土坝输水廊道析出物的影响分析

陆雪萍

(广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635)

土坝输水廊道析出物的影响分析

陆雪萍

(广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635)

本文以横径水库为例，阐述输水廊道析出物产生的原因及危害，结合析出物的析出情况，通过水质分析、坝基岩芯、廊道混凝土试验分析析出物产生的来源及影响。

输水廊道；析出物；坝基；危害

1 概 述

土坝输水廊道属于穿坝建筑物，放置于坝基上，高程较低，通常处于地下水位以下，对大坝的安全尤为重要。输水廊道壁出现析出物的现象比较普遍，有白色及黑色等，析出物有的从输水廊道析出，也有的从坝基析出，如：横径水库的输水廊道直墙及顶拱施工缝白色钙化析出物普遍出现，渗水现象亦随处可见。坝轴线偏向上游的输水廊道壁渗水较为严重，产生大量白色钙化析出物，伴有黑色、墨绿色析出物；廊道内积水面上都存在薄膜状白色漂浮物。2000年后中山新建的一个输水廊道施工工序基本一样，都为输水廊道内置钢管，前段坝头位置为明挖式，采用钢管外包混凝土管，后段为洞挖式，洞身采用圆拱直墙式结构，洞两边直墙为现浇C20混凝土，圆拱为预制。在涵洞段顶部按孔距3.0m预埋回填灌浆管，待顶部预制混凝土安装完毕后进行回填灌浆。本文对横径水库输水廊道析出物的成因以及对输水廊道及大坝的影响进行了分析。

2 析出物产生的原因

2.1 析出钙的原因

混凝土中存在渗水与孔隙水的化学侵蚀作用是析出钙的原因。在施工过程中混凝土都残留有天然的孔隙，在浇筑、振捣的过程中产生的孔隙为施工孔隙，其直径较大，渗水性更强。另一种孔隙一般在混凝土硬化过程中产生，称为结构孔隙，主要由混凝土的配合比确定，有胶孔、毛细孔、沉降孔和接触孔等。其中胶孔对混凝土渗透性无影响、毛细孔为无害或少害孔、沉降孔和接触孔属于少害或有害孔，直径比毛细孔大，孔隙通常是连通的，是混凝土渗水的主要原因。施工孔隙如横径水库输水廊道现浇直墙与预制顶拱之间填缝受施工条件和当时施工技术水平限制，不可避免地存在，运行过程中，直墙与预制拱及预制拱之间施工缝普遍出现渗水及白色钙化析出物。

混凝土中的连通孔隙和裂隙形成渗流通道，是混凝土中产生渗流的重要条件。输水廊道的混凝土主要材料是水泥和砂石骨料，其中水泥与水混合发生水化反应，生成含水化硅酸钙(xCaO·SiO2·yH2O)、水化铝酸钙(xCaO·Al2O3·yH2O)、水化铁酸钙(xCaO·Fe2O3·yH2O)与氢氧化钙(Ca(OH)2)四种化合物的水泥石，将骨料、掺和料和钢筋包裹黏结在一起形成具有一定强度、密度、质量的钢筋混凝土体。

水泥石的水化物中Ca(OH)2溶解度最大，在淡水中会首先被溶出。在静水、无压的情况下，水中Ca(OH)2浓度很快达到饱和程度，溶出作用中止，水泥石的水化物稳定。但在流动水的情况下，水流会不断地将Ca(OH)2溶出并带走。在地下水中常溶解有较多的二氧化碳(CO2)，CO2与水泥石中的Ca(OH)2作用，可生成碳酸钙(CaCO3)，CaCO3再与水中的碳酸(H2CO3)作用，生成可溶的重碳酸钙(Ca(HCO3)2)而溶失。横径水库输水廊道放置于库底，常年受地下水及有压渗流水的侵蚀，水流沿着混凝土中连通的孔隙尤其是施工孔隙将钙化物带出。渗水压力在坝轴偏向上游侧较下游侧大，钙化析出物坝轴偏向上游侧较下游侧明显增多。

2.2 其他析出物产生的原因

横径水库输水廊道的析出物中除了钙化物，还有黑色、墨绿色的其他析出物。地质勘探揭示两个水库基岩为燕山期粗粒黑云母花岗岩。黑云母花岗岩为酸性花岗岩，SiO2、Na2O、K2O含量较高，Al2O3、FexOy、MgO、CaO含量较低。

花岗岩中的一些矿物成分能够被水溶解、或能与水发生水解反应或者被酸性介质溶蚀。在有压水流的作用下，花岗岩的可溶物质被溶解带出，有时将岩石中的小颗粒冲走。随水流溶出的介质以离子或胶体的形式存在于水中，与空气接触后发生氧化反应并产生析出物。因此在输水廊道析出物中也有岩石溶蚀析出的成分。

酸性花岗岩富含Si、Al等元素，同时还含有一定量的Na、K、Ca、Mg等金属元素，主要以盐类与氧化物的矿物成分存在。酸性花岗石发生风化或者水解反应后，主要生成SiO2胶体粒子以及钾和钠盐类离子。在弱酸性水(含有游离态CO2)的环境中，正长石中的矿物成分与游离态CO2发生水解反应后，生成胶体状的Al2O3、SiO2以及可进一步水解的弱碱弱酸盐类和易溶的钾盐。上述矿物水解产物中的可溶物质如胶体、离子等在渗透水流的作用下以溶液的形式渗出输水廊道。其中的SiO2胶体与氧气发生反应后以沉淀析出，而钾、钠离子仍保留在溶液中，一些溶液渗出廊道壁后发生化学反应析出氢氧化物。花岗岩中Fe和Mg元素与水发生反应后生成Fe的化合物，主要为氢氧化物以及SiO2、钠钾盐类等。环境中化学因素是影响Fe、Mn元素迁移与富集的主要原因，在还原环境中，铁、锰化合物易于活化，以低价态迁移，在氧化环境中以高价态形成沉淀，在pH值大于7的环境中，Fe多以胶体形态迁移。

除了岩石溶蚀析出物外，在地下水中，常含有较多的镁盐，一般以氯化镁、硫酸镁形态存在。镁盐与水泥石中的氢氧化钙起置换作用，生成松软且胶凝性不高的氢氧化镁。

3 析出物产生的危害

3.1 析出钙产生的危害

混凝土中钙被长期溶解渗滤出来，使混凝土结构疏松，密度下降，强度降低或者体积膨胀，导致混凝土中产生内应力而引起破坏。钙质析出，必然使混凝土的强度、密度、防渗等性能受到严重影响，使混凝土的质量下降和功能丧失，最终危害水工建筑物及大坝的安全。

a.混凝土强度降低。随着钙化物的不断析出，一方面使混凝土结构变得松散、孔隙增多甚至出现空洞，引起密度和强度下降，另一方面加速其内部水的渗透，进而加速钙化物的溶解析出，加速其强度降低，虽然混凝土在湿润环境下强度会随时间的增长而缓慢增大，在一定程度上抵消了部分或全部由钙化物流失所造成的混凝土强度降低。但是随着时间的推移，混凝土常年被侵蚀，在渗透水的加速作用下，混凝土强度逐年降低，对其结构安全的危害不容忽视。

b.对混凝土内钢筋的危害。钙的流失一方面会使混凝土的组成及结构发生变化，使混凝土的碱度降低，破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋脱钝易于锈蚀；另一方面会引起混凝土孔隙过大、膨胀，导致表面形成细微裂缝。若有空气和水分进入，钢筋表面即发生电化学作用，由铁变成氧化铁，其体积会膨胀几倍，挤压其外侧混凝土并使之产生垂直于径向胀压力的拉应力，拉应力超过混凝土的承载能力就将在混凝土保护层上产生沿钢筋的纵向裂缝。裂缝出现后，外面的水、气(氧)可沿缝渗入并进一步加速腐蚀，使混凝土裂缝增宽、延长，甚至使混凝土保护层大片崩落。钢筋锈蚀使其屈服强度下降，钢筋截面减小使钢筋强度降低，造成使混凝土膨胀开裂，混凝土截面受损，降低结构安全的可靠度。另外混凝土开裂造成混凝土对钢筋握裹力下降，使钢筋的强度不能充分发挥，影响混凝土结构安全。

c.对坝基整体性的影响。输水廊道位于坝基上，通过灌浆使输水廊道、坝基、坝体黏结为整体。当输水廊道钙质析出后，混凝土孔隙增大，结构松散，使坝基渗漏增大，进一步加速钙质的析出，造成输水廊道与坝基之间孔隙增大，黏结力减小，影响输水廊道与坝基的整体性，对大坝和输水廊道的结构安全产生不利影响。

d.对水库兴利的影响。大坝的作用是拦蓄河水，实现灌溉、供水、发电等功能，使水资源充分开发，对国民经济的发展建设起到重要作用。在水库大坝运行过程中，混凝土中的钙质不断被溶解带走，使其孔隙随着物质的流失不断扩大，水库通过输水廊道、坝基的渗流量逐年增大，水库水量损失逐年增大。同时入库天然来水中夹带大量泥沙，流入水库后流速骤然减小，搬运能力下降，造成库区泥沙淤积。坝前泥沙淤积量逐年增加，使水库的库容逐年减小，水库渗漏逐年增大，使水库蓄水能力逐年下降，水库的经济效益逐年减小。

3.2 其他析出物产生的危害

廊道析出物中有Al2O3、SiO2以及Fe、Mg元素等析出物，说明坝基岩石及廊道混凝土受到风化、水解并产生一定程度的溶出。这标志着坝基岩石及混凝土受到一定程度的溶蚀破坏，会造成内部孔隙增大，使渗透加剧、强度降低，降低坝基的承载力和混凝土的耐久性，影响输水建筑及大坝的结构安全。

4 析出物对横径水库输水廊道的影响

4.1 输水廊道现场检查成果

横径水库输水廊道全长84.2m，现场检查发现钢管沿程表面锈蚀较严重，廊道直墙与顶拱施工缝有开裂、水痕、析白浆、渗水等不良现象。坝轴偏向上游约11～19m段有黑色及墨绿色析出物及连续、量小的渗水，中间为黑色、墨绿色析出物，上部两边有白浆，此段坝体内渗透压力水头较高，渗透压力较大，混凝土钙质析出后，其内部孔隙增多、增大，孔隙连通后坝基岩石可溶性成分被溶解析出，廊道全段施工缝均有析白浆。廊道检查情况表1。

表1 廊道检查情况

4.2 水质分析成果

在坝顶接近廊道的位置钻孔进行注水试验和压水试验，对钻孔及库内取水样进行水质分析，其成果见表2。

表2 水质分析成果

4.3 钻孔岩芯及压水试验

钻孔岩芯揭示坝基为强至中风化花岗岩，节理裂隙发育，上部岩石较破碎，下部岩石较完整呈短柱状。钻孔未发现明显孔洞等异常，说明析出物对坝基岩石没有造成明显的溶蚀空洞和裂隙。压水试验情况表明坝基段为弱至微透水，因此，坝基没有因析出物的产生而导致渗透增强的现象。

4.4 廊道混凝土试验成果

施工期间廊道原材料质量抽检试验全部合格，C25混凝土单轴抗压强度试验送检试件10组，最小值为28.8MPa，平均值为36.0MPa，试件指标都有所提高，说明钙质析出还未对廊道造成大的不利影响。

4.5 析出物来源分析

a.检查时发现廊道内渗水孔有泥沙出现，说明廊道局部位置或者与坝基接触面中存在贯通廊道或坝基的裂缝。

b.廊道壁及顶拱有白色钙质析出物，主要来源于廊道混凝土以及廊道与基岩灌浆体中的水泥石。

c.黑色、墨绿色胶体状析出物，主要为非晶质铁，分析认为来源于坝基岩石中的铁质成分。

d.析出物中SiO2主要来源于廊道混凝土或廊道与基岩之间灌浆体中的水泥石，或是坝基岩石中的成分。

5 结 语

通过水质分析，钻孔岩芯、压水试验及混凝土抗压试验成果分析揭示，横径水库廊道析出物来源于廊道混凝土、灌浆体水泥石及坝基析出物。析出物的产生说明输水廊道及坝基岩石受到一定程度的溶蚀破坏，但是钻孔揭示坝基没有溶蚀孔洞和渗透增强的现象，廊道混凝土抗压强度未降低。横径水库输水廊道虽然出现析出物渗水等不良现象，但混凝土强度随时间增强的性质抵消了析出物流失的影响。虽然输水廊道目前没有明显的缺陷，对大坝安全暂不构成威胁，但在今后运行中应加强巡查，及时发现问题及时处理，对贯通裂缝应进行灌浆处理，防止其扩大，保证输水廊道和大坝的安全运行。

析出物是在渗透水流的作用下产生的，对均质土坝而言，水库蓄水后必然发生渗透水流，由于坝体压实密度、混凝土振捣密实度、灌浆密实度、坝基岩石完整性以及混凝土与灌浆体及基岩的结合紧密性的不同，渗流量的大小不一。析出物带来的不利影响的严重程度与坝体渗流大小有关，也与渗流水的化学成分、混凝土及坝基岩石的化学成分有关。因此，今后应进一步监测廊道混凝土、坝体及坝基的渗流量，渗透关联性、密度、强度、弹性模量、超声波速及化学成分等的变化，综合评价析出物产生的不利影响。

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Analysis on influence of earth dam culvert precipitates

LU Xueping

(GuangdongWaterResourcesandHydropowerScientificResearchInstitute,Guangzhou510635,China)

Hengjing Reservoir is adopted as an example for describing the generation reasons and harms of culvert precipitates in this paper. Precipitation conditions of precipitates are combined for analyzing the source and influence of precipitates generation through water quality analysis, dam foundation rock core and culvert concrete test.

culvert; precipitates; dam foundation; harms

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.10.018

TV672

A

1673-8241(2015)10-0061-05