高矿化水垂向分布特征及腐蚀性研究

摘要：建筑物基础承载着房屋自重和建筑物所有外加荷载，如果经常受到具有腐蚀性水和土的侵蚀，结构安全度和耐久性就会降低，严重时甚至会发生基础失效的事故。天津市滨海新区地下成水分布广，厚度大，矿化度高，其腐蚀性对构筑物的危害非常大，研究高矿化水垂向分布特征及腐蚀性情况是十分必要的。为研究滨海新区高矿化水在垂向上的分布情况，选取3个典型场地作为研究区，进行土壤全盐量的垂向定量分析，以此间接反映浅层地下水矿化度的变化情况，同时在垂向采用分段取水的方式研究高矿化水腐蚀性垂向分布特征。

关键词：高矿化水;腐蚀性;滨海新区

中图分类号：P641

文献标识码：B

文章编号：1001-9138-（2019）05-0068-71

收稿日期：2019-04-03

1 前言

当前，天津进入了加快发展的战略机遇期，各项工程建设正存如火如荼地进行着。工程建设中建筑物基础承载着房屋自重和建筑物所有外加荷载，如果经常受到具有腐蚀性水和土的侵蚀，结构安全度和耐久性就会降低，严重时甚至会发生基础失效的事故。天津市滨海新区地下咸水分布广，厚度大，矿化度高，同时地处渤海之滨，不均匀分布着大面积盐渍土。目前工程勘察中水土样品采集的代表性差，难以真实反映滨海新区高矿化水与盐渍土整体的腐蚀情况，但其腐蚀性对构筑物的危害非常大，目前已有的研究成果在水平方向上较多，在垂向上的研究成果很少，研究高矿化水垂向分布特征及腐蚀性情况是十分必要的。

2 研究区水文地质条件

2.1 区域水文地质特征

天津市地下水的赋存受地质构造、地貌、水文和古地理条件的控制，从山前平原向滨海平原水文地质条件由简单到复杂，呈现出明显的水平分带规律。

研究区地下水的分布和富水特征受地貌和水系分布的影响，沉积物为海积冲积层和冲积海积层，含水层为中细砂和粉细砂，富水性较差，浅部水质为咸水或半咸水，工作区北部咸水底界埋深为40-80m，一般为80-200m，至大港一带第Ⅱ含水组全部为咸水，供水条件变差。工作区属于资源性缺水地区。

研究区新近系热储层含中富的中低温地热水，水温45-95℃，同时也富含矿泉水，开发条件优越。深层淡水中氟含量普遍较高，是供水中的不利因素。

2.2 浅层地下水补、径、排条件

研究区浅层咸水主要接受降水和河流渗漏补给，靠蒸发排泄。由于地层含盐量高，浅层水无明显淡化，地下水流向自西向东。特殊的地质环境决定了本区浅层咸水水位浅，地下水水位埋深小于土壤积盐的临界深度，造成较为严重的土壤盐渍化。

2.3 浅层地下水流场特征

研究区浅层地下水总体流向自北西向南东，水力坡度一般在0.1-0.5‰，水位埋深一般<2m;水位埋深>2m的地区主要分布在汉沽区北部和大港区北部。浅层地下水水位标高一般大于0m，反映浅层水径流滞缓。河流、洼淀、水库等地表水体往往是浅层地下水的局部排泄带，但河流在汛期补给地下水，渤海湾是浅层地下水的最终排泄带。在现状条件下，浅层水水位普遍高于下伏深层水，浅层水向下越流补给深层水。

2.4 浅层地下水水位动态

研究区浅层水主要受降水补给，辘蒸发消耗，目前开发利用不充分。地下水动态多处于自然状态，綦本与气象周期一致，高水位出现在融冻期后的3-4月，而低水位出现在10-12月，变幅较小，多在0.5-1.5m。其动态类型属于渗入—蒸发型。多年动态变化较小。

3 研究方法

3.1 咸水划分

按矿化度大小分，可将咸水分为微咸水（2-3g/L）、半成水（3-5g/L）、咸水（5-10g/L）、盐水（10-50g/L）和卤水（>50g/L）。按咸水埋藏条件、地层时代及其水力性质划分，可将咸水分为浅层咸水和深层咸水。浅层咸水底界一般为25-30m，浅层咸水下部的咸水水体均为深层咸水，其底界为咸水含水组的埋藏底界。本次高矿化水研究指针对矿化度大于2g/L的微咸水至卤水的研究，由于本次研究的重点是高矿化水对构筑物的腐蚀性情况，所以本项目研究深度为30m以浅的浅层地下咸水。

3.2 场地选取

浅层地下水在垂向上的细化分段采集造价高、难度大，为研究滨海新区高矿化水在垂向上的分布情况，分别选取滨海新区北部汉沽中新生态城、中部塘沽云山道和南部大港上古林3个典型场地作为研究区，进行土壤全盐量的垂向定量分析。从以往研究资料来看，土壤中的全盐量与地下水的矿化度虽然没有直接公式上的关联关系，但是土壤全盐量较高的地层地下水的矿化度较高，反之亦然。所以本次研究利用土壤全盐量来间接反映浅层地下水矿化度的变化情况。三个典型场地的勘察钻孔最大孔深为60m，土样采集方法是30m以浅，一米采集一份土样;30-60m每两米采集一份土样，土样测试指标为易溶盐。根据土样实测数据，研究区内土壤pH介于8-9之间，为碱性土壤。根据岩土工程勘察规范（GB50021-2001），滨海地区盐渍土含盐化学成分（CL-/2S042-）指标均值为5.07，类型为氯盐渍土。

为研究高矿化水在垂向上的腐蚀性情况，在每个场地布设4个孔，3个孔作为地下水分层采样孔，均下管材成井，另外1个孔进行地层划分和土样采集。施工顺序，采用130mm孔径首先施工60m孔，进行地层划分和土样采集;后施工10m、20m和30m鉆孔，分层采取0-10m、10-20m、20-30m段地下水水样，采用154mm孔径，下入滤水管成井，并采用清水洗井抽水;带水清砂净后采取水样。

4 研究结果分析

4.1 高矿化水垂向分布特征

研究表明，滨海新区盐渍土在垂向上呈现出表聚性和随深度递减的规律：从近地表（3m以浅）土壤盐渍化程度来看，汉沽场地全盐量含量相对最高，盐渍化程度最高，全盐量峰值为5.15g/100g土;其次是南部大港区，全盐量最大值为3.6g/100g土;中部塘沽区相对最低，盐渍化程度相对最低，3m以浅全盐量为1g/100g，其全盐量最大值出现地下6m处，为2.43g/100土，地表以下3m-8m处，为全盐量平均值最高处。从下降速率来看，大港区全盐量下降相对最快，10m以深全盐量低于1g/100g土，20m以深全盐量低于0.5g/100g土;其次是塘沽区，14m以深全盐量低于1g/100g土;汉沽区下降速率相对最慢，33m以深全盐量低于1g/100g土。

结合三个典型场地的土壤全盐量在垂向上的分布特征，我们推测滨海新区高矿化水在纵向上的分布情况如下：整体上自浅层地下水水位处开始，随着深度的加深，浅层地下水矿化度逐渐降低;地表以下10m以浅，浅层地下水矿化度波动较大，总体上保持较大的数值;自地表以下10m处至25m处，矿化度仍有波动但总体呈稳步下降的趋势;自地表以下25m处向下，矿化度波动明显减小，总体上保持较小的数值。

4.2 高矿化水腐蚀性垂向分布特征

三个场地地下水对混凝土结构的腐蚀性为弱-强腐蚀性，汉沽中新生态城场地10m以浅地下水具强腐蚀性，10m至30m处地下水具弱腐蚀性;塘沽云山道场地10m以浅地下水具强腐蚀性，10m至30m处地下水具弱腐蚀性;大港上古林场地30m以浅地下水具弱腐蚀性。三个场地地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀性，在长期浸水状态下均具弱腐蚀性;在有干湿交替作用情况下均为强腐蚀性。三个场地地下水对钢结构腐蚀性评价均为中等腐蚀性，见图1。

研究表明，区内不同深度水体中高含量SO₄^2-和CL^-是水体对混凝土结构和钢筋腐蚀等级强的主要原因。由于区内水体均为弱碱性水，SO₄^2-和CL^-含量较高，所以对钢结构腐蚀性等级均为中等。从不同深度水体腐蚀性评价统计表中可以看出：参与混凝土结构腐蚀性评价的NH₄⁺随着深度的增大，变化不大;参与混凝土结构腐蚀性评价的SO₄^2-、Mg²⁺、矿化度以及参与钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价的CL^-随着深度的增加明显降低，相应腐蚀性等级下降。

参考文献：

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