一种地下水腐蚀性评价新方法

齐雷，田志飞，刘军

(温州市交通规划设计研究院，浙江 温州 325000)

0 引言

工程地质勘察时，一般均需取水和土样品进行测试，评价其对工程结构(混凝土、钢筋及钢结构)的腐蚀性。取水或土试验进行腐蚀性评价，具体要看工程结构是位于土还是水环境中。除地下水位以上的常年干燥土层中的工程结构，不具备水腐蚀环境条件，其他情况均要考虑地下水腐蚀作用。地下水采样一般在钻孔、井或泉点取水样，满足取样条件的井或泉点比较少，多数情况仍然要在钻孔内取水样。钻孔取水样前须洗孔并将钻孔内残留水排出，可采用深水取样器在孔底直接取水或抽吸泵抽取(郑继天和王建增，2005；李小杰等，2014)。工程勘察实践中，我们发现钻孔洗孔费时费力，并且钻孔孔径小、孔壁易坍塌，取水样困难，钻孔孔底取水效果不好。此外，地下水水质易变化，取样、保存及运输过程中，腐蚀介质受扰动明显，浓度也变化了。

综上所述，需要提出一种取样操作更简便，腐蚀介质扰动更小，测试方法成熟的取样试验方法。从取样操作更简便的角度出发，国内外地下水污染与监测研究单位研发设计了惯性式、气体驱动式、潜水电泵式三大类采样器(郑继天等，2008；陈畅等，2017；潘德元等，2018；李琦等，2019)。从腐蚀介质扰动更小的角度出发，昆明冶金设计院等单位尝试开展水质现场分析的工作，即要求水质测试人员到达工程勘察现场，现场取样现场分析。王铠(2013)肯定了水质现场分析的工作，提倡对腐殖质地下水进行水质现场分析。但是，上述两个研究方向仍然以各自研究角度为重点，从单方面着手提出解决办法，未统筹考虑两方面因素的影响，也均未被广泛应用。

同时，国内外对地下水、土腐蚀性评价研究也多将地下水和土区分对待，对地下水腐蚀性研究较多(王铠等，2007；顾宝和和庞锦娟，2009)，对土腐蚀性研究较少(徐树青，2007；于静等，2017；章强等，2020)，且多以地区经验总结为主，如重点研究某一地区地下水、土腐蚀性，并进行了规律探索和经验总结等(李凤宪等，2015；徐源等，2016；唐海明等，2018；胡家亮等，2019；高丽丽等，2019)。但是，上述研究均仍未考虑将地下水、土进行对比分析研究。

本文基于地下水、土腐蚀介质相关性，提出了一种地下水腐蚀评价新方法，利用土样较水样取样操作更简便、腐蚀介质扰动更小的特点，克服了水质现场分析要求分析人员携带设备到钻探场地跟班操作的繁重任务，给出了相应的腐蚀性评价标准，并开展对比试验测试了该方法的有效性。

1 地下水、土腐蚀介质相关性

1.1 理论分析

我国《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001，中华人民共和国住房与城乡建设部，2009)(以下简称《规范》)明确规定，工程结构处于地下水中时应取水试样作水的腐蚀性测试。该条规定可以解释为工程结构处于地下水中时仅作水的腐蚀性测试，而不用作土的腐蚀性测试(高大钊，2010)。这样的规定可能有两个方面的理解，一方面理解是地下水以下的土和水的腐蚀性综合评定结论应该与仅作水的腐蚀性评定结论一致；另一种理解是地下水位以下的工程结构以水腐蚀为主，土腐蚀作用可以忽略。另外，根据土的三相性及一般土孔隙比(e)范围值0.2～2.0、含水量(w)范围值10%～100%可知，地下水位以下混凝土结构接触的土、水面积应属一个量级，土腐蚀作用不能忽略。上述分析可以得出，地下水以下的土和水的腐蚀性综合评定结论应该与仅作水的腐蚀性评定结论一致。再根据《规范》中12.2.3 条综合评定方法可知，地下水以下土的腐蚀性等级应该弱于或者等于水的腐蚀性等级。那么，根据《规范》中水、土腐蚀评价标准，可以尝试建立水、土腐蚀介质的相关性。

对于SO42-含量、Mg2+含量、NH4+含量、OH-含量、总矿化度这五种腐蚀介质，《规范》中表12.2.1注3 指出，土的腐蚀介质含量限值应在水的基础上乘以1.5。因此，对于此五种腐蚀介质含量，地下水中腐蚀介质含量ρw(、Mg2+、OH-、总矿化度)、土中腐蚀介质含量ρs(、Mg2+OH-、总矿化度)的相关关系为:

分析得出其相关系数λ(SO42-、Mg2+、NH4+、OH-、总矿化度)≥1/1.5 ＝0.67。

对于pH 值，《规范》中表12.2.2 指出，土和水的腐蚀介质含量限值一致。因此，对于pH 值，地下水中腐蚀介质含量ρw(pH)、土中腐蚀介质含量ρs(pH)的相关关系为:

分析得出其相关系数λ 相关系数λ(pH)≤1.00。

对于Cl-，根据《规范》中表12.2.4 中水、土腐蚀介质含量限值，可以计算出其相关系数。计算时，水的长期浸水、干湿交替条件均对应土的B 类(湿、很湿的粉土，可塑、软塑、流塑的黏性土)。计算得出，对于Cl-，地下水中腐蚀介质含量ρw(Cl-)、土中腐蚀介质含量ρs(Cl-)的相关关系为:

相关系数λ(Cl-)值按腐蚀环境、腐蚀等级具有不同赋值。具体λ(Cl-)赋值见表1。

表1 地下水、土Cl －相关系数λ(Cl －)赋值表

此外，根据离子平衡及CO2、H+、HCO3-的碳酸平衡可知，在获取其他腐蚀介质浓度相关关系后，可以得到HCO3-、CO2的地下水中腐蚀介质含量ρw(HCO-3、CO2)、土中腐蚀介质含量ρs(HCO-3、CO2)的相关关系为:

分析得出其相关系数λ(HCO3-、CO2)≥2.0。

综合上述理论分析，建立地下水、土腐蚀介质相关系数λ(*)赋值总表，见表2。

表2 地下水、土腐蚀介质相关系数λ(*)赋值总表

1.2 试验分析

1.2.1 试验方案设计

选取浙江温州某山前冲洪积平原、滨海海积平原两处场地进行钻孔工程，钻孔编号A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3、B-4。两处取样场地均选在所属水文地质单元核心地带，地貌条件单一，地势开阔，较平坦，地表为现状耕地。地下水以松散岩类孔隙潜水、微承压水及基岩裂隙水为主。采用工程地质钻机，按设计孔位位置进行钻孔。A 类、B 类钻孔设计孔深分别为8 m、20 m。根据钻孔采取的岩芯，试验场地浅部土层简况见表3。

表3 试验场地土层简况

在钻孔中，对地下潜水含水层中同一深度分别取地下水样、土样，A 类、B 类钻孔取样深度布置见图1。

图1 钻孔取样布置图

钻孔至预定深度后，首先进行地下水样取样。采用深水取样器，取样前按规范操作进行洗孔，并抽取孔底残留水。紧接着采用薄壁取土器，静压法贯入取土样。现场取地下水、土样后，当天立即送土工试验室进行试验。地下水样测试项目包括pH值、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、侵蚀CO2、游离CO2、NH4+、OH-、总矿化度的简分析。土样测试项目包括pH 值、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-的易溶盐分析。

1.2.2 试验成果分析

A、B 场地钻孔所取地下水、土测试结果见表4、表5。根据室内试验结果，计算得出各种腐蚀介质相关系数λ(*)，绘制A、B 场地所取地下水、土主要的腐蚀介质相关系数λ(*)值变化曲线(图2)。

表4 A 场地地下水、土样试验结果

表5 B 场地地下水、土样试验结果

对于同一含水层同一深度地下水、土相关性，图2a 显示，A、B 场地的相关系数λ(pH)范围值在0.93～0.99，均略小于1.0，符合理论分析结果。A、B 场地的相关系数λ(pH)均值分别为0.98、0.96。冲洪积平原区(场地A)浅层水、土相关系数λ(pH)差异性明显小于海积平原区(场地B)。

图2 地下水、土腐蚀介质相关系数λ(*)变化曲线

图2b、图2d、图2f 显示，A、B 场地的相关系数λ(Mg2+、SO42-、总矿化度)范围值在1.23～3.40，均大于0.67，符合理论分析结果。A 场地的相关系数λ(Mg2+、SO42-、总矿化度)均值分别为1.45、1.22、1.68，B 场地的相关系数λ(Mg2+、SO42-、总矿化度)均值分别为3.03、2.23、2.82。冲洪积平原区(场地A)浅层水、土相关系数λ(Mg2+、SO42-、总矿化度)差异性明显大于海积平原区(场地B)。

图2c 显示，A、B 场地的相关系数λ(Cl-)范围值在1.43～2.80，均大于1.0，符合理论分析结果。A、B 场地的相关系数λ(Cl-)均值分别为1.66、2.63。冲洪积平原区(场地A)浅层水、土相关系数λ(Cl-)差异性明显小于海积平原区(场地B)。

图2e 显示，A、B 场地的相关系数λ(HCO3-)范围值在2.10～2.30，略大于2.0，符合理论分析结果。A、B 场地的相关系数λ(HCO3-)均值分别为2.16、2.17。冲洪积平原区(场地A)浅层水、土相关系数λ(HCO3-)差异性明显小于海积平原区(场地B)。由上述试验成果结论可知，同一含水层地下水、土具有一定的相关性，主要腐蚀介质相关系数λ(*)基本符合理论分析结果(表2)。另外，由于不同场地所属工程水文地质单元不同，相关系数λ(*)值也明显不同，λ(*)值域分布具有显著差异性。因此，不同地区可以开展系统研究试验，建立区域性典型含水层地下水、土的相关系数λ(*)数据库。

2 地下水腐蚀性评价新方法

根据地下水、土腐蚀性介质相关性，可以建立一种地下水腐蚀性评价新方法。新方法的主要操作步骤如下:(1)某一地区开展系统研究试验，建立区域性典型含水层地下水、土的相关系数λ(*)数据库；(2)工程场地野外钻孔取土样，不同含水层分层取样；(3)土样室内试验，易溶盐分析；(4)土测试成果换算为水质成果数据，相关系数λ(*)值查区域性数据库；(5)利用换算后的水质成果数据，按地下水进行腐蚀性评价，具体按《规范》中表12.2.1、表12.2.2、12.2.4 分别单项评价；(6)综合评定，得出腐蚀等级结论(图3)。

图3 地下水腐蚀性评价新方法流程图

对于重要工程场地，可以预先进行试验钻孔取地下水、土样，获取场地主要含水层地下水、土的相关系数λ(*)，对区域性数据库查得数据进行校核后再使用。需要说明的是，新方法野外钻孔取土样，可与工程地质勘察钻孔取土样同步进行，不需要额外工作量。

3 新方法腐蚀性评价实例

选取前述B 场地附近的某工程实例，工程地质勘察过程中取含水层(淤泥)土样2 件，进行易溶盐分析。并同步取水样2 组进行对比验证。土样测试结果见表6，同步水样测试结果见表7。

表6 某工程含水层土样测试结果

根据前述B 场地试验相关性分析成果，将试验λ(*)值的均值作为场地地下水、土的相关系数λ(*)值。对土样测试成果进行换算，换算后的水质成果数据见表8。

将直接取水样水质测试成果(表7)与换算后水质成果数据(表8)进行对比分析，计算换算误差。分析计算结果显示，主要离子(Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-)的换算误差仅为± (0.78%～5.53%)，矿化度换算误差为± (0.23%～0.34%)，pH 值换算误差为±(0%～0.15%)。前述B 场地试验相关性分析所得的场地地下水、土的相关系数λ(*)值得到了较好的验证。

表7 某工程水质测试结果

表8 某工程换算后水质结果数据

使用新方法，将换算后水质成果数据按《规范》中表12.2.1、表12.2.2、12.2.4 分别单项评价；最后进行综合评定，得出腐蚀等级结论为:工程场地地下水对砼具有弱腐蚀性，对砼结构中的钢筋具有微腐蚀性。

新方法腐蚀性评价结论与同步取水样分析结果的腐蚀性评价结论一致，且与该工程其他钻孔取地下水样分析结果的腐蚀性评价结论一致。

4 结论

基于地下水、土腐蚀性介质相关性，建立了一种地下水腐蚀性评价新方法。新方法的关键步骤是首先获取含水层地下水、土的相关系数λ(*)；然后以钻孔取土样进行易溶盐分析代替钻孔取地下水样简分析。该方法利用了土样较地下水样取样操作更简便、腐蚀介质扰动更小的特点，克服了钻孔孔底深水取样器取水困难的问题，也解决了水质现场分析要求分析人员携带设备到钻探场地跟班操作的繁重任务。腐蚀性评价实例的分析验证结果表明，该方法行之有效，评价结论一致性高，具有推广意义。

当然，本文研究分析仅从宏观上建立了地下水、土腐蚀介质有相关性，得出的相关系数λ(*)值仍为经验值，并且地下水系统中某部位水质的形成及其演变还受到其他因素(如补给源的水质、渗流动态以及Eh 值等)的影响，而与之相接触的岩性仅是其中的影响因素之一。微观机理上，可以从腐蚀介质的运移规律出发来研究水、土腐蚀介质相关性，也尚需进一步研究。