周 綠 馮 藝 陳麗琴 史武詳

1 概述

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江干流中下游水電開(kāi)發(fā)規(guī)劃的控制性水庫(kù)梯級(jí)，具有年調(diào)節(jié)能力，在雅礱江梯級(jí)滾動(dòng)開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著承上啟下的重要作用，對(duì)下游梯級(jí)補(bǔ)償調(diào)節(jié)效益顯著。壩址區(qū)兩岸巖體透水性受卸荷程度和NW～NWW向裂隙帶發(fā)育程度影響明顯。右岸水平深度40 m以外為卸荷巖體，以中等透水為主；40 m以內(nèi)巖體新鮮完整，以弱偏微透水為主，局部NW～NWW向裂隙帶為中強(qiáng)透水巖體；左岸大理巖段水平深度150～200 m以外、砂板巖段200～330 m以外，受卸荷拉裂影響，巖體透水性呈中強(qiáng)透水與弱透水相間出現(xiàn)的特點(diǎn)：河床部位基巖面以下20～40 m，以中等透水為主，40～60 m以弱偏微透水為主，60 m以下巖體以綠片巖為主，地應(yīng)力集中明顯，多呈微透水。

利用兩岸壩基的六層帷幕灌漿平洞、六層壩基排水平洞和五層抗力體排水洞分層布置繞壩滲流測(cè)點(diǎn)。帷幕后布置1個(gè)斷面，從六層帷幕灌漿平洞鉆孔安裝滲壓計(jì)；排水幕線上布置1個(gè)斷面，從六層壩基排水平洞鉆孔安裝滲壓計(jì)；五層抗力體排水洞各布置3～4個(gè)斷面，從抗力體排水洞鉆孔安裝測(cè)壓管。繞壩滲流測(cè)點(diǎn)間距50～100 m，靠近壩肩附近測(cè)點(diǎn)較密，遠(yuǎn)離壩肩附近測(cè)點(diǎn)較疏。

壩基水質(zhì)的形成是水與壩基巖石、帷幕、混凝土間相互作用的結(jié)果，同時(shí)又受壩基徑流條件的制約，因此，壩基水質(zhì)是壩基滲流觀測(cè)的重要內(nèi)容，應(yīng)定期分析總結(jié)［1］。根據(jù)規(guī)范DL/T 5178-2003《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［2］要求，應(yīng)定期對(duì)大壩滲流水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，水質(zhì)分析是監(jiān)視帷幕和大壩混凝土是否被溶蝕的重要手段，也是檢驗(yàn)基礎(chǔ)處理效果及帷幕防滲效果的重要途徑。

2 現(xiàn)場(chǎng)取樣情況介紹

錦屏一級(jí)水電站運(yùn)行期水樣和析出物現(xiàn)場(chǎng)取樣工作按枯水期和豐水期分兩次進(jìn)行，取樣分別在汛前死水位和汛期蓄至正常水位進(jìn)行。2014～2017年間共開(kāi)展了3輪取樣和分析工作。

枯水期和豐水期水質(zhì)分析分別取水樣30組（大壩庫(kù)區(qū)3組，下游河道1組，大壩壩基帷幕洞、壩基排水洞、抗力體排水洞和地下廠房排水洞等26組），洞室的水樣采樣主要從滲水點(diǎn)處進(jìn)行。水樣容器應(yīng)選用具有良好磨口塞的無(wú)色硬質(zhì)細(xì)口玻璃瓶或有塞的高壓低密度聚乙烯瓶（2.5 L）。水樣容器采樣前用取水處的水清洗干凈，采樣后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄，現(xiàn)場(chǎng)記錄內(nèi)容應(yīng)包括采樣點(diǎn)編號(hào)、采樣地點(diǎn)、采樣時(shí)間、水位、水樣溫度、水源類別等。

枯水期和豐水期析出物分析樣品均15組，分別在大壩壩基帷幕洞、壩基排水洞、抗力體排水洞和地下廠房排水洞等部位，析出物取樣主要取自滲水處，采樣后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄，記錄內(nèi)容應(yīng)包括采樣點(diǎn)編號(hào)、采樣地點(diǎn)、采樣時(shí)間、水位等。水樣取樣結(jié)果詳見(jiàn)表1。

3 水質(zhì)分析

3.1 規(guī)程、規(guī)范與方法

錦屏一級(jí)水電站滲流水質(zhì)分析依照DL/T 5178-2003《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［2］附錄D.4.2確定，水質(zhì)分析按照DL/T 5194-2004《水電水利工程地質(zhì)勘察水質(zhì)分析規(guī)程》［3］進(jìn)行，水樣對(duì)混凝土的腐蝕性評(píng)價(jià)依據(jù)GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［4］進(jìn)行。

取樣完成后，在1周時(shí)間之內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果形成檢測(cè)成果報(bào)告。

水質(zhì)試驗(yàn)過(guò)程：玻璃器皿需充分洗滌，即自來(lái)水沖洗→洗滌劑刷洗→自來(lái)水沖洗→蒸餾水沖洗器皿內(nèi)壁3次，洗凈后的器皿內(nèi)壁應(yīng)均勻地被水浸潤(rùn)。滴定分析所使用的標(biāo)準(zhǔn)溶液應(yīng)采用物質(zhì)的量濃度表示，單位為mol/L；水溫的測(cè)定應(yīng)在采樣點(diǎn)進(jìn)行；pH值使用玻璃電極法測(cè)定；不參加離子平衡計(jì)算的項(xiàng)目，不參加離子平衡計(jì)算的項(xiàng)目均以mg/L表示。

3.2 成果

對(duì)庫(kù)水和尾水水樣點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如下：

（1）錦屏一級(jí)水電站3個(gè)庫(kù)水水樣（16～18號(hào)）試驗(yàn)結(jié)果基本一致，水樣均對(duì)混凝土無(wú)腐蝕；

（2）錦屏一級(jí)水電站水墊塘下游河道的水樣（19號(hào)）對(duì)混凝土無(wú)腐蝕；

（3）錦屏一級(jí)水電站26個(gè)工程內(nèi)部滲流水取樣點(diǎn)中，有19個(gè)取樣點(diǎn)的水樣（3～9，11，14～15，20～25，27～29號(hào)）均對(duì)混凝土無(wú)腐蝕；1個(gè)取樣點(diǎn)（30號(hào)）枯水期時(shí)水樣對(duì)混凝土具有重碳酸型弱腐蝕，豐水期時(shí)水樣轉(zhuǎn)為對(duì)混凝土無(wú)腐蝕；6個(gè)取樣點(diǎn)的水樣（1～2，10，12～13，26號(hào)）對(duì)混凝土具有重碳酸型中等腐蝕。

水質(zhì)分析成果詳見(jiàn)表2～3。

3.3 反應(yīng)機(jī)理分析

環(huán)境水對(duì)混凝土腐蝕性類型及具體界限指標(biāo)見(jiàn)表4。環(huán)境水是多種腐蝕性介質(zhì)的復(fù)合溶液，在對(duì)混凝土產(chǎn)生腐蝕時(shí)各種離子相互影響、共同作用，但其中某些離子起著主要作用。環(huán)境水的腐蝕分類有多種方法，目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，較常見(jiàn)的是按環(huán)境水的腐蝕介質(zhì)特征將腐蝕性類型分為一般酸性型、碳酸型、重碳酸型、鎂離子型、硫酸鹽型5類。

表1 2017年錦屏一級(jí)水電站水樣取樣情況

表2 錦屏一級(jí)水電站水質(zhì)分析成果（EL.1 800 m）

在混凝土中含有大量的因水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣（Ca（OH）2）和水化鋁酸鈣等，當(dāng)外部環(huán)境水中能與Ca（OH）2和水化鋁酸鈣等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)成分含量達(dá)到一定濃度時(shí)，該環(huán)境水便對(duì)混凝土具有腐蝕性。

3.3.1 一般酸性型腐蝕性

一般酸性型腐蝕是指當(dāng)環(huán)境水呈酸性時(shí)（pH≤6.5），水中的H+含量已經(jīng)達(dá)到了與Ca（OH）2反應(yīng)的濃度而使混凝土中Ca（OH）2溶解，其反應(yīng)方程式如下：

3.3.2 碳酸型腐蝕性

天然水中含有的游離CO2同時(shí)可以兩種不同的形式存在，一種是以溶解氣體分子的形式存在，和水作用形成碳酸并與水中的HCO3-建立下列的平衡關(guān)系：

另一種是侵蝕性CO2。當(dāng)水中游離CO2含量大于維持上式平衡所需要的濃度時(shí)，多余的游離CO2（即侵蝕性CO2）會(huì)與環(huán)境中的固體碳酸鹽發(fā)生反應(yīng)，使固體碳酸鹽溶解。

當(dāng)環(huán)境水與混凝土接觸時(shí)，水中的侵蝕性CO2可與混凝土的碳化層（形成的CaCO3部分）發(fā)生反應(yīng)，降低混凝土的抗?jié)B能力，使混凝土中大量游離石灰Ca（OH）2被水帶走，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，甚至遭受破壞。具體反應(yīng)方程式如下：

表3 錦屏一級(jí)水電站水質(zhì)分析成果（EL.1 880 m）

表4 環(huán)境水對(duì)混凝土腐蝕性判別標(biāo)準(zhǔn)

3.3.3 重碳酸型腐蝕性

根據(jù)前述的CO2+H2O ?H2CO3?HCO3-+H+平衡式可知：當(dāng)環(huán)境水中的HCO3-含量降低時(shí)，平衡將向右移動(dòng)，因而水中H+含量將隨著升高。

重碳酸型腐蝕是指因環(huán)境水中的HCO3-含量低于一定濃度而導(dǎo)致的水中H+含量升高到與Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)的濃度，從而使混凝土中Ca（OH）2溶解。其反應(yīng)原理如下：

3.3.4 鎂離子型腐蝕性

混凝土內(nèi)部是一種堿性環(huán)境，其中OH-濃度較高。外部環(huán)境水滲入到混凝土內(nèi)部時(shí)，水中的Mg2+可與混凝土中的OH-發(fā)生如下反應(yīng)：

環(huán)境水的鎂離子型腐蝕是指環(huán)境水中Mg2+與混凝土中的OH-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成體積膨脹的Mg（OH）2沉淀。當(dāng)這種現(xiàn)象使混凝土內(nèi)部的膨脹量超過(guò)了其本身可以承受的應(yīng)力范圍時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、剝落、結(jié)構(gòu)破壞。

3.3.5 硫酸鹽型腐蝕性

硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2和水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膨脹性的鈣釩石，當(dāng)這種膨脹應(yīng)力超出混凝土本身可以承受的應(yīng)力范圍時(shí)便導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、剝落。

3.4 水樣對(duì)混凝土腐蝕性比較

根據(jù)這兩次水質(zhì)分析成果，結(jié)合2014年和2016年水質(zhì)分析成果，對(duì)2013年以來(lái)錦屏一級(jí)水電站工程首次蓄水期、初蓄期、運(yùn)行期相同取樣點(diǎn)不同取樣時(shí)間水樣對(duì)混凝土腐蝕性程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

從不同時(shí)期各取樣點(diǎn)水樣對(duì)混凝土腐蝕性比較結(jié)果（見(jiàn)表5）可知：2013年至今錦屏一級(jí)水電站各個(gè)取樣點(diǎn)中，有4處水樣（3，4，8，30號(hào)）對(duì)混凝土的腐蝕性已經(jīng)消除；有6處水樣（1，2，10，12，13，26號(hào)）對(duì)混凝土仍具有重碳酸型中等腐蝕，其中有1處水樣（26號(hào)）自2017年開(kāi)始具有重碳酸型中等腐蝕；其他取樣點(diǎn)的水樣對(duì)混凝土均無(wú)腐蝕性。

4 析出物化學(xué)分析方法及成果

4.1 析出物化學(xué)分析方法

析出物化學(xué)分析按照DL/T 5357-2006《水電水利工程巖土化學(xué)分析試驗(yàn)規(guī)程》［5］進(jìn)行。

析出物化學(xué)分析采用簡(jiǎn)易堿吸收容量法進(jìn)行試驗(yàn)，主要儀器設(shè)備包括簡(jiǎn)易堿吸收容量法測(cè)定裝置、天平、篩、瑪瑙研缽等。主要步驟（鈣質(zhì)析出物）包括：①將試樣捏碎攤開(kāi)于瓷盤中，除去試樣中雜物，置于陰涼通風(fēng)處晾干，然后用四分法選取試樣約100 g，置于瑪瑙研缽體中研磨，使其全部通過(guò)0.15 mm篩備用。取風(fēng)干試樣按要求測(cè)含水率。②根據(jù)碳酸鈣的含量，稱取1～8 g制備好的風(fēng)干試樣，準(zhǔn)確至0.000 1 g，然后將風(fēng)干試樣放置于廣口瓶底。在塑料杯中加入5 mL濃度為2 mol/L的氫氧化鉀溶液，放置于廣口瓶底，塞緊瓶塞勿使其漏氣。將50 mL醫(yī)用注射器連接在乳膠上端，捏開(kāi)玻璃珠開(kāi)關(guān)，從廣口瓶中抽出50 mL空氣。③用注射器通過(guò)乳膠管向廣口瓶中注入20 mL濃度為2 mol/L的鹽酸溶液，乳膠管上端用止水夾夾緊，輕輕旋轉(zhuǎn)廣口瓶使試樣與鹽酸充分接觸均勻。在室溫下放置16～24 h。④打開(kāi)瓶塞，取出塑料杯，用50 mL無(wú)二氧化碳的水將塑料杯中的氫氧化鉀溶液洗入200 mL三角瓶中。加20滴百里酚藍(lán)-酚酞混合指示劑，用1 mol/L鹽酸溶液滴定至溶液由紫色變?yōu)榈t色時(shí)，改用0.1 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液剛出現(xiàn)黃色而紅色又未完全消失（pH值為8.3）為止，不記用量。然后加入16滴溴甲酚綠指示劑，用0.1 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液由藍(lán)色變?yōu)辄S色（pH值為3.9）為止，加下這次滴定用量。每組試驗(yàn)的試樣為兩個(gè)，兩個(gè)試樣的結(jié)果誤差不得大于0.2%，取其算術(shù)平均值。

4.2 析出物化學(xué)成分分析成果

從析出物化學(xué)成分分析成果可知：15個(gè)取樣點(diǎn)采集樣品的化學(xué)成分分析成果基本一致。15個(gè)樣品的燒失量為40.22%～43.86%、氧化鈣為46.78%～53.95%，二者之和為87.88%～97.29%。

根據(jù)析出物化學(xué)成分分析成果確定：工程內(nèi)部15個(gè)采樣點(diǎn)采集的不同顏色的粉末、顆粒狀析出物樣品中的主要成分為碳酸鈣。

析出物化學(xué)成分分析成果詳見(jiàn)表6。

5 滲流水水源分析

通過(guò)對(duì)各取樣點(diǎn)水樣的化學(xué)分析成果進(jìn)行比較分析來(lái)推斷滲流水可能來(lái)源，具體要確定某處滲流水的水源還須開(kāi)展其他更加深入的工作。

根據(jù)各取樣點(diǎn)水樣的化學(xué)分析成果來(lái)推斷其可能來(lái)源應(yīng)從3個(gè)方面進(jìn)行：①將各取樣點(diǎn)滲流水水質(zhì)分析成果與庫(kù)水水質(zhì)分析成果進(jìn)行比較，因?yàn)闈B流水中某些成分的含量應(yīng)該與其水源水中某些成分的含量基本相同；②通過(guò)分析，了解外部水流經(jīng)新建工程混凝土內(nèi)部時(shí)可能發(fā)生的某些成分的變化；③參考錦屏一級(jí)水電站設(shè)代處提供的大壩建成前的水質(zhì)分析資料。

錦屏一級(jí)水電站部分滲流水水樣與庫(kù)水水樣化學(xué)分析成果對(duì)比分析見(jiàn)表7，成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院錦屏一級(jí)水電站設(shè)代處提供的工程區(qū)域內(nèi)以往水質(zhì)分析成果見(jiàn)表8，部分滲流水水源推斷見(jiàn)表9。

通過(guò)對(duì)滲流水與庫(kù)水的化學(xué)分析成果進(jìn)行比較分析，初步推斷一級(jí)水電站工程內(nèi)的26個(gè)取樣點(diǎn)的滲流水、下游河道水的水源主要為庫(kù)水，其中某些位置的滲流水可能是山體滲水和繞滲進(jìn)來(lái)的庫(kù)水的混合水。推斷理由如下。

（1）與庫(kù)水相比，一級(jí)水電站編號(hào)為1，2，10，12，13號(hào)的這5組滲流水樣的pH值和CO32-濃度升高、無(wú)HCO3-，編號(hào)為3，5～8，22，26，30號(hào)的8組滲流水樣的pH值和CO32-濃度升高、HCO3-濃度降低，其他檢測(cè)項(xiàng)目測(cè)定值均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

對(duì)于這一現(xiàn)象的解釋是：在水流經(jīng)混凝土的過(guò)程中，水中的HCO3-與工程混凝土內(nèi)的水泥水化物Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（如下），導(dǎo)致水中的HCO3-濃度降低，OH-濃度升高（pH值升高），CO32-因化學(xué)反應(yīng)生成的CaCO3微量溶解而導(dǎo)致水中的CO32-濃度升高。

表7 錦屏一級(jí)水電站滲流水水樣與庫(kù)水水樣成分對(duì)照分析

表8 工程區(qū)域內(nèi)以往水質(zhì)分析成果

表9 錦屏一級(jí)水電站滲流水水源分析推測(cè)（部分）

（2）與庫(kù)水相比，一級(jí)水電站編號(hào)為4，9，11，14，15，20～25，27～29號(hào)的13組滲流水的HCO3-濃度升高，其他檢測(cè)項(xiàng)目測(cè)定值均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

對(duì)于這一現(xiàn)象的解釋是：空氣中的二氧化碳溶入滲流水中與混凝土中析出的碳酸鹽發(fā)生溶蝕反應(yīng)，生成可溶性的Ca（HCO3）2，Ca（HCO3）2溶于水后發(fā)生電解反應(yīng)產(chǎn)生HCO3-，導(dǎo)致水中的HCO3-濃度升高。

6 結(jié)論

根據(jù)2017年4月底、2017年8月錦屏一級(jí)水電站水質(zhì)及析出物分析結(jié)果，并與往年的分析結(jié)果進(jìn)行比較，得出如下基本結(jié)論。

（1）錦屏一級(jí)水電站庫(kù)區(qū)取樣點(diǎn)（16～18號(hào)）、水墊塘下游河道取樣點(diǎn)（19號(hào)）、19個(gè)工程內(nèi)部滲流水取樣點(diǎn)（水樣編號(hào)為3～9，11，14，15，20～25，27～29號(hào)）采集的水樣均對(duì)混凝土無(wú)腐蝕；水樣編號(hào)為30號(hào)的取樣點(diǎn)在枯水期時(shí)采集的水樣對(duì)混凝土具有重碳酸型弱腐蝕，在豐水期時(shí)采集的水樣對(duì)混凝土無(wú)腐蝕；有6個(gè)取樣點(diǎn)（水樣編號(hào)為1，2，10，12，13，26號(hào)）采集的水樣對(duì)混凝土具有重碳酸型中等腐蝕。

（2）錦屏一級(jí)水電站工程內(nèi)部15個(gè)采樣點(diǎn)采集的不同顏色的粉末、顆粒狀析出物樣品的主要成分為碳酸鈣。

根據(jù)相同取樣點(diǎn)、不同取樣時(shí)間的水樣對(duì)混凝土腐蝕性對(duì)比分析，得出的基本結(jié)論如下：2013年至今錦屏一級(jí)水電站各個(gè)取樣點(diǎn)中，有4處水樣（3，4，8，30號(hào)）對(duì)混凝土的腐蝕性已經(jīng)消除；有6處水樣（1，2，10，12，13，26號(hào)）對(duì)混凝土仍具有重碳酸型中等腐蝕，其中有1處水樣（26號(hào)）自2017年開(kāi)始具有重碳酸型中等腐蝕，這幾處水樣均位于f14、f2斷層及煌斑巖脈附近，需結(jié)合水質(zhì)分析成果，加強(qiáng)此處的滲流滲壓監(jiān)測(cè)和分析；其他取樣點(diǎn)的水樣對(duì)混凝土均無(wú)腐蝕性。

根據(jù)對(duì)滲流水與庫(kù)水的化學(xué)分析成果進(jìn)行比較分析，推斷出的基本結(jié)論如下。

（1）錦屏一級(jí)水電站27處取樣點(diǎn)的水樣來(lái)源推測(cè)主要為庫(kù)水，其中某些位置的滲流水可能是山體滲水和繞滲進(jìn)來(lái)的庫(kù)水的混合水。

（2）錦屏一級(jí)水電站大壩帷幕防滲性能良好、工作正常，帷幕和大壩混凝土被溶蝕程度不高。

［1］ 馬曉輝，曾開(kāi)華，楊光中，等.丹江口大壩壩基滲流水質(zhì)分析與評(píng)價(jià)［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2003，20（5）：35-37.

［2］ DL/T5178-2003混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］ DL/T5194-2004水電水利工程地質(zhì)勘察水質(zhì)分析規(guī)程［S］.

［4］ GB 50487-2008水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［5］ DL/T5357-2006水電水利工程巖土化學(xué)分析試驗(yàn)規(guī)程［S］.