水文地质勘察第2版：大坝坝址环境水的潜蚀作用及调查方法

2023-09-18 理论教育版权反馈

【摘要】：此仅就环境水的侵蚀作用的机理及其调查方法予以介绍。因而,在库水向坝基渗透过程中,水与帷幕、混凝土、软岩间的化学潜蚀作用比较强烈。近年来的调查发现,大坝混凝土老化病害问题普遍存在,有的甚至十分严重。

已建病险大坝的除险加固阶段的水文地质勘察已在10.1.3.3中阐述了。此仅就环境水的侵蚀作用的机理及其调查方法予以介绍。

大坝建成蓄水后,在库水压力作用下,虽然很多水库的坝基渗漏问题不大,但所造成的水与岩石之间,水与帷幕、混凝土之间的相互作用却长期存在。它可能引起基础夹层和断层裂隙中充填物的软化、泥化或化学潜蚀、机械管涌、帷幕与大坝混凝土的侵蚀等问题,进而影响到坝基的稳定性、大坝混凝土的强度以及帷幕的防渗性能,因此不能忽视坝址环境水的潜在危害[32]。

10.3.3.1 坝址环境水基本特征的调查

主要是指对坝前库水和坝基地下水的水质特征分别进行调查。

1.坝前库水调查

由于库水水层热力和重力对流的存在,水温从库面至库底逐渐降低,库水水质也具有分层性。往往上层库水与河水水质相近,多为中性或弱碱性水。随着水深的增加,水的pH值可能逐渐减小,水库底层水pH值多小于6.5,为弱酸性水。库水中侵蚀性CO2、、Ca2+的含量从库面至库底呈递增趋势,这是因库底水中的有机质分解所致:

及

此外如库底处于缺氧环境,有机质缺氧产生不完全分解,在厌氧分解过程中可释放出还原性物质H2 S、CH4等[32]。

2.坝基地下水水质特征及析出物调查

库水在向坝基运移过程中,水与岩石之间,水与帷幕、混凝土之间发生相互作用,使得坝基地下水的水质与库水发生很大差异。坝基地下水的水质成分复杂,除一般主要离子成分外,还有胶体、气体等成分;多数坝基水质为碱性的低矿化度水,水位动态稳定,一般具有以下特征[32]:

(1)岸坡坝基地下水中常含较多的侵蚀性CO2,远比库水含量丰富,对混凝土具有较强的碳酸性腐蚀。这是由于岸坡地下水水力坡大(可达1.0以上),径流通畅,处于氧化环境,从库中带来的有机质经氧化完全分解的结果。

(2)坝基地下水中Ca2+含量一般明显增加,多数是库水的3～7倍,这主要是混凝土的溶蚀所致。

(3)在排水孔口处常形成红色、黑色和白色沉淀物,或间以锈黄、黄褐等过渡色的胶状析出物。少数排水孔水中的K++Na+含量高,胶体含量较丰富。目前的调查资料显示,多数为无衍射峰的非晶质胶体(X射线衍射分析)。但也有些析出物为晶体物质,它们主要是石英、长石、高岭石等细粉粒矿物[32]。

从化学成分看,既有正胶体,如Fe(OH)3、Al(OH)3、CaCO3等,又有负胶体,如SiO2、Mn O2等。其中多数是铁、锰、钙等元素组成的胶体,硅、铝成分一般较少,但少数析出物中硅、铝丰富。钙主要来自混凝土和帷幕水泥石,铁、锰多数来自库底水和岩石裂隙面上的沉淀物;硅、铝是组成岩石的主要成分,因而硅、铝的多量迁移表明岩石产生溶蚀现象。

在坝基环境变化剧烈的部位,如在岸坡坝基部位,由于水力梯度大,地下径流通畅,地下水多处于氧化环境,有利于水中有机质的分解,水中侵蚀CO2含量明显增多,侵蚀性亦大。因而,在库水向坝基渗透过程中,水与帷幕、混凝土、软岩间的化学潜蚀作用比较强烈。

灰岩(碳酸钙)在不含CO2的纯水中的溶解反应为:

而在富含CO2的酸性水作用下,碳酸钙溶解加快,其反应式为:

不过坝基水中Ca2+的迁移,主要来自水与帷幕水泥石间的作用,这是坝基化学潜蚀的主要方式之一,也是坝基帷幕遭受侵蚀的标志。水—混凝土(坝及帷幕)之间发生的物理化学作用可用下面反应式表示[32]:

为此,可大致用总硬度值和渗水量来估算出帷幕水泥石(包括岩层中碳酸盐矿物)中碳酸盐的迁移量。

近年来的调查发现,大坝混凝土老化病害问题普遍存在,有的甚至十分严重。主要表现在渗漏溶蚀、碳化及其引起的钢筋锈蚀、裂缝等。其中渗漏溶蚀是大坝混凝土最主要和最普遍的问题之一,由于渗漏溶蚀造成了大量钙离子从混凝土中溶出,使混凝土的密实性及抗侵蚀性受到较大的削弱,渗透性增大。中国曾在新安江大坝右岸坝基的基岩和混凝土中进行了251段压水试验,其中透水率q＞1Lu的强透水段共有19段,这些强透水段主要分布在坝基混凝土段,此现象说明混凝土中细小孔隙或裂隙发育,与钻孔岩芯观察的结论基本一致,这一结果也为坝基混凝土受到溶蚀提供了佐证[32]。

10.3.3.2 大坝坝址析出物的指示作用及检测手段

自1990年以来,中国有关部门定期地对水利系统所属的水电站大坝进行安全定检工作。调查表明,中国有为数不少的大坝坝址地下水溢出处出现析出物(或称絮状溢出物)。其中,多数出露于大坝廊道(包括灌浆廊道以及排水廊道)排水孔孔口,部分则来自于岩体裂隙[33]。由于这些物质对研究坝基岩体的渗透性及大坝的稳定性很有意义,因此有必要对它们进行深入的研究。基于目前的科研手段,采取的主要研究方法如下。

1.化学成分分析方法(矿物成分分析方法)

即测出解析物的化学组成及其含量。分析结果可用元素的氧化物表示,也可用元素表示。其组分含量通常用相对含量(百分比)表示,或用绝对含量(即以mg/kg)表示。

(1)析出物中SiO2、Al2 O3的指示意义。硅、铝组分在地下水溶液中的溶解度很低,因此,若水环境为中或中偏酸性,而析出物中的硅、铝组分含量比较高(＞25%),那么就可认定此类析出物不是由于化学潜蚀而是由于物理—化学双重潜蚀作用所致,也表明了潜蚀部位的岩体渗透比较大,这对大坝稳定性的影响是不能忽视的。

硅酸盐、铝硅酸盐矿物是地壳多数岩石的主要成分,其水解速度很缓慢,但在碳酸的参与下,其水解速度加快。硅铝酸盐矿物晶格表面的阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)成分在饱含CO2的地下水溶蚀下析出,硅铝酸盐矿物分解成土。以正长石为例[34]:

2KAlSi3 O8(正长石)+11H2 O→Al2 Si2 O5(OH)4(黏土矿物)+2K++2OH-+4H4 SiO4

铝硅酸盐类矿物被水分解后,SiO2多呈胶体淋失,部分呈离子态迁移;Al2 O3则呈胶态淋失。中国曾对河北大黑汀水库蓄水运行10年后调查发现,大坝灌浆廊道排水孔口析出物逐年增多,至1996年,82个坝段中除9个坝段因排水孔地下水位较低而无析出沉淀外,其余73个坝段均有析出物出现,而且数量较多。沉淀物经收集并晒干后称重,总量达608kg,多数以碳酸钙(方解石)和无定形铁为主,也有少量样的SiO2和Al2 O3含量多(37.42%和39.28%)。所在坝段的水质资料表明,水中K++Na+的迁移量也大,由此得出结论:析出物的形成是以化学潜蚀为主要特征,兼有少量的断裂破碎带内黏土物质的机械搬运。

(2)析出物中Fe2 O3、MnO的指示意义。析出物中的Fe2 O3、MnO主要来源于岩体中的铁、锰质的析出。因为在还原环境下,含有侵蚀性CO2的地下水使坝址岩体裂隙中的铁以低价离子态或胶粒形式随水流迁移,当地下水流出排水孔口或岩体裂隙处于氧化环境时,水中的低价铁离子就变为高价铁离子,而胶粒则变成凝胶,进而形成析出物。反应过程如下[34]:

一般呈棕红色的析出物中,Fe2 O3含量可达30%～50%,这是由于Fe2+易在弱酸性水中迁移,故棕红色析出物一般出现于pH值较低的溶液中。而还原环境亦有利于锰元素以低价离子或以胶粒的形式迁移。当趋于氧化环境时,被氧化成高价锰;当介质处于碱性时,胶粒更易形成凝胶并最终形成析出物。其反应式如下[34]:

Mn O2呈黑色,在黑色析出物,Mn O2的含量可达30%以上。由于Mn2+在碱性介质中的Eh值(―0.28V)远低于酸性介质中的Eh值(+1.5V),故黑色析出物多出现于碱性水中。

由上可见,铁、锰析出物为水—岩间化学作用的产物,因此若坝基某部位在渗流作用下长期出现铁、锰析出物被析出,其渗流面将变成“空洞化”,影响到岩体的渗透稳定性[34]。

(3)析出物中CaO、烧失量的指示意义:大坝基础混凝土以及坝基帷幕体中,水泥是其主要的成分,而水泥是以CaO为主,含量多达65%左右,它水化后形成Ca(OH)2。在软水(库水的Ca2++Mg2+＜1.5mmol/L)长期溶蚀作用下,会引起大坝基础混凝土结构中的钙析出,而水泥石的溶失则将使大坝的防渗效果衰减。烧失量是指析出物试样在550℃高温下烧灼至质量不变时所失去物质的质量与其烘干前质量的差异,两者之间的比值即为烧失量的大小。显然,在其烧灼所失去的物质中,可能包含有机质等挥发性物质以及碳酸盐类物质。碳酸盐类物质在灼烧过程中会以CO2气体逸出;此外,坝踵帷幕体补强中常使用某些有机灌浆材料,如丙凝、甲凝、中化—798、LW及HW等水溶性聚氨酯材料,它们在烧灼过程中也会被烧失掉[34]。

2.颗粒分析方法

目的在于了解其微观形态、颗粒大小及其级配。由于析出物试样的颗粒很细小,一般需采用土质学中的密度计法或移液管法进行颗粒分析。地下水化学潜蚀作用所形成的析出物多以胶粒为主,其颗粒小于0.002mm的占50%以上。因此,若析出物的粒径中,d＜0.002mm的颗粒质量远少于50%,则应是物理潜蚀作用为主,这对大坝的稳定性是十分不利的[34]。

3.XRD分析

对析出物试样进行X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)分析,有助于揭示析出物的成因。以化学潜蚀作用所致的析出物,一般为无定形的非晶体物质,非晶体物质在XRD分析曲线上通常是没有明显的衍射峰的;因此,如在XRD分析曲线上发现有明显的衍射峰出现,就表明析出物中含有一定量的晶体矿物(常为石英、方解石、长石、高岭石等),这指示着析出物的成因属于物理冲蚀作用。如中国对河北大黑汀水库的沉淀物利用X射线衍射进行分析发现,其析出物中伊利石和绿泥石(均为黏土矿物)分别占5.8%和16.8%,并含有少量的石英、长石,这表明了该水库存在物理冲蚀作用[34]。

4.红外光谱分析方法

用于对地下水析出物中的有机质的检测。主要检测坝踵帷幕体局部化灌补强防渗处理所采用的材料的耐久性如何。如未检测出,说明防渗处理材料可靠。

5.其他方法

包括离子交换总量(Cation Exchange Capacity,CEC)测定法、扫描电镜法、能谱分析法、色谱法以及核磁共振光谱分析法等。其中对析出物CEC的测定,有助于判定析出物的物理化学活性;扫描电镜法则用于观察析出物的微观形态;能谱分析法则用于化验析出物的物质成分[33,34]。

10.3.3.3 对坝址环境水化学潜蚀的防治对策

(1)加强监测。应加强对坝基水质、析出物进行定期监测,以查明混凝土、帷幕及软岩受侵蚀的部位,才能采取针对性的补强措施。

(2)积极做好岸坡坝基裂隙的探测和防渗工作,减少大气降水及库水的渗入。

(3)岸坡坝基的帷幕灌浆应采用耐蚀的水泥。由于岸坡坝基存在高比降的侧向渗透压力(随着坝体增高而增大),水又常具较强的酸性和碳酸性腐蚀,故岸坡坝基帷幕应采用耐蚀水泥(在普通水泥中加入磨细矿渣,其耐蚀系数比普通水泥提高14%)灌浆;对细微裂隙可采用耐蚀改性灌浆水泥。对已出现帷幕防渗缺陷部位应采取耐蚀水泥或化学灌浆补强。大坝上游迎水面上,因中下层库水侵蚀性较强,在大坝施工中可考虑采取混凝土表面喷涂处理等有关措施,以防库水的腐蚀和渗入[32-34]。

水文地质勘察第2版：大坝坝址环境水的潜蚀作用及调查方法

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