间歇性运行供水隧洞溶蚀与侵入物特征及其成因分析

袁明道，谭 彩，兰建洪，周 瑾，史永胜，张旭辉，徐云乾

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510610；2.深圳市东部水源管理中心，广东 深圳 518172)

引调水工程是解决我国水资源分布不均的主要措施，供水隧洞是引调水工程的重要组成部分[1-3]。为保障重点区域或城市供水，应急备用供水工程逐渐兴建，该类工程常年处于间歇性运行状态，间歇性运行供水隧洞溶蚀与侵入是评估隧洞安全性态的重要依据。

溶蚀是水工混凝土工程中常见的病害，根据水压力的不同可分为接触溶蚀和渗透溶蚀[4- 6]。通常供水隧洞主要为接触溶蚀，然而间歇性运行供水隧洞由于常年处于空管状态，内外水压力差较大，易在隧洞衬砌裂缝等位置发生渗透溶蚀。目前渗透溶蚀研究主要集中于混凝土坝，尤其是碾压混凝土坝。胡江等[7]对国内外混凝土坝的渗透溶蚀进行了概述，并归纳了其物理力学参数的空间变异规律；孔祥芝等[8]对采用直接剪切试验研究了渗透溶蚀下碾压混凝土层面抗剪强度衰减规律；胡明玉等[9]采取实地调研、溶蚀物成分分析、水样分析等手段对江西省35座混凝土坝溶蚀特性进行了系统研究，结果表明大坝溶蚀析出物主要成分均为CaCO3，其形成原因为Ca(OH)2在低碱度环境水下溶出并与CO2反应；张志敏等[10]对某碾压水泥混凝土坝坝体廊道白色析出物进行检测，其成分主要为CaCO3。

土体沿裂缝、接缝侵入，引起隧洞脱空，是导致隧洞结构坍塌性破坏的主要因素。郑刚等[11-12]基于模型试验与数值模拟系统的开展了隧洞工程漏水漏砂灾害发展过程研究，隧洞事故成灾历程普遍为隧洞纵向变形过大产生环向裂缝，使得横向受力恶化产生纵向裂缝，导致水土大量流失，从而导致隧洞破坏。路平等[13]采用自主设计的盾构隧洞渗漏模型装置，研究了水下盾构隧洞接缝渗漏规律。

为保障供水，通常供水隧洞难以停水检修，目前尚未见关于供水隧洞溶蚀与侵入物特征研究的报导。本文采用现场调查、取样测试研究了间歇性运行供水隧洞溶蚀与侵入物分布特征、粒度特征、组分特征和细观结构特征，并对溶蚀与侵入物的成因进行了分析。

1 工程概况

某间歇性运行供水隧洞全长4.27 km，隧洞工程地质纵剖面见图1。隧洞断面采用城门洞型，供水断面尺寸2.50 m×2.70 m(宽×高)，直墙段高1.45 m，顶拱中心夹角180°，直墙与底板混凝土采用倒圆角处理，倒圆直径为0.50 m。隧洞进口底板高程66.00 m，出口底高程63.90 m，隧洞沿洞轴线保持同一坡度，纵坡坡度1/2 000，设计流量4.63 m3/s。

图1 隧洞工程地质纵剖面

处于Ⅱ、Ⅲ类围岩段隧洞长约3.02 km，Ⅳ、Ⅴ类围岩段隧洞长约1.25 km。支护结构形式为初期支护和二次衬砌组成的复合式衬砌，初期支护采用喷混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架等方式，二次衬砌为模注钢筋混凝土，厚300～500 mm。

2 溶蚀与侵入物特征分析

2.1 分布特征

为便于检查和记录，隧洞现场检查以50 m洞段为一个工作单元，检查所采用桩号为隧洞内部标注的桩号，进口桩号K0+000，出口桩号K4+270。隧洞衬砌混凝土外表面未发现大面积蜂窝、麻面、掉皮、起砂、钢筋外露和坍塌现象，主要问题为裂缝、溶蚀、渗水和土体侵入。

检查发现隧洞衬砌混凝土裂缝共843条，其中纵向裂缝25条，环向裂缝818条。纵向裂缝长度均小于5 m，环向裂缝有288条长度大于等于5 m，其中延伸到底板裂缝61条。桩号K0+100～K0+150、K0+300～K0+350、K0+550～K0+650、K0+700～K0+750、K2+650～K2+850五段裂缝尤为集中。分析裂缝成因主要为水对微裂缝的渗压导致的微裂纹扩展以及水荷载作用导致的隧洞变形过大，隧洞纵向变形过大产生环向裂缝，使得横向受力恶化产生纵向裂缝[11, 14]。大部分裂缝溶蚀病害明显，溶出物多为白色，局部可见溶出物形成石钟乳。

检查发现渗水182处，其中75处存在侵入现象。桩号K0+050～K0+850、K1+750～K2+600、K2+700～K2+750、K3+600～K4+000段隧洞裂缝渗水、侵入病害较为严重。

2.2 粒度特征

某间歇性运行供水隧洞典型溶蚀与侵入物主要有3种，如图3所示。由于隧洞洞线较长，且各部分溶蚀与侵入物表观特征基本一致，为减少工作量，仅在裂缝集中K0+300～K0+350和K2+650～K2+850处取典型溶蚀与侵入物进行试验，分别编号为S1、S2和S3。其中，S1为隧洞溶蚀物，S2和S3主要为隧洞侵入物，S2为隧洞砂质侵入物且其中混有少量隧洞溶蚀物，S3为泥质侵入物。K0+300～K0+350围岩类别主要为Ⅳ类和Ⅴ类，埋深27～33 m。K2+650～K2+850主要为Ⅲ类和Ⅳ类围岩，埋深115～160 m。S1呈白色，肉眼可见表面有白色细小晶体颗粒，锤击声哑有凹痕，浸水后手可掰开；S2呈黄白色，锤击有较深凹痕，手捏砂感显著，用力可捏散；S3呈棕黄色，结构松散，土质很轻，干缩现象非常显著，轻微扰动表面有水析出。

将取回的典型溶蚀与侵入物样品置于烘箱内恒温烘24h，烘箱温度设定为104 ℃，将烘干的样品用木碾碾散后进行颗粒分析试验，其中S1和S2采用筛分法，S3采用比重计法。典型溶蚀与侵入物颗粒组成如表1所示。从表1可知，S1样品粒径主要集中在0.5～0.075 mm，S2样品以砂颗粒为主，粒径主要集中在2～0.25 mm，S3样品由粉粒和黏粒组成，粒径均小于0.075 mm。

表1 典型溶蚀与侵入物颗粒组成 %

2.3 组分特征

采用能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer， EDS)对典型溶蚀与侵入物样品微区成分元素进行分析，结果如表2所示。从表2可知，S1样品元素主要为Ca、O和C，占比99.16%；S2样品元素主要为Ca、O和Si，占比96.08%；S3样品元素主要为Fe、O和Si，占比96.09%。

表2 典型溶蚀与侵入物元素组成 %

采用X射线衍射(X-ray diffraction， XRD)对典型溶蚀与侵入物样品进行晶体结构分析，XRD衍射图谱如图2所示。从图2可知，S1样品在衍射角2θ=22°～58°间显示多重衍射峰，其中在22°～24°，29°～30°，35°～36°，39°～40°，43°～44°，46°～50°和56°～58°等位置出现特征衍射强峰，说明S1样品主要成分为CaCO3。S2样品与S1样品类似，其主要差异为S2样品在26°～27°出现特征衍射强峰，说明S2样品主要成分为CaCO3和SiO2。S3样品无特征衍射强峰，未能分析其中的晶体结构，其主要原因为S3样品主要为有机物，非晶相排列无规律，无法产生特征衍射加强峰。

图2 典型溶蚀与侵入物XRD衍射图谱

2.4 细观结构特征

采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope， SEM)对典型溶蚀与侵入物样品进行微观形貌和结构构造分析，SEM扫描图像如图3所示。从图3可知，S1样品主要由不规则的方形碳酸钙晶体堆积而成，大小介于5～20 μm，晶体结构堆积较为紧密，故其强度相对较高。S2样品碳酸钙主要附着在砂颗粒表面以及砂颗粒间的接触点上，大小介于1～4 μm，其分布较为分散，故其虽能对侵入的砂颗粒起一定的胶结作用，但其形成的胶结体强度较低，可直接用手捏散。S3样品呈絮凝型结构，针状或片状黏粒搭接成架室结构，长度介于5～10 μm，孔隙较大，结构不稳定，宏观表现为强度低且对扰动比较敏感。

图3 典型溶蚀与侵入物SEM图

3 溶蚀与侵入物成因分析

3.1 溶蚀物成因分析

表3 水样分析结果

Ca(OH)2+H2O+CO2→CaCO3↓+2H2O

(1)

CaCO3+H2O+CO2→Ca(HCO3)2

(2)

Ca(HCO3)2不稳定，在供水隧洞分缝或裂缝处流速和压力突变下又会分解[14]，即

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+H2O+CO2↑

(3)

生成的CO2逸去，水中的CaCO3过饱和沉淀，在隧洞侧墙部位形成以分缝、裂缝为中心向外向下生长的白色晶状物体，在拱顶部位形成从分缝、裂缝口沿重力方向的白色石钟乳。

3.2 侵入物成因分析

隧洞区域属典型低山丘陵区地貌，地形被5个主要冲沟所切割，隧洞沿线地面高程60～200 m，隧洞埋深12～137 m。隧洞地层以残坡积及风化岩为主，冲洪积地层不发育，有少部分人工填土，主要分布于几个冲沟的表层。隧洞前段(K0+000～K1+600)为燕山三期花岗岩，全-微风化，岩性为细、中粒黑云母花岗岩，基岩抗风化较强，隧洞围岩多为弱、微风化岩，隧洞进口及洞身局部少量为全-强风化岩，岩石坚硬。隧洞后段(K1+600～K4+273)为下侏罗统金鸡组下段，全弱风化，岩性为粉砂岩、泥质岩、长石石英砂岩等，由于其抗风化能力相对较弱，因此沟谷切割较花岗岩区的沟谷更深，隧洞在沟谷处多遇全-强风化砂岩，特别是在枫树窝冲沟，由于冲沟切割深，部分隧洞出露于地表。

供水隧洞接缝、裂缝宽度大于临界侵入张开量时，隧洞接缝、裂缝外的全风化、强风化围岩或软弱夹层中的细小颗粒随渗(漏)水逐步侵入隧洞内。砂质侵入物(S2)由于其主要由砂颗粒主成，粒径相对较大，侵入相对困难，故其侵入量明显少于泥质侵入物(S3)。砂质侵入物由于其粒径相对较大，在供水隧洞分缝或裂缝处流速和压力突降，砂颗粒可能停留在分缝或裂缝位置，并为隧洞溶蚀产生的CaCO3胶结，形成从供水隧洞分缝、裂缝口沿重力方向逐渐扩大的侵入体。泥质侵入物由于其粒径小，即便供水隧洞分缝或裂缝处流速和压力降低，仍被水携带至隧洞地面，由于水体在隧洞内流速较慢，泥质侵入物逐渐沉积，在分缝、裂缝口下方形成向供水隧洞下游扩张的侵入体。

4 结 论

(1)间歇性运行供水隧洞溶蚀与侵入主要发生在裂缝处，溶蚀物主要为碳酸钙，侵入物主要为砂和细粒，其中侵入的砂通常被溶蚀的碳酸钙所胶结。

(2)溶蚀物酸钙晶体堆积较为紧密，其强度相对较高，砂质侵入物碳酸钙晶体主要呈点状附着于砂颗粒表面，砂颗粒间的接触点上其强度相对较低，泥质侵入物为黏粒搭接成絮凝型结构，结构稳定性差，其强度低且对扰动比较敏感。

(3)软水环境易导致混凝土中钙离子溶出并在供水隧洞分缝或裂缝处沉淀；侵入物的主要成因为隧洞外细小颗粒随渗(漏)水侵入隧洞内并逐步沉积。

限于试验手段和现场条件，间歇性运行供水隧洞溶蚀与侵入物成因分析主要以半定量和定性分析为主，建议开展相应的模型试验，定量的分析其形成机理。