郑州市主城区浅层地下水土腐蚀性评价

2024-01-10赵迷军吉建华贺瑞霞轩吉善周子文

河南城建学院学报 2023年6期

赵迷军，吉建华，贺瑞霞，王健，轩吉善，周子文

（1.中化地质河南局集团有限公司，河南郑州 450011；2.河南城建学院土木与交通工程学院，河南平顶山 467036；3.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 211100）

随着社会经济的发展，城市建设不断向地下空间拓展，地下水土对地下空间工程的影响愈发凸显。地下水土腐蚀对钢筋混凝土结构的耐久性影响较大，可能导致钢筋混凝土结构出现裂缝、污点或混凝土盖板剥落［1－2］，不仅影响结构的美观、稳定性和安全性，还会带来经济损失。钢筋混凝土结构的腐蚀是一个长期的、随时间变化的过程，在不同的阶段会发生不同的物理化学反应，结构性能的变化也是一个渐进的动态过程［3］。

地下水土中微生物的诱导腐蚀引起了广泛的关注［4］。Stefanoni等［5］总结了碳化混凝土中钢筋的腐蚀率。Angst等［6］的研究结果对混凝土结构在侵蚀性环境下的可靠使用寿命预测至关重要。Wahab等［7］总结了微波无损检测技术及其在混凝土腐蚀性评价监测技术中的应用。Zhang等［8］对应用中子成像技术研究水泥基材料耐久性进行了综述。有些学者在地下水污染及腐蚀性方面也做了大量的工作，大多数研究成果具有很强的地域性，如对临沂［9］、银川［10］、曹妃甸［11］、天津［12］等地区地下水的腐蚀性评价。土壤相较于其他腐蚀介质，具有多样性、不均匀性、不流动性、季节性和地域性等诸多特点［13］，使得研究面临诸多困难。随着人工智能的快速发展，其在土壤腐蚀性评价中得到了广泛的应用，如Matlab人工神经网络［14］、GA－BP神经网络［15］、灰关联分析法［16］、回归分析法［17］等。

郑州作为河南省会、中原城市群核心城市、国家重要的综合交通枢纽，未来发展的潜力较大，地下工程显著增加，且主要集中在浅层含水层范围内。为了保障各地下工程、设施的长期安全使用，进行地下水土腐蚀性评价，查清郑州市浅层地下水腐蚀性条件，为地下工程的腐蚀性防治提供指导。

1 研究区概况

郑州市地处中国地理中心，为平原城市，属北温带大陆性季风气候区，干燥度指数k值小于1.5，为湿润区。本文以郑州市主城区为研究区域，面积990 km2。郑州市区地表河流分属于黄河和淮河两大水系，同时也赋存较丰富的地下水资源。根据含水层组的埋藏分布特征与含水层之间的水力联系特征，郑州市地下水含水层可细分为浅层潜水－微承压含水层（底板埋深80～100 m）、中深层承压含水层（120～350 m）、深层承压含水层（400～800 m）、超深层承压含水层埋深（800～1 500 m）。按照郑州市发展规划，预测未来一定时间内，工程建设所涉及的地层一般为埋深50～100 m，因此本次地下水土腐蚀性评价主要针对浅层潜水－微承压水（浅层地下水）及浅层土体。

东部黄河冲积平原潜水含水层赋存于全新统和上更新统的褐黄色深灰色中砂、细砂砂层中，一般厚度为10.2～33.5 m，自西南向东北厚度逐渐变大。潜水含水层垂向上一般存在2～3层中细砂层，上段砂层颗粒较粗，渗透性较好，下层砂层相对较细，至黄河冲积平原边缘地带西呈细砂层，中间为褐黄色粉土（弱透水层）与粉质黏土（上层滞水层）。承压含水层隔水顶板为上更新统下段及中更新统上段洪积相棕黄棕红色粉质黏土，厚度一般为30～50 m，地下水具有较明显的承压性质。

本次地下水土腐蚀性评价的基本数据主要来源于实测数据和资料收集。实测的数据为郑州市主城区浅层采取的42组水样及33组土样的腐蚀性分析结果；资料收集主要为研究区58份历史岩土勘察报告中的水质及土腐蚀性分析数据。两种数据能够相互印证，数据可信度较高。两种数据共计400组，能够满足对郑州市主城区范围内的地下水和土腐蚀性评价要求。

2 区域地下水水化学特征

2.1 地下水水化学特征

郑州市主城区浅层水水质具有明显的变化规律。从西南山丘区至东北黄河冲积平原，地下水水化学类型由HCO3－Ca型和HCO3－Ca－Mg型过渡到HCO3－Na－Ca型和HCO3－Na－Ca－Mg型（见图1）。根据水样测试结果可知，研究区浅层地下水的溶解性总固体（TDS）和硬度整体上由南向北、由西向东逐渐增大（见图2），研究区域内浅层地下水水化学特征和土化学特征见表1、表2。

表1 郑州市主城区浅层地下水水化学特征

表2 郑州市主城区浅层土化学特征

图2 郑州市主城区浅层地下水水化学特征等值线图

2.2 原生劣质地下水

高铁锰水主要分布于郑州市东北部黄河影响带，其成因与原生地球化学环境有关。含水层一般呈浅灰色，黏土层中见铁锰结核，说明含水层是在还原环境下沉积，富含铁锰质。浅层地下水中总铁含量为0.02～1.12 mg／L，以Fe2＋为主，锰含量为0.12～0.88 mg／L，最大含量分别超生活饮用水标准3.7倍和8.8倍。主城区内浅层地下水受蒸发作用影响较大，高氟水主要分布在郑州市北部黄河冲积平原背河洼地和决口扇边缘带低洼地等。区内高氟水氟化物含量为1.04～1.57 mg／L，超出生活饮用水标准1.5倍，且郑州市中深层地下水高氟现象较浅层水更为普遍。长期饮用高氟地下水，可能引起氟骨病、氟斑牙等地方病，危害当地群众健康安全。

3 地下水土腐蚀性评价方法

本文腐蚀性评价依据岩土工程勘察规范［18］进行。基于研究区三维地质模型和GIS平台，首先将各取样点的腐蚀性评价结果矢量化，并赋予相应的属性值，将腐蚀性分区图与郑州市地图叠加分析。根据实地调查情况对分区图进行适当调整，并对分区边界线进行圆滑处理后得到郑州市浅层地下水土腐蚀性评价分区图，从而使评价数据与结果可视化。

4 地下水土腐蚀性评价结果

4.1 地下水土对混凝土结构的腐蚀性评价

4.1.1 环境影响下的腐蚀性评价

场地环境类型是判定地下水有无腐蚀性的基础。研究区干燥指数小于1.5，属于湿润区，根据主要工程建设层的透水性、含水量及地区经验，综合确定研究区环境类型为Ⅱ类［18］。

根据郑州市主城区所取土试样以及水试样的分析结果进行统计，依据上述规范进行评价，评价结果显示仅浅层地下水硫酸盐对混凝土结构具有微腐蚀－弱腐蚀，水土试样分析中的镁盐、铵盐、苛性碱、总矿化度对混凝土结构的腐蚀等级均为微腐蚀（见表3、表4）。郑州市地下水土对混凝土具有弱腐蚀性区域面积占比为0.34%，其余均为微腐蚀区域（见图3）。

表3 按环境类型浅层地下水对混凝土结构的腐蚀性评价结果

表4 按环境类型浅层土对混凝土结构的腐蚀性评价结果

图3 郑州市主城区地下水土对混凝土结构的腐蚀性分区

4.1.2 地层渗透性影响下的腐蚀性评价

地下水和土对混凝土结构的腐蚀性与地层渗透性密切相关，郑州市主城区浅层含水层及土层主要为砂土，即为强透水层，并基于此地层渗透性类别依据规范进行评价，评价结果如表5所示。根据地层渗透性地下水土对混凝土结构的腐蚀等级综合评价为微腐蚀。

表5 按地层渗透性地下水土对混凝土结构的腐蚀性评价

4.2 区域地下水土对钢结构的腐蚀性评价

4.2.1 地下水土对钢筋的腐蚀性评价

研究区内地下水中Cl－含量为7～155.3 mg／L，在长期浸水条件下，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性；在干湿交替条件下，部分区域地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性。根据研究区内土中Cl－含量统计分析可知，土中Cl－含量为31.95～170.4 mg／L，土对混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。地下水土对钢筋的腐蚀性分区见图4，其中具有弱腐蚀性区域面积占比为7.86%，其余均为微腐蚀区域。

图4 地下水土对钢筋的腐蚀性分区图

4.2.2 地下水土对钢结构的腐蚀性评价

研究区内所有水样点的pH值为6.82～9.21，Cl－与SO2－4含量之和为19.48～620.42 mg／L。因此综合判定研究区大部分地区地下水对钢结构呈弱腐蚀性，ZCG10（郑州市主城区东北部东四环附近）、二里岗南街—城东南路一带地下水对钢结构的腐蚀性为中腐蚀性（见图5），其中具有中腐蚀性区域面积占比为0.34%，其余均为弱腐蚀区域。

图5 地下水对钢结构的腐蚀性分区图

场地土对钢结构的腐蚀性评价主要依据土体pH值与视电阻率值。研究区内不同埋深场地土的视电阻率值变化较大，因此不同埋深场地土对钢结构的腐蚀性需分别进行评价。根据评价标准，针对不同深度场地土pH值、视电阻率实测范围值进行腐蚀性评价（见表6），结果显示，随着深度增加，腐蚀等级由弱腐蚀到中等腐蚀。同时对不同深度范围内场地土对钢结构的腐蚀性评价分别进行分区（见图6）。由图6可知随着深度增加具有中腐蚀性区域面积占比逐渐增大，其中大于50 m深中腐蚀区域面积占比34.47%（见表6）。