新建成自鐵路地下水特征分析及侵蝕性研究

劉毅, 呂澤君

[摘要]文章介紹通過對成自鐵路川中“紅層”段落地下水取樣分析，從Cl-、Na+、K+、pH值、侵蝕性CO2、SO42-的含量來分析地下水侵蝕性環境作用等級。結果表明：DK66-DK82里程段落，侏羅系晚期沉積的蓬萊鎮組（J3p）、遂寧組（J3s）地層，受古地理環境影響，主要為淺水湖相沉積，地下水多具有侵蝕性。沿線地下結構工程應按規定進行抗腐蝕性設計。

[關鍵詞]紅層; 地下水; 侵蝕性

[中國分類號]P332.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

新建成都至自貢鐵路北起成都東站，經成都天府站，資陽西、球溪、威遠，終點接擬建川南城際鐵路自貢東站，線路全長約178 km。線路通過地層為川中“紅層”，是一種外觀以紅色為主色調的陸相高溫及氧化環境中沉積的碎屑巖地層，主要形成于侏羅系和白堊系［1-2］。“紅層”以泥巖、砂質泥巖和砂巖為主，且大量含有石膏，地下水多具有一定侵蝕性。當地下水中某些化學成分高于限定值時會對混凝土結構產生腐蝕，不僅直接關系到工程投資，還影響其在設計使用年限內的適用性、耐久性和安全性［3-4］。因此在鐵路工程建設中，地下水類型及其侵蝕性的研究尤為重要。

1地質概況

線路位于揚子準地臺之川中臺坳，為新華夏系第三沉降帶四川沉降帶，是喜山運動早期的產物。跨成都平原、川西褶帶與川中平緩低褶帶，構造形跡主要為成都凹陷、龍泉山箱狀背斜和川中平緩褶皺帶中威遠輻射狀構造。根據地質調查及鉆探取樣測試分析，線路通過區主要為白堊系（K）、侏羅系（J）地層；其中以侏羅系上統蓬萊鎮組（J3p）、遂寧組（J3s）、中統上沙溪廟組（J2s）為主，占全線總長度的80%左右。第四系（Q）松散堆積物分布較廣，以沖積平原區、河谷階地、緩丘槽谷等低洼地帶較為集中且厚度變化較大。本文選取DK64-DK120作為研究對象，根據地層巖性及其與鐵路工程的關系，細分為3個段落。

DK64-DK77段上覆第四系黏土、粉質黏土、松軟土，一般厚0～4 m，局部厚度變化較大，下伏侏羅系（J）上統蓬萊鎮組（J3p）粉砂質泥巖夾中層、薄層泥質砂巖。泥巖呈暗紫紅色、褐紅色，中厚層—薄層結構，泥質膠結，質軟，暴曬易開裂、遇水易軟化，黏土礦物成分含蒙脫石、水云母。砂巖為泥質砂巖，泥質膠結，質稍硬。地下水類型主要為基巖裂隙水。

DK77-DK89段上覆第四系黏土、粉質黏土、松軟土，一般厚0～4 m，局部厚度變化較大，下伏侏羅系（J）上統遂寧組（J3s）鈣質、粉砂質泥巖偶夾中層、薄層粉細砂巖。泥巖呈鮮紅色、棕紅色，鈣質、粉砂質，極薄、薄至中厚層狀，夾灰綠色條帶，含砂量較大，含鈣質結核和石膏極薄層。砂巖呈灰紫、紫紅色，泥質、鈣質膠結，薄層為主，亦有中厚層者，粉細粒結構，長石、長石石英質。地下水類型主要為基巖裂隙水。

DK89-DK120段上覆第四系黏土、粉質黏土、松軟土，一般厚0～4 m，局部厚度變化較大，下伏侏羅系（J）中統上沙溪廟組（J2s）灰、紫灰色塊狀細粒長石石英砂巖、粉砂巖與暗紫紅、棕紅、灰紫色泥巖不等厚互層，或泥巖夾砂巖，局部地段出露巨厚層砂巖。泥巖為泥質結構，間夾灰白色石膏條帶及鈣質結核，質軟。砂巖為中厚～巨厚層狀，質硬，粉—細粒結構，泥質、鈣質膠結。

2地下水化學特征分析

2.1水質類型

成自線勘察設計階段，為了全面系統的了解川中“紅層”地區地下水化學特征及侵蝕性分析，DK64-DK120段共取205組水樣，每組2瓶各500 ml，其中1瓶添加2～4 g碳酸鈣粉末。所有試驗按TB 1005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中的相關要求進行水的簡分析和環境作用類別判定［5］。經測試分析［6-8］，段內地下水主要為基巖裂隙水，共有14種化學類型，主要為HCO3--Ca2+型和HCO-3·SO42--Ca2+型，分別占試驗總量的27.32%和27.33%；其次為HCO3- -Ca2+.Mg2+型、HCO3-.SO42- -Mg2+.Ca2+型、SO42-.HCO3- -.Ca2+型，分別占試驗總量的15.61%、11.71%、8.29%。剩余9種類型中，HCO3- -Ca2+.Na+型占試驗總量的3.9%， SO42-.HCO3--Ca2+.Mg2+型占試驗總量的1.95%，其余7種類型占試驗總量3.89%。

2.2元素含量特征分析

沉積巖地下水陰、陽離子主要來源于自然中含有很多可知溶性的鈣鹽、鎂鹽、鉀鹽、氯鹽等。自然中的水很容易與它們相溶，這些鹽屬于強電解質，溶于水會電離出鈣離子、鎂離子、鉀離子。

本文采用水質簡分析試驗數據進行分析，其中Ca2+、Mg2+、SO42-采用EDTA二鈉絡合滴定法測定，Cl-采用硝酸根容量法測定，Na++K+、HCO3-通過計算得出［3］。

根據試驗結果統計，水樣中Ca2+離子含量為60.12～306.21 mg/L，平均值為161.06 mg/L； Mg2+離子含量為4.86～77.34 mg/L，平均值為29.46 mg/L；Na++K+離子含量為2.50～120.50 mg/L，平均值為31.70 mg/L。HCO3-離子含量為161.09～610.20 mg/L，平均值為405.13 mg/L；Cl-離子含量為8.51～514.03 mg/L，平均值為51.90 mg/L；SO42-離子含量為3.84～1143.11 mg/L，平均值為171.34 mg/L。地下水主要陰陽離子含量與線路里程關系如圖1、圖2所示。

2.3總礦化度分析

總礦化度指地下水中離子、分子和各種化合物的總含量，通常是以水烘干后所得殘渣來確定，是衡量地下水化學特性的重要指標。本工程地下水主要為“紅層”基巖裂隙水，埋深不大，受大氣降雨補給。區內巖性、地形地貌條件差異不大，地下水徑流途徑短，循環交替積極，其水化學特征主要取決于循環交替條件和含水介質。總礦化度一般條件下隨著離子成分的變化而變化，以Ca2+、HCO3-為主，屬于低礦化水，以SO42-為主，屬于中等礦化水，Cl-、Na+主要出現在高礦化水中。按照這個規律，通過對區內205組水樣的總礦化度分析（圖3），總礦化度297.22.09～2 278.00 mg/L，平均值為649.41 mg/L，其中178組總礦化度大于1 000 mg/L，主要以Ca2+、HCO3-為主，屬于低礦化水，高值區主要集中在DK64-DK83侏羅系晚期蓬萊鎮組（J3p）、遂寧組（J3s）地層中，DK90-DK93有2組樣品，總礦化度含量大于2000 mg/L，離子成分主要為SO42-為主，屬中礦化水。

3地下水侵蝕性研究

根據TB 1005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》規定［5］，川中“紅層”地下水環境作用類別為氯巖環境、化學侵蝕環境及鹽類結晶破壞環境。氯巖環境的作用等級為L1、L2、L3；化學侵蝕環境作用等級為H1、H2、H3、H4；鹽類結晶破壞環境作用等級為Y1、Y2、Y3、Y4。

3.1氯巖環境侵蝕作用等級

氯巖侵蝕指氯巖滲入混凝土內部導致鋼筋銹蝕。混凝土中的鋼筋由于水泥的水化作用而被包裹上一層鈍化膜，但當水中Cl-含量過高時可經化學作用破壞這層鈍化膜，使鋼筋裸露在水和氧中被銹蝕。鋼筋的銹蝕易導致混凝土的破裂，使腐蝕劑進人混凝土內直接和鋼筋接觸，從而加速鋼筋的銹蝕，使其強度降低［9］。

本項目地下水中Cl-含量為8.51～514.03 mg/L，平均值為51.90 mg/L，含量不小于100 mg/L的主要集中在DK66+500-DK72+300段落，地層為侏羅系蓬萊鎮組，氯巖環境作用等級為L1。

3.2化學侵蝕環境作用等級

本項目中，影響地下水化學侵蝕環境作用等級的環境條件主要有水中SO42-含量、pH值、水中侵蝕性CO2含量指標。

3.2.1pH值

本項目地下水pH值，采用酸度計法測定。地下水pH值即氫離子濃度，為反映地下水酸堿度指標。通過整理分析，測區內205組水樣pH值在6.10～8.23之間，僅有6組水樣pH值小于6.5，主要集中在DK90里程范圍附近，如圖4所示。說明區內地下水酸性特征較弱，僅DK90里程附近具有酸性侵蝕。

3.2.2侵蝕性CO2侵蝕

本項目侵蝕性CO2采用中合法測定，區內地下水中侵蝕性CO2主要來源于土壤中有機質殘骸的發酵作用和植物的呼吸作用。試驗統計結果表明：測區內侵蝕性CO2含量0.88～8.80 mg/L，所有樣品均不具有侵蝕性CO2作用等級。

3.2.3硫酸鹽侵蝕

根據試驗結果統計（圖2），本項目SO42-離子含量為3.84～1143.11 mg/L，平均值為171.34 mg/L，含量不小于200 mg/L的段落主要集中在DK66+500-DK72+300里程范圍內，地層為蓬萊鎮組（J3p），SO42-離子含量大小主要受石膏影響，環境作用等級H1為主。

綜上所述，本項目地下水化學環境作用等級，主要受SO42-含量、pH值影響，環境作用等級主要為H1，少量H2，集中在DK66-DK82里程段落，主要地層侏羅系晚期蓬萊鎮組（J3p）、遂寧組（J3s），為淺水湖相沉積，巖性以紫紅色、鮮紅色泥巖為主，夾中層、薄層粉砂巖，夾石膏薄層、石膏脈體。

3.3鹽類結晶破壞環境作用等級

地下水鹽類結晶破壞環境作用等級，主要受SO42-離子含量影響。環境作用等級主要為Y1，少量Y2，集中在DK66-DK82里程段落，主要受地層中夾石膏薄層、石膏脈體影響。

4結論

通過對成自鐵路川中“紅層”地下水特征研究，發現DK66-DK82里程段落，侏羅系晚期沉積的蓬萊鎮組（J3p）、遂寧組（J3s）地層，受古地理環境影響，主要為淺水湖相沉積，巖性以紫紅色、鮮紅色泥巖為主，夾中層、薄層粉砂巖，夾石膏薄層、石膏脈體。受石膏影響，地下水多具有侵蝕性，氯巖環境作用等級L1，化學侵蝕環境作用等級主要H1，少量H2，鹽類結晶破壞環境作用等級主要Y1，少量Y2。鐵路沿線混凝土工程應按規定進行抗侵蝕性設計。

參考文獻

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