南门峡水库渗漏路径地质雷达探测分析

白　云,袁宝远,潘玮璠

(1.青海省水利水电勘测设计研究院, 青海西宁810012;2.河海大学地球科学与工程学院, 江苏南京210098)



南门峡水库渗漏路径地质雷达探测分析

白云1,袁宝远2,潘玮璠2

(1.青海省水利水电勘测设计研究院, 青海西宁810012;2.河海大学地球科学与工程学院, 江苏南京210098)

摘要:南门峡水库存在严重的渗漏问题，历次的灌浆都不能很好地解决这一问题。为查明其渗漏问题，引进的英国Groundvue系列地质雷达系统，探测水库的渗流通道，寻找主要渗漏路径。通过系统的探测分析，得出坝基基岩存在明显的强渗漏带，历次的注浆帷幕与坝基的防渗墙有2~3 m的水平距离，右岸注浆平硐局部有明显的破碎发育带等结果，这为南门峡水库的除险加固设计与施工提供技术支撑。

关键词：地质雷达;南门峡水库;渗漏通道;探测分析

南门峡水库是以灌溉为主的Ⅲ等中型工程，始建于1974年，1982年投入运行。由于该水库地质条件复杂，坝基和两坝肩构造岩溶、裂隙发育，渗漏比较严重。南门峡水库防渗处理工程早在1975年大坝施工期间就已经开始，至今已进行了三个阶段帷幕灌浆处理，但效果均不理想。

南门峡水库地理位置重要，运行效益显著，岩溶渗漏严重[1-2]，准备进行除险加固处理。由于地质条件复杂，岩溶与裂隙分布情况不明，历次防渗处理效果不明显，迫切需要查明岩溶渗漏部位和路径。

地质雷达技术在深部测试中有很多技术优势[3-12]，通过引进的英国Groundvue系列地质雷达系统，结合现场测试和验证，确定南门峡水库岩溶渗漏分布和路径，提高除险加固效果，为防渗加固提供技术支撑是非常必要的。

1工程概况

南门峡水库位于青海省互助县城西北上峡口处，距县城15.5 km，距西宁55 km，交通方便。南门峡水库是以灌溉为主的中型水利工程，由大坝、左岸溢洪洞、右岸放水洞组成。现总库容为1 840×104m3，灌溉面积5.3×103km2，大坝为壤土心墙砂壳坝，最大坝高37.5 m，坝顶高程2 772.5 m，坝项长467 m，正常蓄水位2 769.20 m，上游坝坡1∶2.75，为干砌石护坡，下游坝坡1∶2.0~1∶2.75,属Ⅲ级建筑物。南门峡水库大坝剖面图见图1。

图1南门峡水库大坝剖面图

Fig.1Sectional view of Nanmenxia reservoir dam

该工程于1973年开始筹建，1974年正式动工，1977年完成坝基防渗处理，1984年大坝填筑全面完成，1982年正式投入运行。由于水库位于碳酸岩地区，水文地质及工程地质条件比较复杂，在当年的施工中就发现坝基和两坝肩构造溶蚀、裂隙发育，渗漏比较严重，在基坑开挖时，9处涌水点就有8处在桩号(0+45)~(0+317.9)m，总涌水量达305 L/s。由于渗漏严重，自建库到目前没有达到设计库容。

2水库渗漏治理过程

南门峡水库早在1975年水库大坝施工期间就发现坝基和两坝肩构造岩溶、裂隙发育，便展开了坝基帷幕灌浆工作，基本上形成了一个以单排帷幕为主的坝基防漏帷幕，帷幕总长为558.5 m，该次施工沿左库岸公路进行，帷幕线长230 m，共设钻孔280孔。大量的灌浆工作所初步形成的帷幕对减少水库渗漏，保障大坝安全起到了一定的作用。1975年至1981年为第一阶段。

后期水库渗漏状况不断恶化，又经历了两阶段灌浆，1989年~1990年为第二阶段，2001年~2002年对左坝肩又进行了补充帷幕灌浆，该次施工沿左库岸公路进行，帷幕线长230 m，共设钻孔280孔。历次灌浆后都有效的缓解了渗漏情况。

2010年10月对水库大坝进行了安全鉴定，认为南门峡水库大坝仍存在较严重的病险，主要包括坝基(肩)渗漏严重，渗透稳定性不满足规范要求等，水库不能按设计要求正常运行，属三类坝，应尽快立项除险加固，以防造成重大灾害，并充分发挥水库的社会经济效益。2010年11月，水利部大坝安全管理中心对南门峡水库大坝安全鉴定成果进行了现场核查，核查单位意见：该水库存在的主要病险为大坝坝基及左右坝肩严重渗漏。

南门峡水库重要的地理位置，水库的运行效益显著，急需进行除险加固处理，水库作为北干渠的退水调节水库，尽早完成除险加固是必要的。有关部门已决定对南门峡水库进行除险加固，工程施工内容主要为左右岸灌浆平硐、帷幕灌浆及溢洪洞衬砌等项目。

3地质雷达测试

为了解决多年来南门峡水库除险加固过程中渗漏路径的问题，采用英国先进的Groundvue系列地质雷达仪器进行测试。

Groundvue系列地质雷达是由英国Utsi Electronics公司著名雷达专家Vincent Utsi和他的团队一起开发的。为了满足测量深度和测量精度上的要求，采用GV2和GV6两种型号的雷达对南门峡水库的坝顶、坝前后及坡上等各处进行测量。

GV2(图2)是一种频率在30~100 MHz的单通道地质雷达，中心频率为50 MHz，分辨率为0.5 m，属于冲激地质雷达体制中的一种，其探测深度最深可达60 m；GV6(图3)是一种步进式变频雷达，频率在5~30 MHz，其硬件构成十分简单，较为轻便，操作也十分方便。VG6采用非屏蔽双天线，其中心频率为10 MHz，分辨率为2.5 m，理论探测深度最深可达到200 m。

采用不同测深、分辨率的雷达，可以在后期将相同段的测量结果进行对比分析，互为补充。 地质雷达的测量方法根据探测的目标不同、探测的目的不同，分为连续剖面扫描探测、宽角探测、共中心点探测和透射探测。 因为想要获悉的是南门峡水库左右坝肩的裂隙发育和岩溶管道情况以及坝前坡地下混凝土防渗墙的位置情况，再根据GV系列地质雷达的特点，所以选取的是连续剖面扫描探测的方式。

图2GV2地质雷达

Fig.2GV2 ground penetrating radar

图3GV6地质雷达

Fig.3GV6 ground penetrating radar

图4　地质雷达反射法探测示意图Fig.4　GPR reflection method detection diagram

连续剖面扫描探测方式原理如图4 所示。在实际探测中，反射探测方式的特点在于让发射天线(T)与接收天线(R)保持一个确定的间距沿测线同时前移，从而探测地下目标物。地质雷达仪器的发射天线和接收天线，在每次同时经过各个测点时会记录下一次回波波形，因此当雷达仪器沿测线完成了该次探测任务之后，就获得了测线位置上地下目标物的地质雷达回波曲线图，其橫坐标为仪器在地表测量时的位置，也就是测点坐标，纵坐标为地质雷达的电磁波从发射到接收的双程用时。当实际探测，录取数据时，可以采用连续录取多道数据并对其作平均处理的方法，来减小探测时产生的随机误差。这种记录方式不需要对回波进行再处理，就能够直观反映出测线位置上地下各反射界面的特征。

4测试反馈

通过系统的GV地质雷达现场测试与数据分析，得到了与水库除险加固有关的有效结论，其中一些结论通过钻探工作得到了很好的验证，主要成果为以下几方面：

①通过GV2地质雷达测试分析发现右岸注浆洞局部有明显的裂隙发育带。在水库大坝右岸注浆平硐进行的GV2地质雷达测试分析，测试结果发现右岸注浆平硐(0+450)~(0+470) m段存在明显的裂隙发育带，如图5示。需要在除险加固中充分注意。

图5　右岸灌浆平硐GV2地质雷达图

②通过GV6地质雷达测试分析，确定了坝基防渗墙的位置及延伸状况坝基防渗墙位于坝前坡从坝基建基面到基岩面之间，用于防止基岩面上卵砾石覆盖层渗水。由于缺乏准确的原始设计图纸，在历次灌浆加固坝基时，一般认为其水平垂直坝轴向位置在现有的注浆平台边。通过垂直坝轴向坝前坡上GV6地质雷达测试，发现其水平垂直坝轴向位置位于灌浆平台靠近坝顶方向，与现有的灌浆平台有2~3 m的距离，见图6。这可能是历次灌浆效果不佳的一个重要原因。

图6　GV6坝前坡垂直坝轴向地质雷达图

在垂直轴向的很多地质雷达测试剖面解译结果表明，坝基防渗墙在(0+40)~(0+380) m坝段间延续良好且保持平直，现场5个剖面的钻探工作验证了地质雷达探测结果。

③通过GV6测试分析发现确定坝基基岩存在明显较强渗透带。通过坝轴向坝坡底GV6地质雷达测试，发现在(0+155)~(0+205) m坝段50 m左右范围内，覆盖层下基岩存在明显的较强渗透带，如图7所示。

图7　坝坡底坝轴向GV6地质雷达图

钻探验证孔在(0+160) m、(0+180) m和(0+200) m处都见断层破碎带，局部有无充填裂隙段。坝后平台出现的的自喷水钻孔也证明该段透水性强，并且具有一定的承压性，如图8所示。

图8　坝后平台自喷钻孔

5结论

①南门峡水库的渗漏问题长期以来一直未能较好的解决，引进英国Groundvue系列地质雷达系统，为这一关键问题的解决提供了重要的技术支撑。

②通过GV6地质雷达测试分析确定了坝基防渗墙的位置及延伸状况，根据坝前坡的多道测线综合分析，结合钻探取芯的结果，混凝土防渗墙位置为上游马道帷幕灌浆中心线向下游左岸5.4 m，右岸6.1 m，防渗墙厚度在0.50 m左右，与现有的灌浆平台有3 m左右的水平距离，这可能是历次灌浆效果不佳的一个重要原因。

③通过GV6测试分析发现确定坝基基岩存在明显较强渗透带，钻探验证孔在(0+160) m、(0+180) m和(0+200) m处都见断层破碎带，局部有无充填裂隙段，这是深部坝基的主要渗漏通道。

④通过GV2地质雷达测试分析发现右岸注浆洞局部有明显的裂隙发育带，需要在除险加固中充分注意。

参考文献:

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(责任编辑梁碧芬)

Detection and analysis of seepage path of Nanmenxia reservoir using ground penetrating radar

BAI Yun1, YUAN Bao-yuan2, PAN Wei-fan2

(1. Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute, Xining 810012, China;

2. College of Earth Science and Engineering,Hohei University, Nanjing 210098, China)

Abstract:Seepage of Nanmenxia Reservoir was serious, and a series of grouting could not solve the problem. In order to find out leakages that lead to the seepage, a Ground Penetrating Radar System of the British Groundvue series was introduced to detect the seepage passage of the reservoir to find the main leakage path. By detecting the reservoir and analyzing the results, a conclusion is drawn that there is obvious strong leakage in the bedrock; that there is 3 m distance in horizontal direction from the previous curtain grouting belt to the cut-off wall in the dam foundation; that there is an obvious broken belt that developed locally on the right bank of the grouting tunnel. These findings provide a technical support for design and construction of danger-prevention and reinforcement for Nanmenxia reservoir.

Key words:ground penetrating radar; Nanmenxia reservoir; seepage path; detection and analysis

中图分类号：TV697.3

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2015)06-1359-06

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2015.1359

通讯作者：白云(1966—)，男，青海民和人，青海省水利水电勘测设计研究院高级工程师，地质总工程师；E-mail: qhslby219715@163.com。

基金项目：水利部引进国际先进农业科学技术计划项目(948项目201325)

收稿日期：2015-10-26；

修订日期：2015-11-12