淡水殼菜污損體系及其對輸水建筑物侵蝕現(xiàn)狀分析

蔡杰龍，楊永民，潘志權，張君祿，蔡燦旭，王梓鑫

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣東 廣州 510635；3.廣東省水利重點科研基地，廣東 廣州 510635；4.廣東粵港供水有限公司，廣東 深圳 518021)

水泥混凝土是現(xiàn)代建筑工程中使用最多、最廣的構筑材料?；炷翗嬛铮绕涫菓糜诮煌?、市政、水利等大型基建工程，其耐久性直接關系國民經(jīng)濟的發(fā)展和人身安全。隨著社會的發(fā)展，科技的進步，混凝土也不斷被應用于新的環(huán)境領域，不僅對混凝土的性能指標提出了更高的標準，也對影響其耐久性的因素有了新的認識，其中生物侵蝕也是致其性能劣化的一個重要因素[1]。

為了研究生物侵蝕對輸水建筑物過水混凝土的侵蝕影響，本文以國內(nèi)某大型供水工程為背景，通過采集工程現(xiàn)場水體中的淡水殼菜樣本，并研究其代謝物對水質的影響以及過水混凝土面附著機理，并結合工程現(xiàn)場分析淡水殼菜對輸水建筑物的侵蝕破壞狀況，為工程開展生物侵蝕機理研究及采取針對性防護措施提供重要的理論依據(jù)。

1 淡水殼菜污損體系

淡水殼菜為貽貝科、沼蛤屬,俗稱紫貽貝、金貽貝、死不丟，是生活在淡水及淡咸水中的小貝殼，其形態(tài)見圖1。淡水殼菜可通過足絲腺分泌具有黏附性的蛋白足絲從而固著在任何固體物質上，如在湖泊、河流、工廠的沉淀池及工業(yè)冷卻水管管道內(nèi)。

a)外貌

b)內(nèi)部結構圖1 淡水殼菜形態(tài)

淡水殼菜生長周期可分為3個階段：幼體期、青年期和成熟期，生命周期通常為2 a。糙率大的隧洞和箱涵的內(nèi)表面，淡水殼菜的生長分布密度稠密、單位面積數(shù)量多，一般成體對光線強弱沒有明顯的反應，甚至在黑暗的水管中，只要食物豐富，仍能生長。

近年，淡水殼菜污損體系對輸水建筑物過水混凝土面的侵蝕破壞較為嚴重。因此，有必要對其代謝物及其對水質的影響與附著機理進行相關研究分析。

1.1 代謝物分析

淡水殼菜的附著會對混凝土產(chǎn)生侵蝕危害，為了評估污損生物附著對混凝土的侵蝕程度和機理，本文采用固相萃取-氣質色譜聯(lián)用技術測定了污損生物代謝酸種類，對于模擬研究生物侵蝕或開發(fā)抑制生物代謝型防護涂料意義重大。

現(xiàn)場刮取混凝土表層的污損生物附著層，通過便攜式壓濾器壓取污損物，將所得液體過濾(濾紙孔徑0.25 mm)、抽濾(濾膜孔徑0.45 μm)測定其pH值，后密封帶回，冷藏保存。為防止濾液感染其他細菌微生物，影響測試結果，取樣過程所用壓濾器、過濾裝置、試樣瓶等均作酒精消毒處理。

圖2 污損體系壓濾液成分的氣相色譜

通過便攜式pH計測定多組污損生物附著層壓濾液發(fā)現(xiàn)，濾液pH值在6.5～7.0之間，表明生物污損層體系呈弱酸性，酸度與污損生物附著量及附著區(qū)環(huán)境惡化程度有關。圖2為污損體系壓濾液的氣相色譜。通過檢索分析可知，污損生物的代謝產(chǎn)物主要為乙酸、丙酸、丙三醇。乙酸、丙酸是生物代謝中較為常見的有機酸。丙三醇為生物體內(nèi)甘油三脂的代謝產(chǎn)物之一。其中，由于乙酸和丙酸具有羧基，可絡合金屬離子和堿金屬離子，對水泥水化產(chǎn)物有侵蝕分解作用。

1.2 對水質的影響

鑒于以淡水殼菜為主的污損生物附著面積之廣、附著層之厚、附著量之大、附著期之長，生物的代謝活動可能會對水質產(chǎn)生影響，因此，通過紅外光譜法和質譜分析法對水質進行了檢測。

1.2.1紅外分析

淡水殼菜在輸水混凝土表面高密度附著，對輸水糙率、工程運行、輸水建筑耐久性有一定的影響，此外，生物的繁殖代謝也可能影響水質，因此，對原水進行了紅外分析。分析結果見圖3，除了波數(shù)3 429 cm-1的水的羥基伸縮振動峰外，還觀測到2 083、1 628、667 cm-1的有機官能團，且峰值較強，說明原水中含有一定量的有機物。為確定有機物成分，進行了下述質譜分析。

圖3 水質紅外分析譜

1.2.2質譜分析

對水質進行質譜定性分析，結果見圖4。質譜分析不同出峰時間可看到有7個峰，每個峰對應一種物質。另外，每個峰對應的質譜圖分子碎片中質荷比均較大，表明這些物質多為高級脂肪酸和萜類物質。由此說明，原水中含有大量的有機質，驗證了紅外分析的結果。

a)質譜總圖

b)峰1

c)峰2

d)峰3圖4 水質質譜分析

e)峰4

f)峰5

g)峰6

h)峰7續(xù)圖4 水質質譜分析

1.3 附著機理

淡水殼菜可以通過足絲固定在各種固體表面上，如巖石沙子船體木材玻璃塑料等，甚至可以黏附于制造不粘鍋的特氟龍材料，具有化學合成膠水所不具有的特殊優(yōu)勢。足絲蛋白黏合范圍廣、耐海水腐蝕、強度高、生物親和性良好，被認為是極好的廣譜生物膠黏劑而應用于醫(yī)學和生物工程等領域。通過顯微鏡觀察可推斷淡水殼菜足絲的附著機理，具體示意見圖5。

圖5 淡水殼菜足絲及附著示意

通過顯微鏡觀察，結合相關文獻資料查閱可知，淡水殼菜污損體系足絲由多種蛋白構成，不同蛋白起的作用也不盡相同[2]。黏蛋白(mussel adhesive protein，MAP)之所以具有極強的黏合作用，關鍵在于其結構中所富含的3，4-二羥基苯丙氨酸(DOPA)。貽貝足絲腺分泌的MAP與固體底材接觸時，DOPA的羥基可與底材形成氫鍵或配位鍵，從而固著于材料表面。

此外，西班牙、意大利等歐洲國家的延遲退休年齡政策也具有彈性，延遲退休的主要手段是以提高國民繳納養(yǎng)老保險的時間來延遲本國的退休年齡，主要的養(yǎng)老保險繳納年限為35-37年不等[5]。

2 過水混凝土面侵蝕狀況分析

本工程為大型跨流域調水工程，其中輸水建筑物全長約68.56 km，渡槽段全長3.90 km。工程自建成以來，一直受淡水殼菜滋生問題的困擾，尤其是工程投產(chǎn)后，淡水殼菜問題更加突出。淡水殼菜周期性的生長，造成了涵管過流能力減少，供水能耗增大，同時涵管內(nèi)壁混凝土保護層因淡水殼菜足絲侵入而逐年被粉化而流失，給工程的結構與安全運行帶來了潛在危害。

2.1 侵蝕現(xiàn)狀

根據(jù)工程目前過水混凝土面淡水殼菜侵蝕存在的問題，本項目主要針對工程沿線主要建筑物的侵蝕狀況進行調研分析，調研結果見圖6。因主要建筑物數(shù)量較多，本文以其中典型代表“太園泵站”進行分析。

圖6 主要建筑物淡水殼菜侵蝕現(xiàn)狀

太園泵站因離取水口最近，配套輸水建筑內(nèi)壁淡水殼菜等污損生物附著也最為嚴重，附著厚度達3～5 cm左右。附著強度為：在伴有淤泥沉積的附著區(qū)，淡水殼菜較易鏟除，附著強度較差；而在泥沙沉積少的區(qū)域，淡水殼菜成團直接嵌入式附著于混凝土表面時，附著強度顯著增大，難以鏟除(圖7)。經(jīng)高壓水槍清洗后，混凝土基面露出，可明顯觀察到表面呈現(xiàn)凹凸不平、骨料外露的現(xiàn)狀。附著特點有：陰暗潮濕的區(qū)域淡水殼菜附著量明顯多于光照充足區(qū)，這與淡水殼菜喜好陰暗潮濕生存環(huán)境有關；由于水面起伏波動會給予淡水殼菜一定的沖擊力，干擾淡水殼菜正常附著，故長期浸水區(qū)淡水殼菜附著量多于水面擾動區(qū)；此外，受流體力學影響(拐彎處外側水流速度大于內(nèi)側水流速度)，拐彎處外側較內(nèi)側淡水殼菜附著量少。

a)箱涵表面淡水殼菜密集附著

b)泥沙沉積區(qū)淡水殼菜易鏟除

c)泥沙沉積少淡水殼菜團簇強附著

d)混凝土面遭侵蝕骨料外露圖7 污損生物附著情況

2.2 侵蝕結果與規(guī)律分析

a)上游多，下游少，順水方向逐漸減少。根據(jù)淡水殼菜生長數(shù)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，從上游端的反虹涵至下游端的隧洞，淡水殼菜滋生數(shù)量逐漸減少，呈現(xiàn)出較為明顯的“上游多，下游少，順水方向逐漸減少”的分布規(guī)律。究其原因，推斷是：上游(如太園反虹涵、潼湖反虹涵、司馬有壓箱涵等)由于取水口的來水帶來了源源不斷的藻類、微生物及有機物等，為淡水殼菜生長提供了豐富的食物和養(yǎng)分，當溫暖季節(jié)來臨之時淡水殼菜便旺盛生長。隨著養(yǎng)分被上游淡水殼菜吸收，水體中淡水殼菜生長所需的養(yǎng)分便逐漸下降，到了下游(如官倉反虹涵、清溪倒虹吸及沙嶺倒虹吸等)，眾多淡水殼菜幼蟲得不到足夠養(yǎng)分而不能附著涵管內(nèi)壁生長，數(shù)量便逐漸減少。

b)暗涵相對多，明渠相對少，生長受太陽光線影響。目前來說，本工程淡水殼菜滋生嚴重的區(qū)域均為埋地的供水涵管，如太園反虹涵、潼湖反虹涵、司馬有壓箱涵、塘廈三期壓力箱涵、竹尾田埋管、沙嶺倒虹吸、對港供水二三期涵管等，而明渠則相對較少或不生長，顯示出明顯的“暗涵多、明渠少“的淡水殼菜生長規(guī)律，表明太陽光對淡水殼菜生長產(chǎn)生一定的抑制作用。

c)流動水域生長旺盛，靜止水域難以生存。通過近些年對淡水殼菜生長數(shù)量的觀測可知，淡水殼菜好生長于流動的水域，不流動的水域基本不生長。本工程主線輸水建筑物的水流流速為1.0～4.4 m/s，持續(xù)流動的水體為淡水殼菜提供源源不斷的食物和溶解氧，非常利于淡水殼菜生長，而不流動的水體則無法提供淡水殼菜生長所需養(yǎng)分。例如司馬有壓箱涵的主涵管大量滋生淡水殼菜，而水體處于非流動狀態(tài)的進出檢修車道(水體不流動)則不生長，在拐角處有明顯的分界線；再如三期電站出水池中流動的水域淡水殼菜生長非常旺盛(右側1、2、3機組出口)，而不流動水域(左側)則基本沒有淡水殼菜滋生。這一特征也為淡水殼菜的防治措施研究提供重要的指導作用。

2.3 生物侵蝕主要危害

淡水殼菜大量生長并附著于輸水建筑物混凝土過水面，對工程形成的主要危害主要包括以下3個方面。

a)引起混凝土表面粉化碳化，危害建筑物結構安全，降低建筑物的使用年限。淡水殼菜的足絲侵入混凝土表層內(nèi)部，其分泌物腐蝕水泥砂漿，加速混凝土內(nèi)壁碳化和粉化，露出碎石粗骨料，使得混凝土內(nèi)壁表層結構(鋼筋保護層)厚度逐漸變小，從而降低水工建筑物的使用年限，危害性極大。

b)引起輸水建筑物表面的糙率增大，有效管徑縮減，輸水能力降低。淡水殼菜通常在管壁、縫隙等處多個體稠密群聚簇生，使得有效管徑縮減，糙率增大，輸水能力大大降低。以太園反虹涵為例，2008年以前，淡水殼菜生長厚度可達2～4 cm，依據(jù)相關數(shù)據(jù)測算[3-4]，其糙率從年初的約0.012 3逐步增大至年底的0.016 7，增長約35.8%，同等水頭差條件下供水能力大幅減少。由此可見，淡水殼萊的生長引起了輸水建筑物糙率明顯增大。

c)增大輸水建筑物的輸水能耗，增大工程運行成本。以司馬有壓箱涵為例，清理淡水殼菜前后的箱涵進出口水頭損失數(shù)值相差76 cm[4]，可見淡水殼菜生長增大供水能耗的作用非常明顯。

3 結論

a)淡水殼菜分泌的足絲蛋白與附著基以氫鍵和配位鍵形成化學鍵合，足絲蛋白由至少8種蛋白組成，黏附力極強。

b)輸水建筑物混凝土面以淡水殼菜為主的污損體系主要代謝產(chǎn)物為乙酸、丙酸和丙三醇，呈弱酸性。其中乙酸和丙酸具有羧基，可絡合金屬離子和堿金屬離子，對水泥水化產(chǎn)物有侵蝕分解作用。丙三醇的醇羥基具有親水性，可在一定程度上改變混凝土表面特性。

c)以淡水殼菜污損體系為主的生物侵蝕可導致水工建筑中混凝土結構表面砂漿脫落，骨料外露，嚴重時可產(chǎn)生開裂和鋼筋銹蝕，從而導致服役壽命大大縮短，不僅直接影響工程結構與安全，而且重建或維修還將導致巨大的經(jīng)濟損失。