石漫灘RCC大壩滲漏溶蝕試驗分析

齊翠閣 趙慶賀 關(guān)喜才

（河南省石漫灘水庫管理局 舞鋼 462500 舞鋼市水利局 舞鋼 462500河南省基本建設(shè)科學(xué)實驗研究院 鄭州 450016）

1 引言

石漫灘水庫復(fù)建工程位于河南省舞鋼市境內(nèi)，是淮河上游洪河支流滾河上的大型水利樞紐工程。擋水建筑物為全斷面碾壓混凝土重力壩。大壩混凝土工程從1994年4月開始澆筑，1997年底竣工驗收。近年來，伴隨著大壩內(nèi)的滲水，廊道邊墻上掛有大片白色或淺黃色溶出物。這些溶出物大部分是從廊道邊墻與拱頂?shù)慕涌p處流露出來的，溶出物最厚處達(dá)3cm，少部分從廊道裂縫滲漏處或拱頂邊墻側(cè)排水孔溶出，形成射流狀，不同部位的溶出物大致相同。另外，廊道集水溝有較厚的溶出物沉積，手摸似膩滑狀或砂質(zhì)顆粒，為此，水庫管理局定期從集水溝清理出溶出物。據(jù)統(tǒng)計，2000年1月～2003年12月3年內(nèi)清理出的溶出物為9210kg，2004年1月～2005年3月底15個月內(nèi)清理出溶出物8120kg。

2 廊道混凝土表面溶出物的成分鑒定及成因、來路

2.1 溶出物成分鑒定

2.1.1 取樣

將混凝土表面的溶出物刮下裝入聚乙烯試樣袋中，密封帶到武漢進(jìn)行分析。共取樣18個，選出代表性的8個樣進(jìn)行了X-射線衍射分析。

2.1.2 試樣制備

X-射線衍射儀測試使用平板試樣。首先將溶出物真空干燥（濕樣還預(yù)先進(jìn)行了抽濾），再在瑪瑙研缽中研磨成10μm左右的粉末，然后在有機(jī)玻璃板的凹格子中壓實，并壓光表面。

2.1.3 試驗儀器

采用日本RIGAKU公司產(chǎn)D/MAX-ⅢA型X射線衍射分析儀，CuKα靶，Ni濾玻片，測試條件為加速電壓35kV，電流30mA，掃描速度8°/min，2θ角為5°～60°。

2.1.4 試驗結(jié)果

用X-射線衍射儀測得8個溶出物樣品的衍射圖，由圖測定衍射數(shù)據(jù)d值，與JCPDS卡片5-586號（礦物碳酸鈣CaCO3）的衍射數(shù)據(jù)d值一一對照，發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)與卡片上的數(shù)據(jù)完全吻合，說明這些白色或淺黃色溶出物均為碳酸鈣（CaCO3）。

2.2 溶出物成因

溶出物碳酸鈣晶體主要是由壩體滲漏溶蝕破壞產(chǎn)生的。所謂溶蝕，即滲漏水對混凝土產(chǎn)生溶出性侵蝕。眾所周知，混凝土中水泥的主要水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）、水化（鐵）鋁酸鈣（C-A（F）-H）、三硫型或單硫型鈣礬石（AFt、AFm）、氫氧化鈣（Ca（OH）2）等，而足夠的Ca（OH）2又是其他水化產(chǎn)物凝聚、結(jié)晶穩(wěn)定存在的保證。在以上水化產(chǎn)物中，Ca（OH）2在水中的溶解度最大，在正常情況下，混凝土毛細(xì)孔中均存在飽和Ca（OH）2溶液。而一旦混凝土產(chǎn)生滲漏，滲漏水就可能把混凝土中的Ca（OH）2溶出帶走，在混凝土外部與空氣中的CO2反應(yīng)生成白色或帶其他顏色的CaCO3結(jié)晶物質(zhì)。隨著Ca（OH）2的不斷流失，破壞了其他水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的平衡條件，從而會引起水化硅酸鈣、鈣礬石等水化產(chǎn)物的凝膠體和結(jié)晶體不斷分解，而逐步失去膠凝性，造成混凝土結(jié)構(gòu)疏松和性能下降。

對水質(zhì)分析結(jié)果表明，溶出物不可能是由軟水侵蝕和碳酸侵蝕產(chǎn)生的，最有可能的是水中的Ca2+與CO32-形成了少量的CaCO3結(jié)晶，也會沉積在廊道混凝土表面。

2.3 溶出物來路

根據(jù)下面幾點(diǎn)原因分析，認(rèn)為廊道滲水和溶出物是由壩體滲漏產(chǎn)生的，而不是壩基滲漏產(chǎn)生的：

（1）壩基施工時，考慮到涌水量較大，帷幕灌漿深度已從設(shè)計的平均深度20m加深了10～20m，經(jīng)加深處理后排水孔排水量明顯減小，達(dá)到了預(yù)期效果，能夠滿足大壩運(yùn)行。這說明從壩基滲水的可能性比較小。

（2）由現(xiàn)場調(diào)查得知，從壩基排水管中滲出的水流量比較小，呈滴狀，說明壩基的水壓不高，從廊道邊墻滲出水和溶出物的可能性不大。

（3）若是從壩基滲出的水和溶出物，則滲出的水或溶出物中應(yīng)含有基巖的一些成分，如粘土礦物、石英，因為壩基巖性為石英砂巖，其層面和裂隙面普遍有夾泥存在，但水質(zhì)分析和溶出物成分分析均未發(fā)現(xiàn)上述礦物成分。因此，基本上可以排除基礎(chǔ)帷幕灌漿破壞發(fā)生滲漏的可能性。

（4）在壩體的背水面從上到下有大量裂縫，且有水從壩背面滲出的水印，說明裂縫和滲水是整個壩段的。

（5）廊道的迎水面和背水面都有大量的溶出物和被水浸濕的地方，且背水面比迎水面的情況嚴(yán)重，也從另一個角度說明水是從壩體滲出的，在廊道拱頂與邊墻交界的薄弱地方滲出或溶出，迎水面是常態(tài)混凝土，防滲效果好于背水面的碾壓混凝土，因此，背水面的滲水和溶出物比迎水面嚴(yán)重些。

（6）根據(jù)后面的有限元計算分析，說明壩體不可避免地要產(chǎn)生溫度裂縫；加上碾壓混凝土抗?jié)B等級設(shè)計較低（內(nèi)部三級配碾壓混凝土抗?jié)B等級值為S4）；碾壓混凝土層間水平縫或工作縫會由于各種原因?qū)е缕浞罎B效果較碾壓混凝土本體差；上游面二級配碾壓混凝土在出現(xiàn)溫度裂縫后防滲效果也降低。因此，水會沿著壩體裂縫和層間薄弱處而進(jìn)入整個壩面，在壩背水面產(chǎn)生滲水。

（7）廊道頂拱與邊墻混凝土接縫處施工處理不當(dāng)存在縫隙或年久止水失效，以及拱頂預(yù)制混凝土塊段與塊段之間接縫處存在縫隙，前者是主要的。因此，壩體滲水將進(jìn)入上述縫隙而形成一個滲水通道，從而直接導(dǎo)致了溶出物在廊道邊墻的析出。

另外，壩體混凝土施工質(zhì)量差、密實程度低，內(nèi)部出現(xiàn)蜂窩空洞，也會形成滲水通道。地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)壩體和廊道混凝土這方面嚴(yán)重的施工質(zhì)量缺陷，因此廊道滲漏可以排除這方面的原因。

3 滲漏溶蝕（溶出物）對壩體的影響分析

據(jù)20世紀(jì)80年代中期開展的全國水工混凝土耐久性及病害調(diào)查表明，滲漏溶蝕是水工混凝土建筑物因耐久性不良而出現(xiàn)的主要病害之一。在調(diào)查的32座大壩中，每座大壩均存在不同的滲漏并引起了溶蝕。到20世紀(jì)80年代后期，中國水利水電科學(xué)研究院首先進(jìn)行了大壩混凝土的滲漏溶蝕試驗的研究。滲漏溶蝕對壩體的危害，有以下幾方面：

（1）溶出物經(jīng)X射線衍射分析為CaCO3，是壩體滲水將壩體混凝土中的Ca（OH）2帶出來在廊道邊墻發(fā)生碳化形成的，而Ca（OH）2的流失，降低了壩體混凝土的空隙溶液堿度，嚴(yán)重時將導(dǎo)致混凝土中其他一些水化產(chǎn)物的分解和溶出。

（2）滲漏將使壩體產(chǎn)生較大的滲透壓力，有時甚至影響到壩體的穩(wěn)定，最直接的影響是導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度大幅度下降。據(jù)蘇聯(lián)資料介紹，當(dāng)混凝土中總的Ca（OH）2含量（以CaO計）被溶出25%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度要下降50%，而當(dāng)溶出量超過33%時，混凝土將要完全失去強(qiáng)度而松散破壞。中國水利水電科學(xué)研究院資料介紹，當(dāng)Ca（OH）2（以CaO計）溶出達(dá)25%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降35.8%，抗拉強(qiáng)度將下降64.4%，因此溶蝕對混凝土抗拉強(qiáng)度影響更為明顯。

（3）如果混凝土滲漏水越來越多，則其內(nèi)部孔隙會增多增大，使結(jié)構(gòu)疏松，加劇惡性循環(huán)。中國水利水電科學(xué)研究院資料介紹，混凝土微孔結(jié)構(gòu)由含孔量較少（49.09×10-2mg/L）、孔徑較?。?.5nm）的密實結(jié)構(gòu)，發(fā)展成為含孔量較多（69.09×10-2mg/L）、孔徑較大（100nm）的疏松體。由此可見，滲漏對混凝土產(chǎn)生溶蝕將造成嚴(yán)重的后果。

表1 水質(zhì)分析實驗結(jié)果

（4）當(dāng)環(huán)境水本身對混凝土有侵蝕作用時（石漫灘壩沒有這方面的侵蝕之憂），由于滲漏溶蝕會促使環(huán)境水侵蝕向混凝土內(nèi)部發(fā)展，從而增加破壞的深度與廣度；在寒冷地區(qū)，由于滲漏，會使混凝土的含水量增大，促進(jìn)混凝土的凍融破壞；對水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，滲漏溶蝕還會加速鋼筋銹蝕等等。而且這些病害會與滲漏溶蝕形成連鎖反應(yīng)和惡性循環(huán)，從而使混凝土的耐久性受到嚴(yán)重的影響。

4 水質(zhì)侵蝕分析試驗

一旦環(huán)境水中含有的對混凝土有害成分如Cl-、SO42-、CO2等超量，就會對廊道混凝土產(chǎn)生不利的影響，會對混凝土產(chǎn)生化學(xué)侵蝕作用。因此，對石漫灘水庫的水和廊道集水溝的水分別取樣進(jìn)行了水質(zhì)分析。

4.1 試驗方法

按照《水工混凝土水質(zhì)分析試驗規(guī)程》（DL/T 5152-2001）進(jìn)行。

4.2 水質(zhì)分析試驗結(jié)果

水質(zhì)分析實驗結(jié)果見表1。

根據(jù)表1水質(zhì)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1）庫水硬度為106.62mg/L，硬度較高，產(chǎn)生軟水侵蝕的可能性不大。

（2）庫水游離CO2、侵蝕性CO2含量分別為8.97mg/L、13.06mg/L，酸度并不高，產(chǎn)生碳酸溶出性侵蝕的可能性不大，所以上述的CaCO3溶出物不是由碳酸侵蝕所生成。計算庫水中Ca2+和CO32-的溶度積以及Ca2+和SO42-的溶度積，發(fā)現(xiàn)能形成少量的CaCO3和CaSO4（由于數(shù)量很少，在X-射線衍射中檢測不到CaSO4），在廊道邊墻等不直接受水沖刷的部位，具有良好的條件使CaCO3和CaSO4生成，因此富集在廊道邊墻而形成了一些白色溶出物。正是由于庫水中的 Ca2+、Mg2+和 CO32-、SO42-發(fā)生了結(jié)晶反應(yīng)，導(dǎo)致了流入集水溝的水中的 CO2、Ca2+、Mg2+、SO42-含量下降，Cl-也有可能在上述反應(yīng)過程中被固溶在CaCO3和CaSO4中，因此含量隨之降低了。

（3）庫水pH值為7.52，集水溝的水pH值為8.73，因此不可能產(chǎn)生酸性水侵蝕，由此說明，是壩體滲漏水對混凝土產(chǎn)生了溶蝕作用，這與調(diào)查中看到的廊道中有大片白色溶出物，以及前面的分析相一致。

（4）一般而言，當(dāng)水中SO42-離子含量在250～1500mg/L時，主要會與混凝土中的水化鋁酸鈣晶體反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣（三硫型的AFt或單硫型的AFm），從而形成鈣礬石膨脹型侵蝕；當(dāng)SO42-離子含量達(dá)到5000～10000mg/L時，便會與混凝土中的Ca（OH）2反應(yīng)產(chǎn)生石膏結(jié)晶，形成石膏膨脹型腐蝕。從石漫灘水庫和大壩廊道集水溝兩種水的水質(zhì)分析來看，SO42-離子含量在10.5～27.78mg/L，因此可以否定混凝土受硫酸鹽侵蝕破壞的可能性。否則，由于硫酸鹽侵蝕，廊道部分混凝土將產(chǎn)生脹裂、崩塌，而實際并未如此。

（5）此外，Cl-和Mg2+離子含量均較少，對混凝土的危害性也不大。

5 結(jié)論

由于滲漏，會使混凝土的含水量增大，促進(jìn)混凝土的凍融破壞；如果混凝土滲漏水越來越多，則其內(nèi)部孔隙會增多增大，使結(jié)構(gòu)疏松，加劇惡性循環(huán)，對混凝土產(chǎn)生溶蝕，進(jìn)而將造成嚴(yán)重的后果。

溶出物將壩體混凝土中的Ca（OH）2帶出來，降低了壩體混凝土的空隙溶液堿度，隨著溶出物不斷增長的現(xiàn)狀，將導(dǎo)致混凝土中其他一些水化產(chǎn)物的分解和溶出。若長期發(fā)展下去，對混凝土的密實、強(qiáng)度等將造成嚴(yán)重的后果，從而使混凝土的耐久性受到嚴(yán)重影響。

對大壩內(nèi)部因溶出物大量溶出對其密實性、強(qiáng)度的影響需做進(jìn)一步的檢測