鄭州市主城區(qū)淺層地下水土腐蝕性評價

趙迷軍，吉建華，賀瑞霞，王 健，軒吉善，周子文

（1.中化地質(zhì)河南局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450011；2.河南城建學(xué)院土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；3.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)不斷向地下空間拓展，地下水土對地下空間工程的影響愈發(fā)凸顯。地下水土腐蝕對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響較大，可能導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、污點或混凝土蓋板剝落［1－2］，不僅影響結(jié)構(gòu)的美觀、穩(wěn)定性和安全性，還會帶來經(jīng)濟(jì)損失。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕是一個長期的、隨時間變化的過程，在不同的階段會發(fā)生不同的物理化學(xué)反應(yīng)，結(jié)構(gòu)性能的變化也是一個漸進(jìn)的動態(tài)過程［3］。

地下水土中微生物的誘導(dǎo)腐蝕引起了廣泛的關(guān)注［4］。Stefanoni等［5］總結(jié)了碳化混凝土中鋼筋的腐蝕率。Angst等［6］的研究結(jié)果對混凝土結(jié)構(gòu)在侵蝕性環(huán)境下的可靠使用壽命預(yù)測至關(guān)重要。Wahab等［7］總結(jié)了微波無損檢測技術(shù)及其在混凝土腐蝕性評價監(jiān)測技術(shù)中的應(yīng)用。Zhang等［8］對應(yīng)用中子成像技術(shù)研究水泥基材料耐久性進(jìn)行了綜述。有些學(xué)者在地下水污染及腐蝕性方面也做了大量的工作，大多數(shù)研究成果具有很強的地域性，如對臨沂［9］、銀川［10］、曹妃甸［11］、天津［12］等地區(qū)地下水的腐蝕性評價。土壤相較于其他腐蝕介質(zhì)，具有多樣性、不均勻性、不流動性、季節(jié)性和地域性等諸多特點［13］，使得研究面臨諸多困難。隨著人工智能的快速發(fā)展，其在土壤腐蝕性評價中得到了廣泛的應(yīng)用，如Matlab人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［14］、GA－BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［15］、灰關(guān)聯(lián)分析法［16］、回歸分析法［17］等。

鄭州作為河南省會、中原城市群核心城市、國家重要的綜合交通樞紐，未來發(fā)展的潛力較大，地下工程顯著增加，且主要集中在淺層含水層范圍內(nèi)。為了保障各地下工程、設(shè)施的長期安全使用，進(jìn)行地下水土腐蝕性評價，查清鄭州市淺層地下水腐蝕性條件，為地下工程的腐蝕性防治提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

鄭州市地處中國地理中心，為平原城市，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，干燥度指數(shù)k值小于1.5，為濕潤區(qū)。本文以鄭州市主城區(qū)為研究區(qū)域，面積990 km2。鄭州市區(qū)地表河流分屬于黃河和淮河兩大水系，同時也賦存較豐富的地下水資源。根據(jù)含水層組的埋藏分布特征與含水層之間的水力聯(lián)系特征，鄭州市地下水含水層可細(xì)分為淺層潛水－微承壓含水層（底板埋深80～100 m）、中深層承壓含水層（120～350 m）、深層承壓含水層（400～800 m）、超深層承壓含水層埋深（800～1 500 m）。按照鄭州市發(fā)展規(guī)劃，預(yù)測未來一定時間內(nèi)，工程建設(shè)所涉及的地層一般為埋深50～100 m，因此本次地下水土腐蝕性評價主要針對淺層潛水－微承壓水（淺層地下水）及淺層土體。

東部黃河沖積平原潛水含水層賦存于全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)的褐黃色深灰色中砂、細(xì)砂砂層中，一般厚度為10.2～33.5 m，自西南向東北厚度逐漸變大。潛水含水層垂向上一般存在2～3層中細(xì)砂層，上段砂層顆粒較粗，滲透性較好，下層砂層相對較細(xì)，至黃河沖積平原邊緣地帶西呈細(xì)砂層，中間為褐黃色粉土（弱透水層）與粉質(zhì)黏土（上層滯水層）。承壓含水層隔水頂板為上更新統(tǒng)下段及中更新統(tǒng)上段洪積相棕黃棕紅色粉質(zhì)黏土，厚度一般為30～50 m，地下水具有較明顯的承壓性質(zhì)。

本次地下水土腐蝕性評價的基本數(shù)據(jù)主要來源于實測數(shù)據(jù)和資料收集。實測的數(shù)據(jù)為鄭州市主城區(qū)淺層采取的42組水樣及33組土樣的腐蝕性分析結(jié)果；資料收集主要為研究區(qū)58份歷史巖土勘察報告中的水質(zhì)及土腐蝕性分析數(shù)據(jù)。兩種數(shù)據(jù)能夠相互印證，數(shù)據(jù)可信度較高。兩種數(shù)據(jù)共計400組，能夠滿足對鄭州市主城區(qū)范圍內(nèi)的地下水和土腐蝕性評價要求。

2 區(qū)域地下水水化學(xué)特征

2.1 地下水水化學(xué)特征

鄭州市主城區(qū)淺層水水質(zhì)具有明顯的變化規(guī)律。從西南山丘區(qū)至東北黃河沖積平原，地下水水化學(xué)類型由HCO3－Ca型和HCO3－Ca－Mg型過渡到HCO3－Na－Ca型和HCO3－Na－Ca－Mg型（見圖1）。根據(jù)水樣測試結(jié)果可知，研究區(qū)淺層地下水的溶解性總固體（TDS）和硬度整體上由南向北、由西向東逐漸增大（見圖2），研究區(qū)域內(nèi)淺層地下水水化學(xué)特征和土化學(xué)特征見表1、表2。

表1 鄭州市主城區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征

表2 鄭州市主城區(qū)淺層土化學(xué)特征

圖2 鄭州市主城區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征等值線圖

2.2 原生劣質(zhì)地下水

高鐵錳水主要分布于鄭州市東北部黃河影響帶，其成因與原生地球化學(xué)環(huán)境有關(guān)。含水層一般呈淺灰色，黏土層中見鐵錳結(jié)核，說明含水層是在還原環(huán)境下沉積，富含鐵錳質(zhì)。淺層地下水中總鐵含量為0.02～1.12 mg／L，以Fe2＋為主，錳含量為0.12～0.88 mg／L，最大含量分別超生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)3.7倍和8.8倍。主城區(qū)內(nèi)淺層地下水受蒸發(fā)作用影響較大，高氟水主要分布在鄭州市北部黃河沖積平原背河洼地和決口扇邊緣帶低洼地等。區(qū)內(nèi)高氟水氟化物含量為1.04～1.57 mg／L，超出生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)1.5倍，且鄭州市中深層地下水高氟現(xiàn)象較淺層水更為普遍。長期飲用高氟地下水，可能引起氟骨病、氟斑牙等地方病，危害當(dāng)?shù)厝罕娊】蛋踩?/p>

3 地下水土腐蝕性評價方法

本文腐蝕性評價依據(jù)巖土工程勘察規(guī)范［18］進(jìn)行。基于研究區(qū)三維地質(zhì)模型和GIS平臺，首先將各取樣點的腐蝕性評價結(jié)果矢量化，并賦予相應(yīng)的屬性值，將腐蝕性分區(qū)圖與鄭州市地圖疊加分析。根據(jù)實地調(diào)查情況對分區(qū)圖進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并對分區(qū)邊界線進(jìn)行圓滑處理后得到鄭州市淺層地下水土腐蝕性評價分區(qū)圖，從而使評價數(shù)據(jù)與結(jié)果可視化。

4 地下水土腐蝕性評價結(jié)果

4.1 地下水土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價

4.1.1 環(huán)境影響下的腐蝕性評價

場地環(huán)境類型是判定地下水有無腐蝕性的基礎(chǔ)。研究區(qū)干燥指數(shù)小于1.5，屬于濕潤區(qū)，根據(jù)主要工程建設(shè)層的透水性、含水量及地區(qū)經(jīng)驗，綜合確定研究區(qū)環(huán)境類型為Ⅱ類［18］。

根據(jù)鄭州市主城區(qū)所取土試樣以及水試樣的分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，依據(jù)上述規(guī)范進(jìn)行評價，評價結(jié)果顯示僅淺層地下水硫酸鹽對混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕－弱腐蝕，水土試樣分析中的鎂鹽、銨鹽、苛性堿、總礦化度對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕等級均為微腐蝕（見表3、表4）。鄭州市地下水土對混凝土具有弱腐蝕性區(qū)域面積占比為0.34%，其余均為微腐蝕區(qū)域（見圖3）。

表3 按環(huán)境類型淺層地下水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價結(jié)果

表4 按環(huán)境類型淺層土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價結(jié)果

圖3 鄭州市主城區(qū)地下水土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性分區(qū)

4.1.2 地層滲透性影響下的腐蝕性評價

地下水和土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性與地層滲透性密切相關(guān)，鄭州市主城區(qū)淺層含水層及土層主要為砂土，即為強透水層，并基于此地層滲透性類別依據(jù)規(guī)范進(jìn)行評價，評價結(jié)果如表5所示。根據(jù)地層滲透性地下水土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕等級綜合評價為微腐蝕。

表5 按地層滲透性地下水土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價

4.2 區(qū)域地下水土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價

4.2.1 地下水土對鋼筋的腐蝕性評價

研究區(qū)內(nèi)地下水中Cl－含量為7～155.3 mg／L，在長期浸水條件下，地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性；在干濕交替條件下，部分區(qū)域地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)土中Cl－含量統(tǒng)計分析可知，土中Cl－含量為31.95～170.4 mg／L，土對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。地下水土對鋼筋的腐蝕性分區(qū)見圖4，其中具有弱腐蝕性區(qū)域面積占比為7.86%，其余均為微腐蝕區(qū)域。

圖4 地下水土對鋼筋的腐蝕性分區(qū)圖

4.2.2 地下水土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價

研究區(qū)內(nèi)所有水樣點的pH值為6.82～9.21，Cl－與SO2－4含量之和為19.48～620.42 mg／L。因此綜合判定研究區(qū)大部分地區(qū)地下水對鋼結(jié)構(gòu)呈弱腐蝕性，ZCG10（鄭州市主城區(qū)東北部東四環(huán)附近）、二里崗南街—城東南路一帶地下水對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性為中腐蝕性（見圖5），其中具有中腐蝕性區(qū)域面積占比為0.34%，其余均為弱腐蝕區(qū)域。

圖5 地下水對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性分區(qū)圖

場地土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價主要依據(jù)土體pH值與視電阻率值。研究區(qū)內(nèi)不同埋深場地土的視電阻率值變化較大，因此不同埋深場地土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性需分別進(jìn)行評價。根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)，針對不同深度場地土pH值、視電阻率實測范圍值進(jìn)行腐蝕性評價（見表6），結(jié)果顯示，隨著深度增加，腐蝕等級由弱腐蝕到中等腐蝕。同時對不同深度范圍內(nèi)場地土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價分別進(jìn)行分區(qū)（見圖6）。由圖6可知隨著深度增加具有中腐蝕性區(qū)域面積占比逐漸增大，其中大于50 m深中腐蝕區(qū)域面積占比34.47%（見表6）。

表6 不同深度范圍場地土pH與電阻率實測值及腐蝕性評價

圖6 鄭州市主城區(qū)不同埋深土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性分區(qū)圖

5 結(jié)論和建議

基于研究區(qū)內(nèi)淺層地下水及淺層土的400余組水化學(xué)特征數(shù)據(jù)，依據(jù)國家規(guī)范進(jìn)行了鄭州市主城區(qū)淺層地下水土對不同埋深混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土中鋼筋以及鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性分析，并使用GIS技術(shù)進(jìn)行了研究區(qū)腐蝕性分區(qū)的可視化分析，可以為鄭州市地下工程的防腐蝕提供支持與參考。主要結(jié)論和建議如下：

（1）研究區(qū)地下水土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性等級絕大部分為微腐蝕，僅在主城區(qū)東北部東四環(huán)附近為弱腐蝕。

（2）在長期浸水條件下，地下水土對研究區(qū)內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性；在干濕交替條件下，部分區(qū)域地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性。

（3）工作區(qū)大部分地區(qū)地下水土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性為弱腐蝕性，東北部東四環(huán)附近、二里崗南街—城東南路一帶地下水對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性為中腐蝕性。

地下混凝土結(jié)構(gòu)抗腐蝕首先應(yīng)該選用抗腐蝕性能好的建筑材料，如抗硫酸鹽硅酸鹽水泥有較強的抗硫酸鹽腐蝕能力，同時應(yīng)提高混凝土密實性，從而提高其自身抗腐蝕能力。附加措施則以隔離防護(hù)為主，如使用土工織物，其一般化學(xué)穩(wěn)定性較好，耐腐蝕能力較強，有一定的耐久性。另外，也可使用碎石、水泥等加固地基。