一種地下水腐蝕性評價新方法

齊雷，田志飛，劉軍

(溫州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 溫州 325000)

0 引言

工程地質(zhì)勘察時，一般均需取水和土樣品進(jìn)行測試，評價其對工程結(jié)構(gòu)(混凝土、鋼筋及鋼結(jié)構(gòu))的腐蝕性。取水或土試驗(yàn)進(jìn)行腐蝕性評價，具體要看工程結(jié)構(gòu)是位于土還是水環(huán)境中。除地下水位以上的常年干燥土層中的工程結(jié)構(gòu)，不具備水腐蝕環(huán)境條件，其他情況均要考慮地下水腐蝕作用。地下水采樣一般在鉆孔、井或泉點(diǎn)取水樣，滿足取樣條件的井或泉點(diǎn)比較少，多數(shù)情況仍然要在鉆孔內(nèi)取水樣。鉆孔取水樣前須洗孔并將鉆孔內(nèi)殘留水排出，可采用深水取樣器在孔底直接取水或抽吸泵抽取(鄭繼天和王建增，2005；李小杰等，2014)。工程勘察實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)鉆孔洗孔費(fèi)時費(fèi)力，并且鉆孔孔徑小、孔壁易坍塌，取水樣困難，鉆孔孔底取水效果不好。此外，地下水水質(zhì)易變化，取樣、保存及運(yùn)輸過程中，腐蝕介質(zhì)受擾動明顯，濃度也變化了。

綜上所述，需要提出一種取樣操作更簡便，腐蝕介質(zhì)擾動更小，測試方法成熟的取樣試驗(yàn)方法。從取樣操作更簡便的角度出發(fā)，國內(nèi)外地下水污染與監(jiān)測研究單位研發(fā)設(shè)計了慣性式、氣體驅(qū)動式、潛水電泵式三大類采樣器(鄭繼天等，2008；陳暢等，2017；潘德元等，2018；李琦等，2019)。從腐蝕介質(zhì)擾動更小的角度出發(fā)，昆明冶金設(shè)計院等單位嘗試開展水質(zhì)現(xiàn)場分析的工作，即要求水質(zhì)測試人員到達(dá)工程勘察現(xiàn)場，現(xiàn)場取樣現(xiàn)場分析。王鎧(2013)肯定了水質(zhì)現(xiàn)場分析的工作，提倡對腐殖質(zhì)地下水進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)場分析。但是，上述兩個研究方向仍然以各自研究角度為重點(diǎn)，從單方面著手提出解決辦法，未統(tǒng)籌考慮兩方面因素的影響，也均未被廣泛應(yīng)用。

同時，國內(nèi)外對地下水、土腐蝕性評價研究也多將地下水和土區(qū)分對待，對地下水腐蝕性研究較多(王鎧等，2007；顧寶和和龐錦娟，2009)，對土腐蝕性研究較少(徐樹青，2007；于靜等，2017；章強(qiáng)等，2020)，且多以地區(qū)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為主，如重點(diǎn)研究某一地區(qū)地下水、土腐蝕性，并進(jìn)行了規(guī)律探索和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等(李鳳憲等，2015；徐源等，2016；唐海明等，2018；胡家亮等，2019；高麗麗等，2019)。但是，上述研究均仍未考慮將地下水、土進(jìn)行對比分析研究。

本文基于地下水、土腐蝕介質(zhì)相關(guān)性，提出了一種地下水腐蝕評價新方法，利用土樣較水樣取樣操作更簡便、腐蝕介質(zhì)擾動更小的特點(diǎn)，克服了水質(zhì)現(xiàn)場分析要求分析人員攜帶設(shè)備到鉆探場地跟班操作的繁重任務(wù)，給出了相應(yīng)的腐蝕性評價標(biāo)準(zhǔn)，并開展對比試驗(yàn)測試了該方法的有效性。

1 地下水、土腐蝕介質(zhì)相關(guān)性

1.1 理論分析

我國《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001，中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2009)(以下簡稱《規(guī)范》)明確規(guī)定，工程結(jié)構(gòu)處于地下水中時應(yīng)取水試樣作水的腐蝕性測試。該條規(guī)定可以解釋為工程結(jié)構(gòu)處于地下水中時僅作水的腐蝕性測試，而不用作土的腐蝕性測試(高大釗，2010)。這樣的規(guī)定可能有兩個方面的理解，一方面理解是地下水以下的土和水的腐蝕性綜合評定結(jié)論應(yīng)該與僅作水的腐蝕性評定結(jié)論一致；另一種理解是地下水位以下的工程結(jié)構(gòu)以水腐蝕為主，土腐蝕作用可以忽略。另外，根據(jù)土的三相性及一般土孔隙比(e)范圍值0.2～2.0、含水量(w)范圍值10%～100%可知，地下水位以下混凝土結(jié)構(gòu)接觸的土、水面積應(yīng)屬一個量級，土腐蝕作用不能忽略。上述分析可以得出，地下水以下的土和水的腐蝕性綜合評定結(jié)論應(yīng)該與僅作水的腐蝕性評定結(jié)論一致。再根據(jù)《規(guī)范》中12.2.3 條綜合評定方法可知，地下水以下土的腐蝕性等級應(yīng)該弱于或者等于水的腐蝕性等級。那么，根據(jù)《規(guī)范》中水、土腐蝕評價標(biāo)準(zhǔn)，可以嘗試建立水、土腐蝕介質(zhì)的相關(guān)性。

對于SO42-含量、Mg2+含量、NH4+含量、OH-含量、總礦化度這五種腐蝕介質(zhì)，《規(guī)范》中表12.2.1注3 指出，土的腐蝕介質(zhì)含量限值應(yīng)在水的基礎(chǔ)上乘以1.5。因此，對于此五種腐蝕介質(zhì)含量，地下水中腐蝕介質(zhì)含量ρw(、Mg2+、OH-、總礦化度)、土中腐蝕介質(zhì)含量ρs(、Mg2+OH-、總礦化度)的相關(guān)關(guān)系為:

分析得出其相關(guān)系數(shù)λ(SO42-、Mg2+、NH4+、OH-、總礦化度)≥1/1.5 ＝0.67。

對于pH 值，《規(guī)范》中表12.2.2 指出，土和水的腐蝕介質(zhì)含量限值一致。因此，對于pH 值，地下水中腐蝕介質(zhì)含量ρw(pH)、土中腐蝕介質(zhì)含量ρs(pH)的相關(guān)關(guān)系為:

分析得出其相關(guān)系數(shù)λ 相關(guān)系數(shù)λ(pH)≤1.00。

對于Cl-，根據(jù)《規(guī)范》中表12.2.4 中水、土腐蝕介質(zhì)含量限值，可以計算出其相關(guān)系數(shù)。計算時，水的長期浸水、干濕交替條件均對應(yīng)土的B 類(濕、很濕的粉土，可塑、軟塑、流塑的黏性土)。計算得出，對于Cl-，地下水中腐蝕介質(zhì)含量ρw(Cl-)、土中腐蝕介質(zhì)含量ρs(Cl-)的相關(guān)關(guān)系為:

相關(guān)系數(shù)λ(Cl-)值按腐蝕環(huán)境、腐蝕等級具有不同賦值。具體λ(Cl-)賦值見表1。

表1 地下水、土Cl －相關(guān)系數(shù)λ(Cl －)賦值表

此外，根據(jù)離子平衡及CO2、H+、HCO3-的碳酸平衡可知，在獲取其他腐蝕介質(zhì)濃度相關(guān)關(guān)系后，可以得到HCO3-、CO2的地下水中腐蝕介質(zhì)含量ρw(HCO-3、CO2)、土中腐蝕介質(zhì)含量ρs(HCO-3、CO2)的相關(guān)關(guān)系為:

分析得出其相關(guān)系數(shù)λ(HCO3-、CO2)≥2.0。

綜合上述理論分析，建立地下水、土腐蝕介質(zhì)相關(guān)系數(shù)λ(*)賦值總表，見表2。

表2 地下水、土腐蝕介質(zhì)相關(guān)系數(shù)λ(*)賦值總表

1.2 試驗(yàn)分析

1.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計

選取浙江溫州某山前沖洪積平原、濱海海積平原兩處場地進(jìn)行鉆孔工程，鉆孔編號A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3、B-4。兩處取樣場地均選在所屬水文地質(zhì)單元核心地帶，地貌條件單一，地勢開闊，較平坦，地表為現(xiàn)狀耕地。地下水以松散巖類孔隙潛水、微承壓水及基巖裂隙水為主。采用工程地質(zhì)鉆機(jī)，按設(shè)計孔位位置進(jìn)行鉆孔。A 類、B 類鉆孔設(shè)計孔深分別為8 m、20 m。根據(jù)鉆孔采取的巖芯，試驗(yàn)場地淺部土層簡況見表3。

表3 試驗(yàn)場地土層簡況

在鉆孔中，對地下潛水含水層中同一深度分別取地下水樣、土樣，A 類、B 類鉆孔取樣深度布置見圖1。

圖1 鉆孔取樣布置圖

鉆孔至預(yù)定深度后，首先進(jìn)行地下水樣取樣。采用深水取樣器，取樣前按規(guī)范操作進(jìn)行洗孔，并抽取孔底殘留水。緊接著采用薄壁取土器，靜壓法貫入取土樣?，F(xiàn)場取地下水、土樣后，當(dāng)天立即送土工試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。地下水樣測試項(xiàng)目包括pH值、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、侵蝕CO2、游離CO2、NH4+、OH-、總礦化度的簡分析。土樣測試項(xiàng)目包括pH 值、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-的易溶鹽分析。

1.2.2 試驗(yàn)成果分析

A、B 場地鉆孔所取地下水、土測試結(jié)果見表4、表5。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，計算得出各種腐蝕介質(zhì)相關(guān)系數(shù)λ(*)，繪制A、B 場地所取地下水、土主要的腐蝕介質(zhì)相關(guān)系數(shù)λ(*)值變化曲線(圖2)。

表4 A 場地地下水、土樣試驗(yàn)結(jié)果

表5 B 場地地下水、土樣試驗(yàn)結(jié)果

對于同一含水層同一深度地下水、土相關(guān)性，圖2a 顯示，A、B 場地的相關(guān)系數(shù)λ(pH)范圍值在0.93～0.99，均略小于1.0，符合理論分析結(jié)果。A、B 場地的相關(guān)系數(shù)λ(pH)均值分別為0.98、0.96。沖洪積平原區(qū)(場地A)淺層水、土相關(guān)系數(shù)λ(pH)差異性明顯小于海積平原區(qū)(場地B)。

圖2 地下水、土腐蝕介質(zhì)相關(guān)系數(shù)λ(*)變化曲線

圖2b、圖2d、圖2f 顯示，A、B 場地的相關(guān)系數(shù)λ(Mg2+、SO42-、總礦化度)范圍值在1.23～3.40，均大于0.67，符合理論分析結(jié)果。A 場地的相關(guān)系數(shù)λ(Mg2+、SO42-、總礦化度)均值分別為1.45、1.22、1.68，B 場地的相關(guān)系數(shù)λ(Mg2+、SO42-、總礦化度)均值分別為3.03、2.23、2.82。沖洪積平原區(qū)(場地A)淺層水、土相關(guān)系數(shù)λ(Mg2+、SO42-、總礦化度)差異性明顯大于海積平原區(qū)(場地B)。

圖2c 顯示，A、B 場地的相關(guān)系數(shù)λ(Cl-)范圍值在1.43～2.80，均大于1.0，符合理論分析結(jié)果。A、B 場地的相關(guān)系數(shù)λ(Cl-)均值分別為1.66、2.63。沖洪積平原區(qū)(場地A)淺層水、土相關(guān)系數(shù)λ(Cl-)差異性明顯小于海積平原區(qū)(場地B)。

圖2e 顯示，A、B 場地的相關(guān)系數(shù)λ(HCO3-)范圍值在2.10～2.30，略大于2.0，符合理論分析結(jié)果。A、B 場地的相關(guān)系數(shù)λ(HCO3-)均值分別為2.16、2.17。沖洪積平原區(qū)(場地A)淺層水、土相關(guān)系數(shù)λ(HCO3-)差異性明顯小于海積平原區(qū)(場地B)。由上述試驗(yàn)成果結(jié)論可知，同一含水層地下水、土具有一定的相關(guān)性，主要腐蝕介質(zhì)相關(guān)系數(shù)λ(*)基本符合理論分析結(jié)果(表2)。另外，由于不同場地所屬工程水文地質(zhì)單元不同，相關(guān)系數(shù)λ(*)值也明顯不同，λ(*)值域分布具有顯著差異性。因此，不同地區(qū)可以開展系統(tǒng)研究試驗(yàn)，建立區(qū)域性典型含水層地下水、土的相關(guān)系數(shù)λ(*)數(shù)據(jù)庫。

2 地下水腐蝕性評價新方法

根據(jù)地下水、土腐蝕性介質(zhì)相關(guān)性，可以建立一種地下水腐蝕性評價新方法。新方法的主要操作步驟如下:(1)某一地區(qū)開展系統(tǒng)研究試驗(yàn)，建立區(qū)域性典型含水層地下水、土的相關(guān)系數(shù)λ(*)數(shù)據(jù)庫；(2)工程場地野外鉆孔取土樣，不同含水層分層取樣；(3)土樣室內(nèi)試驗(yàn)，易溶鹽分析；(4)土測試成果換算為水質(zhì)成果數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)λ(*)值查區(qū)域性數(shù)據(jù)庫；(5)利用換算后的水質(zhì)成果數(shù)據(jù)，按地下水進(jìn)行腐蝕性評價，具體按《規(guī)范》中表12.2.1、表12.2.2、12.2.4 分別單項(xiàng)評價；(6)綜合評定，得出腐蝕等級結(jié)論(圖3)。

圖3 地下水腐蝕性評價新方法流程圖

對于重要工程場地，可以預(yù)先進(jìn)行試驗(yàn)鉆孔取地下水、土樣，獲取場地主要含水層地下水、土的相關(guān)系數(shù)λ(*)，對區(qū)域性數(shù)據(jù)庫查得數(shù)據(jù)進(jìn)行校核后再使用。需要說明的是，新方法野外鉆孔取土樣，可與工程地質(zhì)勘察鉆孔取土樣同步進(jìn)行，不需要額外工作量。

3 新方法腐蝕性評價實(shí)例

選取前述B 場地附近的某工程實(shí)例，工程地質(zhì)勘察過程中取含水層(淤泥)土樣2 件，進(jìn)行易溶鹽分析。并同步取水樣2 組進(jìn)行對比驗(yàn)證。土樣測試結(jié)果見表6，同步水樣測試結(jié)果見表7。

表6 某工程含水層土樣測試結(jié)果

根據(jù)前述B 場地試驗(yàn)相關(guān)性分析成果，將試驗(yàn)λ(*)值的均值作為場地地下水、土的相關(guān)系數(shù)λ(*)值。對土樣測試成果進(jìn)行換算，換算后的水質(zhì)成果數(shù)據(jù)見表8。

將直接取水樣水質(zhì)測試成果(表7)與換算后水質(zhì)成果數(shù)據(jù)(表8)進(jìn)行對比分析，計算換算誤差。分析計算結(jié)果顯示，主要離子(Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-)的換算誤差僅為± (0.78%～5.53%)，礦化度換算誤差為± (0.23%～0.34%)，pH 值換算誤差為±(0%～0.15%)。前述B 場地試驗(yàn)相關(guān)性分析所得的場地地下水、土的相關(guān)系數(shù)λ(*)值得到了較好的驗(yàn)證。

表7 某工程水質(zhì)測試結(jié)果

表8 某工程換算后水質(zhì)結(jié)果數(shù)據(jù)

使用新方法，將換算后水質(zhì)成果數(shù)據(jù)按《規(guī)范》中表12.2.1、表12.2.2、12.2.4 分別單項(xiàng)評價；最后進(jìn)行綜合評定，得出腐蝕等級結(jié)論為:工程場地地下水對砼具有弱腐蝕性，對砼結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。

新方法腐蝕性評價結(jié)論與同步取水樣分析結(jié)果的腐蝕性評價結(jié)論一致，且與該工程其他鉆孔取地下水樣分析結(jié)果的腐蝕性評價結(jié)論一致。

4 結(jié)論

基于地下水、土腐蝕性介質(zhì)相關(guān)性，建立了一種地下水腐蝕性評價新方法。新方法的關(guān)鍵步驟是首先獲取含水層地下水、土的相關(guān)系數(shù)λ(*)；然后以鉆孔取土樣進(jìn)行易溶鹽分析代替鉆孔取地下水樣簡分析。該方法利用了土樣較地下水樣取樣操作更簡便、腐蝕介質(zhì)擾動更小的特點(diǎn)，克服了鉆孔孔底深水取樣器取水困難的問題，也解決了水質(zhì)現(xiàn)場分析要求分析人員攜帶設(shè)備到鉆探場地跟班操作的繁重任務(wù)。腐蝕性評價實(shí)例的分析驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法行之有效，評價結(jié)論一致性高，具有推廣意義。

當(dāng)然，本文研究分析僅從宏觀上建立了地下水、土腐蝕介質(zhì)有相關(guān)性，得出的相關(guān)系數(shù)λ(*)值仍為經(jīng)驗(yàn)值，并且地下水系統(tǒng)中某部位水質(zhì)的形成及其演變還受到其他因素(如補(bǔ)給源的水質(zhì)、滲流動態(tài)以及Eh 值等)的影響，而與之相接觸的巖性僅是其中的影響因素之一。微觀機(jī)理上，可以從腐蝕介質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律出發(fā)來研究水、土腐蝕介質(zhì)相關(guān)性，也尚需進(jìn)一步研究。