黄河大峡水电站硫酸盐侵蚀分析研究

李志敏，董开松，沈渭程，郑翔宇，赵 耀，张 赛（国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州，730050）



黄河大峡水电站硫酸盐侵蚀分析研究

李志敏，董开松，沈渭程，郑翔宇，赵 耀，张 赛
（国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州，730050）

对大峡水电站硫酸盐分布规律及侵蚀类型进行了全面分析，通过钻芯取样检测分析，说明坝基处理符合设计要求，建基面混凝土密实性较好、抗渗较好、强度较高，未受到硫酸盐侵蚀。

建基面混凝土；硫酸盐侵蚀；分析研究

1　概述

大峡水电站位于兰州市下游65 km处的黄河干流上，距白银市35 km。电站装机容量324.5 MW，水库总库容9 000万m3。枢纽从左至右依次布置溢洪道、左岸重力坝、泄水底孔坝段、河床式厂房和右岸重力坝等，坝顶全长258 m，坝顶高程1 482.00 m，最大坝高72 m。枢纽为二等工程，大坝等主要建筑物为2级，按重现期100年洪水设计，重现期1 000年洪水校核。坝址控制流域面积22.78万km2，水库正常蓄水位1 480 m，设计洪水位1 474.00 m，校核洪水位1 477.85 m。电站于1991年10月开工，1996 年12月首台机组发电，1998年8月通过竣工安全鉴定，2006年7月完成了首次定期检查，2012年完成第二次定期检查。

厂房坝段内从左至右布置有1～4号四台轴流式水轮发电机组和下部帷幕灌浆廊道；右岸坝段布置有副厂房及平行于坝轴线的1 459.5 m和1 423.5 m高程帷幕灌浆廊道，1 423.5 m高程帷幕灌浆廊道与机组的帷幕灌浆廊道连通。

2　硫酸盐对电站的侵蚀分析研究

2.1硫酸根盐离子分布情况

从1999年开始，电厂每季度对各水质取样点均进行水质化学分析，取样地点包括：溢洪道、底孔、1～4号机组的帷幕灌浆廊道排水孔、库区、尾水、左岸绕坝渗流孔和右岸绕坝渗流孔。电站的环境水腐蚀主要表现为硫酸盐腐蚀，对水质分析资料进行整理后发现，多年来大峡水电站硫酸根盐离子的分布规律为：右岸最高，最大值为7341.576mg/L，最小值为414.720mg/L，多年平均值为4662.311mg/L；左岸次之，最大值为4 064.592 mg/L，最小值为581.10 mg/L，多年平均值为2 164.818 mg/L；河床坝段最小，最大值为1 672.56 mg/L，最小值为151.540 mg/L，多年平均值为697.766 mg/L，总体分布情况详见图1。

2.2硫酸根离子对电站的腐蚀类型

GB 50287-2006《水力发电工程地质勘察规范》中，就环境水对混凝土的腐蚀评价做了具体规定，详见表1。

从表中可以看出，环境水对电站的腐蚀主要在右岸，为结晶类的强硫酸盐型腐蚀。

2.3施工采用混凝土材料情况

查阅设计、施工资料得知，各廊道混凝土的设计抗压强度为R28200号混凝土（相当于新标号C20），抗渗标号为S8，抗冻标号均为D50。采用的水泥为永登大坝525号中热水泥、西固电厂Ⅲ级粉煤灰、小诃子滩料场砂石料及CNF外加剂。施工前西北院对砂石料进行了活性骨料鉴定试验、水泥抗硫酸盐侵蚀试验，结论为：小诃子滩料场骨料为非活性骨料；永登大坝525号水泥属中热水泥，7 d水化热268 RJ/kg，525号中热水泥+20%粉煤灰，1月、3月、6月和9月的抗蚀系数分别为0.89、0.94、0.87 和0.91，抗蚀性较好，亦具有SO42-3 000 mg/L含量以下抗侵蚀能力。施工前与施工期间，设计和施工单位多次做过水泥矿物成分、细度、初凝时间、终凝时间、水化热、抗折与抗压强度试验，均符合国家标准。

图1　不同取样位置SO42-历年分布图Fig.1 Distribution of SO42-at different sampling positions over the years

表1　环境水腐蚀判定标准Table 1 Criterion of environmental water corrosion

2.4混凝土碳化深度与强度检测

2.4.1混凝土碳化深度检测

大峡大坝在右岸1 462.5 m、1 459.5 m、1 423.5 m三个不同高程设置三个廊道，对各廊道混凝土的碳化深度进行了较全面的检测，检测结果见表2。

表2　碳化深度检测表Table 2 Test results of carbonization depth

由表2可见：廊道混凝土碳化深度最大值为24 mm，在1 459.5 m高程廊道的帷幕后；廊道混凝土碳化深度最小值为4.5 mm，在1 423.5 m高程廊道的帷幕前；从现场总体情况看，混凝土表面湿润和析出物覆盖区碳化深度大，干燥区碳化深度较小。

2.4.2混凝土强度检测

2.4.2.1回弹检测

对右岸三个不同高程的廊道从廊道进口开始，按左右两侧，每隔5 m设上、下两个回弹区，上回弹区距离地面约1.5 m，下回弹区距离地面约0.5 m；中间遇到析出物覆盖区时，在覆盖区上加测上、下两个回弹区；竖井从顶部第一层开始，每层设一个回弹区；每个回弹区设16个回弹点，按规范要求进行混凝土抗压强度计算。

1 462.5 m高程廊道共设66个回弹区，检测了1 056个回弹点，其中有11个区的混凝土强度小于设计强度C20，占整个回弹区的16.7%，竖井共设14个回弹区，混凝土强度全部大于设计强度；1 459.5 m高程廊道共设37个回弹区，检测了592个回弹点，其中有14个区的混凝土强度小于设计强度C20，占整个回弹区的37.8%，主要位于埋藏于山体内的0～20 m段；1 423.5 m高程廊道共设73个回弹区，检测了1 168个回弹点，有1个区的混凝土强度小于设计强度C20。

从整体看，1 423.5 m高程廊道混凝土表面强度整体最好，基本能满足设计要求；1 459.5 m高程廊道混凝土表面强度整体最差，有超过1/3的混凝土表面强度不满足设计要求。

2.4.2.2钻芯取样检测

（1）廊道边墙混凝土强度检测：由于回弹法检测混凝土强度存在较大的偏差，为了更准确地反映混凝土实际强度，分别在1 462.5 m、1 459.5 m 和1 423.5 m高程廊道边墙渗水严重及析出物严重覆盖的区域上各取一处混凝土芯样进行抗压强度检测。为了判别混凝土与岩石结合面的水质侵蚀情况，取芯时将浇筑的混凝土钻通后再向岩石钻进约10 cm，将混凝土芯样和岩石芯样同时取出，以判别混凝土与岩石结合面的水质侵蚀情况。依据DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》对混凝土芯样进行抗压强度检测。取芯情况及芯样抗压强度检测情况见表3。

从表3可以看出：选取的三层廊道边墙渗水析出物明显的部位，所取芯样混凝土密实度较好，抗压强度最大值37.2 MPa，最小值29.5 MPa，平均值34.4 MPa，均超过设计强度（C20），且混凝土与岩石结合面很干，无水质侵蚀痕迹，验证了廊道混凝土施工采用混凝土材料抗腐蚀性能较高，岩石接触面混凝土未受到硫酸盐侵蚀。

（2）建基面混凝土强度检测：为了进一步分析坝基接触面的侵蚀情况，在1 423.5 m高程基础廊道帷幕附近选择硫酸根离子含量较高部位钻取芯样，原计划钻取三个芯样，即4号机坝段、右副坝Ⅰ坝段、右副坝Ⅱ坝段各一个。在钻取芯样的过程中，4号机坝段、右副坝Ⅱ坝段的芯样混凝土与基岩接触部位钻取的岩芯长度均能满足试验要求，但右副坝Ⅰ坝段第一次钻取的芯样混凝土与基岩接触部位钻取的芯样长度不能满足试验要求，且混凝土浇筑质量没有其余两个坝段好。为确定右副坝Ⅰ坝段的混凝土质量，又在第一次钻取芯样位置向4号机坝段移动了20 cm重新钻取芯样，第二次钻取的芯样混凝土与基岩接触部位的岩芯长度满足试验要求。

从表中可以看出，由于所取芯样混凝土的粗细骨料分布不均，抗压强度差别较大，最大值60.5 MPa，最小值22.4 MPa，平均值38.2 MPa，均超过设计强度（C20），说明坝基混凝土未受到硫酸盐侵蚀。

表3　三层廊道边墙取芯情况及芯样抗压强度检测成果表Table 3 Core samples and their compressive strength test results at side wall of 3 galleries

2.4.3芯样化学成分分析

为进一步验证大坝建基面混凝土是否受到硫酸根离子的侵蚀，分别对4号机坝段、右副坝Ⅰ坝段、右副坝Ⅱ坝段与基岩接触部位的混凝土进行主要化学成分分析，同时为了比较整体混凝土情况，鉴于4号机坝段的混凝土较深，又专门在芯样中间位置选取混凝土质量最好的芯样进行化学成分分析。取样及样品制备情况、混凝土中砂浆的主要化学成分分析结果分别见表5、表6。

从表中可以看出，位于中间深度的5号芯样与其他4个基岩接触面芯样的化学成分差别不大，说明与基岩接触面混凝土未受到硫酸盐侵蚀，具体表现如下：

（1）混凝土原材料中化学有害物主要是SO3含量，GB 200-2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》规定，水泥中的SO3含量应不大于3.5%；按照DL/T 5144-2001《水工混凝土施工规范》的规定，砂子中可溶性SO3含量应不大于1%。从表6可以看出，5个芯样的SO3含量在2.45%～3.48%之间，满足规范要求。说明混凝土的SO3未受到环境的影响，其含量为混凝土本身固有的SO3量，环境中SO42-离子未进入混凝土中。

（2）混凝土材料的活性不仅与其化学成分有关，而且与其矿物成分和内部结构有关。一般来说，若Al2O3多而SiO2相对少，则活性较大。从表6的分析结果看，5个芯样均是Al2O3含量少，SiO2含量相对多，说明混凝土活性较小，掺合料粉煤灰的效应已得到较充分的发挥，混凝土密实，未受到SO42-离子的侵蚀。

表4　基础廊道建基面取芯情况及芯样抗压强度检测成果表Table 4 Core samples and their compressive strength test results at foundation surface of foundation gallery

（3）硫酸根侵蚀后会生成带水分子的硫酸盐，体积较原来增大很多。若混凝土密实，没有空间容纳体积增大的硫酸盐，可以限制硫酸根侵蚀的发生。

（4）通常情况下硬化的混凝土是高碱性物质，pH值＞11.5，在这种环境下，钢筋表面存在一层稳定而致密的钝化膜。钝化膜对腐蚀性的介质具有有效的隔离作用，能使钢筋得到有效的保护，混凝土也不会发生破坏。从表6的分析结果看，5个芯样的pH值在13.01～13.06之间，均大于11.5，说明目前建基面混凝土品质良好。

表5　取样及样品制备情况表Table 5 Sampling and specimen preparation

表6　混凝土中砂浆的主要化学成分分析结果表Table 6 Analysis results of main chemical composition of mortar in concrete

3　结语

（1）多年来大峡水电站SO42-的分布规律为：右岸最高，最大值为7 341.576 mg/L，多年平均值为4 662.311 mg/L；左岸次之，最大值为4 064.592 mg/L，多年平均值为2 164.818 mg/L；灌浆廊道最小，最大值为1 672.56 mg/L，多年平均值为697.766 mg/L，因此大峡水电站的硫酸盐侵蚀主要表现在右岸。

（2）从钻芯取样强度检测及取样的化学成分分析可知，廊道上游面边墙混凝土及基础混凝土均未受到硫酸盐侵蚀，说明设计及施工时采用的525号中热水泥+20%粉煤灰配合比施工，混凝土活性较小，掺和料粉煤灰的效应已得到较充分的发挥，混凝土密实未受到SO42-离子的侵蚀，抗蚀性较好，坝基处理满足要求，经过多年运行建基面混凝土完好。

［1］西北勘测设计研究院.大峡水电站设计文件［R］.西安：西北勘测设计研究院，1982.

［2］GB 50287-2006，水力发电工程地质勘察规范［S］.

［3］GB 200-2003，中热硅酸盐水泥国家标准［S］.

［4］DL/T 5144-2001，水工混凝土施工规范［S］.

［5］DL/T 5150-2001水工混凝土试验规程［S］.

［5］DL/T 5152-2001，水工混凝土水质分析试验规程［S］.

作者邮箱：lizhiminyx@163.com

Title:Analysis of sulfate attack on Daxia hydropower station on Yellow River//by

LI Zhi-min，DONG Kai-song，SHEN Wei-cheng，ZHENG Xiang-yu，ZHAO Yao and ZHANG Sai//State Grid Gansu Electric Power Research Institute

The sulfate distribution law and erosion type at Daxia hydropower station are given in this paper.By detecting and analyzing the drill core sampling，it is explained that the foundation treatment is in line with design requirements，the foundation concrete is of high compactness，impermeability and strength，and not subjected to sulfate attack.

foundation concrete；sulfate attack；analysis

TV698.2

B

1671-1092（2016）03-0033-06

2015-08-25；

2015-09-21

国网甘肃省电力公司电力科学研究院群创项目（强盐碱环境中特高压输电线路砼基础防腐，ZYXM2016004）

李志敏（1965-），女，河南荥阳人，高级工程师，长期从事大坝监测分析、水工技术监督及试验检测。