地下水对东部某电站地下厂房拱顶影响监测与分析

王辉义

摘 要：本文针对酸性水的处理可采用“堵排结合”的处理方法，利用固结灌浆堵住主要渗水通道，阻止氧气、水与黄铁矿的充分接触，采用加密周边排水幕和随机排水孔的方法，减少顶拱围岩的含水量，阻止黄铁矿氧化及水解反应的进行。

关键词：地下厂房；顶拱；地下水

一、前言

某水电站地下厂房洞室顶拱的形成与锚固该电站建于山顶，主坝采用混凝土面板堆石坝。地下厂房部位岩层总体产状为N50～70°W，NE∠20～35°，断裂构造发育规模较大的断层有厂房北侧、厂房南侧、厂房顶拱及上下游边墙等，其中，厂房顶拱及上下游边墙断层均出露，带内发育碎裂岩、碎粉岩及碎块岩等，顶拱及上、下游拱肩具分枝现象，所夹岩体较破碎，旁侧节理发育，沿带潮湿渗滴水。

二、地下水基本特征

地下洞室群岩性为弱～微风化岩屑砂岩夹泥质粉砂岩或粉砂质泥岩，局部地段存在泥质粉砂岩与岩屑砂岩互层，地下洞室群的地下水具有成层性特点，泥质粉砂岩或粉砂质泥岩的厚度是各含水层之间水量交换的主要影响因素。由于断层厂房北侧、厂房南侧及裂隙发育，山体地下水活动强，水量丰富，同时因裂隙水受其赋存介质的影响具有非均一性、各向异性、随机性等特点，得地下厂房洞室群的地下水发育情况相当复杂。

三、检测成果分析

（一）环境水pH值成果分析。地下厂房顶监测pH值1.62，为强酸性水，该部位地下水出水点多位于断层附近，具有一定的导水性，推测岩石中含有的黄铁矿晶体遇水、细菌等氧化产生H+所致；桩号厂右0+070～厂右0+100m，pH值5.91～6.63，为中性水；桩号厂右0+125.25～厂右0+100m（安装场），pH值

11.95～12.30，为强碱性水。

（二）环境水室内试验成果分析。根据水质分析结果，工程区地下水具有以下几个特点：一是部分水中SO42-含量特别高，

4个水样的SO42-含量在1000mg/L以上，最高达到26800mg/L，1个水样在951 mg/L，1个水样在在100 mg/L以下，一般SO42-离子含量高的部位，地下水中相应的矿化度、总硬度也高，而对应的HCO3-离子含量极低，pH值也较低，为强酸性～酸性水；二是工程区的地下水类型以硫酸钙镁型为主，酸性水以硫酸盐为主；三是除个别点以外水中总铁离子含量不高。

本次试验成果与前期勘察阶段试验成果对比，上水库地下水中Ca2+与SO42-含量及总硬度、矿化度增加；地下厂房地下水中Ca2+、SO42-含量、侵蚀和游离CO2、Fe含量及总硬度、矿化度均增加；上述现象除与岩层中的黄铁矿在氧化环境下溶解于水后产生的一系列化学反应有关外，还与衬砌混凝土、喷混凝土支护及水泥灌浆有关。

现场pH值测试和室内测定的结果存在一定的差异，表现为室内测定值，普遍低于现场测定值，分析认为工程区地下水出水点分散，水滴速度极慢，量也少，室内水样采集时间较长，并经过储存、搬运后测定，因而在采集水样的过程中，水样充分暴露于空气中，其内部产生的氧化反应更加充分完全，使H+浓度变大，以致pH值降低。

（三）地下水质酸性化形成机理分析。地下水质的形成及演变与地下水相接触的岩体、断层等介质的性质密切相关。从工程区岩石、断层样化学分析，岩屑砂岩以SiO2和Al2O3为主，5个样品中均含有不同程度含量的Fe2O3和FeO，其中引水下层排廊道岩壁上发现黄铁矿晶体的样品中黄铁矿（FeS2）的含量达

9%，针铁矿（Fe2O3·H2O）含量达9%，化学成份Fe2O3含量达

10.92%，FeO含量也有3.28%。据此认为，工程区地下水质局部酸性化、强酸性化与岩体中黄铁矿（FeS2）的氧化有关，原因是工程区的地下水位下降，含水层被疏干，氧气进入到被疏干的岩层中，使原来的还原环境转化为氧化环境，从而使岩层中硫、铁、锰等的化合物的氧化作用大大加强，若有硫细菌的参与，将加剧金属硫化物的氧化过程，黄铁矿（FeS2）在还原环境下是很稳定的，几乎不溶于水，而在氧化环境下则变得易溶于水，并产生一系列复杂的化学反应，使原来中性水向酸性、强酸性水转化。温度升高、压力降低，会使溶于水中的CO2逸出，也会引起环境水的pH值变小，向弱酸转化。即区内酸性化地下水质的形成与FeS2在氧化环境下溶解或溶解于水中CO2的逸出有关，多个化学反应过程如下：

a. 黄铁矿氧化的产酸过程。

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+ 2SO42- +4H+ （1）

FeSO4→Fe2++ SO42- （2）

综合（1）和（2），则有：

2FeS2+7O2+2H2O→2Fe2++ 4SO42-+4H+ （3）

这一阶段的反应式表明：FeS2在氧化环境下，溶解后生成FeSO4和H2SO4，并产生Fe2+、SO42-和H+，结果使水中SO42-和

Fe2+含量升高，而水中H+含量的增加，pH值将降低，使地下水酸化，酸化水的进一步作用，使岩层中原来不溶解或不易溶解的化合物（如钙、镁、铁、锰等的化合物）变得易于溶解，从而使地下水中的钙、镁、铁、锰和硫酸根离子含量大大增加，地下水的矿化度、硬度也随之增大。地下水的矿化度、硬度与勘察阶段相比，现在的测试值远大于前期测试值，也说明上述反应过程的存在。

b. 铁被氧化过程。在有游离氧存在的条件下，Fe2+被氧化成Fe3+，即有：

4Fe2++O2+4H+→4Fe3++2H2O （4）

c. 高价铁的水解过程。高价铁的水解可形成不溶的黄色氢氧化铁；其次高价铁离子本身也可被黄铁矿还原。有关反应过程：

Fe3++3H2O→Fe（OH）3+3H+ （5）

FeS2+14 Fe3++8H2O→15Fe2++ 2SO42-+16H+ （6）endprint

式（5）表明地下厂房洞室群发现黄褐色析出物为Fe（OH）3的沉淀物；式（6）说明氧化1mol的FeS2，水中分别产生2mol 的

SO42-和16mol 的H+，使水变为SO42-含量高的酸性水，在水质分析成果表中SO42-的含量达到9.5～26800mg/L，可说明此反应存在。

d. 酸性水的中和过程。根据岩石、断层化学成份分析试验，中和反应物有Al2O3含量约5.09～20.65%，K2O的含量为

1.42～4.17%，其它氧化物Na2O、CaO、MgO的含量均很少；从地下厂房群水质分析结果Ca2+含量为3.17～91.6mg/L，Na+含量为

2.39～12.1mg/L，Mg2+含量为4.6～12.1 mg/L。数据表明，基岩、断层及混凝土中含有铝硅酸盐类和碳酸盐类矿物（长石和高岭石等），它们与地下水相接触时会产生中和反应：

CaCO3+ H+ →Ca2+ +HCO3-

CaAl2Si2O8+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+Ca2+

2NaAl2Si2O8+10H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+2H4SiO4+2Na++2Al3+

Al2Si2O5（OH）4+6H+→2H4SiO4+H2O+2Al3+

从上述化学反应式碳酸盐类和铝硅酸盐类矿物中和了地下水中部分H+，地下厂房群中部份地下水产酸作用大于中和作用，使地下水呈现酸性，如：地下厂房桩号厂右0+60，厂下

0-3.0点地下水pH值仅1.68。

综上，地下水质酸性化与水中总铁含量的高低有关，而铁离子含量取决于黄铁矿的富集程度和地下水的开放程度，从地下水析出物矿物成份分析结果看，水绿矾（FeSO4·7H2O）、水合氢离子铁矾[Fe2（SO4）3·nH2O]、水铁矿[Fe2（HO）8·4H2O]、针铁矿（Fe2O3·H2O）及赤铁矿（Fe2O3）的含量占各样品的68～95%，说明上述各化学反应式存在。地下厂房洞室群虽然埋深很大，但由于地下厂房洞室群的开挖，极大地提高了洞室群围岩地下水的开放程度，而地下厂房区地下水位的降低和含水层的疏干，以及地下厂房洞室群的开挖，为氧气的进入和使还原环境转变为氧化环境创造了条件，从而促使岩石中的黄铁矿溶解于水中，并使地下水质向弱酸性～强酸性转化。

四、主厂房顶拱处理

主厂房顶拱处理范围为酸性水发育的厂右0+030～0+070，地下水质酸性化的原因是岩石中存在的黄铁矿在氧化环境下溶解于水引起的，进而产生一系列复杂的化学反应，引起水中

H+、SO42-的增加，从而使地下水对混凝土、混凝土结构的钢筋和钢结构具弱～强的腐蚀性。

要阻止酸性水的形成，主要要阻止黄铁矿的氧化及水解反应的进行，其主要措施为阻止氧气溶解于水中在岩体结构面或裂隙中的流动，增加岩石的完整性阻止空气在岩体内部的流通，减少岩体中的含水量阻止水解反应的进行或者延缓水解反应的充分进行。由于断层本身含有一定的铁锰质且导水性好，施工期均有滴水，地下水沿断层流动，使黄铁矿的氧化以及水解反应进行得较为充分，造成该些部位酸性较强。

因此排干岩体中的水分或者堵住主要渗水通道，堵住氧气进入岩体的通道，阻止黄铁矿氧化反应、水解反应的进行，是工程首选处理方案，“堵”通过对主要渗水通道的固结灌浆，同时利用水泥浆的碱性中和原酸性环境，保证支护结构存在于中性～碱性的环境中。通过安装场顶拱滴水呈碱性的情况看，原先对顶拱预固结灌浆的作用很明显，通过固结灌浆可以使原岩体变为碱性环境。主要措施如下：

（1）针对酸性水主要集中的断层进行固结灌浆处理，堵住主要渗水通道，同时也可利用水泥浆的碱性对酸性环境进行中和。（2）对喷层集中渗水处，喷层与岩石局部接触可能不密实，在顶拱网架上利用小型灌浆设备对喷层进行浅层的接触灌浆，保证喷层的支护作用。（3）减少顶拱岩体的含水量，在对应部位的排水廊道内加密排水幕，破坏地下水向顶拱渗漏的渗流路径，减小地下水在顶拱岩体内的流动性，阻止水化反应的进行。（4）灌浆结束后，观察顶拱是否还有渗水，如有渗水集中排走。（5）通过处理后，监测顶拱滴水的酸碱性，要求PH值大于6.5，并建立长期监测体制，定期检测滴水酸碱度。

五、基本结论

（1）通过对酸性水发育范围、产生的机理以及地下洞室观测数据的分析，目前地下厂房顶拱结构尚未受酸性水的腐蚀，具有一定的安全裕度酸性水对该区域的支护结构的耐久性有一定的影响，但通过工程处理，可以保证顶拱结构的耐久性。

（2） 酸性水的形成与黄铁矿富集程度和地下水的活动性有关，而地下厂房洞室群的开挖、地下水位的降低和含水层的疏干，为氧气的进入和使还原环境转变为氧化环境创造了条件，从而促使岩石中的黄铁矿溶解于水中，为黄铁矿晶体发生各种化学反应提供了前题条件，是形成酸性水的主要原因。 （3） 酸性水的处理可采用“堵排结合”的处理方法，利用固结灌浆堵住主要渗水通道，阻止氧气、水与黄铁矿的充分接触，采用加密周边排水幕和随机排水孔的方法，减少顶拱围岩的含水量，阻止黄铁矿氧化及水解反应的进行；同时利用水泥浆的碱性中和已有的酸性环境。

参考文献：

[1] 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院《锦屏一级水电站地下厂房洞室群施工期围岩稳定与支护设计报告 》2010.5endprint

式（5）表明地下厂房洞室群发现黄褐色析出物为Fe（OH）3的沉淀物；式（6）说明氧化1mol的FeS2，水中分别产生2mol 的

SO42-和16mol 的H+，使水变为SO42-含量高的酸性水，在水质分析成果表中SO42-的含量达到9.5～26800mg/L，可说明此反应存在。

d. 酸性水的中和过程。根据岩石、断层化学成份分析试验，中和反应物有Al2O3含量约5.09～20.65%，K2O的含量为

1.42～4.17%，其它氧化物Na2O、CaO、MgO的含量均很少；从地下厂房群水质分析结果Ca2+含量为3.17～91.6mg/L，Na+含量为

2.39～12.1mg/L，Mg2+含量为4.6～12.1 mg/L。数据表明，基岩、断层及混凝土中含有铝硅酸盐类和碳酸盐类矿物（长石和高岭石等），它们与地下水相接触时会产生中和反应：

CaCO3+ H+ →Ca2+ +HCO3-

CaAl2Si2O8+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+Ca2+

2NaAl2Si2O8+10H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+2H4SiO4+2Na++2Al3+

Al2Si2O5（OH）4+6H+→2H4SiO4+H2O+2Al3+

从上述化学反应式碳酸盐类和铝硅酸盐类矿物中和了地下水中部分H+，地下厂房群中部份地下水产酸作用大于中和作用，使地下水呈现酸性，如：地下厂房桩号厂右0+60，厂下

0-3.0点地下水pH值仅1.68。

综上，地下水质酸性化与水中总铁含量的高低有关，而铁离子含量取决于黄铁矿的富集程度和地下水的开放程度，从地下水析出物矿物成份分析结果看，水绿矾（FeSO4·7H2O）、水合氢离子铁矾[Fe2（SO4）3·nH2O]、水铁矿[Fe2（HO）8·4H2O]、针铁矿（Fe2O3·H2O）及赤铁矿（Fe2O3）的含量占各样品的68～95%，说明上述各化学反应式存在。地下厂房洞室群虽然埋深很大，但由于地下厂房洞室群的开挖，极大地提高了洞室群围岩地下水的开放程度，而地下厂房区地下水位的降低和含水层的疏干，以及地下厂房洞室群的开挖，为氧气的进入和使还原环境转变为氧化环境创造了条件，从而促使岩石中的黄铁矿溶解于水中，并使地下水质向弱酸性～强酸性转化。

四、主厂房顶拱处理

主厂房顶拱处理范围为酸性水发育的厂右0+030～0+070，地下水质酸性化的原因是岩石中存在的黄铁矿在氧化环境下溶解于水引起的，进而产生一系列复杂的化学反应，引起水中

H+、SO42-的增加，从而使地下水对混凝土、混凝土结构的钢筋和钢结构具弱～强的腐蚀性。

要阻止酸性水的形成，主要要阻止黄铁矿的氧化及水解反应的进行，其主要措施为阻止氧气溶解于水中在岩体结构面或裂隙中的流动，增加岩石的完整性阻止空气在岩体内部的流通，减少岩体中的含水量阻止水解反应的进行或者延缓水解反应的充分进行。由于断层本身含有一定的铁锰质且导水性好，施工期均有滴水，地下水沿断层流动，使黄铁矿的氧化以及水解反应进行得较为充分，造成该些部位酸性较强。

因此排干岩体中的水分或者堵住主要渗水通道，堵住氧气进入岩体的通道，阻止黄铁矿氧化反应、水解反应的进行，是工程首选处理方案，“堵”通过对主要渗水通道的固结灌浆，同时利用水泥浆的碱性中和原酸性环境，保证支护结构存在于中性～碱性的环境中。通过安装场顶拱滴水呈碱性的情况看，原先对顶拱预固结灌浆的作用很明显，通过固结灌浆可以使原岩体变为碱性环境。主要措施如下：

（1）针对酸性水主要集中的断层进行固结灌浆处理，堵住主要渗水通道，同时也可利用水泥浆的碱性对酸性环境进行中和。（2）对喷层集中渗水处，喷层与岩石局部接触可能不密实，在顶拱网架上利用小型灌浆设备对喷层进行浅层的接触灌浆，保证喷层的支护作用。（3）减少顶拱岩体的含水量，在对应部位的排水廊道内加密排水幕，破坏地下水向顶拱渗漏的渗流路径，减小地下水在顶拱岩体内的流动性，阻止水化反应的进行。（4）灌浆结束后，观察顶拱是否还有渗水，如有渗水集中排走。（5）通过处理后，监测顶拱滴水的酸碱性，要求PH值大于6.5，并建立长期监测体制，定期检测滴水酸碱度。

五、基本结论

（1）通过对酸性水发育范围、产生的机理以及地下洞室观测数据的分析，目前地下厂房顶拱结构尚未受酸性水的腐蚀，具有一定的安全裕度酸性水对该区域的支护结构的耐久性有一定的影响，但通过工程处理，可以保证顶拱结构的耐久性。

（2） 酸性水的形成与黄铁矿富集程度和地下水的活动性有关，而地下厂房洞室群的开挖、地下水位的降低和含水层的疏干，为氧气的进入和使还原环境转变为氧化环境创造了条件，从而促使岩石中的黄铁矿溶解于水中，为黄铁矿晶体发生各种化学反应提供了前题条件，是形成酸性水的主要原因。 （3） 酸性水的处理可采用“堵排结合”的处理方法，利用固结灌浆堵住主要渗水通道，阻止氧气、水与黄铁矿的充分接触，采用加密周边排水幕和随机排水孔的方法，减少顶拱围岩的含水量，阻止黄铁矿氧化及水解反应的进行；同时利用水泥浆的碱性中和已有的酸性环境。

参考文献：

[1] 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院《锦屏一级水电站地下厂房洞室群施工期围岩稳定与支护设计报告 》2010.5endprint

式（5）表明地下厂房洞室群发现黄褐色析出物为Fe（OH）3的沉淀物；式（6）说明氧化1mol的FeS2，水中分别产生2mol 的

SO42-和16mol 的H+，使水变为SO42-含量高的酸性水，在水质分析成果表中SO42-的含量达到9.5～26800mg/L，可说明此反应存在。

d. 酸性水的中和过程。根据岩石、断层化学成份分析试验，中和反应物有Al2O3含量约5.09～20.65%，K2O的含量为

1.42～4.17%，其它氧化物Na2O、CaO、MgO的含量均很少；从地下厂房群水质分析结果Ca2+含量为3.17～91.6mg/L，Na+含量为

2.39～12.1mg/L，Mg2+含量为4.6～12.1 mg/L。数据表明，基岩、断层及混凝土中含有铝硅酸盐类和碳酸盐类矿物（长石和高岭石等），它们与地下水相接触时会产生中和反应：

CaCO3+ H+ →Ca2+ +HCO3-

CaAl2Si2O8+2H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+Ca2+

2NaAl2Si2O8+10H++H2O→Al2Si2O5（OH）4+2H4SiO4+2Na++2Al3+

Al2Si2O5（OH）4+6H+→2H4SiO4+H2O+2Al3+

从上述化学反应式碳酸盐类和铝硅酸盐类矿物中和了地下水中部分H+，地下厂房群中部份地下水产酸作用大于中和作用，使地下水呈现酸性，如：地下厂房桩号厂右0+60，厂下

0-3.0点地下水pH值仅1.68。

综上，地下水质酸性化与水中总铁含量的高低有关，而铁离子含量取决于黄铁矿的富集程度和地下水的开放程度，从地下水析出物矿物成份分析结果看，水绿矾（FeSO4·7H2O）、水合氢离子铁矾[Fe2（SO4）3·nH2O]、水铁矿[Fe2（HO）8·4H2O]、针铁矿（Fe2O3·H2O）及赤铁矿（Fe2O3）的含量占各样品的68～95%，说明上述各化学反应式存在。地下厂房洞室群虽然埋深很大，但由于地下厂房洞室群的开挖，极大地提高了洞室群围岩地下水的开放程度，而地下厂房区地下水位的降低和含水层的疏干，以及地下厂房洞室群的开挖，为氧气的进入和使还原环境转变为氧化环境创造了条件，从而促使岩石中的黄铁矿溶解于水中，并使地下水质向弱酸性～强酸性转化。

四、主厂房顶拱处理

主厂房顶拱处理范围为酸性水发育的厂右0+030～0+070，地下水质酸性化的原因是岩石中存在的黄铁矿在氧化环境下溶解于水引起的，进而产生一系列复杂的化学反应，引起水中

H+、SO42-的增加，从而使地下水对混凝土、混凝土结构的钢筋和钢结构具弱～强的腐蚀性。

要阻止酸性水的形成，主要要阻止黄铁矿的氧化及水解反应的进行，其主要措施为阻止氧气溶解于水中在岩体结构面或裂隙中的流动，增加岩石的完整性阻止空气在岩体内部的流通，减少岩体中的含水量阻止水解反应的进行或者延缓水解反应的充分进行。由于断层本身含有一定的铁锰质且导水性好，施工期均有滴水，地下水沿断层流动，使黄铁矿的氧化以及水解反应进行得较为充分，造成该些部位酸性较强。

因此排干岩体中的水分或者堵住主要渗水通道，堵住氧气进入岩体的通道，阻止黄铁矿氧化反应、水解反应的进行，是工程首选处理方案，“堵”通过对主要渗水通道的固结灌浆，同时利用水泥浆的碱性中和原酸性环境，保证支护结构存在于中性～碱性的环境中。通过安装场顶拱滴水呈碱性的情况看，原先对顶拱预固结灌浆的作用很明显，通过固结灌浆可以使原岩体变为碱性环境。主要措施如下：

（1）针对酸性水主要集中的断层进行固结灌浆处理，堵住主要渗水通道，同时也可利用水泥浆的碱性对酸性环境进行中和。（2）对喷层集中渗水处，喷层与岩石局部接触可能不密实，在顶拱网架上利用小型灌浆设备对喷层进行浅层的接触灌浆，保证喷层的支护作用。（3）减少顶拱岩体的含水量，在对应部位的排水廊道内加密排水幕，破坏地下水向顶拱渗漏的渗流路径，减小地下水在顶拱岩体内的流动性，阻止水化反应的进行。（4）灌浆结束后，观察顶拱是否还有渗水，如有渗水集中排走。（5）通过处理后，监测顶拱滴水的酸碱性，要求PH值大于6.5，并建立长期监测体制，定期检测滴水酸碱度。

五、基本结论

（1）通过对酸性水发育范围、产生的机理以及地下洞室观测数据的分析，目前地下厂房顶拱结构尚未受酸性水的腐蚀，具有一定的安全裕度酸性水对该区域的支护结构的耐久性有一定的影响，但通过工程处理，可以保证顶拱结构的耐久性。

（2） 酸性水的形成与黄铁矿富集程度和地下水的活动性有关，而地下厂房洞室群的开挖、地下水位的降低和含水层的疏干，为氧气的进入和使还原环境转变为氧化环境创造了条件，从而促使岩石中的黄铁矿溶解于水中，为黄铁矿晶体发生各种化学反应提供了前题条件，是形成酸性水的主要原因。 （3） 酸性水的处理可采用“堵排结合”的处理方法，利用固结灌浆堵住主要渗水通道，阻止氧气、水与黄铁矿的充分接触，采用加密周边排水幕和随机排水孔的方法，减少顶拱围岩的含水量，阻止黄铁矿氧化及水解反应的进行；同时利用水泥浆的碱性中和已有的酸性环境。

参考文献：

[1] 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院《锦屏一级水电站地下厂房洞室群施工期围岩稳定与支护设计报告 》2010.5endprint