环境水的腐蚀性对水库混凝土大坝的影响浅析

吴景芳

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

关健词：环境水;水质检测;离子含量;混凝土大坝

1 概述

天然地表水和地下水都属于环境水，它的化学成分受水文、气象和周围环境以及地质条件的影响，变化范围很大。水的化学成分及其含量的大小，对大坝混凝土、填筑料、以及钢筋混凝土的腐蚀性都有很大的影响。特别是天然水中的硫酸盐以及氯离子含量达到一定的程度对水库大坝混凝土的产生严重腐蚀，从而影响大坝的稳定和安全。混凝土的胶凝材料水化反应后产生的水化产物微溶于水的特点，使混凝土在水环境下形成一定的腐蚀性。随着腐蚀程度的增加，大坝混凝土抗压强度将逐步损失。此外，环境水中的氯离子对钢筋混凝土中的钢筋的腐蚀，使钢筋混凝土结构的耐久性产生破坏。

龙首电站水库大坝，廊道常年处于潮湿状态，温差变化不大，在渗水点处，有乳白色、黑色、红褐色等析出物，为探明这些析出物对大坝安全运行是否影响，以及坝前库水与水电站的各建筑物部位的渗水水质变化规律的分析，对大坝混凝土的质量进行评价。于2006年4月、2007年8月、2010年8月、2013年3月四次，在大坝不同季节不同部位水质进行了取样检测。

2 工程概况和地质条件

黑河发源于青海省祁连山，流经甘肃省河西走廊中部，注入内蒙古自治区的居延海，全长800km之多，属内陆河。多年平均径流量15.89x108m3/s。龙首水电站位于甘肃省张掖市城西南约40Km的黑河莺落峡口，交通方便，公路通往张掖市区。采用半重、半拱坝方案。坝高80m，正常高水位1748m，左岸明渠导流和引水发电。发电厂房位于左岸坝下游100m处，装机容量5.2x104kW。

坝区位于祁连山北麓与河西走廊南部边缘交界线附近，黑河横穿坝区岩层，河谷呈“V”字型，属横向河谷，系沿NE向的张扭性构造线发育而成，河谷西岸发育有八级侵蚀性堆积阶地及平顶山古夷平面。

坝区出露的地层主要为上奥陶系的火山碎屑岩和变质板岩，其走向为NW向（近直交河流）倾角70°～90°。 岩石坚硬，断裂较发育，表面风化强烈，岩体呈板状构造。主要构造线方向为NW向，次为NE向。坝段内的主要工程地质问题：在坝址内由平硐和地表测绘揭露出较大的软弱结构面，如F6、F7、F71、F91断层等。其中F6断层破碎带，充填物主要为石英岩脉占60%，次为碎屑角砾30%，断层泥10%。板岩碎粒径大小不等，厚度5～50mm，含水量较小。F7、F71、F91断层，充填物主要为靡棱岩占60%，角砾20%，石英脉及断层泥各占10%，夹泥层厚度不均，最大为30mm，最小为10mm，且含水量较大，断层面平直光滑。

3 渗水水质监测目的和检测方法

在水利工程建设中，评价水对混凝土的侵蚀性时，一般要对环境水进行水质化学分析。大坝渗水中的化学成分的变化，意味着混凝土中某些成份的改变，而大坝混凝土成份的变化是无法直接测量的，可以由渗水水质的变化来推断，包括HCO3-、CO32-、OH-离子、氯离子、硫酸根离子、钙离子、镁离子、钠和钾、矿化度。

对水工建筑物及其地基的渗水进行透明度观测和所含化学成分及其含量的化验，用以分析是否存在冲蚀或溶蚀。在水电站不同时间不同部位采取水样，以坝前库水的水质为基准，综合对比分析在不同时间段不同部位水质的变化，从而评价各部位水质对电站坝体结构的腐蚀性，以达到对大坝的监测目的。

水质检测分析方法有化学法、电化学法、原子吸收分光光度计法、离子选择电极法、离子色谱法、气相色谱法、等离子体发射光谱 （ICP-AES）法等。

本次检测历时几年时间，主要对尾水、厂房水、拱坝渗水、推力墩渗水、重力坝渗水水质与大坝库水水质进行比较。测定pH值采用玻璃电极法；水样的硬度可分为总硬度、暂时硬度、永久硬度、负硬度。总硬度的测定采用EDTA滴定法：钙离子采用EDTA滴定法；镁离子的含量采用计算法：用总硬度和钙离子的测定值计算镁离子的含量；硫酸根离子的测定采用EDTA滴定法；氯离子的测定采用硝酸银滴定法；钾、钠离子的含量测定采用差减法计算；游离二氧化碳采用酚酞指示剂滴定法；侵蚀二氧化碳的含量采用酸滴定法。

4 试验成果及腐蚀性综合评价

4.1 试验成果

水质中阳离子、阴离子、pH值、总硬度、矿化度、总碱度、侵蚀二氧化碳成果见表1、表2、表3。

表1 阳离子含量

表2 阴离子含量

表3 pH值、总硬度、矿化度、总碱度值

4.2 水中主要物质变化分析

阳离子（Ca2+、Mg2+、Na++K+四种主要离子）：库水中按其浓度的大小排序为1.Ca2+、2.Mg2+、3.Na++K+；尾水中按其浓度的大小排序为1.Ca2+、2.Mg2+、3.Na++K+；厂房水中按其浓度的大小排序为1.Na++K+、2. Ca2+、3.Mg2+；拱坝渗水中按其浓度的大小排序为1.Na++K+、2.Ca2+、3.Mg2+；推力墩渗水中按其浓度的大小排序为1.Ca2+、2.Na++K+、3.Mg2+和1. Mg2+、2.Na++K+、3.Ca2+；重力坝渗水中按其浓度的大小排序为1.Ca2+、2.Na++K+、3.Mg2+和1.Na++K+、2. Ca2+、3.Mg2+。 厂房水、拱坝渗水、推力墩渗水、重力坝渗水Na++K+离子浓度在阳离子的占比发生了变化，位次均有升高。从表1中可见，Ca2+、Mg2+离子与库水相比较变化不大。Na++K+离子变化情况，呈现逐年增大的趋势。

阴离子（HCO3-、SO42-、CL-主要离子）：库水、尾水中按其浓度的大小排序为1.HCO3-、2.SO42-、3.CL-。HCO3-和SO42-浓度在阴离子的占比基本相当。厂房水、拱坝渗水、推力墩渗水、重力坝渗水中按其浓度的大小排序为1.SO42-、2.HCO3-、3.CL-；在渗水中SO42-浓度在阴离子的占比发生了变化，有增大。随着时间的变化，尾水、厂房水、拱坝渗水、推力墩渗水、重力坝渗水中SSO42-离子也是逐年增大，从图1可以明显看到，厂房水SO42-离子由118mg/L,升至211mg/L；拱坝渗水SO42-离子由112mg/L升至193mg/L；推力墩渗水SO42-离子由112mg/L升至206mg/L；重力坝渗水SO42-离子由78mg/L,升至142mg/L。 从表1中可见，渗水中CL-离子变化不大，厂房水变化范围32～42mg/L；拱坝渗水变化范围24～32mg/L；推力墩渗水变化范围17～24mg/L；重力坝渗水变化范围21～24mg/L；根据GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》环境水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性判别，表2中CL-含量指氯化物中的CL-与硫酸盐折算后的CL-之和，即CL-含量=CL-+SO42-×0.25，单位为mg/L。计算结果从图2可见，随着时间的变化，尾水、厂房水、拱坝渗水、推力墩渗水、重力坝渗水中CL-离子也是逐年增大,厂房水2013年CL-离子含量达到94.7mg/L。

图1

图2

5 试验成果分析

根据四次不同时期、不同部位的水质检测分析，水库混凝土大坝随着年限的增长，渗水中K++Na+离子含量明显高于库水。硅酸盐、铝硅酸盐矿物是多数岩石的主要成分，其水解速度缓慢，但在碳酸盐的参与下，水解速度加快，矿物晶格表面阳离子（K++Na+离子等）、混凝土中钾盐、钠盐溶入水中，容易被水流带出，使渗水中K++Na+离子含量增加。检测结果可以看出，绝大部分渗漏水中的K++Na+含量明显高于库水，坝体渗漏水中K++Na+含量较高的原因，是由于环境水渗入到坝体混凝土中，与混凝土中的骨料、粉煤灰等矿物质的碱金属化合物反应，致使K++Na+被带出。渗水量越少，渗流速度越慢，渗流路径越长，与混凝土反应越充分，K++Na+含量就越高，对混凝土的潜在破坏性就越明显。应增加坝体渗水的抽检数量，以更好地比较分析。坝基渗漏水中的K++Na+主要来自基岩，也可能来自帷幕混凝土中的骨料、粉煤灰等矿物质，其K++Na+离子含量丰富表明K++Na+离子迁徙明显，是局部地段坝基岩石或帷幕的受侵蚀的标志，应加强监控。含硫酸盐的水作用于混凝土时，生成水合硫酸铝盐和石膏，或者生成其中一种，起初填充孔隙，使混凝土更密实，在不断形成结晶的过程中，对孔隙产生结晶膨胀压力，使混凝土构件强度降低，SO42-浓度是影响混凝土大坝侵蚀重要的离子。水质中的腐蚀性SO42-浓度逐步增强，虽然没有超出腐蚀性评价标准弱腐蚀 （SO42-≥250）的范围值，也应加强监控。水质中的CL-含量对混凝土不产生直接侵蚀，仅对钢筋产生锈蚀作用，CL-在水质中起到催化剂的作用，加速钢筋的点锈蚀，但是在有CL-存在的硫酸盐侵蚀中，CL-具有使硫酸盐结晶膨胀侵蚀转化为分解侵蚀的作用。水质中的CL-浓度逐步增强，虽然没有达到环境水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性判别弱腐蚀 （100≤CL-≤500）的范围值，CL-浓度是影响混凝土大坝侵蚀重要的离子，也应加强监控。

6 结论

通过四年来对水电站不同部位环境水的检测，库水、尾水的水质类型及各离子含量都没有多少变化，但大坝渗水的水质类型发生了变化，其中K++Na+离子含量在阳离子中占比增大，表明坝基岩石K++Na+离子迁徙。其次矿化度、硫酸根离子及氯离子的含量都在呈逐步增高的趋势，混凝土的腐蚀性也随着逐渐增大。“千里之堤，溃于蚁泬”，这些析出物短时间不会对大坝的安全构成威胁，但是长期渗水压力作用下，会使混凝土结构强度逐渐降低，出现砼老化现象。应加强检测频次，为水电站的安全运行提供保障。