石漫滩RCC大坝渗漏溶蚀试验分析

2013-09-13齐翠阁赵庆贺关喜才

治淮 2013年7期

齐翠阁赵庆贺关喜才

（河南省石漫滩水库管理局舞钢 462500 舞钢市水利局舞钢 462500河南省基本建设科学实验研究院郑州 450016）

1 引言

石漫滩水库复建工程位于河南省舞钢市境内，是淮河上游洪河支流滚河上的大型水利枢纽工程。挡水建筑物为全断面碾压混凝土重力坝。大坝混凝土工程从1994年4月开始浇筑，1997年底竣工验收。近年来，伴随着大坝内的渗水，廊道边墙上挂有大片白色或浅黄色溶出物。这些溶出物大部分是从廊道边墙与拱顶的接缝处流露出来的，溶出物最厚处达3cm，少部分从廊道裂缝渗漏处或拱顶边墙侧排水孔溶出，形成射流状，不同部位的溶出物大致相同。另外，廊道集水沟有较厚的溶出物沉积，手摸似腻滑状或砂质颗粒，为此，水库管理局定期从集水沟清理出溶出物。据统计，2000年1月～2003年12月3年内清理出的溶出物为9210kg，2004年1月～2005年3月底15个月内清理出溶出物8120kg。

2 廊道混凝土表面溶出物的成分鉴定及成因、来路

2.1 溶出物成分鉴定

2.1.1 取样

将混凝土表面的溶出物刮下装入聚乙烯试样袋中，密封带到武汉进行分析。共取样18个，选出代表性的8个样进行了X-射线衍射分析。

2.1.2 试样制备

X-射线衍射仪测试使用平板试样。首先将溶出物真空干燥（湿样还预先进行了抽滤），再在玛瑙研钵中研磨成10μm左右的粉末，然后在有机玻璃板的凹格子中压实，并压光表面。

2.1.3 试验仪器

采用日本RIGAKU公司产D/MAX-ⅢA型X射线衍射分析仪，CuKα靶，Ni滤玻片，测试条件为加速电压35kV，电流30mA，扫描速度8°/min，2θ角为5°～60°。

2.1.4 试验结果

用X-射线衍射仪测得8个溶出物样品的衍射图，由图测定衍射数据d值，与JCPDS卡片5-586号（矿物碳酸钙CaCO3）的衍射数据d值一一对照，发现试验数据与卡片上的数据完全吻合，说明这些白色或浅黄色溶出物均为碳酸钙（CaCO3）。

2.2 溶出物成因

溶出物碳酸钙晶体主要是由坝体渗漏溶蚀破坏产生的。所谓溶蚀，即渗漏水对混凝土产生溶出性侵蚀。众所周知，混凝土中水泥的主要水化产物为水化硅酸钙凝胶（C-S-H）、水化（铁）铝酸钙（C-A（F）-H）、三硫型或单硫型钙矾石（AFt、AFm）、氢氧化钙（Ca（OH）2）等，而足够的Ca（OH）2又是其他水化产物凝聚、结晶稳定存在的保证。在以上水化产物中，Ca（OH）2在水中的溶解度最大，在正常情况下，混凝土毛细孔中均存在饱和Ca（OH）2溶液。而一旦混凝土产生渗漏，渗漏水就可能把混凝土中的Ca（OH）2溶出带走，在混凝土外部与空气中的CO2反应生成白色或带其他颜色的CaCO3结晶物质。随着Ca（OH）2的不断流失，破坏了其他水化产物稳定存在的平衡条件，从而会引起水化硅酸钙、钙矾石等水化产物的凝胶体和结晶体不断分解，而逐步失去胶凝性，造成混凝土结构疏松和性能下降。

对水质分析结果表明，溶出物不可能是由软水侵蚀和碳酸侵蚀产生的，最有可能的是水中的Ca2+与CO32-形成了少量的CaCO3结晶，也会沉积在廊道混凝土表面。

2.3 溶出物来路

根据下面几点原因分析，认为廊道渗水和溶出物是由坝体渗漏产生的，而不是坝基渗漏产生的：

（1）坝基施工时，考虑到涌水量较大，帷幕灌浆深度已从设计的平均深度20m加深了10～20m，经加深处理后排水孔排水量明显减小，达到了预期效果，能够满足大坝运行。这说明从坝基渗水的可能性比较小。

（2）由现场调查得知，从坝基排水管中渗出的水流量比较小，呈滴状，说明坝基的水压不高，从廊道边墙渗出水和溶出物的可能性不大。

（3）若是从坝基渗出的水和溶出物，则渗出的水或溶出物中应含有基岩的一些成分，如粘土矿物、石英，因为坝基岩性为石英砂岩，其层面和裂隙面普遍有夹泥存在，但水质分析和溶出物成分分析均未发现上述矿物成分。因此，基本上可以排除基础帷幕灌浆破坏发生渗漏的可能性。

（4）在坝体的背水面从上到下有大量裂缝，且有水从坝背面渗出的水印，说明裂缝和渗水是整个坝段的。

（5）廊道的迎水面和背水面都有大量的溶出物和被水浸湿的地方，且背水面比迎水面的情况严重，也从另一个角度说明水是从坝体渗出的，在廊道拱顶与边墙交界的薄弱地方渗出或溶出，迎水面是常态混凝土，防渗效果好于背水面的碾压混凝土，因此，背水面的渗水和溶出物比迎水面严重些。

（6）根据后面的有限元计算分析，说明坝体不可避免地要产生温度裂缝；加上碾压混凝土抗渗等级设计较低（内部三级配碾压混凝土抗渗等级值为S4）；碾压混凝土层间水平缝或工作缝会由于各种原因导致其防渗效果较碾压混凝土本体差；上游面二级配碾压混凝土在出现温度裂缝后防渗效果也降低。因此，水会沿着坝体裂缝和层间薄弱处而进入整个坝面，在坝背水面产生渗水。

（7）廊道顶拱与边墙混凝土接缝处施工处理不当存在缝隙或年久止水失效，以及拱顶预制混凝土块段与块段之间接缝处存在缝隙，前者是主要的。因此，坝体渗水将进入上述缝隙而形成一个渗水通道，从而直接导致了溶出物在廊道边墙的析出。

另外，坝体混凝土施工质量差、密实程度低，内部出现蜂窝空洞，也会形成渗水通道。地质雷达检测结果没有发现坝体和廊道混凝土这方面严重的施工质量缺陷，因此廊道渗漏可以排除这方面的原因。

3 渗漏溶蚀（溶出物）对坝体的影响分析

据20世纪80年代中期开展的全国水工混凝土耐久性及病害调查表明，渗漏溶蚀是水工混凝土建筑物因耐久性不良而出现的主要病害之一。在调查的32座大坝中，每座大坝均存在不同的渗漏并引起了溶蚀。到20世纪80年代后期，中国水利水电科学研究院首先进行了大坝混凝土的渗漏溶蚀试验的研究。渗漏溶蚀对坝体的危害，有以下几方面：

（1）溶出物经X射线衍射分析为CaCO3，是坝体渗水将坝体混凝土中的Ca（OH）2带出来在廊道边墙发生碳化形成的，而Ca（OH）2的流失，降低了坝体混凝土的空隙溶液碱度，严重时将导致混凝土中其他一些水化产物的分解和溶出。

（2）渗漏将使坝体产生较大的渗透压力，有时甚至影响到坝体的稳定，最直接的影响是导致混凝土强度大幅度下降。据苏联资料介绍，当混凝土中总的Ca（OH）2含量（以CaO计）被溶出25%时，混凝土的抗压强度要下降50%，而当溶出量超过33%时，混凝土将要完全失去强度而松散破坏。中国水利水电科学研究院资料介绍，当Ca（OH）2（以CaO计）溶出达25%时，混凝土的抗压强度下降35.8%，抗拉强度将下降64.4%，因此溶蚀对混凝土抗拉强度影响更为明显。

（3）如果混凝土渗漏水越来越多，则其内部孔隙会增多增大，使结构疏松，加剧恶性循环。中国水利水电科学研究院资料介绍，混凝土微孔结构由含孔量较少（49.09×10-2mg/L）、孔径较小（7.5nm）的密实结构，发展成为含孔量较多（69.09×10-2mg/L）、孔径较大（100nm）的疏松体。由此可见，渗漏对混凝土产生溶蚀将造成严重的后果。

表1 水质分析实验结果

（4）当环境水本身对混凝土有侵蚀作用时（石漫滩坝没有这方面的侵蚀之忧），由于渗漏溶蚀会促使环境水侵蚀向混凝土内部发展，从而增加破坏的深度与广度；在寒冷地区，由于渗漏，会使混凝土的含水量增大，促进混凝土的冻融破坏；对水工钢筋混凝土结构物，渗漏溶蚀还会加速钢筋锈蚀等等。而且这些病害会与渗漏溶蚀形成连锁反应和恶性循环，从而使混凝土的耐久性受到严重的影响。

4 水质侵蚀分析试验

一旦环境水中含有的对混凝土有害成分如Cl-、SO42-、CO2等超量，就会对廊道混凝土产生不利的影响，会对混凝土产生化学侵蚀作用。因此，对石漫滩水库的水和廊道集水沟的水分别取样进行了水质分析。

4.1 试验方法

按照《水工混凝土水质分析试验规程》（DL/T 5152-2001）进行。

4.2 水质分析试验结果

水质分析实验结果见表1。

根据表1水质分析结果可以发现：

（1）库水硬度为106.62mg/L，硬度较高，产生软水侵蚀的可能性不大。

（2）库水游离CO2、侵蚀性CO2含量分别为8.97mg/L、13.06mg/L，酸度并不高，产生碳酸溶出性侵蚀的可能性不大，所以上述的CaCO3溶出物不是由碳酸侵蚀所生成。计算库水中Ca2+和CO32-的溶度积以及Ca2+和SO42-的溶度积，发现能形成少量的CaCO3和CaSO4（由于数量很少，在X-射线衍射中检测不到CaSO4），在廊道边墙等不直接受水冲刷的部位，具有良好的条件使CaCO3和CaSO4生成，因此富集在廊道边墙而形成了一些白色溶出物。正是由于库水中的 Ca2+、Mg2+和 CO32-、SO42-发生了结晶反应，导致了流入集水沟的水中的 CO2、Ca2+、Mg2+、SO42-含量下降，Cl-也有可能在上述反应过程中被固溶在CaCO3和CaSO4中，因此含量随之降低了。

（3）库水pH值为7.52，集水沟的水pH值为8.73，因此不可能产生酸性水侵蚀，由此说明，是坝体渗漏水对混凝土产生了溶蚀作用，这与调查中看到的廊道中有大片白色溶出物，以及前面的分析相一致。

（4）一般而言，当水中SO42-离子含量在250～1500mg/L时，主要会与混凝土中的水化铝酸钙晶体反应生成水化硫铝酸钙（三硫型的AFt或单硫型的AFm），从而形成钙矾石膨胀型侵蚀；当SO42-离子含量达到5000～10000mg/L时，便会与混凝土中的Ca（OH）2反应产生石膏结晶，形成石膏膨胀型腐蚀。从石漫滩水库和大坝廊道集水沟两种水的水质分析来看，SO42-离子含量在10.5～27.78mg/L，因此可以否定混凝土受硫酸盐侵蚀破坏的可能性。否则，由于硫酸盐侵蚀，廊道部分混凝土将产生胀裂、崩塌，而实际并未如此。

（5）此外，Cl-和Mg2+离子含量均较少，对混凝土的危害性也不大。