一種地下水腐蝕性評價新方法

齊雷，田志飛，劉軍

(溫州市交通規劃設計研究院，浙江 溫州 325000)

0 引言

工程地質勘察時，一般均需取水和土樣品進行測試，評價其對工程結構(混凝土、鋼筋及鋼結構)的腐蝕性。取水或土試驗進行腐蝕性評價，具體要看工程結構是位于土還是水環境中。除地下水位以上的常年干燥土層中的工程結構，不具備水腐蝕環境條件，其他情況均要考慮地下水腐蝕作用。地下水采樣一般在鉆孔、井或泉點取水樣，滿足取樣條件的井或泉點比較少，多數情況仍然要在鉆孔內取水樣。鉆孔取水樣前須洗孔并將鉆孔內殘留水排出，可采用深水取樣器在孔底直接取水或抽吸泵抽取(鄭繼天和王建增，2005；李小杰等，2014)。工程勘察實踐中，我們發現鉆孔洗孔費時費力，并且鉆孔孔徑小、孔壁易坍塌，取水樣困難，鉆孔孔底取水效果不好。此外，地下水水質易變化，取樣、保存及運輸過程中，腐蝕介質受擾動明顯，濃度也變化了。

綜上所述，需要提出一種取樣操作更簡便，腐蝕介質擾動更小，測試方法成熟的取樣試驗方法。從取樣操作更簡便的角度出發，國內外地下水污染與監測研究單位研發設計了慣性式、氣體驅動式、潛水電泵式三大類采樣器(鄭繼天等，2008；陳暢等，2017；潘德元等，2018；李琦等，2019)。從腐蝕介質擾動更小的角度出發，昆明冶金設計院等單位嘗試開展水質現場分析的工作，即要求水質測試人員到達工程勘察現場，現場取樣現場分析。王鎧(2013)肯定了水質現場分析的工作，提倡對腐殖質地下水進行水質現場分析。但是，上述兩個研究方向仍然以各自研究角度為重點，從單方面著手提出解決辦法，未統籌考慮兩方面因素的影響，也均未被廣泛應用。

同時，國內外對地下水、土腐蝕性評價研究也多將地下水和土區分對待，對地下水腐蝕性研究較多(王鎧等，2007；顧寶和和龐錦娟，2009)，對土腐蝕性研究較少(徐樹青，2007；于靜等，2017；章強等，2020)，且多以地區經驗總結為主，如重點研究某一地區地下水、土腐蝕性，并進行了規律探索和經驗總結等(李鳳憲等，2015；徐源等，2016；唐海明等，2018；胡家亮等，2019；高麗麗等，2019)。但是，上述研究均仍未考慮將地下水、土進行對比分析研究。

本文基于地下水、土腐蝕介質相關性，提出了一種地下水腐蝕評價新方法，利用土樣較水樣取樣操作更簡便、腐蝕介質擾動更小的特點，克服了水質現場分析要求分析人員攜帶設備到鉆探場地跟班操作的繁重任務，給出了相應的腐蝕性評價標準，并開展對比試驗測試了該方法的有效性。

1 地下水、土腐蝕介質相關性

1.1 理論分析

我國《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001，中華人民共和國住房與城鄉建設部，2009)(以下簡稱《規范》)明確規定，工程結構處于地下水中時應取水試樣作水的腐蝕性測試。該條規定可以解釋為工程結構處于地下水中時僅作水的腐蝕性測試，而不用作土的腐蝕性測試(高大釗，2010)。這樣的規定可能有兩個方面的理解，一方面理解是地下水以下的土和水的腐蝕性綜合評定結論應該與僅作水的腐蝕性評定結論一致；另一種理解是地下水位以下的工程結構以水腐蝕為主，土腐蝕作用可以忽略。另外，根據土的三相性及一般土孔隙比(e)范圍值0.2～2.0、含水量(w)范圍值10%～100%可知，地下水位以下混凝土結構接觸的土、水面積應屬一個量級，土腐蝕作用不能忽略。上述分析可以得出，地下水以下的土和水的腐蝕性綜合評定結論應該與僅作水的腐蝕性評定結論一致。再根據《規范》中12.2.3 條綜合評定方法可知，地下水以下土的腐蝕性等級應該弱于或者等于水的腐蝕性等級。那么，根據《規范》中水、土腐蝕評價標準，可以嘗試建立水、土腐蝕介質的相關性。

對于SO42-含量、Mg2+含量、NH4+含量、OH-含量、總礦化度這五種腐蝕介質，《規范》中表12.2.1注3 指出，土的腐蝕介質含量限值應在水的基礎上乘以1.5。因此，對于此五種腐蝕介質含量，地下水中腐蝕介質含量ρw(、Mg2+、OH-、總礦化度)、土中腐蝕介質含量ρs(、Mg2+OH-、總礦化度)的相關關系為:

分析得出其相關系數λ(SO42-、Mg2+、NH4+、OH-、總礦化度)≥1/1.5 ＝0.67。

對于pH 值，《規范》中表12.2.2 指出，土和水的腐蝕介質含量限值一致。因此，對于pH 值，地下水中腐蝕介質含量ρw(pH)、土中腐蝕介質含量ρs(pH)的相關關系為:

分析得出其相關系數λ 相關系數λ(pH)≤1.00。

對于Cl-，根據《規范》中表12.2.4 中水、土腐蝕介質含量限值，可以計算出其相關系數。計算時，水的長期浸水、干濕交替條件均對應土的B 類(濕、很濕的粉土，可塑、軟塑、流塑的黏性土)。計算得出，對于Cl-，地下水中腐蝕介質含量ρw(Cl-)、土中腐蝕介質含量ρs(Cl-)的相關關系為:

相關系數λ(Cl-)值按腐蝕環境、腐蝕等級具有不同賦值。具體λ(Cl-)賦值見表1。

表1 地下水、土Cl －相關系數λ(Cl －)賦值表

此外，根據離子平衡及CO2、H+、HCO3-的碳酸平衡可知，在獲取其他腐蝕介質濃度相關關系后，可以得到HCO3-、CO2的地下水中腐蝕介質含量ρw(HCO-3、CO2)、土中腐蝕介質含量ρs(HCO-3、CO2)的相關關系為:

分析得出其相關系數λ(HCO3-、CO2)≥2.0。

綜合上述理論分析，建立地下水、土腐蝕介質相關系數λ(*)賦值總表，見表2。

表2 地下水、土腐蝕介質相關系數λ(*)賦值總表

1.2 試驗分析

1.2.1 試驗方案設計

選取浙江溫州某山前沖洪積平原、濱海海積平原兩處場地進行鉆孔工程，鉆孔編號A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3、B-4。兩處取樣場地均選在所屬水文地質單元核心地帶，地貌條件單一，地勢開闊，較平坦，地表為現狀耕地。地下水以松散巖類孔隙潛水、微承壓水及基巖裂隙水為主。采用工程地質鉆機，按設計孔位位置進行鉆孔。A 類、B 類鉆孔設計孔深分別為8 m、20 m。根據鉆孔采取的巖芯，試驗場地淺部土層簡況見表3。

表3 試驗場地土層簡況

在鉆孔中，對地下潛水含水層中同一深度分別取地下水樣、土樣，A 類、B 類鉆孔取樣深度布置見圖1。

圖1 鉆孔取樣布置圖

鉆孔至預定深度后，首先進行地下水樣取樣。采用深水取樣器，取樣前按規范操作進行洗孔，并抽取孔底殘留水。緊接著采用薄壁取土器，靜壓法貫入取土樣。現場取地下水、土樣后，當天立即送土工試驗室進行試驗。地下水樣測試項目包括pH值、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、侵蝕CO2、游離CO2、NH4+、OH-、總礦化度的簡分析。土樣測試項目包括pH 值、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-的易溶鹽分析。

1.2.2 試驗成果分析

A、B 場地鉆孔所取地下水、土測試結果見表4、表5。根據室內試驗結果，計算得出各種腐蝕介質相關系數λ(*)，繪制A、B 場地所取地下水、土主要的腐蝕介質相關系數λ(*)值變化曲線(圖2)。

表4 A 場地地下水、土樣試驗結果

表5 B 場地地下水、土樣試驗結果

對于同一含水層同一深度地下水、土相關性，圖2a 顯示，A、B 場地的相關系數λ(pH)范圍值在0.93～0.99，均略小于1.0，符合理論分析結果。A、B 場地的相關系數λ(pH)均值分別為0.98、0.96。沖洪積平原區(場地A)淺層水、土相關系數λ(pH)差異性明顯小于海積平原區(場地B)。

圖2 地下水、土腐蝕介質相關系數λ(*)變化曲線

圖2b、圖2d、圖2f 顯示，A、B 場地的相關系數λ(Mg2+、SO42-、總礦化度)范圍值在1.23～3.40，均大于0.67，符合理論分析結果。A 場地的相關系數λ(Mg2+、SO42-、總礦化度)均值分別為1.45、1.22、1.68，B 場地的相關系數λ(Mg2+、SO42-、總礦化度)均值分別為3.03、2.23、2.82。沖洪積平原區(場地A)淺層水、土相關系數λ(Mg2+、SO42-、總礦化度)差異性明顯大于海積平原區(場地B)。

圖2c 顯示，A、B 場地的相關系數λ(Cl-)范圍值在1.43～2.80，均大于1.0，符合理論分析結果。A、B 場地的相關系數λ(Cl-)均值分別為1.66、2.63。沖洪積平原區(場地A)淺層水、土相關系數λ(Cl-)差異性明顯小于海積平原區(場地B)。

圖2e 顯示，A、B 場地的相關系數λ(HCO3-)范圍值在2.10～2.30，略大于2.0，符合理論分析結果。A、B 場地的相關系數λ(HCO3-)均值分別為2.16、2.17。沖洪積平原區(場地A)淺層水、土相關系數λ(HCO3-)差異性明顯小于海積平原區(場地B)。由上述試驗成果結論可知，同一含水層地下水、土具有一定的相關性，主要腐蝕介質相關系數λ(*)基本符合理論分析結果(表2)。另外，由于不同場地所屬工程水文地質單元不同，相關系數λ(*)值也明顯不同，λ(*)值域分布具有顯著差異性。因此，不同地區可以開展系統研究試驗，建立區域性典型含水層地下水、土的相關系數λ(*)數據庫。

2 地下水腐蝕性評價新方法

根據地下水、土腐蝕性介質相關性，可以建立一種地下水腐蝕性評價新方法。新方法的主要操作步驟如下:(1)某一地區開展系統研究試驗，建立區域性典型含水層地下水、土的相關系數λ(*)數據庫；(2)工程場地野外鉆孔取土樣，不同含水層分層取樣；(3)土樣室內試驗，易溶鹽分析；(4)土測試成果換算為水質成果數據，相關系數λ(*)值查區域性數據庫；(5)利用換算后的水質成果數據，按地下水進行腐蝕性評價，具體按《規范》中表12.2.1、表12.2.2、12.2.4 分別單項評價；(6)綜合評定，得出腐蝕等級結論(圖3)。

圖3 地下水腐蝕性評價新方法流程圖

對于重要工程場地，可以預先進行試驗鉆孔取地下水、土樣，獲取場地主要含水層地下水、土的相關系數λ(*)，對區域性數據庫查得數據進行校核后再使用。需要說明的是，新方法野外鉆孔取土樣，可與工程地質勘察鉆孔取土樣同步進行，不需要額外工作量。

3 新方法腐蝕性評價實例

選取前述B 場地附近的某工程實例，工程地質勘察過程中取含水層(淤泥)土樣2 件，進行易溶鹽分析。并同步取水樣2 組進行對比驗證。土樣測試結果見表6，同步水樣測試結果見表7。

表6 某工程含水層土樣測試結果

根據前述B 場地試驗相關性分析成果，將試驗λ(*)值的均值作為場地地下水、土的相關系數λ(*)值。對土樣測試成果進行換算，換算后的水質成果數據見表8。

將直接取水樣水質測試成果(表7)與換算后水質成果數據(表8)進行對比分析，計算換算誤差。分析計算結果顯示，主要離子(Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-)的換算誤差僅為± (0.78%～5.53%)，礦化度換算誤差為± (0.23%～0.34%)，pH 值換算誤差為±(0%～0.15%)。前述B 場地試驗相關性分析所得的場地地下水、土的相關系數λ(*)值得到了較好的驗證。

表7 某工程水質測試結果

表8 某工程換算后水質結果數據

使用新方法，將換算后水質成果數據按《規范》中表12.2.1、表12.2.2、12.2.4 分別單項評價；最后進行綜合評定，得出腐蝕等級結論為:工程場地地下水對砼具有弱腐蝕性，對砼結構中的鋼筋具有微腐蝕性。

新方法腐蝕性評價結論與同步取水樣分析結果的腐蝕性評價結論一致，且與該工程其他鉆孔取地下水樣分析結果的腐蝕性評價結論一致。

4 結論

基于地下水、土腐蝕性介質相關性，建立了一種地下水腐蝕性評價新方法。新方法的關鍵步驟是首先獲取含水層地下水、土的相關系數λ(*)；然后以鉆孔取土樣進行易溶鹽分析代替鉆孔取地下水樣簡分析。該方法利用了土樣較地下水樣取樣操作更簡便、腐蝕介質擾動更小的特點，克服了鉆孔孔底深水取樣器取水困難的問題，也解決了水質現場分析要求分析人員攜帶設備到鉆探場地跟班操作的繁重任務。腐蝕性評價實例的分析驗證結果表明，該方法行之有效，評價結論一致性高，具有推廣意義。

當然，本文研究分析僅從宏觀上建立了地下水、土腐蝕介質有相關性，得出的相關系數λ(*)值仍為經驗值，并且地下水系統中某部位水質的形成及其演變還受到其他因素(如補給源的水質、滲流動態以及Eh 值等)的影響，而與之相接觸的巖性僅是其中的影響因素之一。微觀機理上，可以從腐蝕介質的運移規律出發來研究水、土腐蝕介質相關性，也尚需進一步研究。