環境水的腐蝕性對水庫混凝土大壩的影響淺析

吳景芳

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

關健詞：環境水;水質檢測;離子含量;混凝土大壩

1 概述

天然地表水和地下水都屬于環境水，它的化學成分受水文、氣象和周圍環境以及地質條件的影響，變化范圍很大。水的化學成分及其含量的大小，對大壩混凝土、填筑料、以及鋼筋混凝土的腐蝕性都有很大的影響。特別是天然水中的硫酸鹽以及氯離子含量達到一定的程度對水庫大壩混凝土的產生嚴重腐蝕，從而影響大壩的穩定和安全。混凝土的膠凝材料水化反應后產生的水化產物微溶于水的特點，使混凝土在水環境下形成一定的腐蝕性。隨著腐蝕程度的增加，大壩混凝土抗壓強度將逐步損失。此外，環境水中的氯離子對鋼筋混凝土中的鋼筋的腐蝕，使鋼筋混凝土結構的耐久性產生破壞。

龍首電站水庫大壩，廊道常年處于潮濕狀態，溫差變化不大，在滲水點處，有乳白色、黑色、紅褐色等析出物，為探明這些析出物對大壩安全運行是否影響，以及壩前庫水與水電站的各建筑物部位的滲水水質變化規律的分析，對大壩混凝土的質量進行評價。于2006年4月、2007年8月、2010年8月、2013年3月四次，在大壩不同季節不同部位水質進行了取樣檢測。

2 工程概況和地質條件

黑河發源于青海省祁連山，流經甘肅省河西走廊中部，注入內蒙古自治區的居延海，全長800km之多，屬內陸河。多年平均徑流量15.89x108m3/s。龍首水電站位于甘肅省張掖市城西南約40Km的黑河鶯落峽口，交通方便，公路通往張掖市區。采用半重、半拱壩方案。壩高80m，正常高水位1748m，左岸明渠導流和引水發電。發電廠房位于左岸壩下游100m處，裝機容量5.2x104kW。

壩區位于祁連山北麓與河西走廊南部邊緣交界線附近，黑河橫穿壩區巖層，河谷呈“V”字型，屬橫向河谷，系沿NE向的張扭性構造線發育而成，河谷西岸發育有八級侵蝕性堆積階地及平頂山古夷平面。

壩區出露的地層主要為上奧陶系的火山碎屑巖和變質板巖，其走向為NW向（近直交河流）傾角70°～90°。 巖石堅硬，斷裂較發育，表面風化強烈，巖體呈板狀構造。主要構造線方向為NW向，次為NE向。壩段內的主要工程地質問題：在壩址內由平硐和地表測繪揭露出較大的軟弱結構面，如F6、F7、F71、F91斷層等。其中F6斷層破碎帶，充填物主要為石英巖脈占60%，次為碎屑角礫30%，斷層泥10%。板巖碎粒徑大小不等，厚度5～50mm，含水量較小。F7、F71、F91斷層，充填物主要為靡棱巖占60%，角礫20%，石英脈及斷層泥各占10%，夾泥層厚度不均，最大為30mm，最小為10mm，且含水量較大，斷層面平直光滑。

3 滲水水質監測目的和檢測方法

在水利工程建設中，評價水對混凝土的侵蝕性時，一般要對環境水進行水質化學分析。大壩滲水中的化學成分的變化，意味著混凝土中某些成份的改變，而大壩混凝土成份的變化是無法直接測量的，可以由滲水水質的變化來推斷，包括HCO3-、CO32-、OH-離子、氯離子、硫酸根離子、鈣離子、鎂離子、鈉和鉀、礦化度。

對水工建筑物及其地基的滲水進行透明度觀測和所含化學成分及其含量的化驗，用以分析是否存在沖蝕或溶蝕。在水電站不同時間不同部位采取水樣，以壩前庫水的水質為基準，綜合對比分析在不同時間段不同部位水質的變化，從而評價各部位水質對電站壩體結構的腐蝕性，以達到對大壩的監測目的。

水質檢測分析方法有化學法、電化學法、原子吸收分光光度計法、離子選擇電極法、離子色譜法、氣相色譜法、等離子體發射光譜 （ICP-AES）法等。

本次檢測歷時幾年時間，主要對尾水、廠房水、拱壩滲水、推力墩滲水、重力壩滲水水質與大壩庫水水質進行比較。測定pH值采用玻璃電極法；水樣的硬度可分為總硬度、暫時硬度、永久硬度、負硬度。總硬度的測定采用EDTA滴定法：鈣離子采用EDTA滴定法；鎂離子的含量采用計算法：用總硬度和鈣離子的測定值計算鎂離子的含量；硫酸根離子的測定采用EDTA滴定法；氯離子的測定采用硝酸銀滴定法；鉀、鈉離子的含量測定采用差減法計算；游離二氧化碳采用酚酞指示劑滴定法；侵蝕二氧化碳的含量采用酸滴定法。

4 試驗成果及腐蝕性綜合評價

4.1 試驗成果

水質中陽離子、陰離子、pH值、總硬度、礦化度、總堿度、侵蝕二氧化碳成果見表1、表2、表3。

表1 陽離子含量

表2 陰離子含量

表3 pH值、總硬度、礦化度、總堿度值

4.2 水中主要物質變化分析

陽離子（Ca2+、Mg2+、Na++K+四種主要離子）：庫水中按其濃度的大小排序為1.Ca2+、2.Mg2+、3.Na++K+；尾水中按其濃度的大小排序為1.Ca2+、2.Mg2+、3.Na++K+；廠房水中按其濃度的大小排序為1.Na++K+、2. Ca2+、3.Mg2+；拱壩滲水中按其濃度的大小排序為1.Na++K+、2.Ca2+、3.Mg2+；推力墩滲水中按其濃度的大小排序為1.Ca2+、2.Na++K+、3.Mg2+和1. Mg2+、2.Na++K+、3.Ca2+；重力壩滲水中按其濃度的大小排序為1.Ca2+、2.Na++K+、3.Mg2+和1.Na++K+、2. Ca2+、3.Mg2+。 廠房水、拱壩滲水、推力墩滲水、重力壩滲水Na++K+離子濃度在陽離子的占比發生了變化，位次均有升高。從表1中可見，Ca2+、Mg2+離子與庫水相比較變化不大。Na++K+離子變化情況，呈現逐年增大的趨勢。

陰離子（HCO3-、SO42-、CL-主要離子）：庫水、尾水中按其濃度的大小排序為1.HCO3-、2.SO42-、3.CL-。HCO3-和SO42-濃度在陰離子的占比基本相當。廠房水、拱壩滲水、推力墩滲水、重力壩滲水中按其濃度的大小排序為1.SO42-、2.HCO3-、3.CL-；在滲水中SO42-濃度在陰離子的占比發生了變化，有增大。隨著時間的變化，尾水、廠房水、拱壩滲水、推力墩滲水、重力壩滲水中SSO42-離子也是逐年增大，從圖1可以明顯看到，廠房水SO42-離子由118mg/L,升至211mg/L；拱壩滲水SO42-離子由112mg/L升至193mg/L；推力墩滲水SO42-離子由112mg/L升至206mg/L；重力壩滲水SO42-離子由78mg/L,升至142mg/L。 從表1中可見，滲水中CL-離子變化不大，廠房水變化范圍32～42mg/L；拱壩滲水變化范圍24～32mg/L；推力墩滲水變化范圍17～24mg/L；重力壩滲水變化范圍21～24mg/L；根據GB50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》環境水對鋼筋混凝土結構中鋼筋的腐蝕性判別，表2中CL-含量指氯化物中的CL-與硫酸鹽折算后的CL-之和，即CL-含量=CL-+SO42-×0.25，單位為mg/L。計算結果從圖2可見，隨著時間的變化，尾水、廠房水、拱壩滲水、推力墩滲水、重力壩滲水中CL-離子也是逐年增大,廠房水2013年CL-離子含量達到94.7mg/L。

圖1

圖2

5 試驗成果分析

根據四次不同時期、不同部位的水質檢測分析，水庫混凝土大壩隨著年限的增長，滲水中K++Na+離子含量明顯高于庫水。硅酸鹽、鋁硅酸鹽礦物是多數巖石的主要成分，其水解速度緩慢，但在碳酸鹽的參與下，水解速度加快，礦物晶格表面陽離子（K++Na+離子等）、混凝土中鉀鹽、鈉鹽溶入水中，容易被水流帶出，使滲水中K++Na+離子含量增加。檢測結果可以看出，絕大部分滲漏水中的K++Na+含量明顯高于庫水，壩體滲漏水中K++Na+含量較高的原因，是由于環境水滲入到壩體混凝土中，與混凝土中的骨料、粉煤灰等礦物質的堿金屬化合物反應，致使K++Na+被帶出。滲水量越少，滲流速度越慢，滲流路徑越長，與混凝土反應越充分，K++Na+含量就越高，對混凝土的潛在破壞性就越明顯。應增加壩體滲水的抽檢數量，以更好地比較分析。壩基滲漏水中的K++Na+主要來自基巖，也可能來自帷幕混凝土中的骨料、粉煤灰等礦物質，其K++Na+離子含量豐富表明K++Na+離子遷徙明顯，是局部地段壩基巖石或帷幕的受侵蝕的標志，應加強監控。含硫酸鹽的水作用于混凝土時，生成水合硫酸鋁鹽和石膏，或者生成其中一種，起初填充孔隙，使混凝土更密實，在不斷形成結晶的過程中，對孔隙產生結晶膨脹壓力，使混凝土構件強度降低，SO42-濃度是影響混凝土大壩侵蝕重要的離子。水質中的腐蝕性SO42-濃度逐步增強，雖然沒有超出腐蝕性評價標準弱腐蝕 （SO42-≥250）的范圍值，也應加強監控。水質中的CL-含量對混凝土不產生直接侵蝕，僅對鋼筋產生銹蝕作用，CL-在水質中起到催化劑的作用，加速鋼筋的點銹蝕，但是在有CL-存在的硫酸鹽侵蝕中，CL-具有使硫酸鹽結晶膨脹侵蝕轉化為分解侵蝕的作用。水質中的CL-濃度逐步增強，雖然沒有達到環境水對鋼筋混凝土結構中鋼筋的腐蝕性判別弱腐蝕 （100≤CL-≤500）的范圍值，CL-濃度是影響混凝土大壩侵蝕重要的離子，也應加強監控。

6 結論

通過四年來對水電站不同部位環境水的檢測，庫水、尾水的水質類型及各離子含量都沒有多少變化，但大壩滲水的水質類型發生了變化，其中K++Na+離子含量在陽離子中占比增大，表明壩基巖石K++Na+離子遷徙。其次礦化度、硫酸根離子及氯離子的含量都在呈逐步增高的趨勢，混凝土的腐蝕性也隨著逐漸增大。“千里之堤，潰于蟻泬”，這些析出物短時間不會對大壩的安全構成威脅，但是長期滲水壓力作用下，會使混凝土結構強度逐漸降低，出現砼老化現象。應加強檢測頻次，為水電站的安全運行提供保障。