江西省大中型混凝土水庫大壩溶出性侵蝕調查研究

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(1.南昌大學 建筑工程學院，南昌　330031; 2.上饒市水利科學研究所，江西 上饒　334000)

1　研究背景

水泥混凝土由于具備低成本、耐水及抗?jié)B性好等特點，已成為大中型水庫大壩的主要材料。然而，服役混凝土大壩的耐久性受混凝土組成材料、質量、地理環(huán)境、水質條件及水壓等因素影響。Ca(OH)2是普通硅酸鹽水泥的主要水化產物，它微溶于水的特點使混凝土在水環(huán)境下形成溶出性侵蝕，在混凝土壩廊道壁、排水孔出口和集水溝等滲水嚴重的部位產生白色沉積物，即析鈣。由于此侵蝕較為普遍，因而往往被看作正常現(xiàn)象。但混凝土中的Ca(OH)2是保持水泥水化產物穩(wěn)定、保持強度和抗?jié)B等性能的重要成分。已有研究表明[1]，當水泥石中的Ca(OH)2被侵蝕16%和27%時，抗壓強度將分別損失27%和40%；Ca(OH)2被侵蝕>50%時，強度損失殆盡。此外，若壩基回填混凝土中的鈣質析出較多，會導致繞壩滲漏溶蝕基巖；帷幕中鈣質的析出將使水滲漏量增大，導致壩基揚壓增大，而若鈣質沉積致孔道阻塞，會使排水孔失效；對于鋼筋混凝土，鈣質的流失會使鋼筋更易銹蝕。這些都會影響大壩的穩(wěn)定和安全[1-3]，因此混凝土溶出性侵蝕對大壩的危害不可忽視。

江西為水利大省，有大中型混凝土水庫大壩數十座，近年人們已在關注混凝土溶出性侵蝕對大壩的危害。如2000年發(fā)現(xiàn)宜春市靖安縣羅灣大壩施工冷縫縫口鈣質流出，廊道內析鈣嚴重[4]；九江市德安縣湖塘水庫大壩2000年4月份竣工，同年8月份即發(fā)現(xiàn)排水廊道滲漏，發(fā)電涵管大面積蜂窩狀，并有析鈣[5]；上饒市廣豐縣七星水庫1995年竣工，2010年發(fā)現(xiàn)左壩肩防浪墻轉折點裂縫，背水面和廊道內嚴重析鈣。這些水庫大壩大多已進行了除險加固。為探討混凝土溶出性侵蝕的材料、水環(huán)境等關系規(guī)律，對江西省內大中型混凝土水庫大壩溶出性侵蝕情況進行了系統(tǒng)調查，并對現(xiàn)場取樣進行測定和分析，為解決水工混凝土結構的溶出性侵蝕問題提供依據。

2　水庫大壩溶出性腐蝕情況

2.1　實地調研

2014年4—11月份，選取上饒、宜春、九江、吉安、贛州等地區(qū)的35座水庫大壩進行實地調研?，F(xiàn)場觀察大壩混凝土的析鈣情況，對水庫水、壩體滲出水及析出物進行現(xiàn)場取樣。其中有代表性的22座大壩調研情況見表1。

2.2　結果分析

總體上，江西省混凝土和砂漿結構大壩不同程度上存在溶出性侵蝕。調查的35座水庫大壩中，溶出性侵蝕比較嚴重的有七星(圖1)、井岡沖(圖2)、高店(圖3)及大塅等13座水庫大壩，其中部分水庫大壩已進行過除險加固工程。析鈣較嚴重的水庫大壩較多建于20世紀90年代后，少數建于20世紀80年代之前。析鈣較輕的大壩多建于20世紀50—80年代，例如贛州市的上猶江和長河壩水庫大壩均建于20世紀50年代，至今沒有明顯滲水，極少析鈣。那時的施工技術相對落后，工期長，且只有硅酸鹽水泥可用，但因混凝土密實度高，抗?jié)B性好，水庫蓄水前經歷長時間的碳化作用，使其具有良好的抗溶蝕性能。如今，隨著施工機械化水平的提高，泵送混凝土施工量增多，施工速度加快，如果原材料和施工過程控制不嚴，加之因工期縮短使蓄水期提前，會使溶出性侵蝕反而更嚴重。此外，遭受溶蝕較嚴重的七星(壩高71.1 m)、高店(壩高81.5 m)以及井岡沖(壩高92 m)水庫大壩壩高均較高，承受的水壓較大，使混凝土滲透系數增大，導致抗侵蝕性降低。但同處于上饒地區(qū)的下會坑水庫大壩高達102.4 m，溶蝕程度卻相對較低。這說明壩高并不是溶出性腐蝕的決定因素。

表1　水庫大壩實地調研情況Table 1　Field investigation of reservoir dams

圖1　七星水庫大壩背水面與廊道排水管析鈣Fig.1　Calcium precipitated on the negative side ofQixing Dam and in drainage pipe of corridor

圖2　井岡沖水庫大壩廊道排水溝及排水管積鈣Fig.2　Calcium accumulated in drainage ditch andpipe in the corridor of Jinggangchong Dam

圖3　高店水庫大壩背水面滲水析鈣Fig.3　Water penetrating and calcium precipitatingon the negative side of Gaodian Dam

3　取樣分析

實地調研時對水庫庫水、壩體滲出水、壩體背水面、廊道壁面、排水管等處的析出物取樣，并在實驗室測定析出物及水的pH值、總硬度、Ca2+、侵蝕性CO2、HCO3-、CO32-濃度等參數。

3.1　混凝土析出物分析

對混凝土析出物樣品進行X-ray衍射分析，所有析出物的成分基本相同。以鐵爐、高店和峽口水庫大壩析出物分析為例(圖4)，它們的圖譜基本相同，主要成分均為CaCO3?；炷翂沃兴a物Ca(OH)2在低堿度環(huán)境水下溶出到表面，與空氣中的CO2反應生成CaCO3，這是典型的混凝土溶出性侵蝕。Ca(OH)2溶出使混凝土的堿度降低，而水泥的水化產物一般在較高的堿度環(huán)境中才能穩(wěn)定存在，如果混凝土孔隙內溶液的堿度小于水化產物的極限堿度，則其中的Ca(OH)2、水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣等水化產物將會被進一步溶解或分解，使混凝土結構酥松，強度降低。這就是導致混凝土壩溶出性腐蝕日益加重的原因。

圖4　大壩析出物X-ray衍射圖譜Fig.4　X-ray diffraction diagram of precipitates

3.2　水樣分析

在實驗室對庫水、壩后滲水、廊道滲水、排水管出水等水樣進行化學分析，結果見表2。

根據GB 50287—2006[6]，環(huán)境水中HCO3-濃度<1.07 mmol/L(即HCO3-濃度<42.7 mg/L),為中等溶出型侵蝕;1.07 mg/L≥HCO3-濃度>0.7 mmol/L(即65.27 mg/L≥HCO3-濃度> 42.7 mg/L),為弱溶出型侵蝕；環(huán)境水中15 mg/L≤侵蝕性CO2濃度<30 mg/L，為弱碳酸型腐蝕。由表2可知，江西省內大中型水庫庫水大多具中等溶出性侵蝕，個別具弱溶出性侵蝕；另外，部分水庫水質具弱碳酸型腐蝕，如七星、峽口、高店、大鍛等水庫。

從理論上來講，如果水從混凝土中滲出時溶有Ca(OH)2，則滲水中的pH值、Ca2+濃度、總硬度等會增大。Ca(OH)2溶出量越大(即溶出性侵蝕越嚴重)，滲水中這些值越高。已有研究也表明[1]，溶蝕可導致滲水呈堿性甚至強堿性。由表2可知，與庫水相比,多數大壩廊道滲水或壩基、壩后滲水的pH值、Ca2+濃度、總硬度大大提高，特別是七星、小灣、香坪、井岡沖、大塅、龍?zhí)兜人畮齑髩螡B水的pH值、總硬度、Ca2+以及OH-濃度比水庫水顯著增大，個別壩滲水的總硬度、Ca2+濃度增大30倍，說明這些大壩遭受嚴重的溶出性侵蝕。需要注意的是這些水庫大壩中多數近年內進行過除險加固。

圖5為部分水庫庫水與大壩滲水的pH值和Ca2+濃度對比。由圖可看出，各地水庫庫水的pH值、Ca2+濃度差別不大，但大壩滲水pH值、Ca2+濃度差異很大，有的與庫水接近，但有的比庫水高2個數量級，說明各壩的溶蝕程度差異很大。

從水庫水質看，庫水中HCO3-濃度普遍偏低，為中等溶出型侵蝕(HCO3-濃度<42.7 mg/L)，甚至有些水庫如七星、小灣、香坪、大塅、龍?zhí)丁⒕畬鶝_等的庫水HCO3-濃度<30 mg/L，這些水庫大壩正好溶蝕最嚴重，因此環(huán)境水中的HCO3-濃度對腐蝕有較大影響；所有庫水的總硬度均<60 mg/L，屬于軟水，pH值多數>7，個別水庫如小灣、湖塘、林泉、垅澗里、雙溪、雙河口等的庫水pH值>8，但它們似乎與大壩的腐蝕程度無規(guī)律性。

(2)在斜開式安全島上通過劃分區(qū)域分離東西流向的過街行人流，在此處設置行人二次過街警示牌、交通標志等，并且定期整理在安全島附近中央分隔帶兩旁的植被，減少對調頭車輛的視線影響。

表2　現(xiàn)場調研所取水樣的分析結果Table 2　Analytical results of water samples from field investigation

圖5　部分水庫庫水與壩滲水的pH值和Ca2+濃度對比Fig.5　Comparison of pH value and Ca2+ concentrationbetween reservoir water and penetrated water fromdams

部分水庫大壩近年內進行過除險加固，如七星、大塅和井岡沖水庫大壩于2011—2012年進行壩體帷幕灌漿和增加迎水面防滲面板等除險加固工程，但加固工程后大壩滲水的Ca2+濃度分別為水庫庫水的7.0，3.7，16.8倍，溶蝕仍十分嚴重。這3座水庫大壩都屬于中等溶出性腐蝕水質，其中七星水庫大壩的庫水中HCO3-濃度最低(幾乎測不出其濃度)，且伴有弱碳酸鹽侵蝕，屬于最嚴重的腐蝕條件。但從腐蝕嚴重程度看，加固工程后井岡沖水庫大壩的腐蝕最為嚴重。隨著滲透的持續(xù)，孔隙中的石灰濃度可能降到臨界極限濃度下，從而使水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣等水化產物分解，由高鈣的水化產物轉化成低鈣的水化產物，甚至分解成完全失去膠結能力的氧化物和氫氧化物，將危及大壩的結構承載力和擋水功能[7-8]。另外，水質檢測發(fā)現(xiàn)龍?zhí)丁⑾扇粟?、上猶江、高店等部分水庫庫水中含有一定量的侵蝕性CO2，具有弱碳酸性侵蝕性(15 mg/L<侵蝕性CO2濃度<30 mg/L)。即水泥石中的Ca(OH)2與水中游離CO2起化學反應，生成易溶于水的Ca(HCO3)2。在這種情況下混凝土遭受溶出性侵蝕、碳酸性侵蝕雙重侵蝕，Ca(OH)2的累計溶出量可能為僅遭受軟水侵蝕的2倍。

環(huán)境水的HCO3-濃度低是導致混凝土壩溶出性腐蝕的外因，但混凝土材料的組成和配比、施工質量以及養(yǎng)護條件和時間等是決定材料抗溶蝕的內因，且是決定性因素。從已有研究看，對水泥石中鈣離子的遷移動力、微觀溶出機理及抑制溶出腐蝕的途徑等還不十分清楚。龐曉赟[9]研究了多場多離子遷移理論，討論了水泥基孔隙材料中的多場環(huán)境、固液平衡和氣液平衡等基本條件，結果表明純水泥膠凝體系的混凝土材料比加入礦物摻合料的膠凝體系具有更好的抗溶蝕能力。李新宇等[10]對混凝土滲透溶蝕過程中鈣離子遷移過程進行數值模擬研究，結果表明混凝土滲透性是影響混凝土滲透溶蝕特性的關鍵因素。阮燕等[11]認為，適量粉煤灰可改善碾壓混凝土的抗?jié)B透溶蝕性能，但粉煤灰摻量增大將使表面溶蝕量增大。本課題組何雯[12]也進行了鈣溶出和強度對比試驗，結果表明添加粉煤灰、礦粉、拋光渣等礦物摻合料可在一定程度上抑制溶蝕。因此，對于水工混凝土，其溶蝕問題還需進行深入研究。

4　結　論

(1)江西省內大中型混凝土水庫大壩遭受不同程度溶出性侵蝕?？傮w上，20世紀50—60年代修建的水庫大壩抗溶蝕性較近20 a修建的大壩普遍要好；高壩比低壩溶蝕相對嚴重。

(2)環(huán)境水質，特別是庫水的HCO3-濃度是影響混凝土溶蝕的重要因素，但它并不是決定因素。同處于中等溶出性侵蝕水環(huán)境，混凝土組成、配合比和施工質量、養(yǎng)護時間等對混凝土耐侵蝕性有重要影響。

(3)近年內進行過除險加固的水庫大壩，部分仍存在較嚴重的溶蝕。從已有研究看，對水泥石中鈣離子的遷移動力、微觀溶出機理及抑制溶蝕的途徑等還不十分清楚。為提高水工混凝土的耐久性，亟需對溶出性腐蝕問題進行深入系統(tǒng)的研究。

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[10] 李新宇,方坤河. 混凝土滲透溶蝕過程中鈣離子遷移過程數值模擬[J]. 長江科學院院報，2008，25(6)：96-100.

[11] 阮燕，方坤河，曾力，等. 粉煤灰對碾壓混凝土溶蝕特性的影響[C]∥第五屆碾壓混凝土壩國際研討會論文集(上冊). 貴陽：貴州省科學技術協(xié)會，2007：484-490.

[12] 何雯. 江西省大中型水庫大壩溶出性侵蝕調查及研究[D]. 南昌：南昌大學，2015.