余華英

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某水電站位于新疆阿勒泰地區(qū)的某河上，于2009年開工建設(shè)，控制流域面積6056km2，水庫總庫容2.32億m3，正常蓄水位752.00m，水電站裝機(jī)容量為160MW，水電站保證出力19.22MW，年平均發(fā)電量4.95億kW·h。本水電站屬大 (2)型Ⅱ等工程，由混凝土面板堆石壩、表孔泄洪洞、深孔泄洪洞、發(fā)電引水隧洞、壓力管道及地面式廠房等建筑物組成，攔河壩為1級(jí)建筑物，最大壩高146.3m。設(shè)計(jì)洪水頻率為100年一遇，校核洪水頻率為2000年一遇。

2 壩址區(qū)黃鐵礦分布情況

壩址區(qū)處于某河中下游峽谷段，兩岸山體為侵蝕構(gòu)造中低山地貌，庫區(qū)河谷段主要呈V形，兩岸谷坡較陡峻，出露的地層主要有泥盆系、石炭系、第四系和華力西中期巖漿巖，壩址基巖左岸為斜長(zhǎng)花崗巖、右岸為石英斑巖，巖體呈塊狀構(gòu)造～碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)。

由于西北地區(qū)特別是阿勒泰地區(qū)地下環(huán)境的復(fù)雜性，其侵蝕介質(zhì)的種類及危害性也是多因素綜合性的，有硫酸鹽侵蝕、酸性侵蝕、鹽鹵侵蝕等，侵蝕介質(zhì)往往含有多種有害成分。在新疆水利工程中遭遇黃鐵礦工程地質(zhì)問題的工程有“635”水利樞紐、喀臘塑克水庫，據(jù)文獻(xiàn)資料報(bào)道國(guó)內(nèi)工程建設(shè)有黃鐵礦工程地質(zhì)問題的工程有湖南鎮(zhèn)水電站左壩肩 (浙江)、清江隔河巖水電站兩岸壩肩，秦嶺鐵路隧道。

壩址區(qū)附近存在有著名的阿舍勒銅礦，礦帶分布與區(qū)內(nèi)中基性火山熔巖噴溢噴發(fā)及巖漿侵入作用有關(guān)。壩址為華力西中期侵入雜巖體細(xì)粒斜長(zhǎng)花崗巖和石炭系下統(tǒng)喀拉額爾齊斯組 (Ck1)火成巖地層，受阿舍勒銅礦床的影響，在壩址分布的巖石、斷裂及節(jié)理裂隙內(nèi)含有黃鐵礦。在基巖天然露頭的裂隙面和裂隙密集帶，有較多黃鐵礦氧化后形成的鐵銹色薄膜;在巖石中也有黃鐵礦氧化后形成的融蝕小孔，見圖1。從Ⅰ號(hào)、Ⅴ號(hào)沖溝地下水水質(zhì)分析結(jié)果看，硫酸根離子含量分別達(dá)到595.6mg/L、868.4mg/L，這些應(yīng)該是黃鐵礦氧化形成的。

圖1 黃鐵礦氧化物及孔隙

3 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高146.3m，頂寬 8m，壩頂長(zhǎng) 446m，趾板線長(zhǎng)634.5m。上游壩坡1∶1.5，下游壩坡馬道間1∶1.3。壩體從上游到下游分別為:上游鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)。墊層區(qū)水平寬4m，其上游固坡采用擠壓邊墻技術(shù)，過渡區(qū)水平寬4m，主堆石區(qū)采用新鮮巖石爆破料。

壩址區(qū)下覆基巖以F85為界，左岸及河床左側(cè)巖體為變斜長(zhǎng)花崗巖，節(jié)理裂隙較少;右岸及河床右側(cè)巖體為石英斑巖。左岸強(qiáng)風(fēng)化層厚5～6m，現(xiàn)代河床寬41m，主流偏左側(cè)，右岸強(qiáng)風(fēng)化層厚8～12m，具有風(fēng)化程度較高、岸坡上部卸荷較強(qiáng)、節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體完整性較差，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。

在壩址右岸坡角附近，順河向成帶狀分布有黃鐵礦富集帶，分布范圍為F85斷層之間及斷層右側(cè) (趾板樁號(hào)0+375～0+460)，黃鐵礦富集帶巖體裂隙極發(fā)育，裂隙面絕大部分均有黃鐵礦腐蝕較重的黑褐色氧化物，且?guī)r體受黃鐵礦氧化腐蝕影響，巖體遭到破壞而不密實(shí)，巖體破碎，地震縱波速度 Vp=1800～2200m/s，深度36～40m左右。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖揭露:左岸河床坡腳處，趾0+238～0+310段趾板巖體，受F98斷層影響，施工開挖、河流與沖溝沖蝕卸荷作用，黃鐵礦富集，有氧化腐蝕影響，巖石較破碎，開挖建基面已低于設(shè)計(jì)建基面3～5m，施工中采取回填混凝土，加深加密灌漿，并增設(shè)一排化學(xué)灌漿的處理措施。

4 趾板基礎(chǔ)黃鐵礦處理設(shè)計(jì)

黃鐵礦要在地表氧化環(huán)境下，經(jīng)氧化過程中產(chǎn)生酸性水，腐蝕混凝土中的水泥。所謂氧化環(huán)境的條件，是指巖體中具有一定的空隙，使空氣或水(指氧氣O2)能夠進(jìn)入交換，與黃鐵礦 (FeS2)接觸發(fā)生氧化反應(yīng)生成酸，并有水的流動(dòng)補(bǔ)充作用，使氧化反應(yīng)能夠持續(xù)完成，在這過程中，可生成幾十種氧化礦物，產(chǎn)生較高的酸根離子，對(duì)工程危害較大。

一般工程對(duì)于有嚴(yán)重侵蝕性可能的巖層首先采取的辦法是回避，因此，工程上受特強(qiáng)侵蝕地下水侵蝕的工程不多見，在美國(guó)歷史上也發(fā)現(xiàn)由于受高濃度SO2－4侵蝕而使混凝土遭破壞的事例，我國(guó)有如下幾處工程遇到高濃度SO2－4的侵蝕問題。

引大入秦工程盤道嶺隧洞 (1986年9月開工，歷時(shí)5年多)進(jìn)口后段出現(xiàn)的硫酸鹽腐蝕 (普通硅酸鹽水泥)，SO2－4的高峰值為6878mg/L。

克孜爾水庫右壩肩排水廊道 (1991年施工)鋼筋混凝土嚴(yán)重腐蝕(1999年)，環(huán)境水的SO2－4含量一般為1420～6724.2mg/L，最高為9846.15mg/L。

目前對(duì)強(qiáng)酸性、高濃硫酸鹽離子地下水，單純采用抗硫酸鹽水泥已無法杜絕其侵蝕性。

混凝土結(jié)構(gòu)受外界侵蝕介質(zhì)的作用，其侵蝕的速率取決于介質(zhì)的濃度、混凝土的密實(shí)度和水泥品種。因此，混凝土防腐蝕應(yīng)從混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕的機(jī)理入手，綜合研究各種防腐施工設(shè)計(jì)方案。一是考慮采取措施將混凝土與侵蝕介質(zhì)隔離開，阻斷侵蝕源;二是提高混凝土的密實(shí)度，增強(qiáng)混凝土抗?jié)B透侵入破壞的能力;三是選用抗侵蝕性能好的混凝土膠凝材料。具體可概括為:堵、隔、抗、排等四種綜合防腐措施。

(1)堵:經(jīng)過對(duì)壩址黃鐵礦各氧化帶深度統(tǒng)計(jì)，對(duì)比風(fēng)化界線，強(qiáng)氧化界線:左岸約平行弱風(fēng)化界線以下7～12m，河床及右岸在弱風(fēng)化界線附近;強(qiáng)氧化界線與透水界線比較，左岸弱氧化界線基本與3Lu透水線一致，河床及右岸弱氧化界線淺于或接近3Lu透水線，換言之，帷幕灌漿深度能夠包住巖體強(qiáng)氧化帶深度。帷幕灌漿采用高抗硫酸鹽水泥。

其中在F85斷層附近 (趾板樁號(hào)0+375～0+460)，強(qiáng)氧化帶巖體受氧化腐蝕強(qiáng)烈，影響了巖體完整性。在黃鐵礦強(qiáng)氧化帶趾板下兩排帷幕灌漿中部增設(shè)一排環(huán)氧樹脂類的化學(xué)灌漿，單排，孔距1m，最大深度35m化學(xué)灌漿，灌漿前進(jìn)行洗孔，阻斷基巖裂隙水及侵蝕源。

處理趾板下斷層破碎帶時(shí)，在清除節(jié)裂隙或斷層破碎帶內(nèi)的充填物后，用高壓水沖洗干凈，并根據(jù)縫寬的大小，灌入水泥漿或水泥砂漿進(jìn)行封堵。

(2)隔:表面挖除趾板下黃鐵礦腐蝕的巖體，適當(dāng)加深清基深度置換處理，用防腐蝕材料隔絕，并涂防腐材料，使建筑物與侵蝕性環(huán)境介質(zhì)隔離;外防腐材料使用丙乳砂漿是科學(xué)的、適宜的，既防水又防腐。在趾板樁號(hào)0+375～0+460，強(qiáng)氧化帶巖體受氧化腐蝕強(qiáng)烈的建基面，趾板巖石建基面上均勻涂刷大于3cm厚的丙乳砂漿。趾板樁號(hào)0+375～0+460的趾板外表面均勻涂刷丙乳砂漿。對(duì)斷層帶和節(jié)理密集帶及黃鐵礦較高部位，建基面開挖后視具體情況，還需適當(dāng)加深清基深度置換處理。

(3)抗:提高混凝土密實(shí)度，采用抗侵蝕水泥膠凝材料，增強(qiáng)混凝土抗?jié)B透侵入破壞的能力;因此，對(duì)各類建筑物混凝土與基巖接觸面和灌漿處理以及水庫死水位以下的混凝土工程，須考慮硫酸鹽的侵蝕問題，采用高抗硫酸鹽水泥和大摻量的超細(xì)礦渣微粉的改性作用。不僅具備結(jié)構(gòu)所要求的抗侵蝕性又有高強(qiáng)和高耐久性。

(4)排:在施工期壩基底部加強(qiáng)排水，并對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

5 蓄水后黃鐵礦的問題

調(diào)查分析認(rèn)為，造成壩址區(qū)部分地下水硫酸根離子增高的原因與區(qū)內(nèi)巖石中分布的黃鐵礦有關(guān)，地下水硫酸根離子濃度增高的主要原因是由于沿?cái)嗔褞Х植嫉狞S鐵礦經(jīng)水解氧化作用的結(jié)果。因此，在工程建設(shè)期間，對(duì)處于節(jié)理密集帶和斷層破碎帶的建筑物和建筑物基礎(chǔ)采取防腐處理;大壩建成蓄水后，庫區(qū)和壩基均處于還原環(huán)境，黃鐵礦不會(huì)進(jìn)一步發(fā)生水解氧化作用，加之地下水交換量加大，地下水硫酸根離子濃度會(huì)逐步降低，工程地質(zhì)條件會(huì)逐步改善。

1 SL228—1998混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］

2 蔣國(guó)澄.中國(guó)混凝土面板堆石壩20年 (1985～2005)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005

3 張景秀.壩基防滲與灌漿技術(shù) (第二版)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2002

4 蔣國(guó)澄，傅志安，鳳家驥.混凝土面板壩工程 ［M］.武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1997