汉江丹江口大坝加高后水库环境地质问题预测（蔡耀军,罗小杰）

时间：2022-02-25 15:24:10 浏览量：次

摘要: 丹江口水利枢纽是综合开发汉江的大型水利工程，坝址位于湖北省丹江口市汉江与支流丹江汇合口下游1.5km处，分两期开发。初期工程投入运行20多年以来，库坝区地震活动具有水库诱发地震特征。库区除局部库段有崩岸及小规模滑坡活动外，库岸总体是稳定的，且基本不存在浸没问题。后期工程大坝加高后，水库诱发地震仍将存在，但地震活动强度水平和震中位置将不会出现太大变化。正常蓄水位抬高13m使得水库延长约60km，同时改变了水库运行现状。库区岸坡变形将集中发生在汉库库尾，将对移民迁建选址有一定影响;库岸再造将主要发生在汉库郧县盆地、李官桥盆地和淅川盆地库段的第四系松散堆积层展布区;局部库段存在的浸没问题需进行工程处理。

关键词: 诱发地震;滑坡;库岸再造;浸没;丹江口水库

中图分类号: TV697.2+ 5 文献标识码: A

1 概述

丹江口水利枢纽初期工程已于1973年竣工，正常蓄水位157m，坝顶高程162m，相应库容174.5亿m3 ，装机容量90万kW，具有防洪、发电、灌溉及航运等综合效益;后期续建工程即为南水北调中线水源工程，大坝加高到177.6m，相应正常蓄水位170m，丹库库尾由初期工程的白亭附近延长约30km，到达荆关镇，长约120km;汉库由天河口延至将军河口，长约188km。库容290.5亿m3 ，承担防洪、供水、发电和航运等任务。

初期工程投入运行20多年以来，库坝区地震活动具有水库诱发地震特征，最大震级为4.7级。大坝坝体稳定，建筑物运行正常。库区除局部库段有崩岸及小规模滑坡活动外，库岸总体是稳定的;库区原主要农田及城镇已淹于水下，其它相对平缓的第四系地层分布区多位于库水位以上，基本不存在浸没问题。后期工程大坝加高后，库坝区地震活动需进一步监测与研究。正常蓄水位抬高13m使得水库延长约60km，同时改变了水库运行现状，水库地质环境将发生一定变化，将会出现滑坡、库岸再造、浸没等环境工程地质问题，应按有关规程、规范以及技术标准的要求开展地质勘察工作，预防与预测地质灾害的发生，消除或减少地质灾害造成的损失。

2 水库地震预测

2.1 地震地质背景

丹江口水库库区位于秦岭东西复合构造带的南部边缘，经历了多期次的构造运动。前震旦纪本区为地槽沉积，扬子期构造运动不仅使本区地层隆起成陆，形成武当隆起带，而且产生了诸如毛塘—内乡断裂、公路断裂、青峰断裂等一系列北西西—北西向断裂带，同时伴有基性和超基性火成岩浆侵入，从而奠定了本区的主体构造骨架。在印支、燕山期，由于受淮阳山字型西翼反射弧的影响以及古老武当地块的制约，使区内构造复杂化，产生了若干褶皱轴向弧形弯转现象，近南北向均县盆地和北西向的郧县、李官桥盆地等也在此时形成。

区内几条主要断裂在白垩—早第三纪以后有不同程度的活动，晚第三纪和第四纪也都有明显的构造活动形迹，表明本区有一定程度的晚近期的地质构造活动。

库坝区处于江汉地震带，地震分布受区域构造控制。大坝30km范围内无Ms>4.7级地震发生，50km范围内有1次Ms>4.7级地震，100km范围内有4次Ms>4.7级地震，200km范围内有14次Ms>4.7级地震，300km范围内有58次Ms>4.7级地震。

2.2 地震活动特点

丹江口水利枢纽1958年9月开工兴建，1967年11月开始蓄水。始于1959年的地震台网详细地记录了丹江口水库运行前后的地震活动，从1959～1987年共记录到库坝区30km范围内各种震级地震432次，其时空迁移特征见图1(略)。

研究表明:丹江口水库地震活动有如下特点:①库坝区30km范围内，地震台网自1959年以来监测到的最大地震震级蓄水前为4.9级;第1次蓄水达156.73m水位时，地震强度增大，为4.7级，未超过蓄水前记录到的地震强度，以后地震强度有所减小。②水库蓄水前地震频率为8次/a，蓄水后为18次/a，地震活动频度增加明显;③水库蓄水前的地震活动主要分布在汉库南北两侧一定范围内，丹库内地震活动极少，这与地质构造密切相关;水库蓄水后，汉库范围内地震活动频度变化不大，丹库地震活动频度急剧增加，表现出地震活动由汉库向丹库迁移的特点，水库蓄水后，随时间推移，丹库内地震活动由南向北自李官桥盆地迁向宋仓瓦地区，并且以后一直主要在宋仓瓦地区活动。由此分析，蓄水前的地震活动与地质构造关系密切，蓄水后与碳酸盐岩区岩溶关系密切。

2.3 地震灾害预测

以上分析表明:丹江口水库区地震活动具有水库诱发地震特征。汉库内褶皱、断裂发育，郧县以北赵川一带震中与构造相联系，丹库峡谷库段碳酸盐类岩石裸露，有利于库水向深部渗透诱发构造应变能量的提前释放;而汉库虽有较大断裂，但水文地质条件简单，库段内分布的付片岩、变质岩浆岩及粘土岩、砂岩等透水性微弱，不利库水向深部渗透，不易产生诱震作用。

丹江口水库周缘30km范围内，最大一次地震（1964年）震级为4.9级。初期工程蓄水后，地震活动水平虽有所增加，但未达到历史最大地震的强度，并且最大强度的地震（1973年）发生后，库区的地震活动水平逐渐降低。因此Ms为4.7～4.9级的地震大致代表了库区的孕震水平。后期续建工程水位增加13m，水体荷载的影响效应增加甚微，仍主要取决于地震地质背景和应变能的积聚。初期工程蓄水后库区断裂所积累的应变能已提前释放，再积蓄地震能量，还需要相当长的时间，即使发生水库地震，也不会超过初期工程蓄水后的发震强度。根据水库的地震地质条件，后期续建工程可能发震的地区，仍然是丹库的碳酸盐岩分布地区。为了确保大坝的安全运行以及减小对周围居民的影响，在水库水位抬高及运行过程中，建议继续监视地震的变化。

3 岸坡形变预测

3.1 水库区岸坡背景

丹江口库区地势总体西高东低，由于岩石岩性和地质构造等不同，各区段地形地貌特征各有不同。汉江库段以中低山为主，汉江主体流向SSE～SE，坝址至何家沟（距大坝95.6km）两岸山体高程一般200～500m，相对高差100～200m，河谷以峡谷、宽谷相间，峡谷段水面宽200～300m，宽谷段400～600m，郧县、嚣川一带达800～4000m，何家沟至库尾（距大坝95.6km以上）的两岸山体高程一般400～600m，相对高差200～400m，河谷呈“V”型，水面宽200～300m。丹江库段由丘陵、盆地组成，丹江总体流向SE转向S，两岸山体高程一般200～300m，相对高差100～150m。两岸断续分布有Ⅰ～Ⅳ级河流阶地，其中Ⅰ、Ⅱ级阶地大部被初期工程所淹没。

库区元古界为浅—中变质的结晶副片岩和火山碎屑岩，其中武当群和耀岭河群在汉江库段广泛分布，并且在较老的地层中有密集的基性—酸性岩浆侵入，岩体呈长条状，与构造线走向一致。下古生界除志留系为浅变质板岩外，其余以碳酸盐岩为主，主要分布于丹库范围内;白垩系—下第三系为红色碎屑岩，主要分布在汉库盆地中;上第三系地层主要分布在李官桥盆地一带;河床、漫滩及垄岗上、冲沟中分布有第四系地层。

库区水文地质条件简单，因沟谷发育，切割较深，地下水出露点少，以基岩裂隙水为主;另在第四系松散堆积层中有零星孔隙水分布，地表水和地下水均排向库内。

3.2 岸坡变形预测

丹江库段库岸崩滑体发育微弱，滑坡主要位于汉江库段，且集中分布在天河口—将军河口库段内。这些崩滑体中，大于10万m3 崩滑体有23处（包括支流堵河4处滑坡），其中滑坡23处，规模100万～1000万m3 的6处，10万～100万m3 的17处，崩塌1处，崩塌方量约10万m3 。基岩滑坡17个，占74%（其中切层滑坡10个，顺层滑坡7个），堆积层滑坡6个，占26%。

从稳定性来看，目前库区处于稳定与基本稳定状态的崩滑体为21个，稳定性较差与差的崩滑体为2个。可见，大部分滑坡目前是稳定或基本稳定的。根据后期续建工程丹江口水库调度资料，正常蓄水位170m时间不长（仅2个月左右），主要是常见水位，其自然涨落对滑体稳定影响较大。按170m水位分析，预测大坝加高后崩滑体稳定与基本稳定的为18个，差与较差的5个。

尽管水库区滑坡活动对丹江口水利枢纽的正常运行不构成威胁，但是，汉库库尾右岸的付家洼、张家山1号和2号3个滑坡的体积均在100万m3 以上，且付家洼滑坡在水库蓄水后稳定性较差，这些滑坡对库区移民选址有一定影响。因此，在移民选址时应进行避让，必要时对滑坡进行监测。

3.3 库岸再造预测

在汉库的郧县盆地和丹库的李官桥盆地及淅川盆地中发育有第四系中、上更新统和全新统地层。丹江口大坝加高后，由于水位抬升，3个盆地内将会出现库岸再造问题。

郧县盆地、李官桥盆地及淅川盆地东部马磴一带，出露中至上更新统冲积、冲坡积、冲洪积形成的粉质粘土、粘土，为黄褐色、褐黄色，天然状态下呈坚硬—硬塑态，结构致密，遇水软化，粘滞感强。它们形成的岸坡无自然陡坎，地形较缓;新开挖的路堑、边坡、基槽易发生滑移、崩塌。如在建的209国道郧县石家沟—陈家坡一线部分路段人工开挖的边坡表层常出现剥落，尤其在雨季多处出现滑移、崩塌现象;土层中斜交剪切裂隙发育，方向不规则，常有光滑面、擦痕、油脂性光泽;含铁锰质结核和灰白色、灰绿色条带，郧县石家沟—陈家坡—城区、柳陂镇一般可见，丹江口市嚣川镇多见;岸坡上部分低层民房出现裂缝，而高层建筑现状较好。试验成果也表明:自由膨胀率为42.3%～72.5%，具弱—中等膨胀性，在初期工程库水位变幅带内宽河道的稳定坡角5°～8°，浅湾区5°～11°。据此预测，水库水位抬升后，这些膨胀土形成的岸坡将会出现库岸再造问题，将会影响郧县县城建设及移民选址，应引起重视。

4 水库浸没预测

初期工程时，随着库水位的升高，汉江库段的老均县盆地和郧县盆地、丹江库段的李官桥盆地和淅川盆地等第四系广泛发育的地势平缓地带均淹于水下，绝大部分库岸为基岩岸坡，局部第四系发育的相对平缓地段（如柳陂一带）一般地势较库水位高，浸没问题不突出。

后期工程大坝加高后，库水位升高13m，将增加淹没面积370km2 。初期工程未能影响到的平缓地带大部分处于库水位附近。水库正常运行时，部分库岸地带地下水位升高，出现浸没问题。研究表明:浸没区域主要分布在小店子村、六里坪镇、六里坪村、钟观、吴店、柳家泉、顾家营—盛湾等库段的漫滩和Ⅰ、Ⅱ级阶地前缘，且多发生在农业区，对城镇居民影响不大，且水库水位可能达到170m水位的时间短，浸没多短暂，总体上对农作物及民房影响轻微。建议对可能的浸没区根据浸没的影响程度采取开挖排水沟、加铺覆盖层或改换农作物品种等措施，以降低浸没对农作物及建筑的影响。

5 结语

根据地震台网监测成果，丹江口水利枢纽初期工程运行过程中产生了水库诱发地震，诱发的最强地震发生在水库初次蓄水到156.73m水位时，相应震级为4.7级，其它地震多在3.0级以下，震中较集中地分布在碳酸盐岩发育的丹库李官桥盆地中部及宋仓瓦地区。丹江口水库大坝加高后，水库诱发地震仍将存在，但地震活动强度水平和震中位置将不会出现太大变化;库区岸坡变形将集中发生在汉库库尾，该库段的付家洼、张家山1号和2号滑坡体积在100万m3 以上，对移民迁建选址有一定影响;库岸再造将主要发生在汉库郧县县城附近和李官桥盆地东部库段的第四系松散堆积层展布区;局部存在的浸没问题需进行工程处理。

作者简介: 蔡耀军，男，长江水利委员会设计院，教授级高级工程师。

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