錦屏一級水電站滲流水質及析出物分析

周 綠 馮 藝 陳麗琴 史武詳

1 概述

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內，是雅礱江干流中下游水電開發規劃的控制性水庫梯級，具有年調節能力，在雅礱江梯級滾動開發中發揮著承上啟下的重要作用，對下游梯級補償調節效益顯著。壩址區兩岸巖體透水性受卸荷程度和NW～NWW向裂隙帶發育程度影響明顯。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，巖體透水性呈中強透水與弱透水相間出現的特點：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點。帷幕后布置1個斷面，從六層帷幕灌漿平洞鉆孔安裝滲壓計；排水幕線上布置1個斷面，從六層壩基排水平洞鉆孔安裝滲壓計；五層抗力體排水洞各布置3～4個斷面，從抗力體排水洞鉆孔安裝測壓管。繞壩滲流測點間距50～100 m，靠近壩肩附近測點較密，遠離壩肩附近測點較疏。

壩基水質的形成是水與壩基巖石、帷幕、混凝土間相互作用的結果，同時又受壩基徑流條件的制約，因此，壩基水質是壩基滲流觀測的重要內容，應定期分析總結［1］。根據規范DL/T 5178-2003《混凝土壩安全監測技術規范》［2］要求，應定期對大壩滲流水質進行監測和分析，水質分析是監視帷幕和大壩混凝土是否被溶蝕的重要手段，也是檢驗基礎處理效果及帷幕防滲效果的重要途徑。

2 現場取樣情況介紹

錦屏一級水電站運行期水樣和析出物現場取樣工作按枯水期和豐水期分兩次進行，取樣分別在汛前死水位和汛期蓄至正常水位進行。2014～2017年間共開展了3輪取樣和分析工作。

枯水期和豐水期水質分析分別取水樣30組（大壩庫區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處進行。水樣容器應選用具有良好磨口塞的無色硬質細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，采樣后進行現場記錄，現場記錄內容應包括采樣點編號、采樣地點、采樣時間、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，采樣后進行現場記錄，記錄內容應包括采樣點編號、采樣地點、采樣時間、水位等。水樣取樣結果詳見表1。

3 水質分析

3.1 規程、規范與方法

錦屏一級水電站滲流水質分析依照DL/T 5178-2003《混凝土壩安全監測技術規范》［2］附錄D.4.2確定，水質分析按照DL/T 5194-2004《水電水利工程地質勘察水質分析規程》［3］進行，水樣對混凝土的腐蝕性評價依據GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》［4］進行。

取樣完成后，在1周時間之內進行試驗，并根據試驗結果形成檢測成果報告。

水質試驗過程：玻璃器皿需充分洗滌，即自來水沖洗→洗滌劑刷洗→自來水沖洗→蒸餾水沖洗器皿內壁3次，洗凈后的器皿內壁應均勻地被水浸潤。滴定分析所使用的標準溶液應采用物質的量濃度表示，單位為mol/L；水溫的測定應在采樣點進行；pH值使用玻璃電極法測定；不參加離子平衡計算的項目，不參加離子平衡計算的項目均以mg/L表示。

3.2 成果

對庫水和尾水水樣點的水質進行了對比分析，結果如下：

（1）錦屏一級水電站3個庫水水樣（16～18號）試驗結果基本一致，水樣均對混凝土無腐蝕；

（2）錦屏一級水電站水墊塘下游河道的水樣（19號）對混凝土無腐蝕；

（3）錦屏一級水電站26個工程內部滲流水取樣點中，有19個取樣點的水樣（3～9，11，14～15，20～25，27～29號）均對混凝土無腐蝕；1個取樣點（30號）枯水期時水樣對混凝土具有重碳酸型弱腐蝕，豐水期時水樣轉為對混凝土無腐蝕；6個取樣點的水樣（1～2，10，12～13，26號）對混凝土具有重碳酸型中等腐蝕。

水質分析成果詳見表2～3。

3.3 反應機理分析

環境水對混凝土腐蝕性類型及具體界限指標見表4。環境水是多種腐蝕性介質的復合溶液，在對混凝土產生腐蝕時各種離子相互影響、共同作用，但其中某些離子起著主要作用。環境水的腐蝕分類有多種方法，目前尚無統一標準，較常見的是按環境水的腐蝕介質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年錦屏一級水電站水樣取樣情況

表2 錦屏一級水電站水質分析成果（EL.1 800 m）

在混凝土中含有大量的因水泥水化產生的氫氧化鈣（Ca（OH）2）和水化鋁酸鈣等，當外部環境水中能與Ca（OH）2和水化鋁酸鈣等物質發生反應的化學成分含量達到一定濃度時，該環境水便對混凝土具有腐蝕性。

3.3.1 一般酸性型腐蝕性

一般酸性型腐蝕是指當環境水呈酸性時（pH≤6.5），水中的H+含量已經達到了與Ca（OH）2反應的濃度而使混凝土中Ca（OH）2溶解，其反應方程式如下：

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-建立下列的平衡關系：

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

當環境水與混凝土接觸時，水中的侵蝕性CO2可與混凝土的碳化層（形成的CaCO3部分）發生反應，降低混凝土的抗滲能力，使混凝土中大量游離石灰Ca（OH）2被水帶走，導致混凝土強度降低，甚至遭受破壞。具體反應方程式如下：

表3 錦屏一級水電站水質分析成果（EL.1 880 m）

表4 環境水對混凝土腐蝕性判別標準

3.3.3 重碳酸型腐蝕性

根據前述的CO2+H2O ?H2CO3?HCO3-+H+平衡式可知：當環境水中的HCO3-含量降低時，平衡將向右移動，因而水中H+含量將隨著升高。

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

3.3.4 鎂離子型腐蝕性

混凝土內部是一種堿性環境，其中OH-濃度較高。外部環境水滲入到混凝土內部時，水中的Mg2+可與混凝土中的OH-發生如下反應：

環境水的鎂離子型腐蝕是指環境水中Mg2+與混凝土中的OH-發生化學反應形成體積膨脹的Mg（OH）2沉淀。當這種現象使混凝土內部的膨脹量超過了其本身可以承受的應力范圍時，就會導致混凝土開裂、剝落、結構破壞。

3.3.5 硫酸鹽型腐蝕性

硫酸鹽與水泥水化產物Ca（OH）2和水化鋁酸鈣發生化學反應，生成膨脹性的鈣釩石，當這種膨脹應力超出混凝土本身可以承受的應力范圍時便導致混凝土開裂、剝落。

3.4 水樣對混凝土腐蝕性比較

根據這兩次水質分析成果，結合2014年和2016年水質分析成果，對2013年以來錦屏一級水電站工程首次蓄水期、初蓄期、運行期相同取樣點不同取樣時間水樣對混凝土腐蝕性程度進行了評價。

從不同時期各取樣點水樣對混凝土腐蝕性比較結果（見表5）可知：2013年至今錦屏一級水電站各個取樣點中，有4處水樣（3，4，8，30號）對混凝土的腐蝕性已經消除；有6處水樣（1，2，10，12，13，26號）對混凝土仍具有重碳酸型中等腐蝕，其中有1處水樣（26號）自2017年開始具有重碳酸型中等腐蝕；其他取樣點的水樣對混凝土均無腐蝕性。

4 析出物化學分析方法及成果

4.1 析出物化學分析方法

析出物化學分析按照DL/T 5357-2006《水電水利工程巖土化學分析試驗規程》［5］進行。

析出物化學分析采用簡易堿吸收容量法進行試驗，主要儀器設備包括簡易堿吸收容量法測定裝置、天平、篩、瑪瑙研缽等。主要步驟（鈣質析出物）包括：①將試樣捏碎攤開于瓷盤中，除去試樣中雜物，置于陰涼通風處晾干，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0.15 mm篩備用。取風干試樣按要求測含水率。②根據碳酸鈣的含量，稱取1～8 g制備好的風干試樣，準確至0.000 1 g，然后將風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醫用注射器連接在乳膠上端，捏開玻璃珠開關，從廣口瓶中抽出50 mL空氣。③用注射器通過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打開瓶塞，取出塑料杯，用50 mL無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-酚酞混合指示劑，用1 mol/L鹽酸溶液滴定至溶液由紫色變為淡紅色時，改用0.1 mol/L鹽酸標準溶液滴定至溶液剛出現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鹽酸標準溶液滴定至溶液由藍色變為黃色（pH值為3.9）為止，加下這次滴定用量。每組試驗的試樣為兩個，兩個試樣的結果誤差不得大于0.2%，取其算術平均值。

4.2 析出物化學成分分析成果

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

根據析出物化學成分分析成果確定：工程內部15個采樣點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。

析出物化學成分分析成果詳見表6。

5 滲流水水源分析

通過對各取樣點水樣的化學分析成果進行比較分析來推斷滲流水可能來源，具體要確定某處滲流水的水源還須開展其他更加深入的工作。

根據各取樣點水樣的化學分析成果來推斷其可能來源應從3個方面進行：①將各取樣點滲流水水質分析成果與庫水水質分析成果進行比較，因為滲流水中某些成分的含量應該與其水源水中某些成分的含量基本相同；②通過分析，了解外部水流經新建工程混凝土內部時可能發生的某些成分的變化；③參考錦屏一級水電站設代處提供的大壩建成前的水質分析資料。

錦屏一級水電站部分滲流水水樣與庫水水樣化學分析成果對比分析見表7，成都勘測設計研究院錦屏一級水電站設代處提供的工程區域內以往水質分析成果見表8，部分滲流水水源推斷見表9。

通過對滲流水與庫水的化學分析成果進行比較分析，初步推斷一級水電站工程內的26個取樣點的滲流水、下游河道水的水源主要為庫水，其中某些位置的滲流水可能是山體滲水和繞滲進來的庫水的混合水。推斷理由如下。

（1）與庫水相比，一級水電站編號為1，2，10，12，13號的這5組滲流水樣的pH值和CO32-濃度升高、無HCO3-，編號為3，5～8，22，26，30號的8組滲流水樣的pH值和CO32-濃度升高、HCO3-濃度降低，其他檢測項目測定值均在一定范圍內波動。

對于這一現象的解釋是：在水流經混凝土的過程中，水中的HCO3-與工程混凝土內的水泥水化物Ca（OH）2發生化學反應（如下），導致水中的HCO3-濃度降低，OH-濃度升高（pH值升高），CO32-因化學反應生成的CaCO3微量溶解而導致水中的CO32-濃度升高。

表7 錦屏一級水電站滲流水水樣與庫水水樣成分對照分析

表8 工程區域內以往水質分析成果

表9 錦屏一級水電站滲流水水源分析推測（部分）

（2）與庫水相比，一級水電站編號為4，9，11，14，15，20～25，27～29號的13組滲流水的HCO3-濃度升高，其他檢測項目測定值均在一定范圍內波動。

對于這一現象的解釋是：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生溶蝕反應，生成可溶性的Ca（HCO3）2，Ca（HCO3）2溶于水后發生電解反應產生HCO3-，導致水中的HCO3-濃度升高。

6 結論

根據2017年4月底、2017年8月錦屏一級水電站水質及析出物分析結果，并與往年的分析結果進行比較，得出如下基本結論。

（1）錦屏一級水電站庫區取樣點（16～18號）、水墊塘下游河道取樣點（19號）、19個工程內部滲流水取樣點（水樣編號為3～9，11，14，15，20～25，27～29號）采集的水樣均對混凝土無腐蝕；水樣編號為30號的取樣點在枯水期時采集的水樣對混凝土具有重碳酸型弱腐蝕，在豐水期時采集的水樣對混凝土無腐蝕；有6個取樣點（水樣編號為1，2，10，12，13，26號）采集的水樣對混凝土具有重碳酸型中等腐蝕。

（2）錦屏一級水電站工程內部15個采樣點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。

根據相同取樣點、不同取樣時間的水樣對混凝土腐蝕性對比分析，得出的基本結論如下：2013年至今錦屏一級水電站各個取樣點中，有4處水樣（3，4，8，30號）對混凝土的腐蝕性已經消除；有6處水樣（1，2，10，12，13，26號）對混凝土仍具有重碳酸型中等腐蝕，其中有1處水樣（26號）自2017年開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，需結合水質分析成果，加強此處的滲流滲壓監測和分析；其他取樣點的水樣對混凝土均無腐蝕性。

根據對滲流水與庫水的化學分析成果進行比較分析，推斷出的基本結論如下。

（1）錦屏一級水電站27處取樣點的水樣來源推測主要為庫水，其中某些位置的滲流水可能是山體滲水和繞滲進來的庫水的混合水。

（2）錦屏一級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，曾開華，楊光中，等.丹江口大壩壩基滲流水質分析與評價［J］.長江科學院院報，2003，20（5）：35-37.

［2］ DL/T5178-2003混凝土壩安全監測技術規范［S］.

［3］ DL/T5194-2004水電水利工程地質勘察水質分析規程［S］.

［4］ GB 50487-2008水利水電工程地質勘察規范［S］.

［5］ DL/T5357-2006水電水利工程巖土化學分析試驗規程［S］.