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        水源連通工程地下水對混凝土的侵蝕機理分析

        2021-07-15 08:15:58阿力木艾比布
        陜西水利 2021年6期
        關鍵詞:烏蘇市侵蝕性墊層

        阿力木·艾比布

        (新疆烏蘇市水利局,新疆 烏蘇 833000)

        1 工程概況

        烏蘇市位于新疆準噶爾盆地西南邊緣的天山北坡經濟帶區(qū)域內。西與博爾塔拉蒙古自治州為鄰,以托托河為界;南到婆羅科努山分水嶺與伊犁哈薩克自治州相接,東以巴音溝河(下游也稱安集海河)為界,與沙灣縣隔河相望,北與托里縣和克拉瑪依市相連。烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應急水源連通工程設計引水流量為3.5 m3/s,根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252-2000)與《灌排與排水工程設計規(guī)范》(GB 50288-99),渠道工程規(guī)模為Ⅳ等小(1)型,渠系建筑物工程級別均為5級。主要建設內容為喇嘛溝抗旱渠道渠線大致呈南北走向,渠線總長12 km,設計引水流量3.5 m3/s,起點與已建喇嘛溝干渠末端相接,末端與現(xiàn)狀土渠相接,已建喇嘛溝干渠長24.05 km,設計引水流量3.5 m3/s~20 m3/s,土渠與下游3.8 km處的引洪分水閘相接,引洪分水閘接下游大二泉水庫。渠線沿線兩側經過水塘、三喜水庫、林帶、耕地等,渠線沿線穿過林帶、道路、管道、橋等。本次設計渠道總長12 km,采用C20F200W4混凝土現(xiàn)澆,其中樁號11+985~12+000為陡坡段,長15 m。

        由于跌水及沖坑,現(xiàn)狀渠底局部起伏較大,現(xiàn)場調查該段為土渠,未做防滲處理,為測得真實地下水位,垂直渠線布置補排剖面,0+000~7+500段地下水埋藏深度大于4 m;7+500~12+000段確定地下水高程379.2 m~345.0 m,由于南部水庫的影響,地下水埋藏深度較淺,一般在地表以下1 m~3 m。

        2 地下水對混凝土侵蝕機理分析

        2.1 地下水取樣

        為進行烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應急水源連通工程地下水對基巖和混凝土侵害程度的分析,分別在斷層帶交匯處、斷層和軟弱夾層相交處、基巖分縫處等位置進行地下水的取樣,每次取樣10個,取樣位置見圖1。

        圖1 地下水取樣位置

        2.2 侵蝕機理

        考慮到烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應急水源連通工程地處高寒干旱區(qū)域,且基巖主要為透水性強的礫巖,施工材料主要為高摻粉煤灰硅酸鹽525#水泥,混凝土材料分解性侵蝕常數的取值情況及混凝土侵蝕類型[1]見表1,其中A類水泥指硅酸鹽水泥,B類水泥指含火山灰質或礦渣硅酸鹽水泥,pHs表示地下水對混凝土的分解性侵蝕,pHexp表示實測pH值,K1、K2、K3均為與環(huán)境及混凝土相關的常數。

        2.2.1 分解性侵蝕

        若地下水中含有H+離子時,就會與混凝土產生溶濾反應,反應式如下:

        Ca(OH)2+2H+=Ca2++2H2O

        (1)

        地下水pH值越低酸性越大,且當pH值低于某一界限后,會加速對混凝土中Ca(OH)2的分解,生成易溶于水的氯化物后還會進一步加劇對混凝土的酸性腐蝕。烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應急水源連通工程圍水介質主要是礫巖,所使用的硅酸鹽水泥等級為B級,所以其與環(huán)境及混凝土相關的常數K3取6.4。在比較全部水樣pH值后發(fā)現(xiàn),所有水樣均不具備一般酸性侵蝕。

        表1 混凝土材料分解性侵蝕取值標準

        工程區(qū)地下水中所含的CO2與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生反應后會生產碳酸鈣沉淀,反應式如下:

        Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O

        (2)

        考慮到CaCO3具有不溶于水的特性,并能填充在混凝土結構的空隙內,進而在混凝土結構周圍形成保護膜,阻止或延緩Ca(OH)2發(fā)生分解。然而,當工程區(qū)地下水內所包含的CO2含量超出一定范圍后,過多的CO2會與CaCO3發(fā)生反應,進一步生成可溶于水的Ca(HCO3)2,反應式如下:

        CaCO3+H2O+CO2=Ca2++2HCO3-

        (3)

        上式中反應過程具有可逆性,即隨著CO2含量增大并超出一定界限后,上述反應式中的平衡會被打破,固體CaCO3會繼續(xù)分解;而當CO2含量減小時,固體物CaCO3會發(fā)生沉淀并析出;當CO2和Ca2+處于濃度平衡狀態(tài)時,反應會停止。

        所以,當烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應急水源連通工程區(qū)域地下水中CO2含量超出平衡狀態(tài)下的水平時,就會對混凝土中的CaCO3產生溶解和腐蝕作用,出于分析角度考慮,本文將超出平衡狀態(tài)的游離CO2稱為侵蝕性CO2。可見,工程區(qū)地下水中侵蝕性CO2含量越高,則對混凝土結構的腐蝕也越嚴重。而且工程區(qū)地下水中侵蝕性CO2很容易在地下水流速和流量較大的情況下得到補充,進而打破平衡,加速腐蝕。

        如果工程區(qū)地下水中游離CO2含量超出[CO2]時,則屬于碳酸性侵蝕[2],公式如下:

        [CO2]=a[Ca2+]+b+K2

        (4)

        式中:Ca2+為工程區(qū)地下水中Ca2+的含量,mg/L;K2為與工程區(qū)地下水環(huán)境和混凝土相關的常數;a、b為與工程區(qū)地下水中HCO3-、SO42-、CO32-等濃度相關的常數。

        烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應急水源連通工程區(qū)地層內沉積的有機物在微生物等的作用下發(fā)生分解后會生成大量的H2S、CO2,導致地下水pH值減小。在微生物等的作用下有機物分解過程可表示如下:

        CH2O+O2=CO2+H2O

        (5)

        CH2O+H2O=CO2+4H+

        (6)

        抗旱應急水源連通工程基巖中并未檢測出HCO3-,所以地下水中的HCO3-主要來自工程區(qū)地層中微生物所分解的CO2和基巖及建筑物中的CaCO3的化學反應,這種情況與HCO3-含量隨著高程的增大而減小的事實相吻合,也與在工程地層表層中并未檢測出侵蝕性CO2,但是在較深地層中檢測出侵蝕性CO2的事實吻合。

        根據檢測結果,侵蝕性CO2只在SY1、SY2、SY9中有檢出,其中僅SY2中侵蝕性CO2含量達到了10 mg/L,具有中~弱侵蝕性,其余監(jiān)測點侵蝕性CO2含量均在1 mg/L以下,對混凝土不具備長期侵蝕性。

        地下水對混凝土結構的pHs分解性侵蝕按照下式確定:

        pHs=c(HCO3-)/[0.15c(HCO3-)-0.025]-K1

        (7)

        式中:c(HCO3-)為工程區(qū)地下水中(HCO3-)的量濃度,mmol/L;K1為與工程區(qū)地下水環(huán)境及混凝土有關的常數。將本水源連通工程個取樣點取樣結果相關數值帶入式(7),結果見表2。

        表2 工程區(qū)地下水水樣成分分析

        由表2的匯總結果可以看出,本抗旱應急水源連通工程地下水所有水樣中pHexp>pHs,所以,地下水對工程建筑物無pHs分解性侵蝕。

        2.2.2 結晶性侵蝕

        如果本抗旱應急水源連通工程地下水中的SO42-含量超出設計標準,則其會與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生化學反應并生成CaSO4·2H2O結晶體,該結晶體會繼續(xù)和水化碳酸鈣發(fā)生反應后生成鋁和鈣的復合硫酸鹽——水化硫鋁酸鈣。該復合物質因富含結晶水,其化合后的體積會增大至化合前體積的220.68%,所以,會在混凝土結構內產生較大應力,導致結構破壞。所以,本分析主要以SO42-含量作為工程區(qū)混凝土結晶性侵蝕的主要評價指標。

        根據對烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應急水源連通工程場區(qū)地下水環(huán)境類別侵蝕判別標準的分析發(fā)現(xiàn),SO42-含量不足250 mg/L時,對混凝土結構不產生侵蝕,當SO42-含量在250 mg/L~500 mg/L范圍時,對混凝土結構有弱侵蝕性,當SO42-含量在500 mg/L~1500 mg/L范圍時,對混凝土結構有中等侵蝕性,而當SO42-含量超出1500 mg/L時,對混凝土結構有強腐蝕性。根據表2中的取樣資料可以看出,SY9和SY10取樣點處SO42-對混凝土結構具有中腐蝕性,SY4、SY7、SY8取樣點地下水對混凝土有弱腐蝕性,其余取樣點地下水中SO42-對混凝土均無腐蝕性。

        2.2.3 分解+結晶復合性侵蝕

        如果地下水中Mg2+、Ca2+等弱鹽性硫酸離子含量較高,尤其是MgSO4與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生化學反應后,會對混凝土結構產生分解+結晶復合性侵蝕,反應式表示如下:

        MgSO4+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaSO4

        (8)

        MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2

        (9)

        Ca(OH)2和Mg2+、Ca2+等弱鹽性硫酸離子的生成物中Mg(OH)2不溶于水,CaCl2溶于水,且會隨水流而流失,CaSO4與混凝土結構中的水化鋁酸鈣發(fā)生反應后生成水化硫鋁酸鈣的同時,還會因遇水而生成二水石膏,該石膏體結晶后體積迅速膨脹,進而引起混凝土結構的破壞。

        表示地下水中Mg2+、Ca2+等總量的弱基硫酸鹽離子Me是分解+結晶復合性侵蝕的主要評價指標。當弱基硫酸鹽離子Me含量不足1000 mg/L時,則地下水對混凝土無腐蝕性,而當弱基硫酸鹽離子Me含量超過1000 mg/L時,對混凝土結構有侵蝕性。

        本抗旱應急水源連通工程取樣點中SY2取樣點弱基硫酸鹽離子Me含量略微超出1000 mg/L的標準,其余取樣點地下水中弱基硫酸鹽離子Me的含量均在1000 mg/L的標準內,表明地下水對混凝土均無分解+結晶復合性侵蝕。

        3 地下水對混凝土侵蝕的應對措施

        由地質報告、《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001(2009年修訂版))及《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)等評價標準,并結合本文分析結果可以看出,地下水對混凝土的腐蝕等級為中~強腐蝕。

        為此,本抗旱應急水源連通工程采取如下處理方案:樁號0+000~7+500段,采用現(xiàn)澆混凝土板,斷面型式為梯形斷面,渠道底寬1 m,底板和邊板均采用8 cm厚的C20F200W4現(xiàn)澆混凝土板,底板下設40 cm厚的砂礫料墊層,邊板墊層厚度由底端40 cm漸變至頂端30 cm,墊層用于隔離土對混凝土腐蝕;樁號7+500~12+000段,采用現(xiàn)澆混凝土板,斷面型式為梯形斷面,渠道底寬1 m,底板和邊板均采用8 cm厚的C20F200W4現(xiàn)澆混凝土板,底板下設40 cm厚的砂礫料墊層,邊板墊層厚度由底端40 cm漸變至頂端30 cm,在砂礫石墊層上方鋪設3 cm砂漿墊層,然后在砂漿墊層上方鋪設一布一膜,用于隔離土和地下水對混凝土的腐蝕。

        4 結論

        本文通過烏蘇市西湖鎮(zhèn)抗旱應急水源連通工程地下水對混凝土結構腐蝕性進行分析,結果表明,在分析環(huán)境地下水對混凝土建筑物結構可能產生的侵蝕的過程中,必須結合工程所在區(qū)域所屬的環(huán)境類別,在充分依據工程水文地質的基礎上,對引發(fā)混凝土結構侵蝕的地下水類別及原因作出深入判斷,以便找出應對措施和處理辦法,積極采取抗腐蝕性能強的水工材料,增加水利工程建筑物結構的耐久性。

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