石漫灘RCC大壩滲漏溶蝕試驗分析

齊翠閣 趙慶賀 關喜才

（河南省石漫灘水庫管理局 舞鋼 462500 舞鋼市水利局 舞鋼 462500河南省基本建設科學實驗研究院 鄭州 450016）

1 引言

石漫灘水庫復建工程位于河南省舞鋼市境內，是淮河上游洪河支流滾河上的大型水利樞紐工程。擋水建筑物為全斷面碾壓混凝土重力壩。大壩混凝土工程從1994年4月開始澆筑，1997年底竣工驗收。近年來，伴隨著大壩內的滲水，廊道邊墻上掛有大片白色或淺黃色溶出物。這些溶出物大部分是從廊道邊墻與拱頂的接縫處流露出來的，溶出物最厚處達3cm，少部分從廊道裂縫滲漏處或拱頂邊墻側排水孔溶出，形成射流狀，不同部位的溶出物大致相同。另外，廊道集水溝有較厚的溶出物沉積，手摸似膩滑狀或砂質顆粒，為此，水庫管理局定期從集水溝清理出溶出物。據統計，2000年1月～2003年12月3年內清理出的溶出物為9210kg，2004年1月～2005年3月底15個月內清理出溶出物8120kg。

2 廊道混凝土表面溶出物的成分鑒定及成因、來路

2.1 溶出物成分鑒定

2.1.1 取樣

將混凝土表面的溶出物刮下裝入聚乙烯試樣袋中，密封帶到武漢進行分析。共取樣18個，選出代表性的8個樣進行了X-射線衍射分析。

2.1.2 試樣制備

X-射線衍射儀測試使用平板試樣。首先將溶出物真空干燥（濕樣還預先進行了抽濾），再在瑪瑙研缽中研磨成10μm左右的粉末，然后在有機玻璃板的凹格子中壓實，并壓光表面。

2.1.3 試驗儀器

采用日本RIGAKU公司產D/MAX-ⅢA型X射線衍射分析儀，CuKα靶，Ni濾玻片，測試條件為加速電壓35kV，電流30mA，掃描速度8°/min，2θ角為5°～60°。

2.1.4 試驗結果

用X-射線衍射儀測得8個溶出物樣品的衍射圖，由圖測定衍射數據d值，與JCPDS卡片5-586號（礦物碳酸鈣CaCO3）的衍射數據d值一一對照，發現試驗數據與卡片上的數據完全吻合，說明這些白色或淺黃色溶出物均為碳酸鈣（CaCO3）。

2.2 溶出物成因

溶出物碳酸鈣晶體主要是由壩體滲漏溶蝕破壞產生的。所謂溶蝕，即滲漏水對混凝土產生溶出性侵蝕。眾所周知，混凝土中水泥的主要水化產物為水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）、水化（鐵）鋁酸鈣（C-A（F）-H）、三硫型或單硫型鈣礬石（AFt、AFm）、氫氧化鈣（Ca（OH）2）等，而足夠的Ca（OH）2又是其他水化產物凝聚、結晶穩定存在的保證。在以上水化產物中，Ca（OH）2在水中的溶解度最大，在正常情況下，混凝土毛細孔中均存在飽和Ca（OH）2溶液。而一旦混凝土產生滲漏，滲漏水就可能把混凝土中的Ca（OH）2溶出帶走，在混凝土外部與空氣中的CO2反應生成白色或帶其他顏色的CaCO3結晶物質。隨著Ca（OH）2的不斷流失，破壞了其他水化產物穩定存在的平衡條件，從而會引起水化硅酸鈣、鈣礬石等水化產物的凝膠體和結晶體不斷分解，而逐步失去膠凝性，造成混凝土結構疏松和性能下降。

對水質分析結果表明，溶出物不可能是由軟水侵蝕和碳酸侵蝕產生的，最有可能的是水中的Ca2+與CO32-形成了少量的CaCO3結晶，也會沉積在廊道混凝土表面。

2.3 溶出物來路

根據下面幾點原因分析，認為廊道滲水和溶出物是由壩體滲漏產生的，而不是壩基滲漏產生的：

（1）壩基施工時，考慮到涌水量較大，帷幕灌漿深度已從設計的平均深度20m加深了10～20m，經加深處理后排水孔排水量明顯減小，達到了預期效果，能夠滿足大壩運行。這說明從壩基滲水的可能性比較小。

（2）由現場調查得知，從壩基排水管中滲出的水流量比較小，呈滴狀，說明壩基的水壓不高，從廊道邊墻滲出水和溶出物的可能性不大。

（3）若是從壩基滲出的水和溶出物，則滲出的水或溶出物中應含有基巖的一些成分，如粘土礦物、石英，因為壩基巖性為石英砂巖，其層面和裂隙面普遍有夾泥存在，但水質分析和溶出物成分分析均未發現上述礦物成分。因此，基本上可以排除基礎帷幕灌漿破壞發生滲漏的可能性。

（4）在壩體的背水面從上到下有大量裂縫，且有水從壩背面滲出的水印，說明裂縫和滲水是整個壩段的。

（5）廊道的迎水面和背水面都有大量的溶出物和被水浸濕的地方，且背水面比迎水面的情況嚴重，也從另一個角度說明水是從壩體滲出的，在廊道拱頂與邊墻交界的薄弱地方滲出或溶出，迎水面是常態混凝土，防滲效果好于背水面的碾壓混凝土，因此，背水面的滲水和溶出物比迎水面嚴重些。

（6）根據后面的有限元計算分析，說明壩體不可避免地要產生溫度裂縫；加上碾壓混凝土抗滲等級設計較低（內部三級配碾壓混凝土抗滲等級值為S4）；碾壓混凝土層間水平縫或工作縫會由于各種原因導致其防滲效果較碾壓混凝土本體差；上游面二級配碾壓混凝土在出現溫度裂縫后防滲效果也降低。因此，水會沿著壩體裂縫和層間薄弱處而進入整個壩面，在壩背水面產生滲水。

（7）廊道頂拱與邊墻混凝土接縫處施工處理不當存在縫隙或年久止水失效，以及拱頂預制混凝土塊段與塊段之間接縫處存在縫隙，前者是主要的。因此，壩體滲水將進入上述縫隙而形成一個滲水通道，從而直接導致了溶出物在廊道邊墻的析出。

另外，壩體混凝土施工質量差、密實程度低，內部出現蜂窩空洞，也會形成滲水通道。地質雷達檢測結果沒有發現壩體和廊道混凝土這方面嚴重的施工質量缺陷，因此廊道滲漏可以排除這方面的原因。

3 滲漏溶蝕（溶出物）對壩體的影響分析

據20世紀80年代中期開展的全國水工混凝土耐久性及病害調查表明，滲漏溶蝕是水工混凝土建筑物因耐久性不良而出現的主要病害之一。在調查的32座大壩中，每座大壩均存在不同的滲漏并引起了溶蝕。到20世紀80年代后期，中國水利水電科學研究院首先進行了大壩混凝土的滲漏溶蝕試驗的研究。滲漏溶蝕對壩體的危害，有以下幾方面：

（1）溶出物經X射線衍射分析為CaCO3，是壩體滲水將壩體混凝土中的Ca（OH）2帶出來在廊道邊墻發生碳化形成的，而Ca（OH）2的流失，降低了壩體混凝土的空隙溶液堿度，嚴重時將導致混凝土中其他一些水化產物的分解和溶出。

（2）滲漏將使壩體產生較大的滲透壓力，有時甚至影響到壩體的穩定，最直接的影響是導致混凝土強度大幅度下降。據蘇聯資料介紹，當混凝土中總的Ca（OH）2含量（以CaO計）被溶出25%時，混凝土的抗壓強度要下降50%，而當溶出量超過33%時，混凝土將要完全失去強度而松散破壞。中國水利水電科學研究院資料介紹，當Ca（OH）2（以CaO計）溶出達25%時，混凝土的抗壓強度下降35.8%，抗拉強度將下降64.4%，因此溶蝕對混凝土抗拉強度影響更為明顯。

（3）如果混凝土滲漏水越來越多，則其內部孔隙會增多增大，使結構疏松，加劇惡性循環。中國水利水電科學研究院資料介紹，混凝土微孔結構由含孔量較少（49.09×10-2mg/L）、孔徑較小（7.5nm）的密實結構，發展成為含孔量較多（69.09×10-2mg/L）、孔徑較大（100nm）的疏松體。由此可見，滲漏對混凝土產生溶蝕將造成嚴重的后果。

表1 水質分析實驗結果

（4）當環境水本身對混凝土有侵蝕作用時（石漫灘壩沒有這方面的侵蝕之憂），由于滲漏溶蝕會促使環境水侵蝕向混凝土內部發展，從而增加破壞的深度與廣度；在寒冷地區，由于滲漏，會使混凝土的含水量增大，促進混凝土的凍融破壞；對水工鋼筋混凝土結構物，滲漏溶蝕還會加速鋼筋銹蝕等等。而且這些病害會與滲漏溶蝕形成連鎖反應和惡性循環，從而使混凝土的耐久性受到嚴重的影響。

4 水質侵蝕分析試驗

一旦環境水中含有的對混凝土有害成分如Cl-、SO42-、CO2等超量，就會對廊道混凝土產生不利的影響，會對混凝土產生化學侵蝕作用。因此，對石漫灘水庫的水和廊道集水溝的水分別取樣進行了水質分析。

4.1 試驗方法

按照《水工混凝土水質分析試驗規程》（DL/T 5152-2001）進行。

4.2 水質分析試驗結果

水質分析實驗結果見表1。

根據表1水質分析結果可以發現：

（1）庫水硬度為106.62mg/L，硬度較高，產生軟水侵蝕的可能性不大。

（2）庫水游離CO2、侵蝕性CO2含量分別為8.97mg/L、13.06mg/L，酸度并不高，產生碳酸溶出性侵蝕的可能性不大，所以上述的CaCO3溶出物不是由碳酸侵蝕所生成。計算庫水中Ca2+和CO32-的溶度積以及Ca2+和SO42-的溶度積，發現能形成少量的CaCO3和CaSO4（由于數量很少，在X-射線衍射中檢測不到CaSO4），在廊道邊墻等不直接受水沖刷的部位，具有良好的條件使CaCO3和CaSO4生成，因此富集在廊道邊墻而形成了一些白色溶出物。正是由于庫水中的 Ca2+、Mg2+和 CO32-、SO42-發生了結晶反應，導致了流入集水溝的水中的 CO2、Ca2+、Mg2+、SO42-含量下降，Cl-也有可能在上述反應過程中被固溶在CaCO3和CaSO4中，因此含量隨之降低了。

（3）庫水pH值為7.52，集水溝的水pH值為8.73，因此不可能產生酸性水侵蝕，由此說明，是壩體滲漏水對混凝土產生了溶蝕作用，這與調查中看到的廊道中有大片白色溶出物，以及前面的分析相一致。

（4）一般而言，當水中SO42-離子含量在250～1500mg/L時，主要會與混凝土中的水化鋁酸鈣晶體反應生成水化硫鋁酸鈣（三硫型的AFt或單硫型的AFm），從而形成鈣礬石膨脹型侵蝕；當SO42-離子含量達到5000～10000mg/L時，便會與混凝土中的Ca（OH）2反應產生石膏結晶，形成石膏膨脹型腐蝕。從石漫灘水庫和大壩廊道集水溝兩種水的水質分析來看，SO42-離子含量在10.5～27.78mg/L，因此可以否定混凝土受硫酸鹽侵蝕破壞的可能性。否則，由于硫酸鹽侵蝕，廊道部分混凝土將產生脹裂、崩塌，而實際并未如此。

（5）此外，Cl-和Mg2+離子含量均較少，對混凝土的危害性也不大。

5 結論

由于滲漏，會使混凝土的含水量增大，促進混凝土的凍融破壞；如果混凝土滲漏水越來越多，則其內部孔隙會增多增大，使結構疏松，加劇惡性循環，對混凝土產生溶蝕，進而將造成嚴重的后果。

溶出物將壩體混凝土中的Ca（OH）2帶出來，降低了壩體混凝土的空隙溶液堿度，隨著溶出物不斷增長的現狀，將導致混凝土中其他一些水化產物的分解和溶出。若長期發展下去，對混凝土的密實、強度等將造成嚴重的后果，從而使混凝土的耐久性受到嚴重影響。

對大壩內部因溶出物大量溶出對其密實性、強度的影響需做進一步的檢測