本發(fā)明涉及一種水利水電工程溶出型侵蝕析鈣量評(píng)價(jià)方法，屬于水利水電材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
已建成的各類(lèi)水庫(kù)在運(yùn)行期間，在大壩壩基、廊道或排水溝等地都存在不同程度白色鈣質(zhì)析出物沉積現(xiàn)象。豐滿水電站老壩壩體年溶蝕量達(dá)到10.64噸/年,其中鈣離子溶蝕量約占31.4％～34.1％(據(jù)吳中如，大壩服役狀態(tài)的合評(píng)判方法)；東風(fēng)水電站防滲帷幕灌漿廊道每年清理白色鈣質(zhì)析出物數(shù)以噸計(jì)。
含混凝土和水泥材料的水庫(kù)大壩、洞室、防滲帷幕等結(jié)構(gòu)和設(shè)施的溶出型侵蝕是滲流水溶解并帶走水泥石中的ca(oh)2，降低了水泥石中的ca2+離子濃度，并導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物中ca2+離子和其他離子的溶出。這種水泥石的溶蝕現(xiàn)象，使混凝土或地質(zhì)加固體強(qiáng)度和抗?jié)B性降低?；炷疗渌囊恍┠途眯詥?wèn)題，如堿集料反應(yīng)、碳化和鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)破壞等都與滲透性密切相關(guān)，可以說(shuō)抗?jié)B性是保證混凝土大壩結(jié)構(gòu)安全、耐久性的重要條件，更是防滲帷幕存在的目的。
溶出型侵蝕的定量計(jì)算評(píng)價(jià)有一些研究成果，通過(guò)分析幕后排水孔地下水與其補(bǔ)給源(通常為壩前庫(kù)水)的水質(zhì)，計(jì)算出ca2+的濃度差，然后根據(jù)某個(gè)周期時(shí)間段(例如一年)，可推算出總的析鈣量，從而從量上來(lái)反映出基礎(chǔ)帷幕的侵蝕度(楊永祥，壩基帷幕體防滲效果及其時(shí)效多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系研究；彭鵬，大壩基礎(chǔ)帷幕體防滲效果評(píng)價(jià)方法綜述)。其中鈣離子的來(lái)源包含了巖體介質(zhì)中的鈣成分的溶解，反應(yīng)復(fù)雜，不易查清，不完全是防滲帷幕中水泥結(jié)石的溶出，計(jì)算結(jié)果的誤差較大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于，提供一種水利水電工程溶出型侵蝕析鈣量評(píng)價(jià)方法。為水工建筑物和防滲帷幕運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)研究提供必要的支撐。
本發(fā)明的技術(shù)方案：
一種水利水電工程溶出型侵蝕析鈣量評(píng)價(jià)方法，該方法的評(píng)價(jià)過(guò)程按以下步驟進(jìn)行：
步驟一、對(duì)防滲帷幕出水點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)出水點(diǎn)的ph值、流量，取代表性水樣，包括滲漏水、幕前水和庫(kù)水；
步驟二、將代表性水樣送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)分析，得到幕前地下水的hco3-含量；
步驟三、根據(jù)公式
計(jì)算某處滲漏水的防滲帷幕ca(oh)2溶出型侵蝕質(zhì)量；
步驟四、將防滲帷幕后所有滲漏點(diǎn)侵蝕量相加，獲得工程滲控系統(tǒng)的溶出型侵蝕總量；根據(jù)防滲帷幕單位長(zhǎng)度的侵蝕量與該段防滲帷幕的水泥漿灌入量進(jìn)行比較，評(píng)估防滲帷幕的溶出型侵蝕水平，并對(duì)防滲帷幕的可靠性進(jìn)行評(píng)估。
前述方法中，所述步驟二中的代表性水樣指幕前地下水，如果沒(méi)有取得幕前地下水，可用庫(kù)水的hco3-含量代替。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于水工建筑混凝土或防滲帷幕溶出型侵蝕的過(guò)程和機(jī)理，總結(jié)出通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)滲漏量和ph值計(jì)算防滲帷幕ca(oh)2溶出型侵蝕質(zhì)量的公式和方法，該方法原理清晰，操作簡(jiǎn)便，避免了花費(fèi)極大的精力去研究地下水系統(tǒng)中ca2+的復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明對(duì)強(qiáng)堿化滲漏水的防滲帷幕可靠性和水工建筑物安全評(píng)價(jià)簡(jiǎn)單有效。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的任何限制。
實(shí)施例
一種水利水電工程溶出型侵蝕析鈣量評(píng)價(jià)方法，該方法的評(píng)價(jià)過(guò)程按以下步驟進(jìn)行：
步驟一、對(duì)防滲帷幕出水點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)出水點(diǎn)的ph值、流量，取代表性水樣，包括滲漏水、幕前水和庫(kù)水；
步驟二、將代表性水樣送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)分析，得到幕前地下水的hco3-含量；如果沒(méi)有取得幕前地下水，可用庫(kù)水的hco3-含量代替。
步驟三、根據(jù)公式
計(jì)算某處滲漏水的防滲帷幕ca(oh)2溶出型侵蝕質(zhì)量；
步驟四、將防滲帷幕后所有滲漏點(diǎn)侵蝕量相加，獲得工程滲控系統(tǒng)的溶出型侵蝕總量；根據(jù)防滲帷幕單位長(zhǎng)度的侵蝕量與該段防滲帷幕的水泥漿灌入量進(jìn)行比較，評(píng)估防滲帷幕的溶出型侵蝕水平，并對(duì)防滲帷幕的可靠性進(jìn)行評(píng)估。
對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明
硅酸鹽水泥熟料的主要礦物有硅酸三鈣(3cao·sio2，簡(jiǎn)寫(xiě)為c3s)、硅酸二鈣(2cao·sio2，簡(jiǎn)寫(xiě)為c2s)、鋁酸三鈣(3cao·al2o3，簡(jiǎn)寫(xiě)為c3a)和鐵鋁酸四鈣(4cao·al2o3·fe2o3，簡(jiǎn)寫(xiě)為c4af)四種。前兩者統(tǒng)稱為硅酸鹽礦物，占75％左右，其水化產(chǎn)物都是水化硅酸鈣凝膠(c—s—h)和氫氧化鈣(ca(oh)2)，為水泥石的主要成分，氫氧化鈣約占20％。
防滲帷幕與混凝土大壩同樣處于高壓流動(dòng)水系統(tǒng)中，帷幕體系地下水滲流活躍。水泥石充填于巖體裂隙孔洞中，表面積大，更容易受滲流的影響。環(huán)境水通過(guò)防滲帷幕，帷幕體水泥石中ca(oh)2被溶解，生成oh-，見(jiàn)式(1)，
ca(oh)2→ca2++2oh-(1)
水質(zhì)開(kāi)始朝堿性化方向發(fā)展。地下水中的普遍存在的hco3-與oh-反應(yīng)，生成co32-和水，在堿性環(huán)境中，較少量的co32-不發(fā)生沉淀，見(jiàn)式(2)。
hco3-+oh-→co32-+h2o(2)
根據(jù)理論計(jì)算，在ph為10.5時(shí)，hco32-基本不占優(yōu)勢(shì)，帷幕體中的溶液將主要為co32-和oh-，帷幕體水泥石中ca(oh)2繼續(xù)溶解，并被滲流帶出防滲帷幕體，并滲濾出來(lái)。這一過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行，使裂隙內(nèi)石灰濃度逐漸降低，并將逐步引起水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等的分解，于是水泥石的結(jié)構(gòu)受到破壞，帷幕體抗?jié)B性和強(qiáng)度將不斷降低，從而進(jìn)一步加劇防滲帷幕的衰減和老化。
滲漏出來(lái)攜帶ca(oh)2的溶液使得壩基或者廊道內(nèi)水流ph值偏高，水體強(qiáng)堿化，吸收co2后，產(chǎn)生白色caco3析出物。其反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)式(3)所示。
ca2++2oh-+co2→caco3↓+h2o(3)
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取強(qiáng)堿化水樣送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)分析后，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)ph值計(jì)算的oh-物質(zhì)的量濃度普遍大于水質(zhì)簡(jiǎn)分析中oh-含量，基本上與水質(zhì)簡(jiǎn)分析中oh-含量加上co32-物質(zhì)的量濃度之和相當(dāng)。而水質(zhì)簡(jiǎn)分析中ca2+的物質(zhì)的量濃度一般大于或接近于ph計(jì)算的oh-物質(zhì)的量濃度。這說(shuō)明，以ph計(jì)算的oh-物質(zhì)的量濃度來(lái)反映防滲帷幕水泥結(jié)石的溶出型侵蝕量是簡(jiǎn)便、合理和可靠的。
帷幕體水泥石中ca(oh)2被溶解的物質(zhì)的量n3可分為兩部分，一部分是與地下水中的hco3-反應(yīng)的oh-含量，可根據(jù)防滲帷幕幕前地下水或庫(kù)水中的hco3-含量n1計(jì)算，兩者相等。另一部分n2為直接溶解并滲漏出來(lái)，可根據(jù)滲漏水流的ph值計(jì)算，單位均為mol/l。
n＝n1+n2(5)
實(shí)測(cè)該處滲漏水流的流量為q，單位l/d，則該處滲漏水流一年時(shí)間將溶解的ca(oh)2質(zhì)量m為(單位kg):
m＝36.5qn(6)
將(4)-(6)式合并得式(7)：