水布埡面板堆石壩面板附著物成分及成因分析

盧曉春,田 斌, 覃 源,彭艷周,熊勃勃

(1.三峽大學水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002; 2.湖北省水電工程施工與管理重點實驗室,湖北 宜昌 443002;3.三峽大學土木與建筑學院,湖北 宜昌 443002; 4.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

我國面板堆石壩數(shù)量眾多,無論是壩高、工程規(guī)模以及技術難度都處于世界前列,面板堆石壩在我國已成為主要比選或首選壩型[1]。起擋水作用的混凝土面板,是整個面板堆石壩工程的生命線工程,其防滲安全對工程的安全運行起著至關重要的作用[2-3]。長期以來,混凝土面板安全研究主要集中在堆石體與面板的變形協(xié)調(diào)理念與變形控制措施、不利自然條件下建壩的面板防裂控制和實時監(jiān)測技術等方面[4-11],對運行過程中混凝土面板在服役環(huán)境作用下(化學作用和生物作用)的長效安全性能的關注較少。

水布埡面板堆石壩為目前世界上最高的混凝土面板堆石壩,最大壩高233 m,工程總工期7.5 a,2008年8月4臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。迄今為止,水布埡水電站經(jīng)過歷時約10 a的發(fā)電運行[12-13]。在首次定期檢查過程中,發(fā)現(xiàn)大壩混凝土面板上附有皮狀的附著物,如圖1所示。為了探究附著物對混凝土面板安全性能的影響,擬對庫水水質(zhì)、面板附著物的成分和成因以及面板混凝土的強度狀況進行調(diào)查研究,并在此基礎上開展庫水和附著物對面板混凝土的腐蝕性評價。

圖1 水布埡面板堆石壩面板附著物

1 庫水水質(zhì)分析及混凝土面板腐蝕性評價

1.1 水樣采集

水樣采集分左岸、河谷中間、右岸3個采集點,每個采集點分2個水樣點,一個采集庫表水面以下0.5 m處水樣,另一個采集水下10 m處水樣。取樣設備為中國科學院水生生物研究所研發(fā)的卡蓋式采水器,可定深采集水樣。水樣采用處理過的干燥礦泉水瓶收集,并在瓶身附有標簽,每種水樣的采集量均為3 000 mL。

表1 庫水水質(zhì)檢測結果

注:ND表示檢測結果低于分析方法檢出最低限值。

表2 環(huán)境水對混凝土面板的腐蝕性評價

1.2 檢測項目

1.3 檢測結果

采用SL 219—2013《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》規(guī)定方法對上述項目進行檢測分析,水樣檢測結果如表1所示。

1.4 環(huán)境水對面板混凝土腐蝕性評價

由于大壩面板為配有鋼筋的混凝土結構,一旦面板產(chǎn)生裂縫,庫水也可能對鋼筋產(chǎn)生腐蝕,因而環(huán)境水對混凝土面板的評價一方面包含環(huán)境水對面板混凝土腐蝕性判別,另一方面包含環(huán)境水對鋼筋的腐蝕性判別。依據(jù)GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》,其判別標準和腐蝕性評價結論如表2所示。由此可見,庫水對混凝土的一般酸性型腐蝕、碳酸型腐蝕、重碳酸型腐蝕、鎂離子型腐蝕和硫酸鹽型腐蝕程度均為無腐蝕;庫水對鋼筋混凝土面板中鋼筋的腐蝕程度也為無腐蝕。

2 面板附著物成分分析

為了研究面板附著物的化學組成,運用X射線熒光分析法(XRF)進行其化學成分測試,運用X射線衍射(XRD)、紅外光譜(IR)進行顆粒成分和有機物的檢測分析。為了探究附著物的存在是否會為水中藻類營造生存環(huán)境,通過BaCl2飽和法測定附著物的陽離子交換量,評價附著物的保肥能力。

為了使分析結果有代表性,選擇左岸、河谷中間、右岸3個采集點,每個采集點取水上干樣和水下濕樣2個樣本,一共有6個樣本。各樣品經(jīng)X射線熒光光譜分析得到的各化學成分如表3所示。由表3可知,面板附著物的主要化學成分(以氧化物表示)為CO2、CaO及SiO2,三者總量占95%左右。此外,還含有少量Al2O3(1%左右)、MgO(0.9%左右)和SO3(大部分樣品在0.8%左右)。

表3 面板附著物中各化學成分所占比例 %

各樣品的紅外光譜圖和X射線衍射圖基本一致,表明其各處附著物種類和物相成分基本相同。受文章篇幅限制,主要選取河谷中間試樣檢測成果進行分析。圖2為河谷中間面板附著物干樣的X射線衍射圖。由圖2并結合面板附著物的化學成分分析[14]可知,面板上附著物的主要晶體物相有兩種，即方解石(CaCO3)和石英(SiO2)。圖3為河谷中間面板附著物的紅外光譜圖。由文獻[14]可知,水化硅酸鈣的特征波數(shù)是3 420 cm-1、1 420 cm-1、1 020 cm-1、990 cm-1及460 cm-1等,2 930 cm-1、2 870 cm-1、1 458 cm-1、875 cm-1、845 cm-1、713 cm-1對應方解石的特征波數(shù),1 160 cm-1、1 080 cm-1、790 cm-1、770 cm-1、690 cm-1等對應石英的特征波數(shù)。結合所檢樣品的化學成分(表3)分析認為,面板附著物樣品的主要物相成分除方解石、石英外,還含有少量的水化硅酸鈣。

圖2 河谷中間面板附著物干樣的X射線衍射圖

圖3 河谷中間面板附著物的紅外光譜圖

通過對6個樣品的陽離子交換量分析,左岸干樣和濕樣的陽離子交換量分別為455.59 cmol/kg和446.5 cmol/kg,河谷中間干樣和濕樣的陽離子交換量分別為453.12 cmol/kg和441.14 cmol/kg,右岸干樣和濕樣的陽離子交換量分別為470.69 cmol/kg和477.02 cmol/kg。

從陽離子交換量的測試結果來看,面板各部位附著物的陽離子交換量普遍較高,同時從干樣和濕樣陽離子交換量來看,檢測結果比較接近,說明兩者的肥力接近,可以推斷兩者的成分也幾乎相同。陽離子交換量較高的原因可能為測定的樣品中存在著很多的苔蘚組織,土壤含量非常少;但苔蘚類對原生裸地土壤的形成和礦質(zhì)營養(yǎng)的積累有十分明顯的作用,它不僅有利于土壤的形成和積累,也有利于土壤中N、P、S等有機質(zhì)養(yǎng)分的保持。

但是,在XRF、XRD和IR分析中均未檢測到烴類、胺類、羧酸類等有機物成分，其原因可能與樣品處理方式有關。面板附著物樣品在開展XRF、XRD和IR檢測前需要制樣,即經(jīng)電磁制樣機粉磨至0.08 mm以下粒徑。在粉磨過程中,可能導致溫度較高,因升溫和機械沖擊等作用很可能使苔蘚組織的結構損壞或分解,再加之其含量并不高,從而造成XRD、IR等分析均未能檢出有機物成分。

3 面板混凝土強度檢測

水布埡水電站混凝土面板共分3期施工:一期面板高程177～278 m,最大高差101 m;二期面板高程278～340 m,最大高差62 m;三期面板高程340～405 m,最大高差65 m。面板混凝土的配合比如表4所示。為了提高面板混凝土的抗裂能力,并強化初期強度和韌性,在一期和二期面板混凝土中添加聚丙烯腈纖維;同時,為了更好地適應面板堆石壩施工期和蓄水期面板受力變形的特點,在三期面板范圍內(nèi)壩體不均勻沉降比較明顯的左7至左11塊面板混凝土中采用了鋼纖維和聚丙烯腈纖維復摻的方式[15]。

表4 面板混凝土配合比

由于庫水水質(zhì)分析和面板附著物取樣均在三期面板的高程范圍內(nèi),因而強度狀況調(diào)查只針對水位變動區(qū)的三期面板。在面板混凝土材料室內(nèi)試驗研究中,考慮不同料場對混凝土強度的影響,單獨添加聚丙烯腈纖維三期混凝土的抗壓強度范圍為44.8～54.7 MPa,復摻聚丙烯腈纖維和鋼纖維的三期混凝土的抗壓強度范圍為53.5～62.0 MPa[16]。

為了探究面板混凝土強度現(xiàn)狀,采用無損回彈法檢測混凝土抗壓強度。在水庫運行水位385.38 m以上的三期面板中,對河谷中間及右岸選擇4個測區(qū)開展面板強度測試工作,4個測區(qū)的抗壓強度分別為51.1 MPa、47.2 MPa、42.7 MPa、51.1 MPa。從檢測結果來看,除1個測區(qū)強度低于試驗強度范圍44.8～54.7 MPa外,其余幾個測區(qū)強度值均在試驗強度范圍以內(nèi)。從已有的4個測區(qū)的強度檢測結果可見,水布埡面板堆石壩經(jīng)過約10 a的發(fā)電運行,面板混凝土強度損失較小,面板的運行狀況良好。

4 面板附著物成因分析及評價

4.1 面板附著物的成因分析

由以上XRF、XRD、IR及陽離子交換量測試結果可知,面板附著物的主要成分有方解石、石英和少量的水化硅酸鈣等,此外還有一定量的苔蘚組織。

這些物質(zhì)中,方解石很可能是在潮濕條件下(降雨或夏季高溫時灑水養(yǎng)護)面板中部分氫氧化鈣溶出或析出,并隨后于空氣中碳化形成。同時,也有可能是附著物樣品取樣時所刮取的部分骨料成分。面板附著物中方解石的含量將隨時間延長而增大(因氫氧化鈣會不斷在潮濕條件下滲出并碳化,從而會逐漸積累)。石英則可能是由原混凝土中砂粒等骨料的影響或庫區(qū)落塵等原因形成。面板附著物中還含有少量的水化硅酸鈣,由于水化硅酸鈣的溶解度極低,故其溶出或析出量可忽略,它主要來源于取樣時刮下的砂漿成分。

面板附著物中存在苔蘚組織,主要是由于庫水中有適合于苔蘚類附著物生長的營養(yǎng)鹽成分;運行水位以上部分也存在類似的情況,根據(jù)現(xiàn)場運行人員的介紹,在夏季氣溫較高情況下,一般對庫水位以上的混凝土面板區(qū)域采取抽取庫水澆灑的養(yǎng)護方式,養(yǎng)護的庫水中可能含有苔蘚生長的營養(yǎng)要素,從而導致運行水位以上部分也存在苔蘚狀附著物。

4.2 附著物對混凝土面板的影響評估

通過對面板附著物的化學成分、物相組成(顆粒成分)及有機物分析結果可知,面板混凝土的附著物主要是方解石和石英。方解石和石英兩種物質(zhì)的酸堿性均為中性,而且它們在水中的溶解度亦很小,同時也不與水泥及其水化產(chǎn)物(氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣等)發(fā)生化學反應。由此判斷,附著物對面板混凝土基本沒有腐蝕性。

但從附著物陽離子交換量來看,較大的陽離子交換量說明苔蘚狀附著物具有較強的保肥能力,長期情況下容易導致面板上生長更多的苔蘚植物。而苔蘚植物會積累周圍環(huán)境中的水分和浮塵,并分泌酸性代謝物腐蝕面板,如果不及時清除會影響壩體的防滲安全。

5 結 語

a. 庫水對混凝土的一般酸性型腐蝕、碳酸型腐蝕、重碳酸型腐蝕、鎂離子型腐蝕和硫酸鹽型腐蝕程度均為無腐蝕;庫水對鋼筋混凝土面板中鋼筋的腐蝕程度也為無腐蝕。

b. 面板附著物基本為苔蘚狀附著物和混凝土溶出性侵蝕反應物的混合物。溶出性侵蝕的反應物主要是方解石和石英,并含有少量的水化硅酸鈣。方解石很可能是面板混凝土中氫氧化鈣溶出或析出,并在隨后于空氣中碳化形成;石英則可能是由原混凝土中砂粒等骨料的影響或庫區(qū)落塵等原因形成;少量的水化硅酸鈣應該來源于在取樣時刮下的砂漿成分。苔蘚狀附著物產(chǎn)生的原因主要是庫水中存在適合于苔蘚類附著物生長的營養(yǎng)鹽成分;而運行水位以上部位存在附著物是由于夏季運行過程中抽取庫水澆灑的養(yǎng)護方式,而養(yǎng)護的庫水中可能含有苔蘚生長的營養(yǎng)要素。

c. 采用無損回彈法對水位變動區(qū)三期面板的抗壓強度進行了檢測,從檢測結果可見面板混凝土強度損失較小。

d. 面板附著物中的方解石和石英兩種物質(zhì)的酸堿性均為中性,而且它們在水中的溶解度亦很小,同時也不與水泥及其水化產(chǎn)物(氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣等)發(fā)生化學反應。因此,溶出性侵蝕的反應物對面板混凝土基本沒有腐蝕性。

e. 苔蘚狀附著物具有較大的陽離子交換量,說明附著物具有較強的保肥能力,長期情況下容易在面板上生長更多的苔蘚植物。而苔蘚植物會積累周圍環(huán)境中的水分和浮塵,分泌酸性代謝物來腐蝕面板,如果不及時清除會影響壩體的防滲安全,因而建議對面板上的附著物進行定期鏟除清理,避免苔蘚的長期生長造成面板的腐蝕。