地下水對東部某電站地下廠房拱頂影響監測與分析

王輝義

摘 要：本文針對酸性水的處理可采用“堵排結合”的處理方法，利用固結灌漿堵住主要滲水通道，阻止氧氣、水與黃鐵礦的充分接觸，采用加密周邊排水幕和隨機排水孔的方法，減少頂拱圍巖的含水量，阻止黃鐵礦氧化及水解反應的進行。

關鍵詞：地下廠房；頂拱；地下水

一、前言

某水電站地下廠房洞室頂拱的形成與錨固該電站建于山頂，主壩采用混凝土面板堆石壩。地下廠房部位巖層總體產狀為N50～70°W，NE∠20～35°，斷裂構造發育規模較大的斷層有廠房北側、廠房南側、廠房頂拱及上下游邊墻等，其中，廠房頂拱及上下游邊墻斷層均出露，帶內發育碎裂巖、碎粉巖及碎塊巖等，頂拱及上、下游拱肩具分枝現象，所夾巖體較破碎，旁側節理發育，沿帶潮濕滲滴水。

二、地下水基本特征

地下洞室群巖性為弱～微風化巖屑砂巖夾泥質粉砂巖或粉砂質泥巖，局部地段存在泥質粉砂巖與巖屑砂巖互層，地下洞室群的地下水具有成層性特點，泥質粉砂巖或粉砂質泥巖的厚度是各含水層之間水量交換的主要影響因素。由于斷層廠房北側、廠房南側及裂隙發育，山體地下水活動強，水量豐富，同時因裂隙水受其賦存介質的影響具有非均一性、各向異性、隨機性等特點，得地下廠房洞室群的地下水發育情況相當復雜。

三、檢測成果分析

（一）環境水pH值成果分析。地下廠房頂監測pH值1.62，為強酸性水，該部位地下水出水點多位于斷層附近，具有一定的導水性，推測巖石中含有的黃鐵礦晶體遇水、細菌等氧化產生H+所致；樁號廠右0+070～廠右0+100m，pH值5.91～6.63，為中性水；樁號廠右0+125.25～廠右0+100m（安裝場），pH值

11.95～12.30，為強堿性水。

（二）環境水室內試驗成果分析。根據水質分析結果，工程區地下水具有以下幾個特點：一是部分水中SO42-含量特別高，

4個水樣的SO42-含量在1000mg/L以上，最高達到26800mg/L，1個水樣在951 mg/L，1個水樣在在100 mg/L以下，一般SO42-離子含量高的部位，地下水中相應的礦化度、總硬度也高，而對應的HCO3-離子含量極低，pH值也較低，為強酸性～酸性水；二是工程區的地下水類型以硫酸鈣鎂型為主，酸性水以硫酸鹽為主；三是除個別點以外水中總鐵離子含量不高。

本次試驗成果與前期勘察階段試驗成果對比，上水庫地下水中Ca2+與SO42-含量及總硬度、礦化度增加；地下廠房地下水中Ca2+、SO42-含量、侵蝕和游離CO2、Fe含量及總硬度、礦化度均增加；上述現象除與巖層中的黃鐵礦在氧化環境下溶解于水后產生的一系列化學反應有關外，還與襯砌混凝土、噴混凝土支護及水泥灌漿有關。

現場pH值測試和室內測定的結果存在一定的差異，表現為室內測定值，普遍低于現場測定值，分析認為工程區地下水出水點分散，水滴速度極慢，量也少，室內水樣采集時間較長，并經過儲存、搬運后測定，因而在采集水樣的過程中，水樣充分暴露于空氣中，其內部產生的氧化反應更加充分完全，使H+濃度變大，以致pH值降低。

（三）地下水質酸性化形成機理分析。地下水質的形成及演變與地下水相接觸的巖體、斷層等介質的性質密切相關。從工程區巖石、斷層樣化學分析，巖屑砂巖以SiO2和Al2O3為主，5個樣品中均含有不同程度含量的Fe2O3和FeO，其中引水下層排廊道巖壁上發現黃鐵礦晶體的樣品中黃鐵礦（FeS2）的含量達

9%，針鐵礦（Fe2O3·H2O）含量達9%，化學成份Fe2O3含量達

10.92%，FeO含量也有3.28%。據此認為，工程區地下水質局部酸性化、強酸性化與巖體中黃鐵礦（FeS2）的氧化有關，原因是工程區的地下水位下降，含水層被疏干，氧氣進入到被疏干的巖層中，使原來的還原環境轉化為氧化環境，從而使巖層中硫、鐵、錳等的化合物的氧化作用大大加強，若有硫細菌的參與，將加劇金屬硫化物的氧化過程，黃鐵礦（FeS2）在還原環境下是很穩定的，幾乎不溶于水，而在氧化環境下則變得易溶于水，并產生一系列復雜的化學反應，使原來中性水向酸性、強酸性水轉化。溫度升高、壓力降低，會使溶于水中的CO2逸出，也會引起環境水的pH值變小，向弱酸轉化。即區內酸性化地下水質的形成與FeS2在氧化環境下溶解或溶解于水中CO2的逸出有關，多個化學反應過程如下：

a. 黃鐵礦氧化的產酸過程。

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+ 2SO42- +4H+ （1）

FeSO4→Fe2++ SO42- （2）

綜合（1）和（2），則有：

2FeS2+7O2+2H2O→2Fe2++ 4SO42-+4H+ （3）

這一階段的反應式表明：FeS2在氧化環境下，溶解后生成FeSO4和H2SO4，并產生Fe2+、SO42-和H+，結果使水中SO42-和

Fe2+含量升高，而水中H+含量的增加，pH值將降低，使地下水酸化，酸化水的進一步作用，使巖層中原來不溶解或不易溶解的化合物（如鈣、鎂、鐵、錳等的化合物）變得易于溶解，從而使地下水中的鈣、鎂、鐵、錳和硫酸根離子含量大大增加，地下水的礦化度、硬度也隨之增大。地下水的礦化度、硬度與勘察階段相比，現在的測試值遠大于前期測試值，也說明上述反應過程的存在。

b. 鐵被氧化過程。在有游離氧存在的條件下，Fe2+被氧化成Fe3+，即有：

4Fe2++O2+4H+→4Fe3++2H2O （4）

c. 高價鐵的水解過程。高價鐵的水解可形成不溶的黃色氫氧化鐵；其次高價鐵離子本身也可被黃鐵礦還原。有關反應過程：

Fe3++3H2O→Fe（OH）3+3H+ （5）

FeS2+14 Fe3++8H2O→15Fe2++ 2SO42-+16H+ （6）endprint

式（5）表明地下廠房洞室群發現黃褐色析出物為Fe（OH）3的沉淀物；式（6）說明氧化1mol的FeS2，水中分別產生2mol 的

SO42-和16mol 的H+，使水變為SO42-含量高的酸性水，在水質分析成果表中SO42-的含量達到9.5～26800mg/L，可說明此反應存在。

d. 酸性水的中和過程。根據巖石、斷層化學成份分析試驗，中和反應物有Al2O3含量約5.09～20.65%，K2O的含量為

1.42～4.17%，其它氧化物Na2O、CaO、MgO的含量均很少；從地下廠房群水質分析結果Ca2+含量為3.17～91.6mg/L，Na+含量為

2.39～12.1mg/L，Mg2+含量為4.6～12.1 mg/L。數據表明，基巖、斷層及混凝土中含有鋁硅酸鹽類和碳酸鹽類礦物（長石和高嶺石等），它們與地下水相接觸時會產生中和反應：

CaCO3+ H+ →Ca2+ +HCO3-

CaAl2Si2O8+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+Ca2+

2NaAl2Si2O8+10H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+2H4SiO4+2Na++2Al3+

Al2Si2O5（OH）4+6H+→2H4SiO4+H2O+2Al3+

從上述化學反應式碳酸鹽類和鋁硅酸鹽類礦物中和了地下水中部分H+，地下廠房群中部份地下水產酸作用大于中和作用，使地下水呈現酸性，如：地下廠房樁號廠右0+60，廠下

0-3.0點地下水pH值僅1.68。

綜上，地下水質酸性化與水中總鐵含量的高低有關，而鐵離子含量取決于黃鐵礦的富集程度和地下水的開放程度，從地下水析出物礦物成份分析結果看，水綠礬（FeSO4·7H2O）、水合氫離子鐵礬[Fe2（SO4）3·nH2O]、水鐵礦[Fe2（HO）8·4H2O]、針鐵礦（Fe2O3·H2O）及赤鐵礦（Fe2O3）的含量占各樣品的68～95%，說明上述各化學反應式存在。地下廠房洞室群雖然埋深很大，但由于地下廠房洞室群的開挖，極大地提高了洞室群圍巖地下水的開放程度，而地下廠房區地下水位的降低和含水層的疏干，以及地下廠房洞室群的開挖，為氧氣的進入和使還原環境轉變為氧化環境創造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，并使地下水質向弱酸性～強酸性轉化。

四、主廠房頂拱處理

主廠房頂拱處理范圍為酸性水發育的廠右0+030～0+070，地下水質酸性化的原因是巖石中存在的黃鐵礦在氧化環境下溶解于水引起的，進而產生一系列復雜的化學反應，引起水中

H+、SO42-的增加，從而使地下水對混凝土、混凝土結構的鋼筋和鋼結構具弱～強的腐蝕性。

要阻止酸性水的形成，主要要阻止黃鐵礦的氧化及水解反應的進行，其主要措施為阻止氧氣溶解于水中在巖體結構面或裂隙中的流動，增加巖石的完整性阻止空氣在巖體內部的流通，減少巖體中的含水量阻止水解反應的進行或者延緩水解反應的充分進行。由于斷層本身含有一定的鐵錳質且導水性好，施工期均有滴水，地下水沿斷層流動，使黃鐵礦的氧化以及水解反應進行得較為充分，造成該些部位酸性較強。

因此排干巖體中的水分或者堵住主要滲水通道，堵住氧氣進入巖體的通道，阻止黃鐵礦氧化反應、水解反應的進行，是工程首選處理方案，“堵”通過對主要滲水通道的固結灌漿，同時利用水泥漿的堿性中和原酸性環境，保證支護結構存在于中性～堿性的環境中。通過安裝場頂拱滴水呈堿性的情況看，原先對頂拱預固結灌漿的作用很明顯，通過固結灌漿可以使原巖體變為堿性環境。主要措施如下：

（1）針對酸性水主要集中的斷層進行固結灌漿處理，堵住主要滲水通道，同時也可利用水泥漿的堿性對酸性環境進行中和。（2）對噴層集中滲水處，噴層與巖石局部接觸可能不密實，在頂拱網架上利用小型灌漿設備對噴層進行淺層的接觸灌漿，保證噴層的支護作用。（3）減少頂拱巖體的含水量，在對應部位的排水廊道內加密排水幕，破壞地下水向頂拱滲漏的滲流路徑，減小地下水在頂拱巖體內的流動性，阻止水化反應的進行。（4）灌漿結束后，觀察頂拱是否還有滲水，如有滲水集中排走。（5）通過處理后，監測頂拱滴水的酸堿性，要求PH值大于6.5，并建立長期監測體制，定期檢測滴水酸堿度。

五、基本結論

（1）通過對酸性水發育范圍、產生的機理以及地下洞室觀測數據的分析，目前地下廠房頂拱結構尚未受酸性水的腐蝕，具有一定的安全裕度酸性水對該區域的支護結構的耐久性有一定的影響，但通過工程處理，可以保證頂拱結構的耐久性。

（2） 酸性水的形成與黃鐵礦富集程度和地下水的活動性有關，而地下廠房洞室群的開挖、地下水位的降低和含水層的疏干，為氧氣的進入和使還原環境轉變為氧化環境創造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，為黃鐵礦晶體發生各種化學反應提供了前題條件，是形成酸性水的主要原因。 （3） 酸性水的處理可采用“堵排結合”的處理方法，利用固結灌漿堵住主要滲水通道，阻止氧氣、水與黃鐵礦的充分接觸，采用加密周邊排水幕和隨機排水孔的方法，減少頂拱圍巖的含水量，阻止黃鐵礦氧化及水解反應的進行；同時利用水泥漿的堿性中和已有的酸性環境。

參考文獻：

[1] 中國水電顧問集團成都勘測設計研究院《錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩定與支護設計報告 》2010.5endprint

式（5）表明地下廠房洞室群發現黃褐色析出物為Fe（OH）3的沉淀物；式（6）說明氧化1mol的FeS2，水中分別產生2mol 的

SO42-和16mol 的H+，使水變為SO42-含量高的酸性水，在水質分析成果表中SO42-的含量達到9.5～26800mg/L，可說明此反應存在。

d. 酸性水的中和過程。根據巖石、斷層化學成份分析試驗，中和反應物有Al2O3含量約5.09～20.65%，K2O的含量為

1.42～4.17%，其它氧化物Na2O、CaO、MgO的含量均很少；從地下廠房群水質分析結果Ca2+含量為3.17～91.6mg/L，Na+含量為

2.39～12.1mg/L，Mg2+含量為4.6～12.1 mg/L。數據表明，基巖、斷層及混凝土中含有鋁硅酸鹽類和碳酸鹽類礦物（長石和高嶺石等），它們與地下水相接觸時會產生中和反應：

CaCO3+ H+ →Ca2+ +HCO3-

CaAl2Si2O8+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+Ca2+

2NaAl2Si2O8+10H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+2H4SiO4+2Na++2Al3+

Al2Si2O5（OH）4+6H+→2H4SiO4+H2O+2Al3+

從上述化學反應式碳酸鹽類和鋁硅酸鹽類礦物中和了地下水中部分H+，地下廠房群中部份地下水產酸作用大于中和作用，使地下水呈現酸性，如：地下廠房樁號廠右0+60，廠下

0-3.0點地下水pH值僅1.68。

綜上，地下水質酸性化與水中總鐵含量的高低有關，而鐵離子含量取決于黃鐵礦的富集程度和地下水的開放程度，從地下水析出物礦物成份分析結果看，水綠礬（FeSO4·7H2O）、水合氫離子鐵礬[Fe2（SO4）3·nH2O]、水鐵礦[Fe2（HO）8·4H2O]、針鐵礦（Fe2O3·H2O）及赤鐵礦（Fe2O3）的含量占各樣品的68～95%，說明上述各化學反應式存在。地下廠房洞室群雖然埋深很大，但由于地下廠房洞室群的開挖，極大地提高了洞室群圍巖地下水的開放程度，而地下廠房區地下水位的降低和含水層的疏干，以及地下廠房洞室群的開挖，為氧氣的進入和使還原環境轉變為氧化環境創造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，并使地下水質向弱酸性～強酸性轉化。

四、主廠房頂拱處理

主廠房頂拱處理范圍為酸性水發育的廠右0+030～0+070，地下水質酸性化的原因是巖石中存在的黃鐵礦在氧化環境下溶解于水引起的，進而產生一系列復雜的化學反應，引起水中

H+、SO42-的增加，從而使地下水對混凝土、混凝土結構的鋼筋和鋼結構具弱～強的腐蝕性。

要阻止酸性水的形成，主要要阻止黃鐵礦的氧化及水解反應的進行，其主要措施為阻止氧氣溶解于水中在巖體結構面或裂隙中的流動，增加巖石的完整性阻止空氣在巖體內部的流通，減少巖體中的含水量阻止水解反應的進行或者延緩水解反應的充分進行。由于斷層本身含有一定的鐵錳質且導水性好，施工期均有滴水，地下水沿斷層流動，使黃鐵礦的氧化以及水解反應進行得較為充分，造成該些部位酸性較強。

因此排干巖體中的水分或者堵住主要滲水通道，堵住氧氣進入巖體的通道，阻止黃鐵礦氧化反應、水解反應的進行，是工程首選處理方案，“堵”通過對主要滲水通道的固結灌漿，同時利用水泥漿的堿性中和原酸性環境，保證支護結構存在于中性～堿性的環境中。通過安裝場頂拱滴水呈堿性的情況看，原先對頂拱預固結灌漿的作用很明顯，通過固結灌漿可以使原巖體變為堿性環境。主要措施如下：

（1）針對酸性水主要集中的斷層進行固結灌漿處理，堵住主要滲水通道，同時也可利用水泥漿的堿性對酸性環境進行中和。（2）對噴層集中滲水處，噴層與巖石局部接觸可能不密實，在頂拱網架上利用小型灌漿設備對噴層進行淺層的接觸灌漿，保證噴層的支護作用。（3）減少頂拱巖體的含水量，在對應部位的排水廊道內加密排水幕，破壞地下水向頂拱滲漏的滲流路徑，減小地下水在頂拱巖體內的流動性，阻止水化反應的進行。（4）灌漿結束后，觀察頂拱是否還有滲水，如有滲水集中排走。（5）通過處理后，監測頂拱滴水的酸堿性，要求PH值大于6.5，并建立長期監測體制，定期檢測滴水酸堿度。

五、基本結論

（1）通過對酸性水發育范圍、產生的機理以及地下洞室觀測數據的分析，目前地下廠房頂拱結構尚未受酸性水的腐蝕，具有一定的安全裕度酸性水對該區域的支護結構的耐久性有一定的影響，但通過工程處理，可以保證頂拱結構的耐久性。

（2） 酸性水的形成與黃鐵礦富集程度和地下水的活動性有關，而地下廠房洞室群的開挖、地下水位的降低和含水層的疏干，為氧氣的進入和使還原環境轉變為氧化環境創造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，為黃鐵礦晶體發生各種化學反應提供了前題條件，是形成酸性水的主要原因。 （3） 酸性水的處理可采用“堵排結合”的處理方法，利用固結灌漿堵住主要滲水通道，阻止氧氣、水與黃鐵礦的充分接觸，采用加密周邊排水幕和隨機排水孔的方法，減少頂拱圍巖的含水量，阻止黃鐵礦氧化及水解反應的進行；同時利用水泥漿的堿性中和已有的酸性環境。

參考文獻：

[1] 中國水電顧問集團成都勘測設計研究院《錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩定與支護設計報告 》2010.5endprint

式（5）表明地下廠房洞室群發現黃褐色析出物為Fe（OH）3的沉淀物；式（6）說明氧化1mol的FeS2，水中分別產生2mol 的

SO42-和16mol 的H+，使水變為SO42-含量高的酸性水，在水質分析成果表中SO42-的含量達到9.5～26800mg/L，可說明此反應存在。

d. 酸性水的中和過程。根據巖石、斷層化學成份分析試驗，中和反應物有Al2O3含量約5.09～20.65%，K2O的含量為

1.42～4.17%，其它氧化物Na2O、CaO、MgO的含量均很少；從地下廠房群水質分析結果Ca2+含量為3.17～91.6mg/L，Na+含量為

2.39～12.1mg/L，Mg2+含量為4.6～12.1 mg/L。數據表明，基巖、斷層及混凝土中含有鋁硅酸鹽類和碳酸鹽類礦物（長石和高嶺石等），它們與地下水相接觸時會產生中和反應：

CaCO3+ H+ →Ca2+ +HCO3-

CaAl2Si2O8+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+Ca2+

2NaAl2Si2O8+10H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+2H4SiO4+2Na++2Al3+

Al2Si2O5（OH）4+6H+→2H4SiO4+H2O+2Al3+

從上述化學反應式碳酸鹽類和鋁硅酸鹽類礦物中和了地下水中部分H+，地下廠房群中部份地下水產酸作用大于中和作用，使地下水呈現酸性，如：地下廠房樁號廠右0+60，廠下

0-3.0點地下水pH值僅1.68。

綜上，地下水質酸性化與水中總鐵含量的高低有關，而鐵離子含量取決于黃鐵礦的富集程度和地下水的開放程度，從地下水析出物礦物成份分析結果看，水綠礬（FeSO4·7H2O）、水合氫離子鐵礬[Fe2（SO4）3·nH2O]、水鐵礦[Fe2（HO）8·4H2O]、針鐵礦（Fe2O3·H2O）及赤鐵礦（Fe2O3）的含量占各樣品的68～95%，說明上述各化學反應式存在。地下廠房洞室群雖然埋深很大，但由于地下廠房洞室群的開挖，極大地提高了洞室群圍巖地下水的開放程度，而地下廠房區地下水位的降低和含水層的疏干，以及地下廠房洞室群的開挖，為氧氣的進入和使還原環境轉變為氧化環境創造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，并使地下水質向弱酸性～強酸性轉化。

四、主廠房頂拱處理

主廠房頂拱處理范圍為酸性水發育的廠右0+030～0+070，地下水質酸性化的原因是巖石中存在的黃鐵礦在氧化環境下溶解于水引起的，進而產生一系列復雜的化學反應，引起水中

H+、SO42-的增加，從而使地下水對混凝土、混凝土結構的鋼筋和鋼結構具弱～強的腐蝕性。

要阻止酸性水的形成，主要要阻止黃鐵礦的氧化及水解反應的進行，其主要措施為阻止氧氣溶解于水中在巖體結構面或裂隙中的流動，增加巖石的完整性阻止空氣在巖體內部的流通，減少巖體中的含水量阻止水解反應的進行或者延緩水解反應的充分進行。由于斷層本身含有一定的鐵錳質且導水性好，施工期均有滴水，地下水沿斷層流動，使黃鐵礦的氧化以及水解反應進行得較為充分，造成該些部位酸性較強。

因此排干巖體中的水分或者堵住主要滲水通道，堵住氧氣進入巖體的通道，阻止黃鐵礦氧化反應、水解反應的進行，是工程首選處理方案，“堵”通過對主要滲水通道的固結灌漿，同時利用水泥漿的堿性中和原酸性環境，保證支護結構存在于中性～堿性的環境中。通過安裝場頂拱滴水呈堿性的情況看，原先對頂拱預固結灌漿的作用很明顯，通過固結灌漿可以使原巖體變為堿性環境。主要措施如下：

（1）針對酸性水主要集中的斷層進行固結灌漿處理，堵住主要滲水通道，同時也可利用水泥漿的堿性對酸性環境進行中和。（2）對噴層集中滲水處，噴層與巖石局部接觸可能不密實，在頂拱網架上利用小型灌漿設備對噴層進行淺層的接觸灌漿，保證噴層的支護作用。（3）減少頂拱巖體的含水量，在對應部位的排水廊道內加密排水幕，破壞地下水向頂拱滲漏的滲流路徑，減小地下水在頂拱巖體內的流動性，阻止水化反應的進行。（4）灌漿結束后，觀察頂拱是否還有滲水，如有滲水集中排走。（5）通過處理后，監測頂拱滴水的酸堿性，要求PH值大于6.5，并建立長期監測體制，定期檢測滴水酸堿度。

五、基本結論

（1）通過對酸性水發育范圍、產生的機理以及地下洞室觀測數據的分析，目前地下廠房頂拱結構尚未受酸性水的腐蝕，具有一定的安全裕度酸性水對該區域的支護結構的耐久性有一定的影響，但通過工程處理，可以保證頂拱結構的耐久性。

（2） 酸性水的形成與黃鐵礦富集程度和地下水的活動性有關，而地下廠房洞室群的開挖、地下水位的降低和含水層的疏干，為氧氣的進入和使還原環境轉變為氧化環境創造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，為黃鐵礦晶體發生各種化學反應提供了前題條件，是形成酸性水的主要原因。 （3） 酸性水的處理可采用“堵排結合”的處理方法，利用固結灌漿堵住主要滲水通道，阻止氧氣、水與黃鐵礦的充分接觸，采用加密周邊排水幕和隨機排水孔的方法，減少頂拱圍巖的含水量，阻止黃鐵礦氧化及水解反應的進行；同時利用水泥漿的堿性中和已有的酸性環境。

參考文獻：

[1] 中國水電顧問集團成都勘測設計研究院《錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩定與支護設計報告 》2010.5endprint