CN107102124B - 一种水利水电工程溶出型侵蚀析钙量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水利水电工程溶出型侵蚀析钙量评价方法，首先对防渗帷幕出水点进行现场调查，现场实测出水点的pH值、流量，取代表性水样，包括渗漏水、幕前水和库水；再将代表性水样送实验室进行水质简分析，得到幕前地下水的HCO3 ‑含量；然后计算某处渗漏水的防渗帷幕Ca(OH)2溶出型侵蚀质量；最后将防渗帷幕后所有渗漏点侵蚀量相加，获得工程渗控系统的溶出型侵蚀总量；根据防渗帷幕单位长度的侵蚀量与该段防渗帷幕的水泥浆灌入量进行比较，评估防渗帷幕的溶出型侵蚀水平，并对防渗帷幕的可靠性进行评估。本发明原理清晰，操作简便，对强碱化渗漏水的防渗帷幕可靠性和水工建筑物安全评价简单有效。
Description
技术领域
本发明涉及一种水利水电工程溶出型侵蚀析钙量评价方法，属于水利水电材料科学技术领域。
背景技术
已建成的各类水库在运行期间，在大坝坝基、廊道或排水沟等地都存在不同程度白色钙质析出物沉积现象。丰满水电站老坝坝体年溶蚀量达到10.64吨/年,其中钙离子溶蚀量约占31.4％～34.1％(据吴中如，大坝服役状态的合评判方法)；东风水电站防渗帷幕灌浆廊道每年清理白色钙质析出物数以吨计。
含混凝土和水泥材料的水库大坝、洞室、防渗帷幕等结构和设施的溶出型侵蚀是渗流水溶解并带走水泥石中的Ca(OH)2，降低了水泥石中的Ca2+离子浓度，并导致水泥水化产物中Ca2+离子和其他离子的溶出。这种水泥石的溶蚀现象，使混凝土或地质加固体强度和抗渗性降低。混凝土其他的一些耐久性问题，如碱集料反应、碳化和钢筋锈蚀、冻融循环破坏等都与渗透性密切相关，可以说抗渗性是保证混凝土大坝结构安全、耐久性的重要条件，更是防渗帷幕存在的目的。
溶出型侵蚀的定量计算评价有一些研究成果，通过分析幕后排水孔地下水与其补给源(通常为坝前库水)的水质，计算出Ca2+的浓度差，然后根据某个周期时间段(例如一年)，可推算出总的析钙量，从而从量上来反映出基础帷幕的侵蚀度(杨永祥，坝基帷幕体防渗效果及其时效多指标评价体系研究；彭鹏，大坝基础帷幕体防渗效果评价方法综述)。其中钙离子的来源包含了岩体介质中的钙成分的溶解，反应复杂，不易查清，不完全是防渗帷幕中水泥结石的溶出，计算结果的误差较大。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种水利水电工程溶出型侵蚀析钙量评价方法。为水工建筑物和防渗帷幕运行可靠性评价研究提供必要的支撑。
本发明的技术方案：
一种水利水电工程溶出型侵蚀析钙量评价方法，该方法的评价过程按以下步骤进行：
步骤一、对防渗帷幕出水点进行现场调查，现场实测出水点的pH值、流量，取代表性水样，包括渗漏水、幕前水和库水；
步骤二、将代表性水样送实验室进行水质简分析，得到幕前地下水的HCO3 -含量；
步骤三、根据公式
计算某处渗漏水的防渗帷幕Ca(OH)2溶出型侵蚀质量；
步骤四、将防渗帷幕后所有渗漏点侵蚀量相加，获得工程渗控系统的溶出型侵蚀总量；根据防渗帷幕单位长度的侵蚀量与该段防渗帷幕的水泥浆灌入量进行比较，评估防渗帷幕的溶出型侵蚀水平，并对防渗帷幕的可靠性进行评估。
前述方法中，所述步骤二中的代表性水样指幕前地下水，如果没有取得幕前地下水，可用库水的HCO3 -含量代替。
与现有技术相比，本发明基于水工建筑混凝土或防渗帷幕溶出型侵蚀的过程和机理，总结出通过现场实测渗漏量和pH值计算防渗帷幕Ca(OH)2溶出型侵蚀质量的公式和方法，该方法原理清晰，操作简便，避免了花费极大的精力去研究地下水系统中Ca2+的复杂物理化学反应关系。本发明对强碱化渗漏水的防渗帷幕可靠性和水工建筑物安全评价简单有效。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
实施例
一种水利水电工程溶出型侵蚀析钙量评价方法，该方法的评价过程按以下步骤进行：
步骤一、对防渗帷幕出水点进行现场调查，现场实测出水点的pH值、流量，取代表性水样，包括渗漏水、幕前水和库水；
步骤二、将代表性水样送实验室进行水质简分析，得到幕前地下水的HCO3 -含量；如果没有取得幕前地下水，可用库水的HCO3 -含量代替。
步骤三、根据公式
计算某处渗漏水的防渗帷幕Ca(OH)2溶出型侵蚀质量；
步骤四、将防渗帷幕后所有渗漏点侵蚀量相加，获得工程渗控系统的溶出型侵蚀总量；根据防渗帷幕单位长度的侵蚀量与该段防渗帷幕的水泥浆灌入量进行比较，评估防渗帷幕的溶出型侵蚀水平，并对防渗帷幕的可靠性进行评估。
对本发明的说明
硅酸盐水泥熟料的主要矿物有硅酸三钙(3CaO·SiO2，简写为C3S)、硅酸二钙(2CaO·SiO2，简写为C2S)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3，简写为C3A)和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF)四种。前两者统称为硅酸盐矿物，占75％左右，其水化产物都是水化硅酸钙凝胶(C—S—H)和氢氧化钙(Ca(OH)2)，为水泥石的主要成分，氢氧化钙约占20％。
防渗帷幕与混凝土大坝同样处于高压流动水系统中，帷幕体系地下水渗流活跃。水泥石充填于岩体裂隙孔洞中，表面积大，更容易受渗流的影响。环境水通过防渗帷幕，帷幕体水泥石中Ca(OH)2被溶解，生成OH-，见式(1)，
Ca(OH)2→Ca2++2OH- (1)
水质开始朝碱性化方向发展。地下水中的普遍存在的HCO3 -与OH-反应，生成CO3 2-和水，在碱性环境中，较少量的CO3 2-不发生沉淀，见式(2)。
HCO3 -+OH-→CO3 2-+H2O (2)
根据理论计算，在pH为10.5时，HCO3 2-基本不占优势，帷幕体中的溶液将主要为CO3 2-和OH-，帷幕体水泥石中Ca(OH)2继续溶解，并被渗流带出防渗帷幕体，并渗滤出来。这一过程的连续进行，使裂隙内石灰浓度逐渐降低，并将逐步引起水化硅酸钙、水化铝酸钙等的分解，于是水泥石的结构受到破坏，帷幕体抗渗性和强度将不断降低，从而进一步加剧防渗帷幕的衰减和老化。
渗漏出来携带Ca(OH)2的溶液使得坝基或者廊道内水流pH值偏高，水体强碱化，吸收CO2后，产生白色CaCO3析出物。其反应过程见式(3)所示。
Ca2++2OH-+CO2→CaCO3↓+H2O (3)
对现场所取强碱化水样送实验室进行水质简分析后，统计发现，根据pH值计算的OH-物质的量浓度普遍大于水质简分析中OH-含量，基本上与水质简分析中OH-含量加上CO3 2-物质的量浓度之和相当。而水质简分析中Ca2+的物质的量浓度一般大于或接近于pH计算的OH-物质的量浓度。这说明，以pH计算的OH-物质的量浓度来反映防渗帷幕水泥结石的溶出型侵蚀量是简便、合理和可靠的。
帷幕体水泥石中Ca(OH)2被溶解的物质的量n3可分为两部分，一部分是与地下水中的HCO3 -反应的OH-含量，可根据防渗帷幕幕前地下水或库水中的HCO3 -含量n1计算，两者相等。另一部分n2为直接溶解并渗漏出来，可根据渗漏水流的pH值计算，单位均为mol/L。
n＝n1+n2 (5)
实测该处渗漏水流的流量为q，单位L/d，则该处渗漏水流一年时间将溶解的Ca(OH)2质量m为(单位kg):
m＝36.5qn (6)
将(4)-(6)式合并得式(7)：
Claims (1)
1.一种水利水电工程溶出型侵蚀析钙量评价方法，其特征在于：该方法的评价过程按以下步骤进行：
步骤一、对防渗帷幕出水点进行现场调查，现场实测出水点的pH值、流量；
步骤二、将代表性水样送实验室进行水质简分析，得到幕前地下水的HCO3 -含量；代表性水样指幕前地下水，如果没有取得幕前地下水，可用库水的HCO3 -含量代替；
步骤三、根据公式
式中：q为实测处渗漏水流的流量，单位为L/d；
n1为防渗帷幕幕前地下水或库水中的HCO3 -含量，单位为mol/L；
m的单位为千克；
PH值为现场实测出水点的pH值；
计算某处一年时间渗漏水的防渗帷幕Ca(OH)2溶出型侵蚀质量；
步骤四、将防渗帷幕后所有渗漏点侵蚀量相加，获得工程渗控系统的溶出型侵蚀总量；根据防渗帷幕单位长度的侵蚀量与该段防渗帷幕的水泥浆灌入量进行比较，评估防渗帷幕的溶出型侵蚀水平，并对防渗帷幕的可靠性进行评估。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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