群、数量、栖息场所、繁殖场所有致命影响。典型有长江中华鲟，长江葛洲坝、三峡等工程截流后，中华鲟洄游到其上游产卵的通道被隔断，如今已采用人工繁殖、人工过坝等方式解决以避免中华鲟的灭绝。

（5）水质变化。水库蓄水后，由于库区内生物机体的分解，增加了库水的肥力，有利于水中微生物的繁殖，对鱼类生长有利。但如清库不彻底，过多的有机质在库底分解，吸收深层水中的氧，产生硫化氢，也可使水质变坏。此外还有水质的富营养化问题。

（6）气象变化。水库形成一定的水域，大的水域能改变附近地区的小气候（多雾、降雨形态变化、气温变幅减小等），并使枢纽附近地区的生态平衡发生改变。

（7）诱发地震。20世纪60年代以来，世界上有不少大水库在蓄水后发生了地震，如我国新丰江水电站在1959年10月蓄水后地震不断发生，1963年3月19日发生地震达6.1级，最大烈度达到8度。产生诱发地震的库区一般存在近期活动性地质构造，地应力较高，有局部应力集中。当水库蓄水后，岩层中的孔隙水压力增加，使原来稳定岩体中的地应力状态发生变化，地块活动随之增强。

虽然水库大坝可能产生上述诸多问题，但是建设水库产生的丰富的水资源和可再生等优点仍是其他资源无法替代的。