水布埡面板堆石壩面板附著物成分及成因分析

盧曉春,田 斌, 覃 源,彭艷周,熊勃勃

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.湖北省水電工程施工與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002;3.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 4.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

我國面板堆石壩數(shù)量眾多,無論是壩高、工程規(guī)模以及技術(shù)難度都處于世界前列,面板堆石壩在我國已成為主要比選或首選壩型[1]。起擋水作用的混凝土面板,是整個(gè)面板堆石壩工程的生命線工程,其防滲安全對(duì)工程的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[2-3]。長(zhǎng)期以來,混凝土面板安全研究主要集中在堆石體與面板的變形協(xié)調(diào)理念與變形控制措施、不利自然條件下建壩的面板防裂控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面[4-11],對(duì)運(yùn)行過程中混凝土面板在服役環(huán)境作用下(化學(xué)作用和生物作用)的長(zhǎng)效安全性能的關(guān)注較少。

水布埡面板堆石壩為目前世界上最高的混凝土面板堆石壩,最大壩高233 m,工程總工期7.5 a,2008年8月4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。迄今為止,水布埡水電站經(jīng)過歷時(shí)約10 a的發(fā)電運(yùn)行[12-13]。在首次定期檢查過程中,發(fā)現(xiàn)大壩混凝土面板上附有皮狀的附著物,如圖1所示。為了探究附著物對(duì)混凝土面板安全性能的影響,擬對(duì)庫水水質(zhì)、面板附著物的成分和成因以及面板混凝土的強(qiáng)度狀況進(jìn)行調(diào)查研究,并在此基礎(chǔ)上開展庫水和附著物對(duì)面板混凝土的腐蝕性評(píng)價(jià)。

圖1 水布埡面板堆石壩面板附著物

1 庫水水質(zhì)分析及混凝土面板腐蝕性評(píng)價(jià)

1.1 水樣采集

水樣采集分左岸、河谷中間、右岸3個(gè)采集點(diǎn),每個(gè)采集點(diǎn)分2個(gè)水樣點(diǎn),一個(gè)采集庫表水面以下0.5 m處水樣,另一個(gè)采集水下10 m處水樣。取樣設(shè)備為中國科學(xué)院水生生物研究所研發(fā)的卡蓋式采水器,可定深采集水樣。水樣采用處理過的干燥礦泉水瓶收集,并在瓶身附有標(biāo)簽,每種水樣的采集量均為3 000 mL。

表1 庫水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

注:ND表示檢測(cè)結(jié)果低于分析方法檢出最低限值。

表2 環(huán)境水對(duì)混凝土面板的腐蝕性評(píng)價(jià)

1.2 檢測(cè)項(xiàng)目

1.3 檢測(cè)結(jié)果

采用SL 219—2013《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》規(guī)定方法對(duì)上述項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)分析,水樣檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

1.4 環(huán)境水對(duì)面板混凝土腐蝕性評(píng)價(jià)

由于大壩面板為配有鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu),一旦面板產(chǎn)生裂縫,庫水也可能對(duì)鋼筋產(chǎn)生腐蝕,因而環(huán)境水對(duì)混凝土面板的評(píng)價(jià)一方面包含環(huán)境水對(duì)面板混凝土腐蝕性判別,另一方面包含環(huán)境水對(duì)鋼筋的腐蝕性判別。依據(jù)GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》,其判別標(biāo)準(zhǔn)和腐蝕性評(píng)價(jià)結(jié)論如表2所示。由此可見,庫水對(duì)混凝土的一般酸性型腐蝕、碳酸型腐蝕、重碳酸型腐蝕、鎂離子型腐蝕和硫酸鹽型腐蝕程度均為無腐蝕;庫水對(duì)鋼筋混凝土面板中鋼筋的腐蝕程度也為無腐蝕。

2 面板附著物成分分析

為了研究面板附著物的化學(xué)組成,運(yùn)用X射線熒光分析法(XRF)進(jìn)行其化學(xué)成分測(cè)試,運(yùn)用X射線衍射(XRD)、紅外光譜(IR)進(jìn)行顆粒成分和有機(jī)物的檢測(cè)分析。為了探究附著物的存在是否會(huì)為水中藻類營(yíng)造生存環(huán)境,通過BaCl2飽和法測(cè)定附著物的陽離子交換量,評(píng)價(jià)附著物的保肥能力。

為了使分析結(jié)果有代表性,選擇左岸、河谷中間、右岸3個(gè)采集點(diǎn),每個(gè)采集點(diǎn)取水上干樣和水下濕樣2個(gè)樣本,一共有6個(gè)樣本。各樣品經(jīng)X射線熒光光譜分析得到的各化學(xué)成分如表3所示。由表3可知,面板附著物的主要化學(xué)成分(以氧化物表示)為CO2、CaO及SiO2,三者總量占95%左右。此外,還含有少量Al2O3(1%左右)、MgO(0.9%左右)和SO3(大部分樣品在0.8%左右)。

表3 面板附著物中各化學(xué)成分所占比例 %

各樣品的紅外光譜圖和X射線衍射圖基本一致,表明其各處附著物種類和物相成分基本相同。受文章篇幅限制,主要選取河谷中間試樣檢測(cè)成果進(jìn)行分析。圖2為河谷中間面板附著物干樣的X射線衍射圖。由圖2并結(jié)合面板附著物的化學(xué)成分分析[14]可知,面板上附著物的主要晶體物相有兩種，即方解石(CaCO3)和石英(SiO2)。圖3為河谷中間面板附著物的紅外光譜圖。由文獻(xiàn)[14]可知,水化硅酸鈣的特征波數(shù)是3 420 cm-1、1 420 cm-1、1 020 cm-1、990 cm-1及460 cm-1等,2 930 cm-1、2 870 cm-1、1 458 cm-1、875 cm-1、845 cm-1、713 cm-1對(duì)應(yīng)方解石的特征波數(shù),1 160 cm-1、1 080 cm-1、790 cm-1、770 cm-1、690 cm-1等對(duì)應(yīng)石英的特征波數(shù)。結(jié)合所檢樣品的化學(xué)成分(表3)分析認(rèn)為,面板附著物樣品的主要物相成分除方解石、石英外,還含有少量的水化硅酸鈣。

圖2 河谷中間面板附著物干樣的X射線衍射圖

圖3 河谷中間面板附著物的紅外光譜圖

通過對(duì)6個(gè)樣品的陽離子交換量分析,左岸干樣和濕樣的陽離子交換量分別為455.59 cmol/kg和446.5 cmol/kg,河谷中間干樣和濕樣的陽離子交換量分別為453.12 cmol/kg和441.14 cmol/kg,右岸干樣和濕樣的陽離子交換量分別為470.69 cmol/kg和477.02 cmol/kg。

從陽離子交換量的測(cè)試結(jié)果來看,面板各部位附著物的陽離子交換量普遍較高,同時(shí)從干樣和濕樣陽離子交換量來看,檢測(cè)結(jié)果比較接近,說明兩者的肥力接近,可以推斷兩者的成分也幾乎相同。陽離子交換量較高的原因可能為測(cè)定的樣品中存在著很多的苔蘚組織,土壤含量非常少;但苔蘚類對(duì)原生裸地土壤的形成和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的積累有十分明顯的作用,它不僅有利于土壤的形成和積累,也有利于土壤中N、P、S等有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的保持。

但是,在XRF、XRD和IR分析中均未檢測(cè)到烴類、胺類、羧酸類等有機(jī)物成分，其原因可能與樣品處理方式有關(guān)。面板附著物樣品在開展XRF、XRD和IR檢測(cè)前需要制樣,即經(jīng)電磁制樣機(jī)粉磨至0.08 mm以下粒徑。在粉磨過程中,可能導(dǎo)致溫度較高,因升溫和機(jī)械沖擊等作用很可能使苔蘚組織的結(jié)構(gòu)損壞或分解,再加之其含量并不高,從而造成XRD、IR等分析均未能檢出有機(jī)物成分。

3 面板混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

水布埡水電站混凝土面板共分3期施工:一期面板高程177～278 m,最大高差101 m;二期面板高程278～340 m,最大高差62 m;三期面板高程340～405 m,最大高差65 m。面板混凝土的配合比如表4所示。為了提高面板混凝土的抗裂能力,并強(qiáng)化初期強(qiáng)度和韌性,在一期和二期面板混凝土中添加聚丙烯腈纖維;同時(shí),為了更好地適應(yīng)面板堆石壩施工期和蓄水期面板受力變形的特點(diǎn),在三期面板范圍內(nèi)壩體不均勻沉降比較明顯的左7至左11塊面板混凝土中采用了鋼纖維和聚丙烯腈纖維復(fù)摻的方式[15]。

表4 面板混凝土配合比

由于庫水水質(zhì)分析和面板附著物取樣均在三期面板的高程范圍內(nèi),因而強(qiáng)度狀況調(diào)查只針對(duì)水位變動(dòng)區(qū)的三期面板。在面板混凝土材料室內(nèi)試驗(yàn)研究中,考慮不同料場(chǎng)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響,單獨(dú)添加聚丙烯腈纖維三期混凝土的抗壓強(qiáng)度范圍為44.8～54.7 MPa,復(fù)摻聚丙烯腈纖維和鋼纖維的三期混凝土的抗壓強(qiáng)度范圍為53.5～62.0 MPa[16]。

為了探究面板混凝土強(qiáng)度現(xiàn)狀,采用無損回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度。在水庫運(yùn)行水位385.38 m以上的三期面板中,對(duì)河谷中間及右岸選擇4個(gè)測(cè)區(qū)開展面板強(qiáng)度測(cè)試工作,4個(gè)測(cè)區(qū)的抗壓強(qiáng)度分別為51.1 MPa、47.2 MPa、42.7 MPa、51.1 MPa。從檢測(cè)結(jié)果來看,除1個(gè)測(cè)區(qū)強(qiáng)度低于試驗(yàn)強(qiáng)度范圍44.8～54.7 MPa外,其余幾個(gè)測(cè)區(qū)強(qiáng)度值均在試驗(yàn)強(qiáng)度范圍以內(nèi)。從已有的4個(gè)測(cè)區(qū)的強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果可見,水布埡面板堆石壩經(jīng)過約10 a的發(fā)電運(yùn)行,面板混凝土強(qiáng)度損失較小,面板的運(yùn)行狀況良好。

4 面板附著物成因分析及評(píng)價(jià)

4.1 面板附著物的成因分析

由以上XRF、XRD、IR及陽離子交換量測(cè)試結(jié)果可知,面板附著物的主要成分有方解石、石英和少量的水化硅酸鈣等,此外還有一定量的苔蘚組織。

這些物質(zhì)中,方解石很可能是在潮濕條件下(降雨或夏季高溫時(shí)灑水養(yǎng)護(hù))面板中部分氫氧化鈣溶出或析出,并隨后于空氣中碳化形成。同時(shí),也有可能是附著物樣品取樣時(shí)所刮取的部分骨料成分。面板附著物中方解石的含量將隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大(因氫氧化鈣會(huì)不斷在潮濕條件下滲出并碳化,從而會(huì)逐漸積累)。石英則可能是由原混凝土中砂粒等骨料的影響或庫區(qū)落塵等原因形成。面板附著物中還含有少量的水化硅酸鈣,由于水化硅酸鈣的溶解度極低,故其溶出或析出量可忽略,它主要來源于取樣時(shí)刮下的砂漿成分。

面板附著物中存在苔蘚組織,主要是由于庫水中有適合于苔蘚類附著物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽成分;運(yùn)行水位以上部分也存在類似的情況,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的介紹,在夏季氣溫較高情況下,一般對(duì)庫水位以上的混凝土面板區(qū)域采取抽取庫水澆灑的養(yǎng)護(hù)方式,養(yǎng)護(hù)的庫水中可能含有苔蘚生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)要素,從而導(dǎo)致運(yùn)行水位以上部分也存在苔蘚狀附著物。

4.2 附著物對(duì)混凝土面板的影響評(píng)估

通過對(duì)面板附著物的化學(xué)成分、物相組成(顆粒成分)及有機(jī)物分析結(jié)果可知,面板混凝土的附著物主要是方解石和石英。方解石和石英兩種物質(zhì)的酸堿性均為中性,而且它們?cè)谒械娜芙舛纫嗪苄?同時(shí)也不與水泥及其水化產(chǎn)物(氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣等)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由此判斷,附著物對(duì)面板混凝土基本沒有腐蝕性。

但從附著物陽離子交換量來看,較大的陽離子交換量說明苔蘚狀附著物具有較強(qiáng)的保肥能力,長(zhǎng)期情況下容易導(dǎo)致面板上生長(zhǎng)更多的苔蘚植物。而苔蘚植物會(huì)積累周圍環(huán)境中的水分和浮塵,并分泌酸性代謝物腐蝕面板,如果不及時(shí)清除會(huì)影響壩體的防滲安全。

5 結(jié) 語

a. 庫水對(duì)混凝土的一般酸性型腐蝕、碳酸型腐蝕、重碳酸型腐蝕、鎂離子型腐蝕和硫酸鹽型腐蝕程度均為無腐蝕;庫水對(duì)鋼筋混凝土面板中鋼筋的腐蝕程度也為無腐蝕。

b. 面板附著物基本為苔蘚狀附著物和混凝土溶出性侵蝕反應(yīng)物的混合物。溶出性侵蝕的反應(yīng)物主要是方解石和石英,并含有少量的水化硅酸鈣。方解石很可能是面板混凝土中氫氧化鈣溶出或析出,并在隨后于空氣中碳化形成;石英則可能是由原混凝土中砂粒等骨料的影響或庫區(qū)落塵等原因形成;少量的水化硅酸鈣應(yīng)該來源于在取樣時(shí)刮下的砂漿成分。苔蘚狀附著物產(chǎn)生的原因主要是庫水中存在適合于苔蘚類附著物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽成分;而運(yùn)行水位以上部位存在附著物是由于夏季運(yùn)行過程中抽取庫水澆灑的養(yǎng)護(hù)方式,而養(yǎng)護(hù)的庫水中可能含有苔蘚生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)要素。

c. 采用無損回彈法對(duì)水位變動(dòng)區(qū)三期面板的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè),從檢測(cè)結(jié)果可見面板混凝土強(qiáng)度損失較小。

d. 面板附著物中的方解石和石英兩種物質(zhì)的酸堿性均為中性,而且它們?cè)谒械娜芙舛纫嗪苄?同時(shí)也不與水泥及其水化產(chǎn)物(氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣等)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此,溶出性侵蝕的反應(yīng)物對(duì)面板混凝土基本沒有腐蝕性。

e. 苔蘚狀附著物具有較大的陽離子交換量,說明附著物具有較強(qiáng)的保肥能力,長(zhǎng)期情況下容易在面板上生長(zhǎng)更多的苔蘚植物。而苔蘚植物會(huì)積累周圍環(huán)境中的水分和浮塵,分泌酸性代謝物來腐蝕面板,如果不及時(shí)清除會(huì)影響壩體的防滲安全,因而建議對(duì)面板上的附著物進(jìn)行定期鏟除清理,避免苔蘚的長(zhǎng)期生長(zhǎng)造成面板的腐蝕。