新建成自鐵路地下水特征分析及侵蝕性研究

劉毅, 呂澤君

[摘要]文章介紹通過對(duì)成自鐵路川中“紅層”段落地下水取樣分析，從Cl-、Na+、K+、pH值、侵蝕性CO2、SO42-的含量來(lái)分析地下水侵蝕性環(huán)境作用等級(jí)。結(jié)果表明：DK66-DK82里程段落，侏羅系晚期沉積的蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）、遂寧組（J3s）地層，受古地理環(huán)境影響，主要為淺水湖相沉積，地下水多具有侵蝕性。沿線地下結(jié)構(gòu)工程應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行抗腐蝕性設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]紅層; 地下水; 侵蝕性

[中國(guó)分類號(hào)]P332.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

新建成都至自貢鐵路北起成都東站，經(jīng)成都天府站，資陽(yáng)西、球溪、威遠(yuǎn)，終點(diǎn)接擬建川南城際鐵路自貢東站，線路全長(zhǎng)約178 km。線路通過地層為川中“紅層”，是一種外觀以紅色為主色調(diào)的陸相高溫及氧化環(huán)境中沉積的碎屑巖地層，主要形成于侏羅系和白堊系［1-2］?！凹t層”以泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖為主，且大量含有石膏，地下水多具有一定侵蝕性。當(dāng)?shù)叵滤心承┗瘜W(xué)成分高于限定值時(shí)會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕，不僅直接關(guān)系到工程投資，還影響其在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的適用性、耐久性和安全性［3-4］。因此在鐵路工程建設(shè)中，地下水類型及其侵蝕性的研究尤為重要。

1地質(zhì)概況

線路位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)之川中臺(tái)坳，為新華夏系第三沉降帶四川沉降帶，是喜山運(yùn)動(dòng)早期的產(chǎn)物?？绯啥计皆?、川西褶帶與川中平緩低褶帶，構(gòu)造形跡主要為成都凹陷、龍泉山箱狀背斜和川中平緩褶皺帶中威遠(yuǎn)輻射狀構(gòu)造。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探取樣測(cè)試分析，線路通過區(qū)主要為白堊系（K）、侏羅系（J）地層；其中以侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）、遂寧組（J3s）、中統(tǒng)上沙溪廟組（J2s）為主，占全線總長(zhǎng)度的80%左右。第四系（Q）松散堆積物分布較廣，以沖積平原區(qū)、河谷階地、緩丘槽谷等低洼地帶較為集中且厚度變化較大。本文選取DK64-DK120作為研究對(duì)象，根據(jù)地層巖性及其與鐵路工程的關(guān)系，細(xì)分為3個(gè)段落。

DK64-DK77段上覆第四系黏土、粉質(zhì)黏土、松軟土，一般厚0～4 m，局部厚度變化較大，下伏侏羅系（J）上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）粉砂質(zhì)泥巖夾中層、薄層泥質(zhì)砂巖。泥巖呈暗紫紅色、褐紅色，中厚層—薄層結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，質(zhì)軟，暴曬易開裂、遇水易軟化，黏土礦物成分含蒙脫石、水云母。砂巖為泥質(zhì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，質(zhì)稍硬。地下水類型主要為基巖裂隙水。

DK77-DK89段上覆第四系黏土、粉質(zhì)黏土、松軟土，一般厚0～4 m，局部厚度變化較大，下伏侏羅系（J）上統(tǒng)遂寧組（J3s）鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖偶夾中層、薄層粉細(xì)砂巖。泥巖呈鮮紅色、棕紅色，鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)，極薄、薄至中厚層狀，夾灰綠色條帶，含砂量較大，含鈣質(zhì)結(jié)核和石膏極薄層。砂巖呈灰紫、紫紅色，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，薄層為主，亦有中厚層者，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)石、長(zhǎng)石石英質(zhì)。地下水類型主要為基巖裂隙水。

DK89-DK120段上覆第四系黏土、粉質(zhì)黏土、松軟土，一般厚0～4 m，局部厚度變化較大，下伏侏羅系（J）中統(tǒng)上沙溪廟組（J2s）灰、紫灰色塊狀細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂巖與暗紫紅、棕紅、灰紫色泥巖不等厚互層，或泥巖夾砂巖，局部地段出露巨厚層砂巖。泥巖為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，間夾灰白色石膏條帶及鈣質(zhì)結(jié)核，質(zhì)軟。砂巖為中厚～巨厚層狀，質(zhì)硬，粉—細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)。

2地下水化學(xué)特征分析

2.1水質(zhì)類型

成自線勘察設(shè)計(jì)階段，為了全面系統(tǒng)的了解川中“紅層”地區(qū)地下水化學(xué)特征及侵蝕性分析，DK64-DK120段共取205組水樣，每組2瓶各500 ml，其中1瓶添加2～4 g碳酸鈣粉末。所有試驗(yàn)按TB 1005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)要求進(jìn)行水的簡(jiǎn)分析和環(huán)境作用類別判定［5］。經(jīng)測(cè)試分析［6-8］，段內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水，共有14種化學(xué)類型，主要為HCO3--Ca2+型和HCO-3·SO42--Ca2+型，分別占試驗(yàn)總量的27.32%和27.33%；其次為HCO3- -Ca2+.Mg2+型、HCO3-.SO42- -Mg2+.Ca2+型、SO42-.HCO3- -.Ca2+型，分別占試驗(yàn)總量的15.61%、11.71%、8.29%。剩余9種類型中，HCO3- -Ca2+.Na+型占試驗(yàn)總量的3.9%， SO42-.HCO3--Ca2+.Mg2+型占試驗(yàn)總量的1.95%，其余7種類型占試驗(yàn)總量3.89%。

2.2元素含量特征分析

沉積巖地下水陰、陽(yáng)離子主要來(lái)源于自然中含有很多可知溶性的鈣鹽、鎂鹽、鉀鹽、氯鹽等。自然中的水很容易與它們相溶，這些鹽屬于強(qiáng)電解質(zhì)，溶于水會(huì)電離出鈣離子、鎂離子、鉀離子。

本文采用水質(zhì)簡(jiǎn)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中Ca2+、Mg2+、SO42-采用EDTA二鈉絡(luò)合滴定法測(cè)定，Cl-采用硝酸根容量法測(cè)定，Na++K+、HCO3-通過計(jì)算得出［3］。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，水樣中Ca2+離子含量為60.12～306.21 mg/L，平均值為161.06 mg/L； Mg2+離子含量為4.86～77.34 mg/L，平均值為29.46 mg/L；Na++K+離子含量為2.50～120.50 mg/L，平均值為31.70 mg/L。HCO3-離子含量為161.09～610.20 mg/L，平均值為405.13 mg/L；Cl-離子含量為8.51～514.03 mg/L，平均值為51.90 mg/L；SO42-離子含量為3.84～1143.11 mg/L，平均值為171.34 mg/L。地下水主要陰陽(yáng)離子含量與線路里程關(guān)系如圖1、圖2所示。

2.3總礦化度分析

總礦化度指地下水中離子、分子和各種化合物的總含量，通常是以水烘干后所得殘?jiān)鼇?lái)確定，是衡量地下水化學(xué)特性的重要指標(biāo)。本工程地下水主要為“紅層”基巖裂隙水，埋深不大，受大氣降雨補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)巖性、地形地貌條件差異不大，地下水徑流途徑短，循環(huán)交替積極，其水化學(xué)特征主要取決于循環(huán)交替條件和含水介質(zhì)?？偟V化度一般條件下隨著離子成分的變化而變化，以Ca2+、HCO3-為主，屬于低礦化水，以SO42-為主，屬于中等礦化水，Cl-、Na+主要出現(xiàn)在高礦化水中。按照這個(gè)規(guī)律，通過對(duì)區(qū)內(nèi)205組水樣的總礦化度分析（圖3），總礦化度297.22.09～2 278.00 mg/L，平均值為649.41 mg/L，其中178組總礦化度大于1 000 mg/L，主要以Ca2+、HCO3-為主，屬于低礦化水，高值區(qū)主要集中在DK64-DK83侏羅系晚期蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）、遂寧組（J3s）地層中，DK90-DK93有2組樣品，總礦化度含量大于2000 mg/L，離子成分主要為SO42-為主，屬中礦化水。

3地下水侵蝕性研究

根據(jù)TB 1005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定［5］，川中“紅層”地下水環(huán)境作用類別為氯巖環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境及鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境。氯巖環(huán)境的作用等級(jí)為L(zhǎng)1、L2、L3；化學(xué)侵蝕環(huán)境作用等級(jí)為H1、H2、H3、H4；鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境作用等級(jí)為Y1、Y2、Y3、Y4。

3.1氯巖環(huán)境侵蝕作用等級(jí)

氯巖侵蝕指氯巖滲入混凝土內(nèi)部導(dǎo)致鋼筋銹蝕?；炷林械匿摻钣捎谒嗟乃饔枚话弦粚逾g化膜，但當(dāng)水中Cl-含量過高時(shí)可經(jīng)化學(xué)作用破壞這層鈍化膜，使鋼筋裸露在水和氧中被銹蝕。鋼筋的銹蝕易導(dǎo)致混凝土的破裂，使腐蝕劑進(jìn)人混凝土內(nèi)直接和鋼筋接觸，從而加速鋼筋的銹蝕，使其強(qiáng)度降低［9］。

本項(xiàng)目地下水中Cl-含量為8.51～514.03 mg/L，平均值為51.90 mg/L，含量不小于100 mg/L的主要集中在DK66+500-DK72+300段落，地層為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組，氯巖環(huán)境作用等級(jí)為L(zhǎng)1。

3.2化學(xué)侵蝕環(huán)境作用等級(jí)

本項(xiàng)目中，影響地下水化學(xué)侵蝕環(huán)境作用等級(jí)的環(huán)境條件主要有水中SO42-含量、pH值、水中侵蝕性CO2含量指標(biāo)。

3.2.1pH值

本項(xiàng)目地下水pH值，采用酸度計(jì)法測(cè)定。地下水pH值即氫離子濃度，為反映地下水酸堿度指標(biāo)。通過整理分析，測(cè)區(qū)內(nèi)205組水樣pH值在6.10～8.23之間，僅有6組水樣pH值小于6.5，主要集中在DK90里程范圍附近，如圖4所示。說明區(qū)內(nèi)地下水酸性特征較弱，僅DK90里程附近具有酸性侵蝕。

3.2.2侵蝕性CO2侵蝕

本項(xiàng)目侵蝕性CO2采用中合法測(cè)定，區(qū)內(nèi)地下水中侵蝕性CO2主要來(lái)源于土壤中有機(jī)質(zhì)殘骸的發(fā)酵作用和植物的呼吸作用。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：測(cè)區(qū)內(nèi)侵蝕性CO2含量0.88～8.80 mg/L，所有樣品均不具有侵蝕性CO2作用等級(jí)。

3.2.3硫酸鹽侵蝕

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)（圖2），本項(xiàng)目SO42-離子含量為3.84～1143.11 mg/L，平均值為171.34 mg/L，含量不小于200 mg/L的段落主要集中在DK66+500-DK72+300里程范圍內(nèi)，地層為蓬萊鎮(zhèn)組（J3p），SO42-離子含量大小主要受石膏影響，環(huán)境作用等級(jí)H1為主。

綜上所述，本項(xiàng)目地下水化學(xué)環(huán)境作用等級(jí)，主要受SO42-含量、pH值影響，環(huán)境作用等級(jí)主要為H1，少量H2，集中在DK66-DK82里程段落，主要地層侏羅系晚期蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）、遂寧組（J3s），為淺水湖相沉積，巖性以紫紅色、鮮紅色泥巖為主，夾中層、薄層粉砂巖，夾石膏薄層、石膏脈體。

3.3鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境作用等級(jí)

地下水鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境作用等級(jí)，主要受SO42-離子含量影響。環(huán)境作用等級(jí)主要為Y1，少量Y2，集中在DK66-DK82里程段落，主要受地層中夾石膏薄層、石膏脈體影響。

4結(jié)論

通過對(duì)成自鐵路川中“紅層”地下水特征研究，發(fā)現(xiàn)DK66-DK82里程段落，侏羅系晚期沉積的蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）、遂寧組（J3s）地層，受古地理環(huán)境影響，主要為淺水湖相沉積，巖性以紫紅色、鮮紅色泥巖為主，夾中層、薄層粉砂巖，夾石膏薄層、石膏脈體。受石膏影響，地下水多具有侵蝕性，氯巖環(huán)境作用等級(jí)L1，化學(xué)侵蝕環(huán)境作用等級(jí)主要H1，少量H2，鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境作用等級(jí)主要Y1，少量Y2。鐵路沿線混凝土工程應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行抗侵蝕性設(shè)計(jì)。

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