山西壽陽縣石門水庫滲漏分析及工程地質評價

王學勤

(山西省水利水電勘測設計研究院，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年建成運行至今36年，高水位運行多次，其中1988年8月10日，達到最高水位1116.7 m。壩前淤積厚度10 m左右。1999年前未發現水庫明顯滲漏，蓄水運行較為正常，但在2000年冬季，水庫存水約40萬m3，水庫結冰，2001年春天解凍后發現庫水干涸，同時在水庫東南邊緣發現一直徑約2 m的漏斗，水庫出現了嚴重的漏水。

2 區域地質

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

本區主要為第四系覆蓋區，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。

本區地質構造位于呂梁—太行斷塊沁水塊坳沾尚—武鄉—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構造單元。沾尚—武鄉—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，由一系列不同級別褶皺組成的復式向斜。次級褶皺的軸向為北北東向，向斜寬闊，背斜相對較窄。在褶帶內的一些地段內出現構造干擾和復合。

本區新構造運動以大面積隆起為主，無明顯差異運動，是一個較為穩定的地塊。據GB 18306-2001中國地震動參數區劃圖，區內地震動反應譜特征周期為0.40，地震動峰值加速度為0.10g，相應的地震基本烈度為7度。

3 水庫庫區地質條件

石門水庫區地貌屬黃土丘陵河谷區，河流流向由北向南，水庫區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，相對較緩。

庫區的基巖地層主要為煤系地層:二疊系下統山西組(P1s)和下石盒子組(P1x)、石炭系上統太原組(C3t)及石炭系中統本溪組(C2b)。其中山西組(P1s)為灰～灰白色中、細粒砂巖及深灰、灰黑色砂質泥巖、泥巖及煤層組成，3號，6號為穩定的可采煤層;下石盒子組(P1x):下部為灰黃、黃綠、灰黑色砂質泥巖、泥巖與灰黃色中、細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、黃綠色砂質泥巖;太原組(C3t)由灰色砂巖，深灰色、灰黑色砂質泥巖、泥巖，深灰色石灰巖及8層煤層組成。所含煤層自上而下編號為8號，9號，15號，15下號為穩定和較穩定煤層。本組厚度120 m;本溪組(C2b)由鋁土質頁巖、石灰巖組成，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。

庫區巖層平緩，巖層產狀:N65～79°E/SE∠9～16°，溢洪道進口地段巖層產狀:N81°W/SW∠10°，地層較平緩，庫區基巖出露地段在水庫南東近壩有一條斷層F1，斷層產狀為: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。巖體中節理較發育，主要的有三組，其產狀分別為:J1:N78°W/SW∠76°，J2:N68°E/NW∠78°，J3:N13°W/SW∠80°。

區內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。地下水總體流向為由北東向南西，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砂層及砂礫石層，低液限黏土層構成相對隔水層。大氣降水及基巖裂隙水是松散巖類孔隙水的主要補給來源。

水庫庫區處于石炭二疊煤系地層區域，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 水庫滲漏現象

水庫自1973年建成運行至今36年，高水位(最高水位為1988年8月10日，1116.7 m)運行多次，壩前淤積厚度10 m左右，1999年之前未發現水庫明顯滲漏，蓄水運行較為正常。2000年冬季，水庫存水約40萬m3，水庫結冰，2001年春天解凍后發現水庫干涸，同時在水庫西南部邊緣發現一直徑約2.5 m，深度2.0 m的滲水漏斗。在2001年之后，平時水庫幾乎是空庫，汛期水庫來水后滲水漏斗出現漩渦狀水流，在較短時間內庫水漏完。說明該部位存在滲水通道，水庫發生了嚴重的集中滲漏。

4.2 水庫滲漏的條件

從2001年水庫發生的滲漏情況看，在低水位條件下，40萬m3庫水在一個冰凍期全部漏失，按封凍期100 d計，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%，滲漏量遠大于平均徑流量的10%，為嚴重滲漏。從發現的滲水漏斗來看，水庫在此冰凍期發生的嚴重滲漏為集中滲漏。

從已知水庫區處于石炭二疊系煤系地層區域，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，從水庫發生的滲漏情況看，煤礦采空區、陷落柱和構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

在水庫區內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育一條斷層，斷層產狀為: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。

綜合這些現象分析認為，由于水庫南側邊緣存在通向庫外的斷層，而且斷層帶穿過庫區的位置很低，在正常蓄水位之下，這樣的斷層形成庫水滲漏是必然的。事實上斷層帶的滲漏早在水庫第一次蓄水時就發生了，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展，滲漏量逐漸增大，滲透力逐步增強，致使滲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。

滲水攜帶泥土的過程不斷進行，被滲水淘空的部分沿著斷層向上游發展，以致進入庫底，空洞的發展使其上的覆蓋(包括基巖、松散土和庫底淤積)厚度減薄，庫底抗滲透能力逐漸降低，在庫水滲透壓力與庫底抗滲力不能保持平衡時，即發生庫底被滲水擊穿，這時水庫滲漏由較小的較分散的滲漏轉變為集中的較嚴重的滲漏，同時形成了現在所見的滲水漏斗。

4.4 滲水的去向問題

2001年水庫發生的滲漏情況較為嚴重，平均每天漏失水量達4000 m3以上，但水庫下游未發現滲水流出，那么這些滲水去了哪里。

水庫區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。事實上在水庫下游分布有采空區和陷落柱，斷層在水庫和下游采空區、陷落柱之間，起著連通作用。

根據煤礦提供的采掘圖，水庫下游祥升煤礦采空區距水庫邊緣約220 m。庫水可通過斷層，滲入煤礦采空區，這些采空區內分布著巖溶陷落柱，滲漏水可通過斷層、采空區，進入陷落柱，再補給深部巖溶水。該區屬于娘子關泉巖溶水系統的補給區，地下水流向由北西向南東，水庫滲漏水最終補給了娘子關巖溶大泉。

5 水庫區滲漏問題評價

2001年石門水庫發生了滲漏。通過分析認為這次滲漏是由水庫南側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%，為嚴重的集中滲漏。而且水庫的滲漏問題遠不止于此，從水庫左右側蓄水區范圍內高程很低的部位存在采空區裂縫，水庫區內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，這些采空區裂縫和陷落柱也可產生水庫集中滲漏。所以水庫存在斷層帶滲漏、采空區裂縫滲漏和陷落柱滲漏三重威脅，水庫除了已發生的斷層帶集中滲漏外，還存在采空區裂縫和陷落柱滲漏的隱患。

6 結語

1)根據目前的資料及地質調查分析，水庫區在自然環境條件和人為作用兩個方面形成了水庫滲漏的基本條件。

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

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

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

4)近壩庫區左右側存在采空區裂縫，這些裂縫已延伸到水庫內，水庫蓄水時，庫水可順著這些裂縫滲入采空區，甚至可能沿著采空區進入采掘工作面，對井下人員安全造成威脅。

5)采空區裂縫和陷落柱發育的無規律性、不確定性以及隱蔽性，使得水庫滲漏問題變得更加復雜，防滲處理效果難以全面實現。