锦屏一级水电站渗流水质及析出物分析

周 绿 冯 艺 陈丽琴 史武详

1 概述

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中下游水电开发规划的控制性水库梯级，具有年调节能力，在雅砻江梯级滚动开发中发挥着承上启下的重要作用，对下游梯级补偿调节效益显著。坝址区两岸岩体透水性受卸荷程度和NW～NWW向裂隙带发育程度影响明显。右岸水平深度40 m以外为卸荷岩体，以中等透水为主；40 m以内岩体新鲜完整，以弱偏微透水为主，局部NW～NWW向裂隙带为中强透水岩体；左岸大理岩段水平深度150～200 m以外、砂板岩段200～330 m以外，受卸荷拉裂影响，岩体透水性呈中强透水与弱透水相间出现的特点：河床部位基岩面以下20～40 m，以中等透水为主，40～60 m以弱偏微透水为主，60 m以下岩体以绿片岩为主，地应力集中明显，多呈微透水。

利用两岸坝基的六层帷幕灌浆平洞、六层坝基排水平洞和五层抗力体排水洞分层布置绕坝渗流测点。帷幕后布置1个断面，从六层帷幕灌浆平洞钻孔安装渗压计；排水幕线上布置1个断面，从六层坝基排水平洞钻孔安装渗压计；五层抗力体排水洞各布置3～4个断面，从抗力体排水洞钻孔安装测压管。绕坝渗流测点间距50～100 m，靠近坝肩附近测点较密，远离坝肩附近测点较疏。

坝基水质的形成是水与坝基岩石、帷幕、混凝土间相互作用的结果，同时又受坝基径流条件的制约，因此，坝基水质是坝基渗流观测的重要内容，应定期分析总结［1］。根据规范DL/T 5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》［2］要求，应定期对大坝渗流水质进行监测和分析，水质分析是监视帷幕和大坝混凝土是否被溶蚀的重要手段，也是检验基础处理效果及帷幕防渗效果的重要途径。

2 现场取样情况介绍

锦屏一级水电站运行期水样和析出物现场取样工作按枯水期和丰水期分两次进行，取样分别在汛前死水位和汛期蓄至正常水位进行。2014～2017年间共开展了3轮取样和分析工作。

枯水期和丰水期水质分析分别取水样30组（大坝库区3组，下游河道1组，大坝坝基帷幕洞、坝基排水洞、抗力体排水洞和地下厂房排水洞等26组），洞室的水样采样主要从渗水点处进行。水样容器应选用具有良好磨口塞的无色硬质细口玻璃瓶或有塞的高压低密度聚乙烯瓶（2.5 L）。水样容器采样前用取水处的水清洗干净，采样后进行现场记录，现场记录内容应包括采样点编号、采样地点、采样时间、水位、水样温度、水源类别等。

枯水期和丰水期析出物分析样品均15组，分别在大坝坝基帷幕洞、坝基排水洞、抗力体排水洞和地下厂房排水洞等部位，析出物取样主要取自渗水处，采样后进行现场记录，记录内容应包括采样点编号、采样地点、采样时间、水位等。水样取样结果详见表1。

3 水质分析

3.1 规程、规范与方法

锦屏一级水电站渗流水质分析依照DL/T 5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》［2］附录D.4.2确定，水质分析按照DL/T 5194-2004《水电水利工程地质勘察水质分析规程》［3］进行，水样对混凝土的腐蚀性评价依据GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》［4］进行。

取样完成后，在1周时间之内进行试验，并根据试验结果形成检测成果报告。

水质试验过程：玻璃器皿需充分洗涤，即自来水冲洗→洗涤剂刷洗→自来水冲洗→蒸馏水冲洗器皿内壁3次，洗净后的器皿内壁应均匀地被水浸润。滴定分析所使用的标准溶液应采用物质的量浓度表示，单位为mol/L；水温的测定应在采样点进行；pH值使用玻璃电极法测定；不参加离子平衡计算的项目，不参加离子平衡计算的项目均以mg/L表示。

3.2 成果

对库水和尾水水样点的水质进行了对比分析，结果如下：

（1）锦屏一级水电站3个库水水样（16～18号）试验结果基本一致，水样均对混凝土无腐蚀；

（2）锦屏一级水电站水垫塘下游河道的水样（19号）对混凝土无腐蚀；

（3）锦屏一级水电站26个工程内部渗流水取样点中，有19个取样点的水样（3～9，11，14～15，20～25，27～29号）均对混凝土无腐蚀；1个取样点（30号）枯水期时水样对混凝土具有重碳酸型弱腐蚀，丰水期时水样转为对混凝土无腐蚀；6个取样点的水样（1～2，10，12～13，26号）对混凝土具有重碳酸型中等腐蚀。

水质分析成果详见表2～3。

3.3 反应机理分析

环境水对混凝土腐蚀性类型及具体界限指标见表4。环境水是多种腐蚀性介质的复合溶液，在对混凝土产生腐蚀时各种离子相互影响、共同作用，但其中某些离子起着主要作用。环境水的腐蚀分类有多种方法，目前尚无统一标准，较常见的是按环境水的腐蚀介质特征将腐蚀性类型分为一般酸性型、碳酸型、重碳酸型、镁离子型、硫酸盐型5类。

表1 2017年锦屏一级水电站水样取样情况

表2 锦屏一级水电站水质分析成果（EL.1 800 m）

在混凝土中含有大量的因水泥水化产生的氢氧化钙（Ca（OH）2）和水化铝酸钙等，当外部环境水中能与Ca（OH）2和水化铝酸钙等物质发生反应的化学成分含量达到一定浓度时，该环境水便对混凝土具有腐蚀性。

3.3.1 一般酸性型腐蚀性

一般酸性型腐蚀是指当环境水呈酸性时（pH≤6.5），水中的H+含量已经达到了与Ca（OH）2反应的浓度而使混凝土中Ca（OH）2溶解，其反应方程式如下：

3.3.2 碳酸型腐蚀性

天然水中含有的游离CO2同时可以两种不同的形式存在，一种是以溶解气体分子的形式存在，和水作用形成碳酸并与水中的HCO3-建立下列的平衡关系：

另一种是侵蚀性CO2。当水中游离CO2含量大于维持上式平衡所需要的浓度时，多余的游离CO2（即侵蚀性CO2）会与环境中的固体碳酸盐发生反应，使固体碳酸盐溶解。

当环境水与混凝土接触时，水中的侵蚀性CO2可与混凝土的碳化层（形成的CaCO3部分）发生反应，降低混凝土的抗渗能力，使混凝土中大量游离石灰Ca（OH）2被水带走，导致混凝土强度降低，甚至遭受破坏。具体反应方程式如下：

表3 锦屏一级水电站水质分析成果（EL.1 880 m）

表4 环境水对混凝土腐蚀性判别标准

3.3.3 重碳酸型腐蚀性

根据前述的CO2+H2O ⇌H2CO3⇌HCO3-+H+平衡式可知：当环境水中的HCO3-含量降低时，平衡将向右移动，因而水中H+含量将随着升高。

重碳酸型腐蚀是指因环境水中的HCO3-含量低于一定浓度而导致的水中H+含量升高到与Ca（OH）2发生反应的浓度，从而使混凝土中Ca（OH）2溶解。其反应原理如下：

3.3.4 镁离子型腐蚀性

混凝土内部是一种碱性环境，其中OH-浓度较高。外部环境水渗入到混凝土内部时，水中的Mg2+可与混凝土中的OH-发生如下反应：

环境水的镁离子型腐蚀是指环境水中Mg2+与混凝土中的OH-发生化学反应形成体积膨胀的Mg（OH）2沉淀。当这种现象使混凝土内部的膨胀量超过了其本身可以承受的应力范围时，就会导致混凝土开裂、剥落、结构破坏。

3.3.5 硫酸盐型腐蚀性

硫酸盐与水泥水化产物Ca（OH）2和水化铝酸钙发生化学反应，生成膨胀性的钙钒石，当这种膨胀应力超出混凝土本身可以承受的应力范围时便导致混凝土开裂、剥落。

3.4 水样对混凝土腐蚀性比较

根据这两次水质分析成果，结合2014年和2016年水质分析成果，对2013年以来锦屏一级水电站工程首次蓄水期、初蓄期、运行期相同取样点不同取样时间水样对混凝土腐蚀性程度进行了评价。

从不同时期各取样点水样对混凝土腐蚀性比较结果（见表5）可知：2013年至今锦屏一级水电站各个取样点中，有4处水样（3，4，8，30号）对混凝土的腐蚀性已经消除；有6处水样（1，2，10，12，13，26号）对混凝土仍具有重碳酸型中等腐蚀，其中有1处水样（26号）自2017年开始具有重碳酸型中等腐蚀；其他取样点的水样对混凝土均无腐蚀性。

4 析出物化学分析方法及成果

4.1 析出物化学分析方法

析出物化学分析按照DL/T 5357-2006《水电水利工程岩土化学分析试验规程》［5］进行。

析出物化学分析采用简易碱吸收容量法进行试验，主要仪器设备包括简易碱吸收容量法测定装置、天平、筛、玛瑙研钵等。主要步骤（钙质析出物）包括：①将试样捏碎摊开于瓷盘中，除去试样中杂物，置于阴凉通风处晾干，然后用四分法选取试样约100 g，置于玛瑙研钵体中研磨，使其全部通过0.15 mm筛备用。取风干试样按要求测含水率。②根据碳酸钙的含量，称取1～8 g制备好的风干试样，准确至0.000 1 g，然后将风干试样放置于广口瓶底。在塑料杯中加入5 mL浓度为2 mol/L的氢氧化钾溶液，放置于广口瓶底，塞紧瓶塞勿使其漏气。将50 mL医用注射器连接在乳胶上端，捏开玻璃珠开关，从广口瓶中抽出50 mL空气。③用注射器通过乳胶管向广口瓶中注入20 mL浓度为2 mol/L的盐酸溶液，乳胶管上端用止水夹夹紧，轻轻旋转广口瓶使试样与盐酸充分接触均匀。在室温下放置16～24 h。④打开瓶塞，取出塑料杯，用50 mL无二氧化碳的水将塑料杯中的氢氧化钾溶液洗入200 mL三角瓶中。加20滴百里酚蓝-酚酞混合指示剂，用1 mol/L盐酸溶液滴定至溶液由紫色变为淡红色时，改用0.1 mol/L盐酸标准溶液滴定至溶液刚出现黄色而红色又未完全消失（pH值为8.3）为止，不记用量。然后加入16滴溴甲酚绿指示剂，用0.1 mol/L盐酸标准溶液滴定至溶液由蓝色变为黄色（pH值为3.9）为止，加下这次滴定用量。每组试验的试样为两个，两个试样的结果误差不得大于0.2%，取其算术平均值。

4.2 析出物化学成分分析成果

从析出物化学成分分析成果可知：15个取样点采集样品的化学成分分析成果基本一致。15个样品的烧失量为40.22%～43.86%、氧化钙为46.78%～53.95%，二者之和为87.88%～97.29%。

根据析出物化学成分分析成果确定：工程内部15个采样点采集的不同颜色的粉末、颗粒状析出物样品中的主要成分为碳酸钙。

析出物化学成分分析成果详见表6。

5 渗流水水源分析

通过对各取样点水样的化学分析成果进行比较分析来推断渗流水可能来源，具体要确定某处渗流水的水源还须开展其他更加深入的工作。

根据各取样点水样的化学分析成果来推断其可能来源应从3个方面进行：①将各取样点渗流水水质分析成果与库水水质分析成果进行比较，因为渗流水中某些成分的含量应该与其水源水中某些成分的含量基本相同；②通过分析，了解外部水流经新建工程混凝土内部时可能发生的某些成分的变化；③参考锦屏一级水电站设代处提供的大坝建成前的水质分析资料。

锦屏一级水电站部分渗流水水样与库水水样化学分析成果对比分析见表7，成都勘测设计研究院锦屏一级水电站设代处提供的工程区域内以往水质分析成果见表8，部分渗流水水源推断见表9。

通过对渗流水与库水的化学分析成果进行比较分析，初步推断一级水电站工程内的26个取样点的渗流水、下游河道水的水源主要为库水，其中某些位置的渗流水可能是山体渗水和绕渗进来的库水的混合水。推断理由如下。

（1）与库水相比，一级水电站编号为1，2，10，12，13号的这5组渗流水样的pH值和CO32-浓度升高、无HCO3-，编号为3，5～8，22，26，30号的8组渗流水样的pH值和CO32-浓度升高、HCO3-浓度降低，其他检测项目测定值均在一定范围内波动。

对于这一现象的解释是：在水流经混凝土的过程中，水中的HCO3-与工程混凝土内的水泥水化物Ca（OH）2发生化学反应（如下），导致水中的HCO3-浓度降低，OH-浓度升高（pH值升高），CO32-因化学反应生成的CaCO3微量溶解而导致水中的CO32-浓度升高。

表7 锦屏一级水电站渗流水水样与库水水样成分对照分析

表8 工程区域内以往水质分析成果

表9 锦屏一级水电站渗流水水源分析推测（部分）

（2）与库水相比，一级水电站编号为4，9，11，14，15，20～25，27～29号的13组渗流水的HCO3-浓度升高，其他检测项目测定值均在一定范围内波动。

对于这一现象的解释是：空气中的二氧化碳溶入渗流水中与混凝土中析出的碳酸盐发生溶蚀反应，生成可溶性的Ca（HCO3）2，Ca（HCO3）2溶于水后发生电解反应产生HCO3-，导致水中的HCO3-浓度升高。

6 结论

根据2017年4月底、2017年8月锦屏一级水电站水质及析出物分析结果，并与往年的分析结果进行比较，得出如下基本结论。

（1）锦屏一级水电站库区取样点（16～18号）、水垫塘下游河道取样点（19号）、19个工程内部渗流水取样点（水样编号为3～9，11，14，15，20～25，27～29号）采集的水样均对混凝土无腐蚀；水样编号为30号的取样点在枯水期时采集的水样对混凝土具有重碳酸型弱腐蚀，在丰水期时采集的水样对混凝土无腐蚀；有6个取样点（水样编号为1，2，10，12，13，26号）采集的水样对混凝土具有重碳酸型中等腐蚀。

（2）锦屏一级水电站工程内部15个采样点采集的不同颜色的粉末、颗粒状析出物样品的主要成分为碳酸钙。

根据相同取样点、不同取样时间的水样对混凝土腐蚀性对比分析，得出的基本结论如下：2013年至今锦屏一级水电站各个取样点中，有4处水样（3，4，8，30号）对混凝土的腐蚀性已经消除；有6处水样（1，2，10，12，13，26号）对混凝土仍具有重碳酸型中等腐蚀，其中有1处水样（26号）自2017年开始具有重碳酸型中等腐蚀，这几处水样均位于f14、f2断层及煌斑岩脉附近，需结合水质分析成果，加强此处的渗流渗压监测和分析；其他取样点的水样对混凝土均无腐蚀性。

根据对渗流水与库水的化学分析成果进行比较分析，推断出的基本结论如下。

（1）锦屏一级水电站27处取样点的水样来源推测主要为库水，其中某些位置的渗流水可能是山体渗水和绕渗进来的库水的混合水。

（2）锦屏一级水电站大坝帷幕防渗性能良好、工作正常，帷幕和大坝混凝土被溶蚀程度不高。

［1］ 马晓辉，曾开华，杨光中，等.丹江口大坝坝基渗流水质分析与评价［J］.长江科学院院报，2003，20（5）：35-37.

［2］ DL/T5178-2003混凝土坝安全监测技术规范［S］.

［3］ DL/T5194-2004水电水利工程地质勘察水质分析规程［S］.

［4］ GB 50487-2008水利水电工程地质勘察规范［S］.

［5］ DL/T5357-2006水电水利工程岩土化学分析试验规程［S］.