山西寿阳县石门水库渗漏分析及工程地质评价

王学勤

(山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024)

1 工程概况

石门水库坐落于黄河流域汾河水系潇河—白马河支流石门河上，寿阳县城北15 km的解愁乡石门村南500 m处。水库控制流域面积91.1 km2，总库容508万m3，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、养殖等综合利用的小(Ⅰ)型水库。

水库始建于1971年11月，1973年7月基本建成。水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、涵洞三部分组成。其中大坝为碾压均质土坝，坝高20 m，坝顶高程1120.6 m，坝长194 m，坝顶宽3 m。河岸敞开式宽顶堰型溢洪道位于大坝左岸。

水库自1973年建成运行至今36年，高水位运行多次，其中1988年8月10日，达到最高水位1116.7 m。坝前淤积厚度10 m左右。1999年前未发现水库明显渗漏，蓄水运行较为正常，但在2000年冬季，水库存水约40万m3，水库结冰，2001年春天解冻后发现库水干涸，同时在水库东南边缘发现一直径约2 m的漏斗，水库出现了严重的漏水。

2 区域地质

寿阳四周环山，峰峦叠嶂，中部丘陵起伏，沟壑纵横。整个地形西北部、北部较高，向东南逐渐倾斜，呈阶梯状分布。本区地貌属黄土丘陵沟壑区，河流流向由北向南，水库区地形较宽阔。

本区主要为第四系覆盖区，仅在水库周边及冲沟零星出露二叠系上、下石盒子组地层。地层从老到新依次为:奥陶系、石炭系、二叠系、上第三系及第四系。

本区地质构造位于吕梁—太行断块沁水块坳沾尚—武乡—阳城北北东向褶带的北东端。沁水块坳总体呈北北东向展布，长度350 km，宽度100 km～120 km，面积约35000 km2，是吕梁—太行断块上最大的次级构造单元。沾尚—武乡—阳城北北东向褶带是沁水块坳的主体，主要出露二叠系、三叠系，由一系列不同级别褶皱组成的复式向斜。次级褶皱的轴向为北北东向，向斜宽阔，背斜相对较窄。在褶带内的一些地段内出现构造干扰和复合。

本区新构造运动以大面积隆起为主，无明显差异运动，是一个较为稳定的地块。据GB 18306-2001中国地震动参数区划图，区内地震动反应谱特征周期为0.40，地震动峰值加速度为0.10g，相应的地震基本烈度为7度。

3 水库库区地质条件

石门水库区地貌属黄土丘陵河谷区，河流流向由北向南，水库区处于一小的峡谷之上游的宽谷地带，具有“肚大口小”的良好水库地形条件。两岸除深沟切割处或局部岸边地带有基岩出露外，其余绝大部分为黄土覆盖。

坝址河谷为一小的峡谷地形，峡谷底宽约25 m，谷顶宽约50 m，深21 m～26 m，谷底分布冲、洪积层。河谷左岸基岩裸露，岸坡陡立，右岸下部(距河床约13 m)基岩，岸坡较陡，上部为松散层覆盖，相对较缓。

库区的基岩地层主要为煤系地层:二叠系下统山西组(P1s)和下石盒子组(P1x)、石炭系上统太原组(C3t)及石炭系中统本溪组(C2b)。其中山西组(P1s)为灰～灰白色中、细粒砂岩及深灰、灰黑色砂质泥岩、泥岩及煤层组成，3号，6号为稳定的可采煤层;下石盒子组(P1x):下部为灰黄、黄绿、灰黑色砂质泥岩、泥岩与灰黄色中、细粒长石石英砂岩互层组成，底部夹2层～3层煤线。上部以灰黄、黄绿色中粗粒长石石英砂岩为主，夹灰黄、黄绿色砂质泥岩;太原组(C3t)由灰色砂岩，深灰色、灰黑色砂质泥岩、泥岩，深灰色石灰岩及8层煤层组成。所含煤层自上而下编号为8号，9号，15号，15下号为稳定和较稳定煤层。本组厚度120 m;本溪组(C2b)由铝土质页岩、石灰岩组成，上部含薄煤1层～2层。底部为赤～褐铁矿(山西式铁矿)及铝土矿组成。

库区岩层平缓，岩层产状:N65～79°E/SE∠9～16°，溢洪道进口地段岩层产状:N81°W/SW∠10°，地层较平缓，库区基岩出露地段在水库南东近坝有一条断层F1，断层产状为:N5°E/SE∠60°，岩壁上出露的断层带宽度一般为3 cm～8 cm，至地面处宽度近30 cm，上窄下宽，断层产物多为砂岩、泥岩的片状碎屑、黄绿色断层泥和角砾，属于碎屑夹泥型。岩体中节理较发育，主要的有三组，其产状分别为:J1:N78°W/SW∠76°，J2:N68°E/NW∠78°，J3:N13°W/SW∠80°。

区内地下水类型可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两种类型。地下水总体流向为由北东向南西，由两岸向河谷，与地表水流向基本一致，松散岩类孔隙水含水层为第四系全新统砂层及砂砾石层，低液限黏土层构成相对隔水层。大气降水及基岩裂隙水是松散岩类孔隙水的主要补给来源。

水库库区处于石炭二叠煤系地层区域，水库底之下140 m左右分布可采煤层。水库周边分布有众多煤矿，主要的煤矿有位于水库区尾部的小西沟煤矿，位于水库左岸的亨元煤矿，位于水库右岸和下游的祥升煤矿，还有历史上曾开采的陈家河煤矿、安胜煤矿、石门煤矿等小煤矿，而且更早的还有日军侵略时这一带就有煤矿开采。

4 水库渗漏原因分析

4.1 水库渗漏现象

水库自1973年建成运行至今36年，高水位(最高水位为1988年8月10日，1116.7 m)运行多次，坝前淤积厚度10 m左右，1999年之前未发现水库明显渗漏，蓄水运行较为正常。2000年冬季，水库存水约40万m3，水库结冰，2001年春天解冻后发现水库干涸，同时在水库西南部边缘发现一直径约2.5 m，深度2.0 m的渗水漏斗。在2001年之后，平时水库几乎是空库，汛期水库来水后渗水漏斗出现漩涡状水流，在较短时间内库水漏完。说明该部位存在渗水通道，水库发生了严重的集中渗漏。

4.2 水库渗漏的条件

从2001年水库发生的渗漏情况看，在低水位条件下，40万m3库水在一个冰冻期全部漏失，按封冻期100 d计，粗略估算为每天漏失水量4000 m3以上，即为0.046 m3/s。占多年平均径流量410万m3的35.6%，渗漏量远大于平均径流量的10%，为严重渗漏。从发现的渗水漏斗来看，水库在此冰冻期发生的严重渗漏为集中渗漏。

从已知水库区处于石炭二叠系煤系地层区域，水库底之下140 m左右分布可采煤层，水库周边有众多煤矿的情况，从水库发生的渗漏情况看，煤矿采空区、陷落柱和构造破碎带均可引起水库的集中渗漏。

4.3 水库集中渗漏的直接原因

在水库区内大坝与溢洪道之间的基岩陡崖处，二叠系上石盒子组泥岩夹砂岩层中发育一条断层，断层产状为:N5°E/SE∠60°，断层带宽度一般3 cm～8 cm，至地面处宽度近30 cm，上部窄，下部宽，断层产物多为砂岩、泥岩片状碎屑和黄绿色断层泥，下部局部被淘蚀，渗水漏斗正处于断层的上盘。在基岩陡崖下端的断层带，可见由渗水而形成的断层带空洞，在渗水点底部形成尖端向下的漏斗，断层带空洞和渗水漏斗都说明在库水渗漏过程中，水流携带了泥土和碎屑。

综合这些现象分析认为，由于水库南侧边缘存在通向库外的断层，而且断层带穿过库区的位置很低，在正常蓄水位之下，这样的断层形成库水渗漏是必然的。事实上断层带的渗漏早在水库第一次蓄水时就发生了，只是由于渗漏量较小，不被人所察觉。断层带最先形成渗漏的位置是断层与岩壁相交处的直接临水部位，渗漏是在不知不觉中发生的，渗漏的范围是从断层带与基岩陡壁相交地段逐渐向上游发展，渗漏量逐渐增大，渗透力逐步增强，致使渗透水流具有了携带泥土和岩屑的能力，将断层带的碎屑和泥质物随水流向下游，形成了断层带空洞。断层在地表出露的位置比现状淤积面高2 m左右，向上游断层即埋藏于库底淤积物之下。

渗水携带泥土的过程不断进行，被渗水淘空的部分沿着断层向上游发展，以致进入库底，空洞的发展使其上的覆盖(包括基岩、松散土和库底淤积)厚度减薄，库底抗渗透能力逐渐降低，在库水渗透压力与库底抗渗力不能保持平衡时，即发生库底被渗水击穿，这时水库渗漏由较小的较分散的渗漏转变为集中的较严重的渗漏，同时形成了现在所见的渗水漏斗。

4.4 渗水的去向问题

2001年水库发生的渗漏情况较为严重，平均每天漏失水量达4000 m3以上，但水库下游未发现渗水流出，那么这些渗水去了哪里。

水库区存在一条通向库外的断层带，一般来说较小的断层带不可能形成大的渗漏。事实上在水库下游分布有采空区和陷落柱，断层在水库和下游采空区、陷落柱之间，起着连通作用。

根据煤矿提供的采掘图，水库下游祥升煤矿采空区距水库边缘约220 m。库水可通过断层，渗入煤矿采空区，这些采空区内分布着岩溶陷落柱，渗漏水可通过断层、采空区，进入陷落柱，再补给深部岩溶水。该区属于娘子关泉岩溶水系统的补给区，地下水流向由北西向南东，水库渗漏水最终补给了娘子关岩溶大泉。

5 水库区渗漏问题评价

2001年石门水库发生了渗漏。通过分析认为这次渗漏是由水库南侧边缘的一条通向库外的断层引起的。渗漏量占多年平均径流量的35.6%，为严重的集中渗漏。而且水库的渗漏问题远不止于此，从水库左右侧蓄水区范围内高程很低的部位存在采空区裂缝，水库区内还可能存在陷落柱的情况看，水库的渗漏不仅有断层的渗漏，在一定的条件下，这些采空区裂缝和陷落柱也可产生水库集中渗漏。所以水库存在断层带渗漏、采空区裂缝渗漏和陷落柱渗漏三重威胁，水库除了已发生的断层带集中渗漏外，还存在采空区裂缝和陷落柱渗漏的隐患。

6 结语

1)根据目前的资料及地质调查分析，水库区在自然环境条件和人为作用两个方面形成了水库渗漏的基本条件。

自然环境条件为:水库处于石炭二叠系煤系地层区域，水库底之下分布煤层，煤系地层下伏奥陶系碳酸盐岩，在这个特殊组合的地质条件下发育岩溶陷落柱;水库南东边缘发育通向库外的断层。人为作用是水库周边分布煤矿采空区。

2)2001年石门水库发生的渗漏是由水库南东侧边缘的一条通向库外的断层引起的，为严重的集中渗漏。

3)引起渗漏的断层与下游采空区、陷落柱相通，渗水可以通过断层带流向采空区或者通过断层带、陷落柱补给深部的岩溶地下水。

4)近坝库区左右侧存在采空区裂缝，这些裂缝已延伸到水库内，水库蓄水时，库水可顺着这些裂缝渗入采空区，甚至可能沿着采空区进入采掘工作面，对井下人员安全造成威胁。

5)采空区裂缝和陷落柱发育的无规律性、不确定性以及隐蔽性，使得水库渗漏问题变得更加复杂，防渗处理效果难以全面实现。