高礦化水垂向分布特征及腐蝕性研究

摘要：建筑物基礎(chǔ)承載著房屋自重和建筑物所有外加荷載，如果經(jīng)常受到具有腐蝕性水和土的侵蝕，結(jié)構(gòu)安全度和耐久性就會(huì)降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生基礎(chǔ)失效的事故。天津市濱海新區(qū)地下成水分布廣，厚度大，礦化度高，其腐蝕性對(duì)構(gòu)筑物的危害非常大，研究高礦化水垂向分布特征及腐蝕性情況是十分必要的。為研究濱海新區(qū)高礦化水在垂向上的分布情況，選取3個(gè)典型場(chǎng)地作為研究區(qū)，進(jìn)行土壤全鹽量的垂向定量分析，以此間接反映淺層地下水礦化度的變化情況，同時(shí)在垂向采用分段取水的方式研究高礦化水腐蝕性垂向分布特征。

關(guān)鍵詞：高礦化水;腐蝕性;濱海新區(qū)

中圖分類號(hào)：P641

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1001-9138-（2019）05-0068-71

收稿日期：2019-04-03

1 前言

當(dāng)前，天津進(jìn)入了加快發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期，各項(xiàng)工程建設(shè)正存如火如荼地進(jìn)行著。工程建設(shè)中建筑物基礎(chǔ)承載著房屋自重和建筑物所有外加荷載，如果經(jīng)常受到具有腐蝕性水和土的侵蝕，結(jié)構(gòu)安全度和耐久性就會(huì)降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生基礎(chǔ)失效的事故。天津市濱海新區(qū)地下咸水分布廣，厚度大，礦化度高，同時(shí)地處渤海之濱，不均勻分布著大面積鹽漬土。目前工程勘察中水土樣品采集的代表性差，難以真實(shí)反映濱海新區(qū)高礦化水與鹽漬土整體的腐蝕情況，但其腐蝕性對(duì)構(gòu)筑物的危害非常大，目前已有的研究成果在水平方向上較多，在垂向上的研究成果很少，研究高礦化水垂向分布特征及腐蝕性情況是十分必要的。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)特征

天津市地下水的賦存受地質(zhì)構(gòu)造、地貌、水文和古地理?xiàng)l件的控制，從山前平原向?yàn)I海平原水文地質(zhì)條件由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，呈現(xiàn)出明顯的水平分帶規(guī)律。

研究區(qū)地下水的分布和富水特征受地貌和水系分布的影響，沉積物為海積沖積層和沖積海積層，含水層為中細(xì)砂和粉細(xì)砂，富水性較差，淺部水質(zhì)為咸水或半咸水，工作區(qū)北部咸水底界埋深為40-80m，一般為80-200m，至大港一帶第Ⅱ含水組全部為咸水，供水條件變差。工作區(qū)屬于資源性缺水地區(qū)。

研究區(qū)新近系熱儲(chǔ)層含中富的中低溫地?zé)崴?，水?5-95℃，同時(shí)也富含礦泉水，開發(fā)條件優(yōu)越。深層淡水中氟含量普遍較高，是供水中的不利因素。

2.2 淺層地下水補(bǔ)、徑、排條件

研究區(qū)淺層咸水主要接受降水和河流滲漏補(bǔ)給，靠蒸發(fā)排泄。由于地層含鹽量高，淺層水無明顯淡化，地下水流向自西向東。特殊的地質(zhì)環(huán)境決定了本區(qū)淺層咸水水位淺，地下水水位埋深小于土壤積鹽的臨界深度，造成較為嚴(yán)重的土壤鹽漬化。

2.3 淺層地下水流場(chǎng)特征

研究區(qū)淺層地下水總體流向自北西向南東，水力坡度一般在0.1-0.5‰，水位埋深一般<2m;水位埋深>2m的地區(qū)主要分布在漢沽區(qū)北部和大港區(qū)北部。淺層地下水水位標(biāo)高一般大于0m，反映淺層水徑流滯緩。河流、洼淀、水庫(kù)等地表水體往往是淺層地下水的局部排泄帶，但河流在汛期補(bǔ)給地下水，渤海灣是淺層地下水的最終排泄帶。在現(xiàn)狀條件下，淺層水水位普遍高于下伏深層水，淺層水向下越流補(bǔ)給深層水。

2.4 淺層地下水水位動(dòng)態(tài)

研究區(qū)淺層水主要受降水補(bǔ)給，轆蒸發(fā)消耗，目前開發(fā)利用不充分。地下水動(dòng)態(tài)多處于自然狀態(tài)，綦本與氣象周期一致，高水位出現(xiàn)在融凍期后的3-4月，而低水位出現(xiàn)在10-12月，變幅較小，多在0.5-1.5m。其動(dòng)態(tài)類型屬于滲入—蒸發(fā)型。多年動(dòng)態(tài)變化較小。

3 研究方法

3.1 咸水劃分

按礦化度大小分，可將咸水分為微咸水（2-3g/L）、半成水（3-5g/L）、咸水（5-10g/L）、鹽水（10-50g/L）和鹵水（>50g/L）。按咸水埋藏條件、地層時(shí)代及其水力性質(zhì)劃分，可將咸水分為淺層咸水和深層咸水。淺層咸水底界一般為25-30m，淺層咸水下部的咸水水體均為深層咸水，其底界為咸水含水組的埋藏底界。本次高礦化水研究指針對(duì)礦化度大于2g/L的微咸水至鹵水的研究，由于本次研究的重點(diǎn)是高礦化水對(duì)構(gòu)筑物的腐蝕性情況，所以本項(xiàng)目研究深度為30m以淺的淺層地下咸水。

3.2 場(chǎng)地選取

淺層地下水在垂向上的細(xì)化分段采集造價(jià)高、難度大，為研究濱海新區(qū)高礦化水在垂向上的分布情況，分別選取濱海新區(qū)北部漢沽中新生態(tài)城、中部塘沽云山道和南部大港上古林3個(gè)典型場(chǎng)地作為研究區(qū)，進(jìn)行土壤全鹽量的垂向定量分析。從以往研究資料來看，土壤中的全鹽量與地下水的礦化度雖然沒有直接公式上的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但是土壤全鹽量較高的地層地下水的礦化度較高，反之亦然。所以本次研究利用土壤全鹽量來間接反映淺層地下水礦化度的變化情況。三個(gè)典型場(chǎng)地的勘察鉆孔最大孔深為60m，土樣采集方法是30m以淺，一米采集一份土樣;30-60m每?jī)擅撞杉环萃翗?，土樣測(cè)試指標(biāo)為易溶鹽。根據(jù)土樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)土壤pH介于8-9之間，為堿性土壤。根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001），濱海地區(qū)鹽漬土含鹽化學(xué)成分（CL-/2S042-）指標(biāo)均值為5.07，類型為氯鹽漬土。

為研究高礦化水在垂向上的腐蝕性情況，在每個(gè)場(chǎng)地布設(shè)4個(gè)孔，3個(gè)孔作為地下水分層采樣孔，均下管材成井，另外1個(gè)孔進(jìn)行地層劃分和土樣采集。施工順序，采用130mm孔徑首先施工60m孔，進(jìn)行地層劃分和土樣采集;后施工10m、20m和30m鉆孔，分層采取0-10m、10-20m、20-30m段地下水水樣，采用154mm孔徑，下入濾水管成井，并采用清水洗井抽水;帶水清砂凈后采取水樣。

4 研究結(jié)果分析

4.1 高礦化水垂向分布特征

研究表明，濱海新區(qū)鹽漬土在垂向上呈現(xiàn)出表聚性和隨深度遞減的規(guī)律：從近地表（3m以淺）土壤鹽漬化程度來看，漢沽場(chǎng)地全鹽量含量相對(duì)最高，鹽漬化程度最高，全鹽量峰值為5.15g/100g土;其次是南部大港區(qū)，全鹽量最大值為3.6g/100g土;中部塘沽區(qū)相對(duì)最低，鹽漬化程度相對(duì)最低，3m以淺全鹽量為1g/100g，其全鹽量最大值出現(xiàn)地下6m處，為2.43g/100土，地表以下3m-8m處，為全鹽量平均值最高處。從下降速率來看，大港區(qū)全鹽量下降相對(duì)最快，10m以深全鹽量低于1g/100g土，20m以深全鹽量低于0.5g/100g土;其次是塘沽區(qū)，14m以深全鹽量低于1g/100g土;漢沽區(qū)下降速率相對(duì)最慢，33m以深全鹽量低于1g/100g土。

結(jié)合三個(gè)典型場(chǎng)地的土壤全鹽量在垂向上的分布特征，我們推測(cè)濱海新區(qū)高礦化水在縱向上的分布情況如下：整體上自淺層地下水水位處開始，隨著深度的加深，淺層地下水礦化度逐漸降低;地表以下10m以淺，淺層地下水礦化度波動(dòng)較大，總體上保持較大的數(shù)值;自地表以下10m處至25m處，礦化度仍有波動(dòng)但總體呈穩(wěn)步下降的趨勢(shì);自地表以下25m處向下，礦化度波動(dòng)明顯減小，總體上保持較小的數(shù)值。

4.2 高礦化水腐蝕性垂向分布特征

三個(gè)場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性為弱-強(qiáng)腐蝕性，漢沽中新生態(tài)城場(chǎng)地10m以淺地下水具強(qiáng)腐蝕性，10m至30m處地下水具弱腐蝕性;塘沽云山道場(chǎng)地10m以淺地下水具強(qiáng)腐蝕性，10m至30m處地下水具弱腐蝕性;大港上古林場(chǎng)地30m以淺地下水具弱腐蝕性。三個(gè)場(chǎng)地地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕性，在長(zhǎng)期浸水狀態(tài)下均具弱腐蝕性;在有干濕交替作用情況下均為強(qiáng)腐蝕性。三個(gè)場(chǎng)地地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)均為中等腐蝕性，見圖1。

研究表明，區(qū)內(nèi)不同深度水體中高含量SO₄^2-和CL^-是水體對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋腐蝕等級(jí)強(qiáng)的主要原因。由于區(qū)內(nèi)水體均為弱堿性水，SO₄^2-和CL^-含量較高，所以對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性等級(jí)均為中等。從不同深度水體腐蝕性評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表中可以看出：參與混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)的NH₄⁺隨著深度的增大，變化不大;參與混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)的SO₄^2-、Mg²⁺、礦化度以及參與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性評(píng)價(jià)的CL^-隨著深度的增加明顯降低，相應(yīng)腐蝕性等級(jí)下降。

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