和川水库大坝廊道碳酸钙沉淀成因分析

（山西省水文水资源勘测局 山西太原030001）

1 项目背景

山西省引沁入汾和川引水枢纽工程地处临汾市安泽县和川镇岭南村东的沁河干流上。和川引水枢纽工程坝址控制流域面积2 653 km2，水库总库容1 756 万m3。和川水库大坝由挡水坝段、泄洪排沙底孔坝段组成。大坝为浆砌石及混凝土重力坝，坝顶全长235 m，最大坝高27 m。大坝共分为11 个坝段，自左向右依次为左岸浆砌石挡水坝段（1#～3#坝段）、泄洪排沙底孔坝段（4#～6# 坝段）及右岸混凝土挡水坝段（7#～11#坝段），大坝总体布置详见图1。

和川水库于2010年完工，随着水库蓄水投入使用，在排水廊道内随着坝基排水出现白色沉淀物，虽然经过历年多次清理，沉淀物并未减少。2017年6月水库管理局委托太原理工大学进行研究，确定白色沉淀物为碳酸钙，但其成因一直未能查明。为了保证大坝安全运行，水库管理局安排坝体取样、水化学分析等方法，进一步分析碳酸钙沉淀的成因，为下一步处理提供资料。

2 析出物特征分析

2.1 析出物表观特征及取样

和川水库排水廊道内析出物分布较为广泛，在不同部位坝段均有出现，但在不同的部位数量差别较大。析出沉淀最集中的部位在3 坝段排水廊道陡坡处，从坡顶到坡底大面积分布，历经三次清理，每次的厚度可达30 cm，估算沉淀量在10 t 左右，廊道局部地段排水沟接近填满；另外在个别排水孔口周边以及排水管附近的廊道侧壁上也有少量的沉淀存在。总体上表现为与坝基渗水量成正比，左岸坝段沉淀量远大于右岸坝段。

图1 大坝总体布置、廊道、钻孔及水质检测取样点位置图

析出物呈现以白色为主，局部部位夹米黄色，此类析出物分布最为广泛。3 坝段陡坡处析出物以白色为主，堆积体为蓬松、疏散状；廊道侧壁排水管处的夹米黄色，质地较坚硬。详见图2。

图2 廊道内沉淀物

2.2 析出物化学组分分析

2017年6月，山西省和川水库引水枢纽工程建设管理局委托太原理工大学对廊道白色析出物的成分进行了分析研究。通过对两个样品的X 射线表征图谱分析、TG-DTA 表征图谱分析、FI-IR 表征图谱分析、N2吸附表征图谱分析、SEM 表征电镜图分析等得出结论：和川水库廊道白色析出为碳酸钙，且廊道内水样中的Ca2+浓度也明显增大，而其具体成因则需要进一步的系统研究。

3 廊道渗漏水水质分析

3.1 水样采集与检测

为分析和川水库大坝排水廊道析出碳酸钙沉淀的成因提供水化学资料，从大坝排水廊道、库区、大坝下游等处分别采取了14 组水样（取样点位置见图1），委托山西省水环境监测中心临汾分中心进行水质分析，检测的项目包括pH 值、矿化度、碳酸盐、重碳酸盐、总碱度、氯化物、硫酸盐、总硬度、钾离子、钠离子、钙离子、镁离子等12 个指标。

3.2 水化学特征分析

从水质分析结果看，和川水库库区、大坝排水廊道渗透水、大坝下游水体阴离子以重碳酸盐为主、阳离子以钙离子为主。

3.3 溶液饱和指数计算

饱和指数是由理论推导得到的一个指数，可以预测水中碳酸钙发生沉淀或者发生溶解的倾向。

碳酸盐溶液在存在下列动态平衡。

1）Ca（HCO3）2=Ca2++2HCO3-

2）HCO3-=H++CO32-

3）CaCO3=Ca2++CO32-

当碳酸钙呈饱和时，各反应平衡，重碳酸钙既不分解成碳酸钙，碳酸钙也不会继续溶解，此时水中的pH 值称为该水的饱和pH 值，以pHs 表示，并以水的实际pH 和其pHs 的差值来判断水垢的析出。此差值称为饱和指数，以L.S.I.表示。

L.S.I.=pH-pHs>0 结垢；

L.S.I.=pH-pHs=0 不腐蚀不结垢；

L.S.I.=pH-pHs<0 腐蚀。

pHs=（9.70+A+B）-（C+D）

式中A—溶解性总固体、B—温度系数、C—钙的硬度系数、D—M—碱度系数，可查表1获得。

计算结果表明，所取14 个水样的饱和指数均大于0，为结垢状态，详见表2。

4 钻孔取样情况

为了解大坝坝体是否有溶蚀现象，在白色沉淀物较突出的2 坝段、3 坝段廊道内对坝体及坝基进行钻孔检查。钻孔位置见图1、钻孔基本情况见表3。

三个钻孔分别穿过了坝体混凝土层、浆砌石、混凝土垫层、坝基岩石等层位，取出的岩芯结构完整、密实，均没有发现溶蚀现象，说明该部位出现的大量碳酸钙沉淀来自坝体材料溶蚀的可能性极小。

表1 饱和指数计算参数表

5 析出碳酸钙成因分析

和川水库大坝廊道碳酸钙沉淀发生在大坝排水廊道内，该排水廊道位于大坝内部，位于不同的高程，其平面、垂直两个方向上存在竖井、陡坡以及多处拐角，形态比较复杂，形成了较封闭的空间，通过对廊道内不同位置温度、湿度的测量，廊道内不同的部位其温度、湿度有较大的变化，数据表明，碳酸钙沉淀发生最突出的3 坝段无论是温度还是湿度都是廊道内最高的地方。详见表4。

和川水库大坝1-3 坝段为浆砌石外包混凝土坝体，相对其它坝段坝体的渗透性较强，观测数据表明，3 坝段的渗水量大于其它坝段，但其绝对量属于极微小水量，渗透水在排水孔溢出后，沿廊道一侧的排水沟流向集水坑，或沿廊道底板陡坡以极薄的水层流向廊道中部的集水坑，客观上形成了促进碳酸钙沉淀的薄膜效应。大坝右岸挡水坝段廊道侧壁或顶部排水孔形成碳酸钙沉淀，同样符合薄膜效应。

研究资料表明，地表水在低速流动时由于地形变化导致流速发生突变时候，其中国的CO2在顺流方向流速较大的地方逸出更为快速，因而碳酸钙发生沉积，而在背流方向流速低的地方，碳酸钙沉积相比要少，最终形成差异性沉积的现象。和川水库大坝廊道大量的碳酸钙沉淀发生在三坝段廊道陡坡处，符合钙华形成的水动力效应。

表2 水样饱和指数计算结果

表3 钻孔基本情况统计表

表4 和川水库大坝排水廊道温度、湿度观测数据汇总表

6 结论

根据太原理工大学的分析成果，和川水库大坝排水廓道内形成的白色沉淀物质为碳酸钙，又称钙华或石灰华，是含碳酸氢钙的地下水在地表出露以后，因二氧化碳逸出形成碳酸钙沉淀。

通过对大坝左岸挡水坝段三个钻孔取出的坝体混凝土、砂浆、浆砌石，以及坝基岩体钻芯仔细观察，没有发现岩芯出现溶蚀现象。

和川水库环境水质分析结果计算的饱和指数均大于1，具备碳酸钙沉淀条件。根据大坝排水廊道内出现的白色碳酸钙沉淀的分布位置、规律、数量与水化学分析结果及环境条件表现为相对封闭、湿热、薄层水等特点，与钙华形成的条件有一定的符合性，基本可以判定该碳酸钙沉淀是周围环境中的水在适宜的条件下析出形成，而不是坝体遭到腐蚀，对坝体安全的影响较小。

控制和川水库大坝排水廊道内碳酸钙沉淀的方法可以通过改善廊道通风条件，减小廊道内的湿度和温度等措施，抑制碳酸钙沉淀的形成。