山西壽陽縣石門水庫滲漏分析及工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

王學(xué)勤

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030024)

1 工程概況

石門水庫坐落于黃河流域汾河水系瀟河—白馬河支流石門河上，壽陽縣城北15 km的解愁鄉(xiāng)石門村南500 m處。水庫控制流域面積91.1 km2，總庫容508萬m3，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、養(yǎng)殖等綜合利用的小(Ⅰ)型水庫。

水庫始建于1971年11月，1973年7月基本建成。水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、涵洞三部分組成。其中大壩為碾壓均質(zhì)土壩，壩高20 m，壩頂高程1120.6 m，壩長194 m，壩頂寬3 m。河岸敞開式寬頂堰型溢洪道位于大壩左岸。

水庫自1973年建成運(yùn)行至今36年，高水位運(yùn)行多次，其中1988年8月10日，達(dá)到最高水位1116.7 m。壩前淤積厚度10 m左右。1999年前未發(fā)現(xiàn)水庫明顯滲漏，蓄水運(yùn)行較為正常，但在2000年冬季，水庫存水約40萬m3，水庫結(jié)冰，2001年春天解凍后發(fā)現(xiàn)庫水干涸，同時(shí)在水庫東南邊緣發(fā)現(xiàn)一直徑約2 m的漏斗，水庫出現(xiàn)了嚴(yán)重的漏水。

2 區(qū)域地質(zhì)

壽陽四周環(huán)山，峰巒疊嶂，中部丘陵起伏，溝壑縱橫。整個(gè)地形西北部、北部較高，向東南逐漸傾斜，呈階梯狀分布。本區(qū)地貌屬黃土丘陵溝壑區(qū)，河流流向由北向南，水庫區(qū)地形較寬闊。

本區(qū)主要為第四系覆蓋區(qū)，僅在水庫周邊及沖溝零星出露二疊系上、下石盒子組地層。地層從老到新依次為:奧陶系、石炭系、二疊系、上第三系及第四系。

本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造位于呂梁—太行斷塊沁水塊坳沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶帶的北東端。沁水塊坳總體呈北北東向展布，長度350 km，寬度100 km～120 km，面積約35000 km2，是呂梁—太行斷塊上最大的次級(jí)構(gòu)造單元。沾尚—武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶帶是沁水塊坳的主體，主要出露二疊系、三疊系，由一系列不同級(jí)別褶皺組成的復(fù)式向斜。次級(jí)褶皺的軸向?yàn)楸北睎|向，向斜寬闊，背斜相對(duì)較窄。在褶帶內(nèi)的一些地段內(nèi)出現(xiàn)構(gòu)造干擾和復(fù)合。

本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以大面積隆起為主，無明顯差異運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)較為穩(wěn)定的地塊。據(jù)GB 18306-2001中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，區(qū)內(nèi)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，相應(yīng)的地震基本烈度為7度。

3 水庫庫區(qū)地質(zhì)條件

石門水庫區(qū)地貌屬黃土丘陵河谷區(qū)，河流流向由北向南，水庫區(qū)處于一小的峽谷之上游的寬谷地帶，具有“肚大口小”的良好水庫地形條件。兩岸除深溝切割處或局部岸邊地帶有基巖出露外，其余絕大部分為黃土覆蓋。

壩址河谷為一小的峽谷地形，峽谷底寬約25 m，谷頂寬約50 m，深21 m～26 m，谷底分布沖、洪積層。河谷左岸基巖裸露，岸坡陡立，右岸下部(距河床約13 m)基巖，岸坡較陡，上部為松散層覆蓋，相對(duì)較緩。

庫區(qū)的基巖地層主要為煤系地層:二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)和下石盒子組(P1x)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)及石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)。其中山西組(P1s)為灰～灰白色中、細(xì)粒砂巖及深灰、灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，3號(hào)，6號(hào)為穩(wěn)定的可采煤層;下石盒子組(P1x):下部為灰黃、黃綠、灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖與灰黃色中、細(xì)粒長石石英砂巖互層組成，底部夾2層～3層煤線。上部以灰黃、黃綠色中粗粒長石石英砂巖為主，夾灰黃、黃綠色砂質(zhì)泥巖;太原組(C3t)由灰色砂巖，深灰色、灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖，深灰色石灰?guī)r及8層煤層組成。所含煤層自上而下編號(hào)為8號(hào)，9號(hào)，15號(hào)，15下號(hào)為穩(wěn)定和較穩(wěn)定煤層。本組厚度120 m;本溪組(C2b)由鋁土質(zhì)頁巖、石灰?guī)r組成，上部含薄煤1層～2層。底部為赤～褐鐵礦(山西式鐵礦)及鋁土礦組成。

庫區(qū)巖層平緩，巖層產(chǎn)狀:N65～79°E/SE∠9～16°，溢洪道進(jìn)口地段巖層產(chǎn)狀:N81°W/SW∠10°，地層較平緩，庫區(qū)基巖出露地段在水庫南東近壩有一條斷層F1，斷層產(chǎn)狀為:N5°E/SE∠60°，巖壁上出露的斷層帶寬度一般為3 cm～8 cm，至地面處寬度近30 cm，上窄下寬，斷層產(chǎn)物多為砂巖、泥巖的片狀碎屑、黃綠色斷層泥和角礫，屬于碎屑夾泥型。巖體中節(jié)理較發(fā)育，主要的有三組，其產(chǎn)狀分別為:J1:N78°W/SW∠76°，J2:N68°E/NW∠78°，J3:N13°W/SW∠80°。

區(qū)內(nèi)地下水類型可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。地下水總體流向?yàn)橛杀睎|向南西，由兩岸向河谷，與地表水流向基本一致，松散巖類孔隙水含水層為第四系全新統(tǒng)砂層及砂礫石層，低液限黏土層構(gòu)成相對(duì)隔水層。大氣降水及基巖裂隙水是松散巖類孔隙水的主要補(bǔ)給來源。

水庫庫區(qū)處于石炭二疊煤系地層區(qū)域，水庫底之下140 m左右分布可采煤層。水庫周邊分布有眾多煤礦，主要的煤礦有位于水庫區(qū)尾部的小西溝煤礦，位于水庫左岸的亨元煤礦，位于水庫右岸和下游的祥升煤礦，還有歷史上曾開采的陳家河煤礦、安勝煤礦、石門煤礦等小煤礦，而且更早的還有日軍侵略時(shí)這一帶就有煤礦開采。

4 水庫滲漏原因分析

4.1 水庫滲漏現(xiàn)象

水庫自1973年建成運(yùn)行至今36年，高水位(最高水位為1988年8月10日，1116.7 m)運(yùn)行多次，壩前淤積厚度10 m左右，1999年之前未發(fā)現(xiàn)水庫明顯滲漏，蓄水運(yùn)行較為正常。2000年冬季，水庫存水約40萬m3，水庫結(jié)冰，2001年春天解凍后發(fā)現(xiàn)水庫干涸，同時(shí)在水庫西南部邊緣發(fā)現(xiàn)一直徑約2.5 m，深度2.0 m的滲水漏斗。在2001年之后，平時(shí)水庫幾乎是空庫，汛期水庫來水后滲水漏斗出現(xiàn)漩渦狀水流，在較短時(shí)間內(nèi)庫水漏完。說明該部位存在滲水通道，水庫發(fā)生了嚴(yán)重的集中滲漏。

4.2 水庫滲漏的條件

從2001年水庫發(fā)生的滲漏情況看，在低水位條件下，40萬m3庫水在一個(gè)冰凍期全部漏失，按封凍期100 d計(jì)，粗略估算為每天漏失水量4000 m3以上，即為0.046 m3/s。占多年平均徑流量410萬m3的35.6%，滲漏量遠(yuǎn)大于平均徑流量的10%，為嚴(yán)重滲漏。從發(fā)現(xiàn)的滲水漏斗來看，水庫在此冰凍期發(fā)生的嚴(yán)重滲漏為集中滲漏。

從已知水庫區(qū)處于石炭二疊系煤系地層區(qū)域，水庫底之下140 m左右分布可采煤層，水庫周邊有眾多煤礦的情況，從水庫發(fā)生的滲漏情況看，煤礦采空區(qū)、陷落柱和構(gòu)造破碎帶均可引起水庫的集中滲漏。

4.3 水庫集中滲漏的直接原因

在水庫區(qū)內(nèi)大壩與溢洪道之間的基巖陡崖處，二疊系上石盒子組泥巖夾砂巖層中發(fā)育一條斷層，斷層產(chǎn)狀為:N5°E/SE∠60°，斷層帶寬度一般3 cm～8 cm，至地面處寬度近30 cm，上部窄，下部寬，斷層產(chǎn)物多為砂巖、泥巖片狀碎屑和黃綠色斷層泥，下部局部被淘蝕，滲水漏斗正處于斷層的上盤。在基巖陡崖下端的斷層帶，可見由滲水而形成的斷層帶空洞，在滲水點(diǎn)底部形成尖端向下的漏斗，斷層帶空洞和滲水漏斗都說明在庫水滲漏過程中，水流攜帶了泥土和碎屑。

綜合這些現(xiàn)象分析認(rèn)為，由于水庫南側(cè)邊緣存在通向庫外的斷層，而且斷層帶穿過庫區(qū)的位置很低，在正常蓄水位之下，這樣的斷層形成庫水滲漏是必然的。事實(shí)上斷層帶的滲漏早在水庫第一次蓄水時(shí)就發(fā)生了，只是由于滲漏量較小，不被人所察覺。斷層帶最先形成滲漏的位置是斷層與巖壁相交處的直接臨水部位，滲漏是在不知不覺中發(fā)生的，滲漏的范圍是從斷層帶與基巖陡壁相交地段逐漸向上游發(fā)展，滲漏量逐漸增大，滲透力逐步增強(qiáng)，致使?jié)B透水流具有了攜帶泥土和巖屑的能力，將斷層帶的碎屑和泥質(zhì)物隨水流向下游，形成了斷層帶空洞。斷層在地表出露的位置比現(xiàn)狀淤積面高2 m左右，向上游斷層即埋藏于庫底淤積物之下。

滲水?dāng)y帶泥土的過程不斷進(jìn)行，被滲水淘空的部分沿著斷層向上游發(fā)展，以致進(jìn)入庫底，空洞的發(fā)展使其上的覆蓋(包括基巖、松散土和庫底淤積)厚度減薄，庫底抗?jié)B透能力逐漸降低，在庫水滲透壓力與庫底抗?jié)B力不能保持平衡時(shí)，即發(fā)生庫底被滲水擊穿，這時(shí)水庫滲漏由較小的較分散的滲漏轉(zhuǎn)變?yōu)榧械妮^嚴(yán)重的滲漏，同時(shí)形成了現(xiàn)在所見的滲水漏斗。

4.4 滲水的去向問題

2001年水庫發(fā)生的滲漏情況較為嚴(yán)重，平均每天漏失水量達(dá)4000 m3以上，但水庫下游未發(fā)現(xiàn)滲水流出，那么這些滲水去了哪里。

水庫區(qū)存在一條通向庫外的斷層帶，一般來說較小的斷層帶不可能形成大的滲漏。事實(shí)上在水庫下游分布有采空區(qū)和陷落柱，斷層在水庫和下游采空區(qū)、陷落柱之間，起著連通作用。

根據(jù)煤礦提供的采掘圖，水庫下游祥升煤礦采空區(qū)距水庫邊緣約220 m。庫水可通過斷層，滲入煤礦采空區(qū)，這些采空區(qū)內(nèi)分布著巖溶陷落柱，滲漏水可通過斷層、采空區(qū)，進(jìn)入陷落柱，再補(bǔ)給深部巖溶水。該區(qū)屬于娘子關(guān)泉巖溶水系統(tǒng)的補(bǔ)給區(qū)，地下水流向由北西向南東，水庫滲漏水最終補(bǔ)給了娘子關(guān)巖溶大泉。

5 水庫區(qū)滲漏問題評(píng)價(jià)

2001年石門水庫發(fā)生了滲漏。通過分析認(rèn)為這次滲漏是由水庫南側(cè)邊緣的一條通向庫外的斷層引起的。滲漏量占多年平均徑流量的35.6%，為嚴(yán)重的集中滲漏。而且水庫的滲漏問題遠(yuǎn)不止于此，從水庫左右側(cè)蓄水區(qū)范圍內(nèi)高程很低的部位存在采空區(qū)裂縫，水庫區(qū)內(nèi)還可能存在陷落柱的情況看，水庫的滲漏不僅有斷層的滲漏，在一定的條件下，這些采空區(qū)裂縫和陷落柱也可產(chǎn)生水庫集中滲漏。所以水庫存在斷層帶滲漏、采空區(qū)裂縫滲漏和陷落柱滲漏三重威脅，水庫除了已發(fā)生的斷層帶集中滲漏外，還存在采空區(qū)裂縫和陷落柱滲漏的隱患。

6 結(jié)語

1)根據(jù)目前的資料及地質(zhì)調(diào)查分析，水庫區(qū)在自然環(huán)境條件和人為作用兩個(gè)方面形成了水庫滲漏的基本條件。

自然環(huán)境條件為:水庫處于石炭二疊系煤系地層區(qū)域，水庫底之下分布煤層，煤系地層下伏奧陶系碳酸鹽巖，在這個(gè)特殊組合的地質(zhì)條件下發(fā)育巖溶陷落柱;水庫南東邊緣發(fā)育通向庫外的斷層。人為作用是水庫周邊分布煤礦采空區(qū)。

2)2001年石門水庫發(fā)生的滲漏是由水庫南東側(cè)邊緣的一條通向庫外的斷層引起的，為嚴(yán)重的集中滲漏。

3)引起滲漏的斷層與下游采空區(qū)、陷落柱相通，滲水可以通過斷層帶流向采空區(qū)或者通過斷層帶、陷落柱補(bǔ)給深部的巖溶地下水。

4)近壩庫區(qū)左右側(cè)存在采空區(qū)裂縫，這些裂縫已延伸到水庫內(nèi)，水庫蓄水時(shí)，庫水可順著這些裂縫滲入采空區(qū)，甚至可能沿著采空區(qū)進(jìn)入采掘工作面，對(duì)井下人員安全造成威脅。

5)采空區(qū)裂縫和陷落柱發(fā)育的無規(guī)律性、不確定性以及隱蔽性，使得水庫滲漏問題變得更加復(fù)雜，防滲處理效果難以全面實(shí)現(xiàn)。