土壩輸水廊道析出物的影響分析

陸雪萍

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635)

土壩輸水廊道析出物的影響分析

陸雪萍

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635)

本文以橫徑水庫為例，闡述輸水廊道析出物產(chǎn)生的原因及危害，結(jié)合析出物的析出情況，通過水質(zhì)分析、壩基巖芯、廊道混凝土試驗分析析出物產(chǎn)生的來源及影響。

輸水廊道；析出物；壩基；危害

1 概 述

土壩輸水廊道屬于穿壩建筑物，放置于壩基上，高程較低，通常處于地下水位以下，對大壩的安全尤為重要。輸水廊道壁出現(xiàn)析出物的現(xiàn)象比較普遍，有白色及黑色等，析出物有的從輸水廊道析出，也有的從壩基析出，如：橫徑水庫的輸水廊道直墻及頂拱施工縫白色鈣化析出物普遍出現(xiàn)，滲水現(xiàn)象亦隨處可見。壩軸線偏向上游的輸水廊道壁滲水較為嚴重，產(chǎn)生大量白色鈣化析出物，伴有黑色、墨綠色析出物；廊道內(nèi)積水面上都存在薄膜狀白色漂浮物。2000年后中山新建的一個輸水廊道施工工序基本一樣，都為輸水廊道內(nèi)置鋼管，前段壩頭位置為明挖式，采用鋼管外包混凝土管，后段為洞挖式，洞身采用圓拱直墻式結(jié)構(gòu)，洞兩邊直墻為現(xiàn)澆C20混凝土，圓拱為預(yù)制。在涵洞段頂部按孔距3.0m預(yù)埋回填灌漿管，待頂部預(yù)制混凝土安裝完畢后進行回填灌漿。本文對橫徑水庫輸水廊道析出物的成因以及對輸水廊道及大壩的影響進行了分析。

2 析出物產(chǎn)生的原因

2.1 析出鈣的原因

混凝土中存在滲水與孔隙水的化學(xué)侵蝕作用是析出鈣的原因。在施工過程中混凝土都殘留有天然的孔隙，在澆筑、振搗的過程中產(chǎn)生的孔隙為施工孔隙，其直徑較大，滲水性更強。另一種孔隙一般在混凝土硬化過程中產(chǎn)生，稱為結(jié)構(gòu)孔隙，主要由混凝土的配合比確定，有膠孔、毛細孔、沉降孔和接觸孔等。其中膠孔對混凝土滲透性無影響、毛細孔為無害或少害孔、沉降孔和接觸孔屬于少害或有害孔，直徑比毛細孔大，孔隙通常是連通的，是混凝土滲水的主要原因。施工孔隙如橫徑水庫輸水廊道現(xiàn)澆直墻與預(yù)制頂拱之間填縫受施工條件和當(dāng)時施工技術(shù)水平限制，不可避免地存在，運行過程中，直墻與預(yù)制拱及預(yù)制拱之間施工縫普遍出現(xiàn)滲水及白色鈣化析出物。

混凝土中的連通孔隙和裂隙形成滲流通道，是混凝土中產(chǎn)生滲流的重要條件。輸水廊道的混凝土主要材料是水泥和砂石骨料，其中水泥與水混合發(fā)生水化反應(yīng)，生成含水化硅酸鈣(xCaO·SiO2·yH2O)、水化鋁酸鈣(xCaO·Al2O3·yH2O)、水化鐵酸鈣(xCaO·Fe2O3·yH2O)與氫氧化鈣(Ca(OH)2)四種化合物的水泥石，將骨料、摻和料和鋼筋包裹黏結(jié)在一起形成具有一定強度、密度、質(zhì)量的鋼筋混凝土體。

水泥石的水化物中Ca(OH)2溶解度最大，在淡水中會首先被溶出。在靜水、無壓的情況下，水中Ca(OH)2濃度很快達到飽和程度，溶出作用中止，水泥石的水化物穩(wěn)定。但在流動水的情況下，水流會不斷地將Ca(OH)2溶出并帶走。在地下水中常溶解有較多的二氧化碳(CO2)，CO2與水泥石中的Ca(OH)2作用，可生成碳酸鈣(CaCO3)，CaCO3再與水中的碳酸(H2CO3)作用，生成可溶的重碳酸鈣(Ca(HCO3)2)而溶失。橫徑水庫輸水廊道放置于庫底，常年受地下水及有壓滲流水的侵蝕，水流沿著混凝土中連通的孔隙尤其是施工孔隙將鈣化物帶出。滲水壓力在壩軸偏向上游側(cè)較下游側(cè)大，鈣化析出物壩軸偏向上游側(cè)較下游側(cè)明顯增多。

2.2 其他析出物產(chǎn)生的原因

橫徑水庫輸水廊道的析出物中除了鈣化物，還有黑色、墨綠色的其他析出物。地質(zhì)勘探揭示兩個水庫基巖為燕山期粗粒黑云母花崗巖。黑云母花崗巖為酸性花崗巖，SiO2、Na2O、K2O含量較高，Al2O3、FexOy、MgO、CaO含量較低。

花崗巖中的一些礦物成分能夠被水溶解、或能與水發(fā)生水解反應(yīng)或者被酸性介質(zhì)溶蝕。在有壓水流的作用下，花崗巖的可溶物質(zhì)被溶解帶出，有時將巖石中的小顆粒沖走。隨水流溶出的介質(zhì)以離子或膠體的形式存在于水中，與空氣接觸后發(fā)生氧化反應(yīng)并產(chǎn)生析出物。因此在輸水廊道析出物中也有巖石溶蝕析出的成分。

酸性花崗巖富含Si、Al等元素，同時還含有一定量的Na、K、Ca、Mg等金屬元素，主要以鹽類與氧化物的礦物成分存在。酸性花崗石發(fā)生風(fēng)化或者水解反應(yīng)后，主要生成SiO2膠體粒子以及鉀和鈉鹽類離子。在弱酸性水(含有游離態(tài)CO2)的環(huán)境中，正長石中的礦物成分與游離態(tài)CO2發(fā)生水解反應(yīng)后，生成膠體狀的Al2O3、SiO2以及可進一步水解的弱堿弱酸鹽類和易溶的鉀鹽。上述礦物水解產(chǎn)物中的可溶物質(zhì)如膠體、離子等在滲透水流的作用下以溶液的形式滲出輸水廊道。其中的SiO2膠體與氧氣發(fā)生反應(yīng)后以沉淀析出，而鉀、鈉離子仍保留在溶液中，一些溶液滲出廊道壁后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)析出氫氧化物?；◢弾r中Fe和Mg元素與水發(fā)生反應(yīng)后生成Fe的化合物，主要為氫氧化物以及SiO2、鈉鉀鹽類等。環(huán)境中化學(xué)因素是影響Fe、Mn元素遷移與富集的主要原因，在還原環(huán)境中，鐵、錳化合物易于活化，以低價態(tài)遷移，在氧化環(huán)境中以高價態(tài)形成沉淀，在pH值大于7的環(huán)境中，F(xiàn)e多以膠體形態(tài)遷移。

除了巖石溶蝕析出物外，在地下水中，常含有較多的鎂鹽，一般以氯化鎂、硫酸鎂形態(tài)存在。鎂鹽與水泥石中的氫氧化鈣起置換作用，生成松軟且膠凝性不高的氫氧化鎂。

3 析出物產(chǎn)生的危害

3.1 析出鈣產(chǎn)生的危害

混凝土中鈣被長期溶解滲濾出來，使混凝土結(jié)構(gòu)疏松，密度下降，強度降低或者體積膨脹，導(dǎo)致混凝土中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而引起破壞。鈣質(zhì)析出，必然使混凝土的強度、密度、防滲等性能受到嚴重影響，使混凝土的質(zhì)量下降和功能喪失，最終危害水工建筑物及大壩的安全。

a.混凝土強度降低。隨著鈣化物的不斷析出，一方面使混凝土結(jié)構(gòu)變得松散、孔隙增多甚至出現(xiàn)空洞，引起密度和強度下降，另一方面加速其內(nèi)部水的滲透，進而加速鈣化物的溶解析出，加速其強度降低，雖然混凝土在濕潤環(huán)境下強度會隨時間的增長而緩慢增大，在一定程度上抵消了部分或全部由鈣化物流失所造成的混凝土強度降低。但是隨著時間的推移，混凝土常年被侵蝕，在滲透水的加速作用下，混凝土強度逐年降低，對其結(jié)構(gòu)安全的危害不容忽視。

b.對混凝土內(nèi)鋼筋的危害。鈣的流失一方面會使混凝土的組成及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使混凝土的堿度降低，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋脫鈍易于銹蝕；另一方面會引起混凝土孔隙過大、膨脹，導(dǎo)致表面形成細微裂縫。若有空氣和水分進入，鋼筋表面即發(fā)生電化學(xué)作用，由鐵變成氧化鐵，其體積會膨脹幾倍，擠壓其外側(cè)混凝土并使之產(chǎn)生垂直于徑向脹壓力的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過混凝土的承載能力就將在混凝土保護層上產(chǎn)生沿鋼筋的縱向裂縫。裂縫出現(xiàn)后，外面的水、氣(氧)可沿縫滲入并進一步加速腐蝕，使混凝土裂縫增寬、延長，甚至使混凝土保護層大片崩落。鋼筋銹蝕使其屈服強度下降，鋼筋截面減小使鋼筋強度降低，造成使混凝土膨脹開裂，混凝土截面受損，降低結(jié)構(gòu)安全的可靠度。另外混凝土開裂造成混凝土對鋼筋握裹力下降，使鋼筋的強度不能充分發(fā)揮，影響混凝土結(jié)構(gòu)安全。

c.對壩基整體性的影響。輸水廊道位于壩基上，通過灌漿使輸水廊道、壩基、壩體黏結(jié)為整體。當(dāng)輸水廊道鈣質(zhì)析出后，混凝土孔隙增大，結(jié)構(gòu)松散，使壩基滲漏增大，進一步加速鈣質(zhì)的析出，造成輸水廊道與壩基之間孔隙增大，黏結(jié)力減小，影響輸水廊道與壩基的整體性，對大壩和輸水廊道的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。

d.對水庫興利的影響。大壩的作用是攔蓄河水，實現(xiàn)灌溉、供水、發(fā)電等功能，使水資源充分開發(fā)，對國民經(jīng)濟的發(fā)展建設(shè)起到重要作用。在水庫大壩運行過程中，混凝土中的鈣質(zhì)不斷被溶解帶走，使其孔隙隨著物質(zhì)的流失不斷擴大，水庫通過輸水廊道、壩基的滲流量逐年增大，水庫水量損失逐年增大。同時入庫天然來水中夾帶大量泥沙，流入水庫后流速驟然減小，搬運能力下降，造成庫區(qū)泥沙淤積。壩前泥沙淤積量逐年增加，使水庫的庫容逐年減小，水庫滲漏逐年增大，使水庫蓄水能力逐年下降，水庫的經(jīng)濟效益逐年減小。

3.2 其他析出物產(chǎn)生的危害

廊道析出物中有Al2O3、SiO2以及Fe、Mg元素等析出物，說明壩基巖石及廊道混凝土受到風(fēng)化、水解并產(chǎn)生一定程度的溶出。這標(biāo)志著壩基巖石及混凝土受到一定程度的溶蝕破壞，會造成內(nèi)部孔隙增大，使?jié)B透加劇、強度降低，降低壩基的承載力和混凝土的耐久性，影響輸水建筑及大壩的結(jié)構(gòu)安全。

4 析出物對橫徑水庫輸水廊道的影響

4.1 輸水廊道現(xiàn)場檢查成果

橫徑水庫輸水廊道全長84.2m，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)鋼管沿程表面銹蝕較嚴重，廊道直墻與頂拱施工縫有開裂、水痕、析白漿、滲水等不良現(xiàn)象。壩軸偏向上游約11～19m段有黑色及墨綠色析出物及連續(xù)、量小的滲水，中間為黑色、墨綠色析出物，上部兩邊有白漿，此段壩體內(nèi)滲透壓力水頭較高，滲透壓力較大，混凝土鈣質(zhì)析出后，其內(nèi)部孔隙增多、增大，孔隙連通后壩基巖石可溶性成分被溶解析出，廊道全段施工縫均有析白漿。廊道檢查情況表1。

表1 廊道檢查情況

4.2 水質(zhì)分析成果

在壩頂接近廊道的位置鉆孔進行注水試驗和壓水試驗，對鉆孔及庫內(nèi)取水樣進行水質(zhì)分析，其成果見表2。

表2 水質(zhì)分析成果

4.3 鉆孔巖芯及壓水試驗

鉆孔巖芯揭示壩基為強至中風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，上部巖石較破碎，下部巖石較完整呈短柱狀。鉆孔未發(fā)現(xiàn)明顯孔洞等異常，說明析出物對壩基巖石沒有造成明顯的溶蝕空洞和裂隙。壓水試驗情況表明壩基段為弱至微透水，因此，壩基沒有因析出物的產(chǎn)生而導(dǎo)致滲透增強的現(xiàn)象。

4.4 廊道混凝土試驗成果

施工期間廊道原材料質(zhì)量抽檢試驗全部合格，C25混凝土單軸抗壓強度試驗送檢試件10組，最小值為28.8MPa，平均值為36.0MPa，試件指標(biāo)都有所提高，說明鈣質(zhì)析出還未對廊道造成大的不利影響。

4.5 析出物來源分析

a.檢查時發(fā)現(xiàn)廊道內(nèi)滲水孔有泥沙出現(xiàn)，說明廊道局部位置或者與壩基接觸面中存在貫通廊道或壩基的裂縫。

b.廊道壁及頂拱有白色鈣質(zhì)析出物，主要來源于廊道混凝土以及廊道與基巖灌漿體中的水泥石。

c.黑色、墨綠色膠體狀析出物，主要為非晶質(zhì)鐵，分析認為來源于壩基巖石中的鐵質(zhì)成分。

d.析出物中SiO2主要來源于廊道混凝土或廊道與基巖之間灌漿體中的水泥石，或是壩基巖石中的成分。

5 結(jié) 語

通過水質(zhì)分析，鉆孔巖芯、壓水試驗及混凝土抗壓試驗成果分析揭示，橫徑水庫廊道析出物來源于廊道混凝土、灌漿體水泥石及壩基析出物。析出物的產(chǎn)生說明輸水廊道及壩基巖石受到一定程度的溶蝕破壞，但是鉆孔揭示壩基沒有溶蝕孔洞和滲透增強的現(xiàn)象，廊道混凝土抗壓強度未降低。橫徑水庫輸水廊道雖然出現(xiàn)析出物滲水等不良現(xiàn)象，但混凝土強度隨時間增強的性質(zhì)抵消了析出物流失的影響。雖然輸水廊道目前沒有明顯的缺陷，對大壩安全暫不構(gòu)成威脅，但在今后運行中應(yīng)加強巡查，及時發(fā)現(xiàn)問題及時處理，對貫通裂縫應(yīng)進行灌漿處理，防止其擴大，保證輸水廊道和大壩的安全運行。

析出物是在滲透水流的作用下產(chǎn)生的，對均質(zhì)土壩而言，水庫蓄水后必然發(fā)生滲透水流，由于壩體壓實密度、混凝土振搗密實度、灌漿密實度、壩基巖石完整性以及混凝土與灌漿體及基巖的結(jié)合緊密性的不同，滲流量的大小不一。析出物帶來的不利影響的嚴重程度與壩體滲流大小有關(guān)，也與滲流水的化學(xué)成分、混凝土及壩基巖石的化學(xué)成分有關(guān)。因此，今后應(yīng)進一步監(jiān)測廊道混凝土、壩體及壩基的滲流量，滲透關(guān)聯(lián)性、密度、強度、彈性模量、超聲波速及化學(xué)成分等的變化，綜合評價析出物產(chǎn)生的不利影響。

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Analysis on influence of earth dam culvert precipitates

LU Xueping

(GuangdongWaterResourcesandHydropowerScientificResearchInstitute,Guangzhou510635,China)

Hengjing Reservoir is adopted as an example for describing the generation reasons and harms of culvert precipitates in this paper. Precipitation conditions of precipitates are combined for analyzing the source and influence of precipitates generation through water quality analysis, dam foundation rock core and culvert concrete test.

culvert; precipitates; dam foundation; harms

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.10.018

TV672

A

1673-8241(2015)10-0061-05