吳景芳

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

關(guān)健詞：環(huán)境水;水質(zhì)檢測;離子含量;混凝土大壩

1 概述

天然地表水和地下水都屬于環(huán)境水，它的化學(xué)成分受水文、氣象和周圍環(huán)境以及地質(zhì)條件的影響，變化范圍很大。水的化學(xué)成分及其含量的大小，對(duì)大壩混凝土、填筑料、以及鋼筋混凝土的腐蝕性都有很大的影響。特別是天然水中的硫酸鹽以及氯離子含量達(dá)到一定的程度對(duì)水庫大壩混凝土的產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，從而影響大壩的穩(wěn)定和安全?；炷恋哪z凝材料水化反應(yīng)后產(chǎn)生的水化產(chǎn)物微溶于水的特點(diǎn)，使混凝土在水環(huán)境下形成一定的腐蝕性。隨著腐蝕程度的增加，大壩混凝土抗壓強(qiáng)度將逐步損失。此外，環(huán)境水中的氯離子對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋的腐蝕，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生破壞。

龍首電站水庫大壩，廊道常年處于潮濕狀態(tài)，溫差變化不大，在滲水點(diǎn)處，有乳白色、黑色、紅褐色等析出物，為探明這些析出物對(duì)大壩安全運(yùn)行是否影響，以及壩前庫水與水電站的各建筑物部位的滲水水質(zhì)變化規(guī)律的分析，對(duì)大壩混凝土的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。于2006年4月、2007年8月、2010年8月、2013年3月四次，在大壩不同季節(jié)不同部位水質(zhì)進(jìn)行了取樣檢測。

2 工程概況和地質(zhì)條件

黑河發(fā)源于青海省祁連山，流經(jīng)甘肅省河西走廊中部，注入內(nèi)蒙古自治區(qū)的居延海，全長800km之多，屬內(nèi)陸河。多年平均徑流量15.89x108m3/s。龍首水電站位于甘肅省張掖市城西南約40Km的黑河鶯落峽口，交通方便，公路通往張掖市區(qū)。采用半重、半拱壩方案。壩高80m，正常高水位1748m，左岸明渠導(dǎo)流和引水發(fā)電。發(fā)電廠房位于左岸壩下游100m處，裝機(jī)容量5.2x104kW。

壩區(qū)位于祁連山北麓與河西走廊南部邊緣交界線附近，黑河橫穿壩區(qū)巖層，河谷呈“V”字型，屬橫向河谷，系沿NE向的張扭性構(gòu)造線發(fā)育而成，河谷西岸發(fā)育有八級(jí)侵蝕性堆積階地及平頂山古夷平面。

壩區(qū)出露的地層主要為上奧陶系的火山碎屑巖和變質(zhì)板巖，其走向?yàn)镹W向（近直交河流）傾角70°～90°。 巖石堅(jiān)硬，斷裂較發(fā)育，表面風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體呈板狀構(gòu)造。主要構(gòu)造線方向?yàn)镹W向，次為NE向。壩段內(nèi)的主要工程地質(zhì)問題：在壩址內(nèi)由平硐和地表測繪揭露出較大的軟弱結(jié)構(gòu)面，如F6、F7、F71、F91斷層等。其中F6斷層破碎帶，充填物主要為石英巖脈占60%，次為碎屑角礫30%，斷層泥10%。板巖碎粒徑大小不等，厚度5～50mm，含水量較小。F7、F71、F91斷層，充填物主要為靡棱巖占60%，角礫20%，石英脈及斷層泥各占10%，夾泥層厚度不均，最大為30mm，最小為10mm，且含水量較大，斷層面平直光滑。

3 滲水水質(zhì)監(jiān)測目的和檢測方法

在水利工程建設(shè)中，評(píng)價(jià)水對(duì)混凝土的侵蝕性時(shí)，一般要對(duì)環(huán)境水進(jìn)行水質(zhì)化學(xué)分析。大壩滲水中的化學(xué)成分的變化，意味著混凝土中某些成份的改變，而大壩混凝土成份的變化是無法直接測量的，可以由滲水水質(zhì)的變化來推斷，包括HCO3-、CO32-、OH-離子、氯離子、硫酸根離子、鈣離子、鎂離子、鈉和鉀、礦化度。

對(duì)水工建筑物及其地基的滲水進(jìn)行透明度觀測和所含化學(xué)成分及其含量的化驗(yàn)，用以分析是否存在沖蝕或溶蝕。在水電站不同時(shí)間不同部位采取水樣，以壩前庫水的水質(zhì)為基準(zhǔn)，綜合對(duì)比分析在不同時(shí)間段不同部位水質(zhì)的變化，從而評(píng)價(jià)各部位水質(zhì)對(duì)電站壩體結(jié)構(gòu)的腐蝕性，以達(dá)到對(duì)大壩的監(jiān)測目的。

水質(zhì)檢測分析方法有化學(xué)法、電化學(xué)法、原子吸收分光光度計(jì)法、離子選擇電極法、離子色譜法、氣相色譜法、等離子體發(fā)射光譜 （ICP-AES）法等。

本次檢測歷時(shí)幾年時(shí)間，主要對(duì)尾水、廠房水、拱壩滲水、推力墩滲水、重力壩滲水水質(zhì)與大壩庫水水質(zhì)進(jìn)行比較。測定pH值采用玻璃電極法；水樣的硬度可分為總硬度、暫時(shí)硬度、永久硬度、負(fù)硬度?？傆捕鹊臏y定采用EDTA滴定法：鈣離子采用EDTA滴定法；鎂離子的含量采用計(jì)算法：用總硬度和鈣離子的測定值計(jì)算鎂離子的含量；硫酸根離子的測定采用EDTA滴定法；氯離子的測定采用硝酸銀滴定法；鉀、鈉離子的含量測定采用差減法計(jì)算；游離二氧化碳采用酚酞指示劑滴定法；侵蝕二氧化碳的含量采用酸滴定法。

4 試驗(yàn)成果及腐蝕性綜合評(píng)價(jià)

4.1 試驗(yàn)成果

水質(zhì)中陽離子、陰離子、pH值、總硬度、礦化度、總堿度、侵蝕二氧化碳成果見表1、表2、表3。

表1 陽離子含量

表2 陰離子含量

表3 pH值、總硬度、礦化度、總堿度值

4.2 水中主要物質(zhì)變化分析

陽離子（Ca2+、Mg2+、Na++K+四種主要離子）：庫水中按其濃度的大小排序?yàn)?.Ca2+、2.Mg2+、3.Na++K+；尾水中按其濃度的大小排序?yàn)?.Ca2+、2.Mg2+、3.Na++K+；廠房水中按其濃度的大小排序?yàn)?.Na++K+、2. Ca2+、3.Mg2+；拱壩滲水中按其濃度的大小排序?yàn)?.Na++K+、2.Ca2+、3.Mg2+；推力墩滲水中按其濃度的大小排序?yàn)?.Ca2+、2.Na++K+、3.Mg2+和1. Mg2+、2.Na++K+、3.Ca2+；重力壩滲水中按其濃度的大小排序?yàn)?.Ca2+、2.Na++K+、3.Mg2+和1.Na++K+、2. Ca2+、3.Mg2+。 廠房水、拱壩滲水、推力墩滲水、重力壩滲水Na++K+離子濃度在陽離子的占比發(fā)生了變化，位次均有升高。從表1中可見，Ca2+、Mg2+離子與庫水相比較變化不大。Na++K+離子變化情況，呈現(xiàn)逐年增大的趨勢。

陰離子（HCO3-、SO42-、CL-主要離子）：庫水、尾水中按其濃度的大小排序?yàn)?.HCO3-、2.SO42-、3.CL-。HCO3-和SO42-濃度在陰離子的占比基本相當(dāng)。廠房水、拱壩滲水、推力墩滲水、重力壩滲水中按其濃度的大小排序?yàn)?.SO42-、2.HCO3-、3.CL-；在滲水中SO42-濃度在陰離子的占比發(fā)生了變化，有增大。隨著時(shí)間的變化，尾水、廠房水、拱壩滲水、推力墩滲水、重力壩滲水中SSO42-離子也是逐年增大，從圖1可以明顯看到，廠房水SO42-離子由118mg/L,升至211mg/L；拱壩滲水SO42-離子由112mg/L升至193mg/L；推力墩滲水SO42-離子由112mg/L升至206mg/L；重力壩滲水SO42-離子由78mg/L,升至142mg/L。 從表1中可見，滲水中CL-離子變化不大，廠房水變化范圍32～42mg/L；拱壩滲水變化范圍24～32mg/L；推力墩滲水變化范圍17～24mg/L；重力壩滲水變化范圍21～24mg/L；根據(jù)GB50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》環(huán)境水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性判別，表2中CL-含量指氯化物中的CL-與硫酸鹽折算后的CL-之和，即CL-含量=CL-+SO42-×0.25，單位為mg/L。計(jì)算結(jié)果從圖2可見，隨著時(shí)間的變化，尾水、廠房水、拱壩滲水、推力墩滲水、重力壩滲水中CL-離子也是逐年增大,廠房水2013年CL-離子含量達(dá)到94.7mg/L。

圖1

圖2

5 試驗(yàn)成果分析

根據(jù)四次不同時(shí)期、不同部位的水質(zhì)檢測分析，水庫混凝土大壩隨著年限的增長，滲水中K++Na+離子含量明顯高于庫水。硅酸鹽、鋁硅酸鹽礦物是多數(shù)巖石的主要成分，其水解速度緩慢，但在碳酸鹽的參與下，水解速度加快，礦物晶格表面陽離子（K++Na+離子等）、混凝土中鉀鹽、鈉鹽溶入水中，容易被水流帶出，使?jié)B水中K++Na+離子含量增加。檢測結(jié)果可以看出，絕大部分滲漏水中的K++Na+含量明顯高于庫水，壩體滲漏水中K++Na+含量較高的原因，是由于環(huán)境水滲入到壩體混凝土中，與混凝土中的骨料、粉煤灰等礦物質(zhì)的堿金屬化合物反應(yīng)，致使K++Na+被帶出。滲水量越少，滲流速度越慢，滲流路徑越長，與混凝土反應(yīng)越充分，K++Na+含量就越高，對(duì)混凝土的潛在破壞性就越明顯。應(yīng)增加壩體滲水的抽檢數(shù)量，以更好地比較分析。壩基滲漏水中的K++Na+主要來自基巖，也可能來自帷幕混凝土中的骨料、粉煤灰等礦物質(zhì)，其K++Na+離子含量豐富表明K++Na+離子遷徙明顯，是局部地段壩基巖石或帷幕的受侵蝕的標(biāo)志，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。含硫酸鹽的水作用于混凝土?xí)r，生成水合硫酸鋁鹽和石膏，或者生成其中一種，起初填充孔隙，使混凝土更密實(shí)，在不斷形成結(jié)晶的過程中，對(duì)孔隙產(chǎn)生結(jié)晶膨脹壓力，使混凝土構(gòu)件強(qiáng)度降低，SO42-濃度是影響混凝土大壩侵蝕重要的離子。水質(zhì)中的腐蝕性SO42-濃度逐步增強(qiáng)，雖然沒有超出腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)弱腐蝕 （SO42-≥250）的范圍值，也應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。水質(zhì)中的CL-含量對(duì)混凝土不產(chǎn)生直接侵蝕，僅對(duì)鋼筋產(chǎn)生銹蝕作用，CL-在水質(zhì)中起到催化劑的作用，加速鋼筋的點(diǎn)銹蝕，但是在有CL-存在的硫酸鹽侵蝕中，CL-具有使硫酸鹽結(jié)晶膨脹侵蝕轉(zhuǎn)化為分解侵蝕的作用。水質(zhì)中的CL-濃度逐步增強(qiáng)，雖然沒有達(dá)到環(huán)境水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性判別弱腐蝕 （100≤CL-≤500）的范圍值，CL-濃度是影響混凝土大壩侵蝕重要的離子，也應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。

6 結(jié)論

通過四年來對(duì)水電站不同部位環(huán)境水的檢測，庫水、尾水的水質(zhì)類型及各離子含量都沒有多少變化，但大壩滲水的水質(zhì)類型發(fā)生了變化，其中K++Na+離子含量在陽離子中占比增大，表明壩基巖石K++Na+離子遷徙。其次礦化度、硫酸根離子及氯離子的含量都在呈逐步增高的趨勢，混凝土的腐蝕性也隨著逐漸增大?！扒Ю镏?，潰于蟻泬”，這些析出物短時(shí)間不會(huì)對(duì)大壩的安全構(gòu)成威脅，但是長期滲水壓力作用下，會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸降低，出現(xiàn)砼老化現(xiàn)象。應(yīng)加強(qiáng)檢測頻次，為水電站的安全運(yùn)行提供保障。