黃河大峽水電站硫酸鹽侵蝕分析研究

李志敏，董開松，沈渭程，鄭翔宇，趙 耀，張 賽（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州，730050）

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黃河大峽水電站硫酸鹽侵蝕分析研究

李志敏，董開松，沈渭程，鄭翔宇，趙 耀，張 賽
（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州，730050）

對(duì)大峽水電站硫酸鹽分布規(guī)律及侵蝕類型進(jìn)行了全面分析，通過(guò)鉆芯取樣檢測(cè)分析，說(shuō)明壩基處理符合設(shè)計(jì)要求，建基面混凝土密實(shí)性較好、抗?jié)B較好、強(qiáng)度較高，未受到硫酸鹽侵蝕。

建基面混凝土；硫酸鹽侵蝕；分析研究

1　概述

大峽水電站位于蘭州市下游65 km處的黃河干流上，距白銀市35 km。電站裝機(jī)容量324.5 MW，水庫(kù)總庫(kù)容9 000萬(wàn)m3。樞紐從左至右依次布置溢洪道、左岸重力壩、泄水底孔壩段、河床式廠房和右岸重力壩等，壩頂全長(zhǎng)258 m，壩頂高程1 482.00 m，最大壩高72 m。樞紐為二等工程，大壩等主要建筑物為2級(jí)，按重現(xiàn)期100年洪水設(shè)計(jì)，重現(xiàn)期1 000年洪水校核。壩址控制流域面積22.78萬(wàn)km2，水庫(kù)正常蓄水位1 480 m，設(shè)計(jì)洪水位1 474.00 m，校核洪水位1 477.85 m。電站于1991年10月開工，1996 年12月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1998年8月通過(guò)竣工安全鑒定，2006年7月完成了首次定期檢查，2012年完成第二次定期檢查。

廠房壩段內(nèi)從左至右布置有1～4號(hào)四臺(tái)軸流式水輪發(fā)電機(jī)組和下部帷幕灌漿廊道；右岸壩段布置有副廠房及平行于壩軸線的1 459.5 m和1 423.5 m高程帷幕灌漿廊道，1 423.5 m高程帷幕灌漿廊道與機(jī)組的帷幕灌漿廊道連通。

2　硫酸鹽對(duì)電站的侵蝕分析研究

2.1硫酸根鹽離子分布情況

從1999年開始，電廠每季度對(duì)各水質(zhì)取樣點(diǎn)均進(jìn)行水質(zhì)化學(xué)分析，取樣地點(diǎn)包括：溢洪道、底孔、1～4號(hào)機(jī)組的帷幕灌漿廊道排水孔、庫(kù)區(qū)、尾水、左岸繞壩滲流孔和右岸繞壩滲流孔。電站的環(huán)境水腐蝕主要表現(xiàn)為硫酸鹽腐蝕，對(duì)水質(zhì)分析資料進(jìn)行整理后發(fā)現(xiàn)，多年來(lái)大峽水電站硫酸根鹽離子的分布規(guī)律為：右岸最高，最大值為7341.576mg/L，最小值為414.720mg/L，多年平均值為4662.311mg/L；左岸次之，最大值為4 064.592 mg/L，最小值為581.10 mg/L，多年平均值為2 164.818 mg/L；河床壩段最小，最大值為1 672.56 mg/L，最小值為151.540 mg/L，多年平均值為697.766 mg/L，總體分布情況詳見圖1。

2.2硫酸根離子對(duì)電站的腐蝕類型

GB 50287-2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中，就環(huán)境水對(duì)混凝土的腐蝕評(píng)價(jià)做了具體規(guī)定，詳見表1。

從表中可以看出，環(huán)境水對(duì)電站的腐蝕主要在右岸，為結(jié)晶類的強(qiáng)硫酸鹽型腐蝕。

2.3施工采用混凝土材料情況

查閱設(shè)計(jì)、施工資料得知，各廊道混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為R28200號(hào)混凝土（相當(dāng)于新標(biāo)號(hào)C20），抗?jié)B標(biāo)號(hào)為S8，抗凍標(biāo)號(hào)均為D50。采用的水泥為永登大壩525號(hào)中熱水泥、西固電廠Ⅲ級(jí)粉煤灰、小訶子灘料場(chǎng)砂石料及CNF外加劑。施工前西北院對(duì)砂石料進(jìn)行了活性骨料鑒定試驗(yàn)、水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，結(jié)論為：小訶子灘料場(chǎng)骨料為非活性骨料；永登大壩525號(hào)水泥屬中熱水泥，7 d水化熱268 RJ/kg，525號(hào)中熱水泥+20%粉煤灰，1月、3月、6月和9月的抗蝕系數(shù)分別為0.89、0.94、0.87 和0.91，抗蝕性較好，亦具有SO42-3 000 mg/L含量以下抗侵蝕能力。施工前與施工期間，設(shè)計(jì)和施工單位多次做過(guò)水泥礦物成分、細(xì)度、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、水化熱、抗折與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖1　不同取樣位置SO42-歷年分布圖Fig.1 Distribution of SO42-at different sampling positions over the years

表1　環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criterion of environmental water corrosion

2.4混凝土碳化深度與強(qiáng)度檢測(cè)

2.4.1混凝土碳化深度檢測(cè)

大峽大壩在右岸1 462.5 m、1 459.5 m、1 423.5 m三個(gè)不同高程設(shè)置三個(gè)廊道，對(duì)各廊道混凝土的碳化深度進(jìn)行了較全面的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2　碳化深度檢測(cè)表Table 2 Test results of carbonization depth

由表2可見：廊道混凝土碳化深度最大值為24 mm，在1 459.5 m高程廊道的帷幕后；廊道混凝土碳化深度最小值為4.5 mm，在1 423.5 m高程廊道的帷幕前；從現(xiàn)場(chǎng)總體情況看，混凝土表面濕潤(rùn)和析出物覆蓋區(qū)碳化深度大，干燥區(qū)碳化深度較小。

2.4.2混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

2.4.2.1回彈檢測(cè)

對(duì)右岸三個(gè)不同高程的廊道從廊道進(jìn)口開始，按左右兩側(cè)，每隔5 m設(shè)上、下兩個(gè)回彈區(qū)，上回彈區(qū)距離地面約1.5 m，下回彈區(qū)距離地面約0.5 m；中間遇到析出物覆蓋區(qū)時(shí)，在覆蓋區(qū)上加測(cè)上、下兩個(gè)回彈區(qū)；豎井從頂部第一層開始，每層設(shè)一個(gè)回彈區(qū)；每個(gè)回彈區(qū)設(shè)16個(gè)回彈點(diǎn)，按規(guī)范要求進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算。

1 462.5 m高程廊道共設(shè)66個(gè)回彈區(qū)，檢測(cè)了1 056個(gè)回彈點(diǎn)，其中有11個(gè)區(qū)的混凝土強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20，占整個(gè)回彈區(qū)的16.7%，豎井共設(shè)14個(gè)回彈區(qū)，混凝土強(qiáng)度全部大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；1 459.5 m高程廊道共設(shè)37個(gè)回彈區(qū)，檢測(cè)了592個(gè)回彈點(diǎn)，其中有14個(gè)區(qū)的混凝土強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20，占整個(gè)回彈區(qū)的37.8%，主要位于埋藏于山體內(nèi)的0～20 m段；1 423.5 m高程廊道共設(shè)73個(gè)回彈區(qū)，檢測(cè)了1 168個(gè)回彈點(diǎn)，有1個(gè)區(qū)的混凝土強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20。

從整體看，1 423.5 m高程廊道混凝土表面強(qiáng)度整體最好，基本能滿足設(shè)計(jì)要求；1 459.5 m高程廊道混凝土表面強(qiáng)度整體最差，有超過(guò)1/3的混凝土表面強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4.2.2鉆芯取樣檢測(cè)

（1）廊道邊墻混凝土強(qiáng)度檢測(cè)：由于回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度存在較大的偏差，為了更準(zhǔn)確地反映混凝土實(shí)際強(qiáng)度，分別在1 462.5 m、1 459.5 m 和1 423.5 m高程廊道邊墻滲水嚴(yán)重及析出物嚴(yán)重覆蓋的區(qū)域上各取一處混凝土芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。為了判別混凝土與巖石結(jié)合面的水質(zhì)侵蝕情況，取芯時(shí)將澆筑的混凝土鉆通后再向巖石鉆進(jìn)約10 cm，將混凝土芯樣和巖石芯樣同時(shí)取出，以判別混凝土與巖石結(jié)合面的水質(zhì)侵蝕情況。依據(jù)DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)混凝土芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。取芯情況及芯樣抗壓強(qiáng)度檢測(cè)情況見表3。

從表3可以看出：選取的三層廊道邊墻滲水析出物明顯的部位，所取芯樣混凝土密實(shí)度較好，抗壓強(qiáng)度最大值37.2 MPa，最小值29.5 MPa，平均值34.4 MPa，均超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度（C20），且混凝土與巖石結(jié)合面很干，無(wú)水質(zhì)侵蝕痕跡，驗(yàn)證了廊道混凝土施工采用混凝土材料抗腐蝕性能較高，巖石接觸面混凝土未受到硫酸鹽侵蝕。

（2）建基面混凝土強(qiáng)度檢測(cè)：為了進(jìn)一步分析壩基接觸面的侵蝕情況，在1 423.5 m高程基礎(chǔ)廊道帷幕附近選擇硫酸根離子含量較高部位鉆取芯樣，原計(jì)劃鉆取三個(gè)芯樣，即4號(hào)機(jī)壩段、右副壩Ⅰ壩段、右副壩Ⅱ壩段各一個(gè)。在鉆取芯樣的過(guò)程中，4號(hào)機(jī)壩段、右副壩Ⅱ壩段的芯樣混凝土與基巖接觸部位鉆取的巖芯長(zhǎng)度均能滿足試驗(yàn)要求，但右副壩Ⅰ壩段第一次鉆取的芯樣混凝土與基巖接觸部位鉆取的芯樣長(zhǎng)度不能滿足試驗(yàn)要求，且混凝土澆筑質(zhì)量沒(méi)有其余兩個(gè)壩段好。為確定右副壩Ⅰ壩段的混凝土質(zhì)量，又在第一次鉆取芯樣位置向4號(hào)機(jī)壩段移動(dòng)了20 cm重新鉆取芯樣，第二次鉆取的芯樣混凝土與基巖接觸部位的巖芯長(zhǎng)度滿足試驗(yàn)要求。

從表中可以看出，由于所取芯樣混凝土的粗細(xì)骨料分布不均，抗壓強(qiáng)度差別較大，最大值60.5 MPa，最小值22.4 MPa，平均值38.2 MPa，均超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度（C20），說(shuō)明壩基混凝土未受到硫酸鹽侵蝕。

表3　三層廊道邊墻取芯情況及芯樣抗壓強(qiáng)度檢測(cè)成果表Table 3 Core samples and their compressive strength test results at side wall of 3 galleries

2.4.3芯樣化學(xué)成分分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證大壩建基面混凝土是否受到硫酸根離子的侵蝕，分別對(duì)4號(hào)機(jī)壩段、右副壩Ⅰ壩段、右副壩Ⅱ壩段與基巖接觸部位的混凝土進(jìn)行主要化學(xué)成分分析，同時(shí)為了比較整體混凝土情況，鑒于4號(hào)機(jī)壩段的混凝土較深，又專門在芯樣中間位置選取混凝土質(zhì)量最好的芯樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。取樣及樣品制備情況、混凝土中砂漿的主要化學(xué)成分分析結(jié)果分別見表5、表6。

從表中可以看出，位于中間深度的5號(hào)芯樣與其他4個(gè)基巖接觸面芯樣的化學(xué)成分差別不大，說(shuō)明與基巖接觸面混凝土未受到硫酸鹽侵蝕，具體表現(xiàn)如下：

（1）混凝土原材料中化學(xué)有害物主要是SO3含量，GB 200-2003《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》規(guī)定，水泥中的SO3含量應(yīng)不大于3.5%；按照DL/T 5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》的規(guī)定，砂子中可溶性SO3含量應(yīng)不大于1%。從表6可以看出，5個(gè)芯樣的SO3含量在2.45%～3.48%之間，滿足規(guī)范要求。說(shuō)明混凝土的SO3未受到環(huán)境的影響，其含量為混凝土本身固有的SO3量，環(huán)境中SO42-離子未進(jìn)入混凝土中。

（2）混凝土材料的活性不僅與其化學(xué)成分有關(guān)，而且與其礦物成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，若Al2O3多而SiO2相對(duì)少，則活性較大。從表6的分析結(jié)果看，5個(gè)芯樣均是Al2O3含量少，SiO2含量相對(duì)多，說(shuō)明混凝土活性較小，摻合料粉煤灰的效應(yīng)已得到較充分的發(fā)揮，混凝土密實(shí)，未受到SO42-離子的侵蝕。

表4　基礎(chǔ)廊道建基面取芯情況及芯樣抗壓強(qiáng)度檢測(cè)成果表Table 4 Core samples and their compressive strength test results at foundation surface of foundation gallery

（3）硫酸根侵蝕后會(huì)生成帶水分子的硫酸鹽，體積較原來(lái)增大很多。若混凝土密實(shí)，沒(méi)有空間容納體積增大的硫酸鹽，可以限制硫酸根侵蝕的發(fā)生。

（4）通常情況下硬化的混凝土是高堿性物質(zhì)，pH值＞11.5，在這種環(huán)境下，鋼筋表面存在一層穩(wěn)定而致密的鈍化膜。鈍化膜對(duì)腐蝕性的介質(zhì)具有有效的隔離作用，能使鋼筋得到有效的保護(hù)，混凝土也不會(huì)發(fā)生破壞。從表6的分析結(jié)果看，5個(gè)芯樣的pH值在13.01～13.06之間，均大于11.5，說(shuō)明目前建基面混凝土品質(zhì)良好。

表5　取樣及樣品制備情況表Table 5 Sampling and specimen preparation

表6　混凝土中砂漿的主要化學(xué)成分分析結(jié)果表Table 6 Analysis results of main chemical composition of mortar in concrete

3　結(jié)語(yǔ)

（1）多年來(lái)大峽水電站SO42-的分布規(guī)律為：右岸最高，最大值為7 341.576 mg/L，多年平均值為4 662.311 mg/L；左岸次之，最大值為4 064.592 mg/L，多年平均值為2 164.818 mg/L；灌漿廊道最小，最大值為1 672.56 mg/L，多年平均值為697.766 mg/L，因此大峽水電站的硫酸鹽侵蝕主要表現(xiàn)在右岸。

（2）從鉆芯取樣強(qiáng)度檢測(cè)及取樣的化學(xué)成分分析可知，廊道上游面邊墻混凝土及基礎(chǔ)混凝土均未受到硫酸鹽侵蝕，說(shuō)明設(shè)計(jì)及施工時(shí)采用的525號(hào)中熱水泥+20%粉煤灰配合比施工，混凝土活性較小，摻和料粉煤灰的效應(yīng)已得到較充分的發(fā)揮，混凝土密實(shí)未受到SO42-離子的侵蝕，抗蝕性較好，壩基處理滿足要求，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行建基面混凝土完好。

［1］西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.大峽水電站設(shè)計(jì)文件［R］.西安：西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1982.

［2］GB 50287-2006，水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［3］GB 200-2003，中熱硅酸鹽水泥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］DL/T 5144-2001，水工混凝土施工規(guī)范［S］.

［5］DL/T 5150-2001水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［5］DL/T 5152-2001，水工混凝土水質(zhì)分析試驗(yàn)規(guī)程［S］.

作者郵箱：lizhiminyx@163.com

Title:Analysis of sulfate attack on Daxia hydropower station on Yellow River//by

LI Zhi-min，DONG Kai-song，SHEN Wei-cheng，ZHENG Xiang-yu，ZHAO Yao and ZHANG Sai//State Grid Gansu Electric Power Research Institute

The sulfate distribution law and erosion type at Daxia hydropower station are given in this paper.By detecting and analyzing the drill core sampling，it is explained that the foundation treatment is in line with design requirements，the foundation concrete is of high compactness，impermeability and strength，and not subjected to sulfate attack.

foundation concrete；sulfate attack；analysis

TV698.2

B

1671-1092（2016）03-0033-06

2015-08-25；

2015-09-21

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院群創(chuàng)項(xiàng)目（強(qiáng)鹽堿環(huán)境中特高壓輸電線路砼基礎(chǔ)防腐，ZYXM2016004）

李志敏（1965-），女，河南滎陽(yáng)人，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事大壩監(jiān)測(cè)分析、水工技術(shù)監(jiān)督及試驗(yàn)檢測(cè)。