張志敏，龍建輝，周子?xùn)|

（1.河南省水利勘測(cè)有限公司，鄭州 450008；2.太原理工大學(xué) 地球科學(xué)與工程系，太原 030024）

水工RCC壩多采用干貧混凝土，大量摻加粉煤灰，以減少混凝土發(fā)熱量；壩體采用溫控措施和表面防裂措施，體積大、長(zhǎng)期與壓力水接觸或暴露在空氣中。裂縫滲流過程中，水壓變化明顯，在物理化學(xué)各種因素的環(huán)境條件作用下，混凝土壩體可能產(chǎn)生溶出性侵蝕，從而影響壩體安全穩(wěn)定和使用壽命。

某水庫(kù)位于豫西南洪河支流上，控制流域面積230km2，總庫(kù)容1.2億 m3，屬大（2）型工程，工程等級(jí)為Ⅱ等，樞紐主要建筑物為2級(jí)，大壩壩型為全斷面RCC重力壩，最大壩高40.5m。該水庫(kù)于1998年1月竣工并投入運(yùn)行。根據(jù)建筑物功能，劃分為溢流壩段和擋水壩段。擋水壩段壩頂高程112.50 m，溢流壩段堰頂高程105.0m。為增強(qiáng)壩體的防滲性能，在壩體上游側(cè)設(shè)置3m寬的二級(jí)配RCC，且在上游面設(shè)置有機(jī)材料防滲層，在壩體下游側(cè)高程86.00m以下設(shè)置1.5m寬的二級(jí)配RCC。壩體內(nèi)靠近上游側(cè)設(shè)一條灌漿排水廊道，底部高程為77.00m，斷面型式為城門洞型，寬×高為2.5m×3.0m，在樁號(hào)右0＋031.00、右0＋096.00、右0＋146.00、右0＋240.00、右0＋334.50 和 右 0＋439.00等處分別設(shè)觀測(cè)廊道。

2000年以來在觀測(cè)廊道上下游邊墻呈現(xiàn)鐘乳石狀白色或白色雜黃色絮狀物。析出物大部分從廊道邊墻與拱頂?shù)慕涌p處自上而下面狀分布，絮狀物最厚3～5cm，部分從廊道裂縫滲漏處或拱頂邊墻側(cè)排水孔射流狀析出，另外廊道集水溝內(nèi)亦有絮狀物沉積。至2003年12月三年內(nèi)白色析出物9210kg，而2004年1月至2005年3月析出物達(dá)8120kg。

筆者以環(huán)境介質(zhì)物理化學(xué)、水理特性分析為基礎(chǔ)，通過析出物成分分析，對(duì)生產(chǎn)過程化學(xué)機(jī)理進(jìn)行研究，提出了該現(xiàn)象的“類溶蝕”機(jī)理，同時(shí)對(duì)壩體進(jìn)行強(qiáng)度與透水性檢測(cè)，分析了異物析出現(xiàn)象對(duì)壩體的危害性。

1 環(huán)境介質(zhì)特性分析

水工建筑物環(huán)境主要包含固體和液體材料介質(zhì)及與工程相關(guān)的氣候、工況、滲透環(huán)境等。

1.1 環(huán)境介質(zhì)物理化學(xué)及水理特性

大壩廊道迎水面及周邊常態(tài)混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為R90200S6D50；廊道拱頂預(yù)制混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)R28200S6D50，廊道背水面三級(jí)配RCCD80設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)R90150S4D50。

水泥礦物組分為 C3S、C2S、C3A、C4AF、游離CaO等，粉煤灰為Ⅱ級(jí)灰。

集料礦物特征：細(xì)集料為天然中砂，其細(xì)度模數(shù)在2.24～2.72，由石英砂巖巖屑和石英晶體組成，其中石英砂巖由石英晶體、少量微晶質(zhì)至隱晶質(zhì)石英、玉髓和云母組成，屬疑似堿活性骨料。該細(xì)集料具堿硅酸反應(yīng)活性[1]。

試驗(yàn)按砂漿棒快速法[1]，樣品堿硅酸鹽反應(yīng)膨脹性試驗(yàn)如表1所示。

表1 集料砂漿棒試驗(yàn)成果（體積分?jǐn)?shù)）

粗集料卵石主要為石英砂巖，由石英晶體鑲嵌構(gòu)造而成，局部有約1%的玉髓、微晶質(zhì)至隱晶質(zhì)石英和波狀消光石英，少量卵石由大小不等的長(zhǎng)石組成。按照文獻(xiàn)[1]砂漿試件14d的膨脹率小于0.1%時(shí)，則為非活性，并結(jié)合巖相分析、試件檢測(cè)、工程記錄及28d后的膨脹試驗(yàn)結(jié)果等綜合判定集料不具有堿硅酸鹽反應(yīng)活性。

1.2 液體環(huán)境

2007年和2012年分別采取庫(kù)水和廊道滲出水，進(jìn)行水質(zhì)分析及侵蝕性CO2分析。成果顯示，庫(kù)水在汛期為軟水，在非汛期為微硬水，環(huán)境水均滿足鋼筋混凝土拌和與養(yǎng)護(hù)用水指標(biāo)要求。按文獻(xiàn)[3]判定，環(huán)境水對(duì)混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均無腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

工程區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫14.6℃，多年平均蒸發(fā)量1784mm。區(qū)域內(nèi)降水豐沛，多年平均降水量1056mm，雨量多集中于夏季，6—9月降水量占全年降水量60%以上。水庫(kù)蓄水水位穩(wěn)定，下游廊道常年潮濕、滲水。

2 壩體裂縫與滲漏特征

2.1 壩體裂縫與透水性特征

截止2012年7月左、右岸擋水壩共發(fā)現(xiàn)近170條豎向裂縫，其中壩下游面豎向裂縫79條；上、下游側(cè)有23對(duì)豎向裂縫位置基本對(duì)應(yīng)；右岸擋水壩段上游面有2條橫向裂縫，右岸擋水壩段下游面有1條橫向裂縫，左擋水壩段下游直立段有1條橫向裂縫；大壩下游面裂縫滲、漏水嚴(yán)重；泄洪閘溢流面與挑流坎共發(fā)現(xiàn)117條裂縫，右壩段裂縫明顯比左壩段多，裂縫或分縫處漏水。冬季時(shí)下游面裂縫多處可見射流現(xiàn)象，滲、漏水嚴(yán)重；而夏季裂縫閉合，在下游面裂縫中僅見5處點(diǎn)滲，滲漏量不大。

對(duì)右岸兩壩段裂縫和左岸一壩段裂縫附近進(jìn)行了3個(gè)鉆孔壓水試驗(yàn)，對(duì)壩體進(jìn)行了5個(gè)鉆孔壓水試驗(yàn)。

由試驗(yàn)成果分析：整體上壩體一般具弱透水性，且主要為弱透水下帶，壩體分縫及裂縫附近透水率較大，屬中等透水性。在兩個(gè)孔透水率最大的兩段把壓水試驗(yàn)用水染成紅色，結(jié)果均在廊道里發(fā)現(xiàn)有大量紅水溢出（圖1），壩體5個(gè)鉆孔雖局部具中等透水，但未見染色水明顯溢、析出。綜上所述，說明廊道周圍部分混凝土不密實(shí)，與廊道預(yù)留縫相通。

圖1 壓水試驗(yàn)廊道漏水情況

裂縫附近壓水試驗(yàn)過程中均未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)裂縫處滲水，說明層間無大面積連續(xù)現(xiàn)象，混凝土結(jié)構(gòu)的整體抗?jié)B性能滿足使用要求，但在薄弱部位處，已形成滲漏通道，廊道滲漏水主要來源于壩段之間接縫及部分壩體裂縫，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)加固處理。砼與基巖接觸面附近透水率較大，說明局部建基面附近局部基礎(chǔ)處理上未處理好，存在缺陷。

2.2 大壩滲漏量觀測(cè)分析

大壩滲漏量觀測(cè)集中在9號(hào)壩段基礎(chǔ)廊道處，從1998年5月開始至今壩體滲漏量主要受溫度變化影響，溫度降低，滲漏量增大，最大滲漏量出現(xiàn)在每年冬季的1月—3月，夏季7月—8月滲漏量較小，這與上游壩面裂縫低溫張開有關(guān)；2005年后壩體滲漏量有所增大，說明裂縫有進(jìn)一步擴(kuò)展趨勢(shì)。壩體滲漏量與庫(kù)水位也有一定關(guān)系，表現(xiàn)為庫(kù)水位上升，滲漏量有所增加，但較溫度影響要小。壩基滲漏量變化與庫(kù)水位、氣溫等環(huán)境量變化沒有明顯相關(guān)關(guān)系，主要受時(shí)效影響，自2002年后有逐漸增加趨勢(shì)。

根據(jù)壩基滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)資料分析壩基揚(yáng)壓力測(cè)壓管測(cè)值主要受庫(kù)水位影響，尤其是幕前管水位變化基本與庫(kù)水位變化呈正相關(guān)關(guān)系，氣溫及時(shí)效影響較小。而庫(kù)水位變幅在105～107m之間，測(cè)孔水位變幅也不大。

3 白色析出物成因分析

3.1 白色析出物分布特征

1）白色析出物與滲水點(diǎn)關(guān)系。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，廊道中迎水面和背水面都有大量的溶出物和被水侵蝕的地方，背水面比迎水面的情況嚴(yán)重，見圖2-a。析出物受滲流出水點(diǎn)和廊道結(jié)構(gòu)影響，多沿廊道頂部與廊道邊墻接縫分布。

另外，壩下游面局部滲漏點(diǎn)沿水流呈狹長(zhǎng)帶狀析出白色物質(zhì)，見圖2-b。大壩水位以上裂縫未見白色物質(zhì)。

圖2 析出物與滲水點(diǎn)位置關(guān)系

2）析出物與壩基滲流關(guān)系。壩基基巖具強(qiáng)透水性，施工中采取15～20m深懸掛帷幕，進(jìn)行垂直防滲，勘探試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)資料顯示目前帷幕有效壩基揚(yáng)壓力性態(tài)基本正常，揚(yáng)壓力系數(shù)實(shí)測(cè)值未超過設(shè)計(jì)值，壩基帷幕灌漿和排水孔聯(lián)合防滲效果較好；受下游水位較高影響，壩基揚(yáng)壓力值較大。同時(shí)，水質(zhì)分析和溶出物成分分析均未發(fā)現(xiàn)基巖的一些成分?；旧峡梢耘懦A(chǔ)帷幕灌漿破壞發(fā)生滲漏的可能性。

3）對(duì)8組白色析出物樣品進(jìn)行XRD分析，采用CuKa靶，Ni濾波片，對(duì)衍射數(shù)據(jù)d值進(jìn)行測(cè)定，分析樣品的物相，在22°～58°間顯示多重衍射峰，其中加位22°～24°，29°～30°，35°～40°，46°～50°，56°～58°等位置附近出現(xiàn)特征衍射強(qiáng)峰（見圖3）。

測(cè)試結(jié)果表明，8個(gè)樣品衍射值均與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片（PDF No：410-1475，05-0586）礦物碳酸鈣的衍射數(shù)據(jù)吻合，析出物均為礦物碳酸鈣。

3.2 白色析出物的“類溶蝕機(jī)理”

據(jù)相關(guān)研究成果，白色產(chǎn)生的析出物產(chǎn)生的原因可能有混凝土碳化、堿骨料反應(yīng)、軟水侵蝕或混凝土溶蝕等。

圖3 析出物成分XRD分析

1）混凝土碳化。根據(jù)2011年某研究院對(duì)大壩各主要結(jié)構(gòu)的混凝土碳化層深度進(jìn)行了檢測(cè)，包括迎水面等碳化層最大深度為21.4mm。因此廊道及下游壩面白色析出物不是混凝土碳化形成的。

2）堿骨料反應(yīng)（AAR）。根據(jù)試驗(yàn)成果粗集料不具堿硅酸鹽反應(yīng)活性，而細(xì)集料具有堿活性。堿骨料反應(yīng)條件是在混凝土配制時(shí)形成的，在混凝土澆筑后就會(huì)逐漸反應(yīng)，在反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量吸水膨脹和內(nèi)應(yīng)力足以使混凝土開裂的時(shí)候，工程便開始出現(xiàn)裂縫。摻某些活性混合材（如粉煤灰）可緩解、抑制混凝土的堿骨料反應(yīng)[4]。根據(jù)附近工程堿活性抑制試驗(yàn)，摻粉煤灰較為有效，如果取代質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的水泥，可有效地抑制堿骨料反應(yīng)。該RCC壩在施工中每方混凝土摻粉煤灰98～107kg，質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.2%～4.5%，有效抑制了堿活性，故廊道及下游壩面白色析出物是堿骨料反應(yīng)形成的可能性不大。

3）軟水侵蝕及混凝土溶蝕。根據(jù)水質(zhì)分析成果庫(kù)區(qū)水一般為微硬水，鈣離子含量70.72mg／L，硬水中的陰／陽離子基本上處于接近平衡狀態(tài)，化學(xué)上近似認(rèn)為是一種穩(wěn)定的無機(jī)溶劑，對(duì)于水泥等碳酸鹽／硅酸鹽物質(zhì)的腐蝕作用不顯著，基本不存在軟水侵蝕可能。但是庫(kù)水在雨季為軟水，對(duì)流經(jīng)壩體分縫及裂縫具有表面溶蝕作用[5]。

析出物化學(xué)成分分析表明，析出物為碳酸鈣。從表面現(xiàn)象看廊道及大壩下游裂縫滲漏處確實(shí)是滲漏水中的Ca2＋在混凝土外部與空氣中的CO2反應(yīng)生成的結(jié)晶物質(zhì)CaCO3，但是滲漏水中的Ca2＋不是或者至少大部分不是水泥中Ca（OH）2，這種溶蝕機(jī)理作者定義為“類巖溶溶蝕機(jī)理”。

石灰?guī)r主要成分是碳酸鈣（CaCO3），在有水和二氧化碳時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸氫鈣[Ca（HCO3）2]，

后者可溶于水，于是有空洞形成并逐步擴(kuò)大，如果混凝土中發(fā)生這種反應(yīng)，危害顯而易見。從現(xiàn)象上來看該混凝土壩體廊道滲流具有壩段分縫及裂縫（節(jié)理發(fā)育），且滲漏明顯（地下水具有流動(dòng)性），但是環(huán)境水不具有侵蝕作用，混凝土也不具有可溶性，因此不是巖溶溶蝕現(xiàn)象中對(duì)固體介質(zhì)侵蝕。庫(kù)水中存在一定濃度（達(dá)到硬水標(biāo)準(zhǔn)）的碳酸氫鈣，碳酸氫鈣屬微溶性物質(zhì)，溶解度要比碳酸鈣大的多，100mL的水在20℃的情況下是16.6g，碳酸鈣難溶于水。HCO3-＝H＋＋CO32-是個(gè)可逆反應(yīng)，廊道及壩面下游坡碳酸氫鈣在裂縫處流速變緩、壓力突變及光照日曬受熱（下游壩坡）下又會(huì)分解：

二氧化碳逸去，水中的碳酸鈣過飽和沉淀，形成從裂縫口沿重力方向向下生長(zhǎng)的一種白色析出物。開始以小突起附在裂縫口，以后逐漸向下增長(zhǎng)，具有同心同面層狀結(jié)構(gòu)。

同時(shí)從水質(zhì)分析成果中可以看出庫(kù)水通過壩體分縫或裂縫后，Ca含量從70.72mg／L降低到22.85mg／L，水質(zhì)也從微硬水變化到極軟水。根據(jù)滲漏量計(jì)算理論上2000年1月至2003年12月壩體平均滲漏量0.61L／s，2004年1月至2005年3月體平均滲漏量1.28L／s，CaCO3分子量100.09，Ca分子量40，對(duì)應(yīng)于Ca含39.96%，以上兩個(gè)時(shí)段析出鈣質(zhì)質(zhì)量理論上大致為9188，6609kg。2004年1月至2005年3月底時(shí)段理論析出物質(zhì)量略小實(shí)際記錄，分析原因主要為2005年1月至3月滲漏量實(shí)際增大較多，清理過程中雜質(zhì)、水分含量較大，雖水質(zhì)為硬水，但硬度不大，降水量略大后，存在局部時(shí)段為軟水，裂縫面可能存在接觸溶蝕。整體上理論計(jì)算與清理記錄基本一致，廊道及壩體下游坡面白色析出碳酸鈣是“類溶蝕作用”形成，鈣質(zhì)主要來源于庫(kù)水。

3.3 水體對(duì)壩體分縫及裂縫溶蝕

庫(kù)水在雨季一般受降水量影響，硬度降低，為軟水，尤其廊道滲流水為軟～極水，對(duì)流經(jīng)混凝土具有一定侵蝕性，尤其是壩體分縫及裂縫，流速更大。水工混凝土在一定流速軟水作用下的表面接觸溶蝕特性，隨著表面接觸溶蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土表層砂漿溶蝕越來越嚴(yán)重，溶出的物質(zhì)越來越多。摻入粉煤灰，可使溶蝕速率加快，溶蝕量增大[5]。不摻粉煤灰的水泥砂漿比摻有粉煤灰的水泥砂漿更耐久，經(jīng)過軟水溶蝕的試件表面極為疏松，有明顯的剝蝕痕跡。軟水溶蝕后的粉煤灰砂漿試件表面則更加粗糙、疏松。水泥砂漿、水泥粉煤灰砂漿經(jīng)過軟水溶蝕后其表層孔隙率增大、砂漿孔結(jié)構(gòu)劣化[5]。該RCC壩體分縫和裂縫滲漏模式與相關(guān)研究具有很高相似性，從壩體材料浸泡或滲透的試驗(yàn)方法不適合于評(píng)價(jià)混凝土暴露在流水中的溶蝕情況[5]，這就可以很好解釋壩體具弱透水性，溶蝕還是可以發(fā)生的原因，同時(shí)從側(cè)面說明本文3.3中統(tǒng)計(jì)析出物在2005年后比理論計(jì)算增多原因。

4 對(duì)壩體的危害分析

混凝土強(qiáng)度影響分析：根據(jù)鉆探芯樣完整性來看，除個(gè)別段破碎外，均較完整，說明壩體大部分混凝土密實(shí)度較好，混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，但廊道對(duì)應(yīng)段及層間結(jié)合部位混凝土質(zhì)量較差，層間結(jié)合部位較差處并無大面積連續(xù)情況。從強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果分析，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)基本正常，混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為23.31～27.32MPa，符合原設(shè)計(jì)200號(hào)的要求。但施工質(zhì)量穩(wěn)定性不是很好，質(zhì)量較差處，鉆孔芯樣基本不能成型。三級(jí)配混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度15.52 MPa，二級(jí)配混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度20.7MPa，竣工檢測(cè)三級(jí)配混凝土強(qiáng)度17.7～18.6MPa，二級(jí)配混凝土23.7～25.0MPa。整體上強(qiáng)度損失現(xiàn)象不明顯。

5 結(jié)語

通過研究可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

1）該壩體滲漏量受溫度影響與裂縫開展有關(guān)，溫度降低，滲漏量增大；混凝土結(jié)構(gòu)的整體抗?jié)B性能滿足使用要求，但在壩段接縫及裂縫等薄弱部位處，已形成滲漏通道，存在表面接觸溶蝕；

2）廊道及壩體下游坡面白色析出碳酸鈣是“類溶蝕作用”形成，其中Ca質(zhì)成分主要來源于庫(kù)水，是環(huán)境水通過混凝土壩體接縫或裂縫后，在廊道或下游壩面出溢處壓力減小或者溫度升高，碳酸根會(huì)和鈣離子沉淀，或者與空氣中的CO2反應(yīng)生成的結(jié)晶物質(zhì)碳酸鈣。另外一部分來源于混凝土壩體分縫和裂縫面的溶蝕。

3）從壩體混凝土強(qiáng)度檢測(cè)表明，壩體自建成后，雖存在滲流，但整體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，未出現(xiàn)堿骨料反應(yīng)、軟水侵蝕等形成鈣質(zhì)大量流失、強(qiáng)度大比例損失的現(xiàn)象，基本排除堿骨料反應(yīng)、壩體軟水侵蝕等不良危害性化學(xué)反應(yīng)，析出物對(duì)壩體穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)影響不大。

4）分析并提出了庫(kù)壩白色析出碳酸鈣的“類溶蝕”成因機(jī)理，但限于半定量和定性分析，缺少對(duì)壩體分縫和裂縫溶蝕程度的定量分析。

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