地下水對東部某電站地下廠房拱頂影響監(jiān)測與分析

王輝義

摘 要：本文針對酸性水的處理可采用“堵排結(jié)合”的處理方法，利用固結(jié)灌漿堵住主要滲水通道，阻止氧氣、水與黃鐵礦的充分接觸，采用加密周邊排水幕和隨機(jī)排水孔的方法，減少頂拱圍巖的含水量，阻止黃鐵礦氧化及水解反應(yīng)的進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：地下廠房；頂拱；地下水

一、前言

某水電站地下廠房洞室頂拱的形成與錨固該電站建于山頂，主壩采用混凝土面板堆石壩。地下廠房部位巖層總體產(chǎn)狀為N50～70°W，NE∠20～35°，斷裂構(gòu)造發(fā)育規(guī)模較大的斷層有廠房北側(cè)、廠房南側(cè)、廠房頂拱及上下游邊墻等，其中，廠房頂拱及上下游邊墻斷層均出露，帶內(nèi)發(fā)育碎裂巖、碎粉巖及碎塊巖等，頂拱及上、下游拱肩具分枝現(xiàn)象，所夾巖體較破碎，旁側(cè)節(jié)理發(fā)育，沿帶潮濕滲滴水。

二、地下水基本特征

地下洞室群巖性為弱～微風(fēng)化巖屑砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖，局部地段存在泥質(zhì)粉砂巖與巖屑砂巖互層，地下洞室群的地下水具有成層性特點(diǎn)，泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖的厚度是各含水層之間水量交換的主要影響因素。由于斷層廠房北側(cè)、廠房南側(cè)及裂隙發(fā)育，山體地下水活動強(qiáng)，水量豐富，同時(shí)因裂隙水受其賦存介質(zhì)的影響具有非均一性、各向異性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，得地下廠房洞室群的地下水發(fā)育情況相當(dāng)復(fù)雜。

三、檢測成果分析

（一）環(huán)境水pH值成果分析。地下廠房頂監(jiān)測pH值1.62，為強(qiáng)酸性水，該部位地下水出水點(diǎn)多位于斷層附近，具有一定的導(dǎo)水性，推測巖石中含有的黃鐵礦晶體遇水、細(xì)菌等氧化產(chǎn)生H+所致；樁號廠右0+070～廠右0+100m，pH值5.91～6.63，為中性水；樁號廠右0+125.25～廠右0+100m（安裝場），pH值

11.95～12.30，為強(qiáng)堿性水。

（二）環(huán)境水室內(nèi)試驗(yàn)成果分析。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，工程區(qū)地下水具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是部分水中SO42-含量特別高，

4個(gè)水樣的SO42-含量在1000mg/L以上，最高達(dá)到26800mg/L，1個(gè)水樣在951 mg/L，1個(gè)水樣在在100 mg/L以下，一般SO42-離子含量高的部位，地下水中相應(yīng)的礦化度、總硬度也高，而對應(yīng)的HCO3-離子含量極低，pH值也較低，為強(qiáng)酸性～酸性水；二是工程區(qū)的地下水類型以硫酸鈣鎂型為主，酸性水以硫酸鹽為主；三是除個(gè)別點(diǎn)以外水中總鐵離子含量不高。

本次試驗(yàn)成果與前期勘察階段試驗(yàn)成果對比，上水庫地下水中Ca2+與SO42-含量及總硬度、礦化度增加；地下廠房地下水中Ca2+、SO42-含量、侵蝕和游離CO2、Fe含量及總硬度、礦化度均增加；上述現(xiàn)象除與巖層中的黃鐵礦在氧化環(huán)境下溶解于水后產(chǎn)生的一系列化學(xué)反應(yīng)有關(guān)外，還與襯砌混凝土、噴混凝土支護(hù)及水泥灌漿有關(guān)。

現(xiàn)場pH值測試和室內(nèi)測定的結(jié)果存在一定的差異，表現(xiàn)為室內(nèi)測定值，普遍低于現(xiàn)場測定值，分析認(rèn)為工程區(qū)地下水出水點(diǎn)分散，水滴速度極慢，量也少，室內(nèi)水樣采集時(shí)間較長，并經(jīng)過儲存、搬運(yùn)后測定，因而在采集水樣的過程中，水樣充分暴露于空氣中，其內(nèi)部產(chǎn)生的氧化反應(yīng)更加充分完全，使H+濃度變大，以致pH值降低。

（三）地下水質(zhì)酸性化形成機(jī)理分析。地下水質(zhì)的形成及演變與地下水相接觸的巖體、斷層等介質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)。從工程區(qū)巖石、斷層樣化學(xué)分析，巖屑砂巖以SiO2和Al2O3為主，5個(gè)樣品中均含有不同程度含量的Fe2O3和FeO，其中引水下層排廊道巖壁上發(fā)現(xiàn)黃鐵礦晶體的樣品中黃鐵礦（FeS2）的含量達(dá)

9%，針鐵礦（Fe2O3·H2O）含量達(dá)9%，化學(xué)成份Fe2O3含量達(dá)

10.92%，F(xiàn)eO含量也有3.28%。據(jù)此認(rèn)為，工程區(qū)地下水質(zhì)局部酸性化、強(qiáng)酸性化與巖體中黃鐵礦（FeS2）的氧化有關(guān)，原因是工程區(qū)的地下水位下降，含水層被疏干，氧氣進(jìn)入到被疏干的巖層中，使原來的還原環(huán)境轉(zhuǎn)化為氧化環(huán)境，從而使巖層中硫、鐵、錳等的化合物的氧化作用大大加強(qiáng)，若有硫細(xì)菌的參與，將加劇金屬硫化物的氧化過程，黃鐵礦（FeS2）在還原環(huán)境下是很穩(wěn)定的，幾乎不溶于水，而在氧化環(huán)境下則變得易溶于水，并產(chǎn)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，使原來中性水向酸性、強(qiáng)酸性水轉(zhuǎn)化。溫度升高、壓力降低，會使溶于水中的CO2逸出，也會引起環(huán)境水的pH值變小，向弱酸轉(zhuǎn)化。即區(qū)內(nèi)酸性化地下水質(zhì)的形成與FeS2在氧化環(huán)境下溶解或溶解于水中CO2的逸出有關(guān)，多個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程如下：

a. 黃鐵礦氧化的產(chǎn)酸過程。

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+ 2SO42- +4H+ （1）

FeSO4→Fe2++ SO42- （2）

綜合（1）和（2），則有：

2FeS2+7O2+2H2O→2Fe2++ 4SO42-+4H+ （3）

這一階段的反應(yīng)式表明：FeS2在氧化環(huán)境下，溶解后生成FeSO4和H2SO4，并產(chǎn)生Fe2+、SO42-和H+，結(jié)果使水中SO42-和

Fe2+含量升高，而水中H+含量的增加，pH值將降低，使地下水酸化，酸化水的進(jìn)一步作用，使巖層中原來不溶解或不易溶解的化合物（如鈣、鎂、鐵、錳等的化合物）變得易于溶解，從而使地下水中的鈣、鎂、鐵、錳和硫酸根離子含量大大增加，地下水的礦化度、硬度也隨之增大。地下水的礦化度、硬度與勘察階段相比，現(xiàn)在的測試值遠(yuǎn)大于前期測試值，也說明上述反應(yīng)過程的存在。

b. 鐵被氧化過程。在有游離氧存在的條件下，F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+，即有：

4Fe2++O2+4H+→4Fe3++2H2O （4）

c. 高價(jià)鐵的水解過程。高價(jià)鐵的水解可形成不溶的黃色氫氧化鐵；其次高價(jià)鐵離子本身也可被黃鐵礦還原。有關(guān)反應(yīng)過程：

Fe3++3H2O→Fe（OH）3+3H+ （5）

FeS2+14 Fe3++8H2O→15Fe2++ 2SO42-+16H+ （6）endprint

式（5）表明地下廠房洞室群發(fā)現(xiàn)黃褐色析出物為Fe（OH）3的沉淀物；式（6）說明氧化1mol的FeS2，水中分別產(chǎn)生2mol 的

SO42-和16mol 的H+，使水變?yōu)镾O42-含量高的酸性水，在水質(zhì)分析成果表中SO42-的含量達(dá)到9.5～26800mg/L，可說明此反應(yīng)存在。

d. 酸性水的中和過程。根據(jù)巖石、斷層化學(xué)成份分析試驗(yàn)，中和反應(yīng)物有Al2O3含量約5.09～20.65%，K2O的含量為

1.42～4.17%，其它氧化物Na2O、CaO、MgO的含量均很少；從地下廠房群水質(zhì)分析結(jié)果Ca2+含量為3.17～91.6mg/L，Na+含量為

2.39～12.1mg/L，Mg2+含量為4.6～12.1 mg/L。數(shù)據(jù)表明，基巖、斷層及混凝土中含有鋁硅酸鹽類和碳酸鹽類礦物（長石和高嶺石等），它們與地下水相接觸時(shí)會產(chǎn)生中和反應(yīng)：

CaCO3+ H+ →Ca2+ +HCO3-

CaAl2Si2O8+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+Ca2+

2NaAl2Si2O8+10H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+2H4SiO4+2Na++2Al3+

Al2Si2O5（OH）4+6H+→2H4SiO4+H2O+2Al3+

從上述化學(xué)反應(yīng)式碳酸鹽類和鋁硅酸鹽類礦物中和了地下水中部分H+，地下廠房群中部份地下水產(chǎn)酸作用大于中和作用，使地下水呈現(xiàn)酸性，如：地下廠房樁號廠右0+60，廠下

0-3.0點(diǎn)地下水pH值僅1.68。

綜上，地下水質(zhì)酸性化與水中總鐵含量的高低有關(guān)，而鐵離子含量取決于黃鐵礦的富集程度和地下水的開放程度，從地下水析出物礦物成份分析結(jié)果看，水綠礬（FeSO4·7H2O）、水合氫離子鐵礬[Fe2（SO4）3·nH2O]、水鐵礦[Fe2（HO）8·4H2O]、針鐵礦（Fe2O3·H2O）及赤鐵礦（Fe2O3）的含量占各樣品的68～95%，說明上述各化學(xué)反應(yīng)式存在。地下廠房洞室群雖然埋深很大，但由于地下廠房洞室群的開挖，極大地提高了洞室群圍巖地下水的開放程度，而地下廠房區(qū)地下水位的降低和含水層的疏干，以及地下廠房洞室群的開挖，為氧氣的進(jìn)入和使還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境創(chuàng)造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，并使地下水質(zhì)向弱酸性～強(qiáng)酸性轉(zhuǎn)化。

四、主廠房頂拱處理

主廠房頂拱處理范圍為酸性水發(fā)育的廠右0+030～0+070，地下水質(zhì)酸性化的原因是巖石中存在的黃鐵礦在氧化環(huán)境下溶解于水引起的，進(jìn)而產(chǎn)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，引起水中

H+、SO42-的增加，從而使地下水對混凝土、混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)具弱～強(qiáng)的腐蝕性。

要阻止酸性水的形成，主要要阻止黃鐵礦的氧化及水解反應(yīng)的進(jìn)行，其主要措施為阻止氧氣溶解于水中在巖體結(jié)構(gòu)面或裂隙中的流動，增加巖石的完整性阻止空氣在巖體內(nèi)部的流通，減少巖體中的含水量阻止水解反應(yīng)的進(jìn)行或者延緩水解反應(yīng)的充分進(jìn)行。由于斷層本身含有一定的鐵錳質(zhì)且導(dǎo)水性好，施工期均有滴水，地下水沿?cái)鄬恿鲃?，使黃鐵礦的氧化以及水解反應(yīng)進(jìn)行得較為充分，造成該些部位酸性較強(qiáng)。

因此排干巖體中的水分或者堵住主要滲水通道，堵住氧氣進(jìn)入巖體的通道，阻止黃鐵礦氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)的進(jìn)行，是工程首選處理方案，“堵”通過對主要滲水通道的固結(jié)灌漿，同時(shí)利用水泥漿的堿性中和原酸性環(huán)境，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)存在于中性～堿性的環(huán)境中。通過安裝場頂拱滴水呈堿性的情況看，原先對頂拱預(yù)固結(jié)灌漿的作用很明顯，通過固結(jié)灌漿可以使原巖體變?yōu)閴A性環(huán)境。主要措施如下：

（1）針對酸性水主要集中的斷層進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，堵住主要滲水通道，同時(shí)也可利用水泥漿的堿性對酸性環(huán)境進(jìn)行中和。（2）對噴層集中滲水處，噴層與巖石局部接觸可能不密實(shí)，在頂拱網(wǎng)架上利用小型灌漿設(shè)備對噴層進(jìn)行淺層的接觸灌漿，保證噴層的支護(hù)作用。（3）減少頂拱巖體的含水量，在對應(yīng)部位的排水廊道內(nèi)加密排水幕，破壞地下水向頂拱滲漏的滲流路徑，減小地下水在頂拱巖體內(nèi)的流動性，阻止水化反應(yīng)的進(jìn)行。（4）灌漿結(jié)束后，觀察頂拱是否還有滲水，如有滲水集中排走。（5）通過處理后，監(jiān)測頂拱滴水的酸堿性，要求PH值大于6.5，并建立長期監(jiān)測體制，定期檢測滴水酸堿度。

五、基本結(jié)論

（1）通過對酸性水發(fā)育范圍、產(chǎn)生的機(jī)理以及地下洞室觀測數(shù)據(jù)的分析，目前地下廠房頂拱結(jié)構(gòu)尚未受酸性水的腐蝕，具有一定的安全裕度酸性水對該區(qū)域的支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性有一定的影響，但通過工程處理，可以保證頂拱結(jié)構(gòu)的耐久性。

（2） 酸性水的形成與黃鐵礦富集程度和地下水的活動性有關(guān)，而地下廠房洞室群的開挖、地下水位的降低和含水層的疏干，為氧氣的進(jìn)入和使還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境創(chuàng)造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，為黃鐵礦晶體發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)提供了前題條件，是形成酸性水的主要原因。 （3） 酸性水的處理可采用“堵排結(jié)合”的處理方法，利用固結(jié)灌漿堵住主要滲水通道，阻止氧氣、水與黃鐵礦的充分接觸，采用加密周邊排水幕和隨機(jī)排水孔的方法，減少頂拱圍巖的含水量，阻止黃鐵礦氧化及水解反應(yīng)的進(jìn)行；同時(shí)利用水泥漿的堿性中和已有的酸性環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院《錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩(wěn)定與支護(hù)設(shè)計(jì)報(bào)告 》2010.5endprint

式（5）表明地下廠房洞室群發(fā)現(xiàn)黃褐色析出物為Fe（OH）3的沉淀物；式（6）說明氧化1mol的FeS2，水中分別產(chǎn)生2mol 的

SO42-和16mol 的H+，使水變?yōu)镾O42-含量高的酸性水，在水質(zhì)分析成果表中SO42-的含量達(dá)到9.5～26800mg/L，可說明此反應(yīng)存在。

d. 酸性水的中和過程。根據(jù)巖石、斷層化學(xué)成份分析試驗(yàn)，中和反應(yīng)物有Al2O3含量約5.09～20.65%，K2O的含量為

1.42～4.17%，其它氧化物Na2O、CaO、MgO的含量均很少；從地下廠房群水質(zhì)分析結(jié)果Ca2+含量為3.17～91.6mg/L，Na+含量為

2.39～12.1mg/L，Mg2+含量為4.6～12.1 mg/L。數(shù)據(jù)表明，基巖、斷層及混凝土中含有鋁硅酸鹽類和碳酸鹽類礦物（長石和高嶺石等），它們與地下水相接觸時(shí)會產(chǎn)生中和反應(yīng)：

CaCO3+ H+ →Ca2+ +HCO3-

CaAl2Si2O8+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+Ca2+

2NaAl2Si2O8+10H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+2H4SiO4+2Na++2Al3+

Al2Si2O5（OH）4+6H+→2H4SiO4+H2O+2Al3+

從上述化學(xué)反應(yīng)式碳酸鹽類和鋁硅酸鹽類礦物中和了地下水中部分H+，地下廠房群中部份地下水產(chǎn)酸作用大于中和作用，使地下水呈現(xiàn)酸性，如：地下廠房樁號廠右0+60，廠下

0-3.0點(diǎn)地下水pH值僅1.68。

綜上，地下水質(zhì)酸性化與水中總鐵含量的高低有關(guān)，而鐵離子含量取決于黃鐵礦的富集程度和地下水的開放程度，從地下水析出物礦物成份分析結(jié)果看，水綠礬（FeSO4·7H2O）、水合氫離子鐵礬[Fe2（SO4）3·nH2O]、水鐵礦[Fe2（HO）8·4H2O]、針鐵礦（Fe2O3·H2O）及赤鐵礦（Fe2O3）的含量占各樣品的68～95%，說明上述各化學(xué)反應(yīng)式存在。地下廠房洞室群雖然埋深很大，但由于地下廠房洞室群的開挖，極大地提高了洞室群圍巖地下水的開放程度，而地下廠房區(qū)地下水位的降低和含水層的疏干，以及地下廠房洞室群的開挖，為氧氣的進(jìn)入和使還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境創(chuàng)造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，并使地下水質(zhì)向弱酸性～強(qiáng)酸性轉(zhuǎn)化。

四、主廠房頂拱處理

主廠房頂拱處理范圍為酸性水發(fā)育的廠右0+030～0+070，地下水質(zhì)酸性化的原因是巖石中存在的黃鐵礦在氧化環(huán)境下溶解于水引起的，進(jìn)而產(chǎn)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，引起水中

H+、SO42-的增加，從而使地下水對混凝土、混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)具弱～強(qiáng)的腐蝕性。

要阻止酸性水的形成，主要要阻止黃鐵礦的氧化及水解反應(yīng)的進(jìn)行，其主要措施為阻止氧氣溶解于水中在巖體結(jié)構(gòu)面或裂隙中的流動，增加巖石的完整性阻止空氣在巖體內(nèi)部的流通，減少巖體中的含水量阻止水解反應(yīng)的進(jìn)行或者延緩水解反應(yīng)的充分進(jìn)行。由于斷層本身含有一定的鐵錳質(zhì)且導(dǎo)水性好，施工期均有滴水，地下水沿?cái)鄬恿鲃?，使黃鐵礦的氧化以及水解反應(yīng)進(jìn)行得較為充分，造成該些部位酸性較強(qiáng)。

因此排干巖體中的水分或者堵住主要滲水通道，堵住氧氣進(jìn)入巖體的通道，阻止黃鐵礦氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)的進(jìn)行，是工程首選處理方案，“堵”通過對主要滲水通道的固結(jié)灌漿，同時(shí)利用水泥漿的堿性中和原酸性環(huán)境，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)存在于中性～堿性的環(huán)境中。通過安裝場頂拱滴水呈堿性的情況看，原先對頂拱預(yù)固結(jié)灌漿的作用很明顯，通過固結(jié)灌漿可以使原巖體變?yōu)閴A性環(huán)境。主要措施如下：

（1）針對酸性水主要集中的斷層進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，堵住主要滲水通道，同時(shí)也可利用水泥漿的堿性對酸性環(huán)境進(jìn)行中和。（2）對噴層集中滲水處，噴層與巖石局部接觸可能不密實(shí)，在頂拱網(wǎng)架上利用小型灌漿設(shè)備對噴層進(jìn)行淺層的接觸灌漿，保證噴層的支護(hù)作用。（3）減少頂拱巖體的含水量，在對應(yīng)部位的排水廊道內(nèi)加密排水幕，破壞地下水向頂拱滲漏的滲流路徑，減小地下水在頂拱巖體內(nèi)的流動性，阻止水化反應(yīng)的進(jìn)行。（4）灌漿結(jié)束后，觀察頂拱是否還有滲水，如有滲水集中排走。（5）通過處理后，監(jiān)測頂拱滴水的酸堿性，要求PH值大于6.5，并建立長期監(jiān)測體制，定期檢測滴水酸堿度。

五、基本結(jié)論

（1）通過對酸性水發(fā)育范圍、產(chǎn)生的機(jī)理以及地下洞室觀測數(shù)據(jù)的分析，目前地下廠房頂拱結(jié)構(gòu)尚未受酸性水的腐蝕，具有一定的安全裕度酸性水對該區(qū)域的支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性有一定的影響，但通過工程處理，可以保證頂拱結(jié)構(gòu)的耐久性。

（2） 酸性水的形成與黃鐵礦富集程度和地下水的活動性有關(guān)，而地下廠房洞室群的開挖、地下水位的降低和含水層的疏干，為氧氣的進(jìn)入和使還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境創(chuàng)造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，為黃鐵礦晶體發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)提供了前題條件，是形成酸性水的主要原因。 （3） 酸性水的處理可采用“堵排結(jié)合”的處理方法，利用固結(jié)灌漿堵住主要滲水通道，阻止氧氣、水與黃鐵礦的充分接觸，采用加密周邊排水幕和隨機(jī)排水孔的方法，減少頂拱圍巖的含水量，阻止黃鐵礦氧化及水解反應(yīng)的進(jìn)行；同時(shí)利用水泥漿的堿性中和已有的酸性環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院《錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩(wěn)定與支護(hù)設(shè)計(jì)報(bào)告 》2010.5endprint

式（5）表明地下廠房洞室群發(fā)現(xiàn)黃褐色析出物為Fe（OH）3的沉淀物；式（6）說明氧化1mol的FeS2，水中分別產(chǎn)生2mol 的

SO42-和16mol 的H+，使水變?yōu)镾O42-含量高的酸性水，在水質(zhì)分析成果表中SO42-的含量達(dá)到9.5～26800mg/L，可說明此反應(yīng)存在。

d. 酸性水的中和過程。根據(jù)巖石、斷層化學(xué)成份分析試驗(yàn)，中和反應(yīng)物有Al2O3含量約5.09～20.65%，K2O的含量為

1.42～4.17%，其它氧化物Na2O、CaO、MgO的含量均很少；從地下廠房群水質(zhì)分析結(jié)果Ca2+含量為3.17～91.6mg/L，Na+含量為

2.39～12.1mg/L，Mg2+含量為4.6～12.1 mg/L。數(shù)據(jù)表明，基巖、斷層及混凝土中含有鋁硅酸鹽類和碳酸鹽類礦物（長石和高嶺石等），它們與地下水相接觸時(shí)會產(chǎn)生中和反應(yīng)：

CaCO3+ H+ →Ca2+ +HCO3-

CaAl2Si2O8+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+Ca2+

2NaAl2Si2O8+10H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+2H4SiO4+2Na++2Al3+

Al2Si2O5（OH）4+6H+→2H4SiO4+H2O+2Al3+

從上述化學(xué)反應(yīng)式碳酸鹽類和鋁硅酸鹽類礦物中和了地下水中部分H+，地下廠房群中部份地下水產(chǎn)酸作用大于中和作用，使地下水呈現(xiàn)酸性，如：地下廠房樁號廠右0+60，廠下

0-3.0點(diǎn)地下水pH值僅1.68。

綜上，地下水質(zhì)酸性化與水中總鐵含量的高低有關(guān)，而鐵離子含量取決于黃鐵礦的富集程度和地下水的開放程度，從地下水析出物礦物成份分析結(jié)果看，水綠礬（FeSO4·7H2O）、水合氫離子鐵礬[Fe2（SO4）3·nH2O]、水鐵礦[Fe2（HO）8·4H2O]、針鐵礦（Fe2O3·H2O）及赤鐵礦（Fe2O3）的含量占各樣品的68～95%，說明上述各化學(xué)反應(yīng)式存在。地下廠房洞室群雖然埋深很大，但由于地下廠房洞室群的開挖，極大地提高了洞室群圍巖地下水的開放程度，而地下廠房區(qū)地下水位的降低和含水層的疏干，以及地下廠房洞室群的開挖，為氧氣的進(jìn)入和使還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境創(chuàng)造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，并使地下水質(zhì)向弱酸性～強(qiáng)酸性轉(zhuǎn)化。

四、主廠房頂拱處理

主廠房頂拱處理范圍為酸性水發(fā)育的廠右0+030～0+070，地下水質(zhì)酸性化的原因是巖石中存在的黃鐵礦在氧化環(huán)境下溶解于水引起的，進(jìn)而產(chǎn)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，引起水中

H+、SO42-的增加，從而使地下水對混凝土、混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)具弱～強(qiáng)的腐蝕性。

要阻止酸性水的形成，主要要阻止黃鐵礦的氧化及水解反應(yīng)的進(jìn)行，其主要措施為阻止氧氣溶解于水中在巖體結(jié)構(gòu)面或裂隙中的流動，增加巖石的完整性阻止空氣在巖體內(nèi)部的流通，減少巖體中的含水量阻止水解反應(yīng)的進(jìn)行或者延緩水解反應(yīng)的充分進(jìn)行。由于斷層本身含有一定的鐵錳質(zhì)且導(dǎo)水性好，施工期均有滴水，地下水沿?cái)鄬恿鲃?，使黃鐵礦的氧化以及水解反應(yīng)進(jìn)行得較為充分，造成該些部位酸性較強(qiáng)。

因此排干巖體中的水分或者堵住主要滲水通道，堵住氧氣進(jìn)入巖體的通道，阻止黃鐵礦氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)的進(jìn)行，是工程首選處理方案，“堵”通過對主要滲水通道的固結(jié)灌漿，同時(shí)利用水泥漿的堿性中和原酸性環(huán)境，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)存在于中性～堿性的環(huán)境中。通過安裝場頂拱滴水呈堿性的情況看，原先對頂拱預(yù)固結(jié)灌漿的作用很明顯，通過固結(jié)灌漿可以使原巖體變?yōu)閴A性環(huán)境。主要措施如下：

（1）針對酸性水主要集中的斷層進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，堵住主要滲水通道，同時(shí)也可利用水泥漿的堿性對酸性環(huán)境進(jìn)行中和。（2）對噴層集中滲水處，噴層與巖石局部接觸可能不密實(shí)，在頂拱網(wǎng)架上利用小型灌漿設(shè)備對噴層進(jìn)行淺層的接觸灌漿，保證噴層的支護(hù)作用。（3）減少頂拱巖體的含水量，在對應(yīng)部位的排水廊道內(nèi)加密排水幕，破壞地下水向頂拱滲漏的滲流路徑，減小地下水在頂拱巖體內(nèi)的流動性，阻止水化反應(yīng)的進(jìn)行。（4）灌漿結(jié)束后，觀察頂拱是否還有滲水，如有滲水集中排走。（5）通過處理后，監(jiān)測頂拱滴水的酸堿性，要求PH值大于6.5，并建立長期監(jiān)測體制，定期檢測滴水酸堿度。

五、基本結(jié)論

（1）通過對酸性水發(fā)育范圍、產(chǎn)生的機(jī)理以及地下洞室觀測數(shù)據(jù)的分析，目前地下廠房頂拱結(jié)構(gòu)尚未受酸性水的腐蝕，具有一定的安全裕度酸性水對該區(qū)域的支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性有一定的影響，但通過工程處理，可以保證頂拱結(jié)構(gòu)的耐久性。

（2） 酸性水的形成與黃鐵礦富集程度和地下水的活動性有關(guān)，而地下廠房洞室群的開挖、地下水位的降低和含水層的疏干，為氧氣的進(jìn)入和使還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境創(chuàng)造了條件，從而促使巖石中的黃鐵礦溶解于水中，為黃鐵礦晶體發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)提供了前題條件，是形成酸性水的主要原因。 （3） 酸性水的處理可采用“堵排結(jié)合”的處理方法，利用固結(jié)灌漿堵住主要滲水通道，阻止氧氣、水與黃鐵礦的充分接觸，采用加密周邊排水幕和隨機(jī)排水孔的方法，減少頂拱圍巖的含水量，阻止黃鐵礦氧化及水解反應(yīng)的進(jìn)行；同時(shí)利用水泥漿的堿性中和已有的酸性環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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