和川水庫大壩廊道碳酸鈣沉淀成因分析

（山西省水文水資源勘測局 山西太原030001）

1 項(xiàng)目背景

山西省引沁入汾和川引水樞紐工程地處臨汾市安澤縣和川鎮(zhèn)嶺南村東的沁河干流上。和川引水樞紐工程壩址控制流域面積2 653 km2，水庫總庫容1 756 萬m3。和川水庫大壩由擋水壩段、泄洪排沙底孔壩段組成。大壩為漿砌石及混凝土重力壩，壩頂全長235 m，最大壩高27 m。大壩共分為11 個壩段，自左向右依次為左岸漿砌石擋水壩段（1#～3#壩段）、泄洪排沙底孔壩段（4#～6# 壩段）及右岸混凝土擋水壩段（7#～11#壩段），大壩總體布置詳見圖1。

和川水庫于2010年完工，隨著水庫蓄水投入使用，在排水廊道內(nèi)隨著壩基排水出現(xiàn)白色沉淀物，雖然經(jīng)過歷年多次清理，沉淀物并未減少。2017年6月水庫管理局委托太原理工大學(xué)進(jìn)行研究，確定白色沉淀物為碳酸鈣，但其成因一直未能查明。為了保證大壩安全運(yùn)行，水庫管理局安排壩體取樣、水化學(xué)分析等方法，進(jìn)一步分析碳酸鈣沉淀的成因，為下一步處理提供資料。

2 析出物特征分析

2.1 析出物表觀特征及取樣

和川水庫排水廊道內(nèi)析出物分布較為廣泛，在不同部位壩段均有出現(xiàn)，但在不同的部位數(shù)量差別較大。析出沉淀最集中的部位在3 壩段排水廊道陡坡處，從坡頂?shù)狡碌状竺娣e分布，歷經(jīng)三次清理，每次的厚度可達(dá)30 cm，估算沉淀量在10 t 左右，廊道局部地段排水溝接近填滿；另外在個別排水孔口周邊以及排水管附近的廊道側(cè)壁上也有少量的沉淀存在?？傮w上表現(xiàn)為與壩基滲水量成正比，左岸壩段沉淀量遠(yuǎn)大于右岸壩段。

圖1 大壩總體布置、廊道、鉆孔及水質(zhì)檢測取樣點(diǎn)位置圖

析出物呈現(xiàn)以白色為主，局部部位夾米黃色，此類析出物分布最為廣泛。3 壩段陡坡處析出物以白色為主，堆積體為蓬松、疏散狀；廊道側(cè)壁排水管處的夾米黃色，質(zhì)地較堅(jiān)硬。詳見圖2。

圖2 廊道內(nèi)沉淀物

2.2 析出物化學(xué)組分分析

2017年6月，山西省和川水庫引水樞紐工程建設(shè)管理局委托太原理工大學(xué)對廊道白色析出物的成分進(jìn)行了分析研究。通過對兩個樣品的X 射線表征圖譜分析、TG-DTA 表征圖譜分析、FI-IR 表征圖譜分析、N2吸附表征圖譜分析、SEM 表征電鏡圖分析等得出結(jié)論：和川水庫廊道白色析出為碳酸鈣，且廊道內(nèi)水樣中的Ca2+濃度也明顯增大，而其具體成因則需要進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。

3 廊道滲漏水水質(zhì)分析

3.1 水樣采集與檢測

為分析和川水庫大壩排水廊道析出碳酸鈣沉淀的成因提供水化學(xué)資料，從大壩排水廊道、庫區(qū)、大壩下游等處分別采取了14 組水樣（取樣點(diǎn)位置見圖1），委托山西省水環(huán)境監(jiān)測中心臨汾分中心進(jìn)行水質(zhì)分析，檢測的項(xiàng)目包括pH 值、礦化度、碳酸鹽、重碳酸鹽、總堿度、氯化物、硫酸鹽、總硬度、鉀離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子等12 個指標(biāo)。

3.2 水化學(xué)特征分析

從水質(zhì)分析結(jié)果看，和川水庫庫區(qū)、大壩排水廊道滲透水、大壩下游水體陰離子以重碳酸鹽為主、陽離子以鈣離子為主。

3.3 溶液飽和指數(shù)計算

飽和指數(shù)是由理論推導(dǎo)得到的一個指數(shù)，可以預(yù)測水中碳酸鈣發(fā)生沉淀或者發(fā)生溶解的傾向。

碳酸鹽溶液在存在下列動態(tài)平衡。

1）Ca（HCO3）2=Ca2++2HCO3-

2）HCO3-=H++CO32-

3）CaCO3=Ca2++CO32-

當(dāng)碳酸鈣呈飽和時，各反應(yīng)平衡，重碳酸鈣既不分解成碳酸鈣，碳酸鈣也不會繼續(xù)溶解，此時水中的pH 值稱為該水的飽和pH 值，以pHs 表示，并以水的實(shí)際pH 和其pHs 的差值來判斷水垢的析出。此差值稱為飽和指數(shù)，以L.S.I.表示。

L.S.I.=pH-pHs>0 結(jié)垢；

L.S.I.=pH-pHs=0 不腐蝕不結(jié)垢；

L.S.I.=pH-pHs<0 腐蝕。

pHs=（9.70+A+B）-（C+D）

式中A—溶解性總固體、B—溫度系數(shù)、C—鈣的硬度系數(shù)、D—M—堿度系數(shù)，可查表1獲得。

計算結(jié)果表明，所取14 個水樣的飽和指數(shù)均大于0，為結(jié)垢狀態(tài)，詳見表2。

4 鉆孔取樣情況

為了解大壩壩體是否有溶蝕現(xiàn)象，在白色沉淀物較突出的2 壩段、3 壩段廊道內(nèi)對壩體及壩基進(jìn)行鉆孔檢查。鉆孔位置見圖1、鉆孔基本情況見表3。

三個鉆孔分別穿過了壩體混凝土層、漿砌石、混凝土墊層、壩基巖石等層位，取出的巖芯結(jié)構(gòu)完整、密實(shí)，均沒有發(fā)現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象，說明該部位出現(xiàn)的大量碳酸鈣沉淀來自壩體材料溶蝕的可能性極小。

表1 飽和指數(shù)計算參數(shù)表

5 析出碳酸鈣成因分析

和川水庫大壩廊道碳酸鈣沉淀發(fā)生在大壩排水廊道內(nèi)，該排水廊道位于大壩內(nèi)部，位于不同的高程，其平面、垂直兩個方向上存在豎井、陡坡以及多處拐角，形態(tài)比較復(fù)雜，形成了較封閉的空間，通過對廊道內(nèi)不同位置溫度、濕度的測量，廊道內(nèi)不同的部位其溫度、濕度有較大的變化，數(shù)據(jù)表明，碳酸鈣沉淀發(fā)生最突出的3 壩段無論是溫度還是濕度都是廊道內(nèi)最高的地方。詳見表4。

和川水庫大壩1-3 壩段為漿砌石外包混凝土壩體，相對其它壩段壩體的滲透性較強(qiáng)，觀測數(shù)據(jù)表明，3 壩段的滲水量大于其它壩段，但其絕對量屬于極微小水量，滲透水在排水孔溢出后，沿廊道一側(cè)的排水溝流向集水坑，或沿廊道底板陡坡以極薄的水層流向廊道中部的集水坑，客觀上形成了促進(jìn)碳酸鈣沉淀的薄膜效應(yīng)。大壩右岸擋水壩段廊道側(cè)壁或頂部排水孔形成碳酸鈣沉淀，同樣符合薄膜效應(yīng)。

研究資料表明，地表水在低速流動時由于地形變化導(dǎo)致流速發(fā)生突變時候，其中國的CO2在順流方向流速較大的地方逸出更為快速，因而碳酸鈣發(fā)生沉積，而在背流方向流速低的地方，碳酸鈣沉積相比要少，最終形成差異性沉積的現(xiàn)象。和川水庫大壩廊道大量的碳酸鈣沉淀發(fā)生在三壩段廊道陡坡處，符合鈣華形成的水動力效應(yīng)。

表2 水樣飽和指數(shù)計算結(jié)果

表3 鉆孔基本情況統(tǒng)計表

表4 和川水庫大壩排水廊道溫度、濕度觀測數(shù)據(jù)匯總表

6 結(jié)論

根據(jù)太原理工大學(xué)的分析成果，和川水庫大壩排水廓道內(nèi)形成的白色沉淀物質(zhì)為碳酸鈣，又稱鈣華或石灰華，是含碳酸氫鈣的地下水在地表出露以后，因二氧化碳逸出形成碳酸鈣沉淀。

通過對大壩左岸擋水壩段三個鉆孔取出的壩體混凝土、砂漿、漿砌石，以及壩基巖體鉆芯仔細(xì)觀察，沒有發(fā)現(xiàn)巖芯出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象。

和川水庫環(huán)境水質(zhì)分析結(jié)果計算的飽和指數(shù)均大于1，具備碳酸鈣沉淀?xiàng)l件。根據(jù)大壩排水廊道內(nèi)出現(xiàn)的白色碳酸鈣沉淀的分布位置、規(guī)律、數(shù)量與水化學(xué)分析結(jié)果及環(huán)境條件表現(xiàn)為相對封閉、濕熱、薄層水等特點(diǎn)，與鈣華形成的條件有一定的符合性，基本可以判定該碳酸鈣沉淀是周圍環(huán)境中的水在適宜的條件下析出形成，而不是壩體遭到腐蝕，對壩體安全的影響較小。

控制和川水庫大壩排水廊道內(nèi)碳酸鈣沉淀的方法可以通過改善廊道通風(fēng)條件，減小廊道內(nèi)的濕度和溫度等措施，抑制碳酸鈣沉淀的形成。