小浪底大坝坝基析出物分析与评价

李占省

（黄河水利水电开发总公司，河南洛阳410114）

小浪底大坝坝基析出物分析与评价

李占省

（黄河水利水电开发总公司，河南洛阳410114）

摘要:大坝坝基析出物是大坝建成蓄水后较为普遍存在的现象。基于现有关于大坝坝基析出物的研究，结合近年来对小浪底大坝进行的安全定检工作，采用现场调查、取样分析及多手段化验等方法，在论述小浪底坝基析出物基本特征及形成机理的基础上，综合评价坝基析出物对大坝安全运行潜在的影响。分析表明:现阶段坝基右岸1#排水洞、左岸30#排水洞受地下水化学局部潜蚀较大，虽对大坝坝基强度及稳定性影响不大，但化学潜蚀是机械管涌等的先导，需加强监测；另外，坝基水质中含大量活跃微生物，微生物对坝基岩体等的影响研究还有待深化；而左岸30#排水孔排水沟沉积物含大量硅、铝及钙物质，且烧失量较大 ，需进一步通过定期取样、分析，进行定量评价。

关键词:小浪底大坝；坝基；析出物；潜在影响

黄河小浪底水利枢纽工程是黄河干流上的一座集减淤、防洪、防凌、供水灌溉、发电等为一体的大型综合性水利工程，是治理开发黄河的关键工程，属国家“八五”重点项目［1-3］。自投运以来 ，总体工况良好，经多年组织实施的大坝安全检查发现 ，坝基区伴随着渗漏水而出现了胶状物质，且多数源于帷幕体后排水孔。此类物质的来源与形成环境、对坝基岩体乃至对大坝安全运行有何影响 ，已引起工程人员的关注。

本文基于现有关于大坝坝基析出物的研究，采用现场调查、取样分析及多手段化验等方法 ，在论述小浪底坝基析出物基本特征及形成机理的基础上，综合评价坝基析出物对大坝安全运行潜在的影响，为大坝安全运行提供依据。

1　坝址地质及水文环境概况

1.1坝址地质条件

坝址区出露的地层主要为二迭系上统和三迭系下统，按从老到新的顺序主要为:①p32岩组，分布于右坝肩，主要为暗紫红色；②p42岩组，分布于右坝肩及左岸深部，以紫红色为主，夹有浅黄绿、黄灰色；③T61岩组，主要分布于左岸山梁上部、风雨沟以西及洞群出口部位，呈棕红、砖红色及紫红色；④第四系（Q）与工程关系密切的沉积物为全新统近代河流冲积砂、卵石、粉细砂及壤土，堆积于河床上部及I级阶地上。

1.2水文地质环境

库区属温带大陆性季风气候，年平均气温为12.4℃～14.3℃，库区年平均降水量616 mm，年平均蒸发量为2 072 mm，年平均湿度在62%左右。大坝建成蓄水后，受坝址自然环境变化的影响 ，坝基水质会发生一定变化。于2004年5月—2013年8月间，对坝前50 m处，不同深度的库水取样分析，其环境水主要化学特征统计见表1、表2。

表1　坝前50 m处不同深度环境水主要化学特征统计单位:mg/L

表2　不同部位环境水主要化学特征统计　单位:mg/L

由表1、表2可知:库水pH值在8.0左右，为弱碱性水。水中钙、镁含量较多，钙离子多年平均含量达64.1 mg/L～69.1 mg/L，镁离子多年平均含量达31.2 mg/L～32.2 mg/L，钾钠含量也较多，多年平均含量达109.9 mg/L～115.88 mg/L。右岸坝基（1#排水洞）水pH值基本与库水一致，为弱碱性水。水中钠钾离子含量较库水中略有降低，在90 mg/L左右，10年间含量基本稳定（2004年—2013年）。钙离子含量较库水中有所增加，相差20 mg/L左右。与库水中相比，硫酸根、碳酸氢根含量相差不大，镁离子和氯离子含量基本不变。左岸坝基（30#排水洞）水pH值基本与库水一致，为弱碱性水。水中钠钾离子含量比库水减少15 mg/L左右，10年来（2004年—2013年）水中钠钾离子含量基本稳定。水中硫酸根、碳酸氢根含量较库水位变化不大，钙离子、镁离子和氯离子含量与库水含量基本相同。

2　析出物基本特征

2.1析出物的分布

现场调查表明，小浪底坝基析出物分布相对集中，出现析出物的排水孔数量占区内排水孔总数的一小部分（右岸1#排水洞、左岸30#排水洞排水管根部、排水沟壁上析出物及排水沟内有沉积物），此现象与该部位排水孔的孔口高程较低有关。

2.2析出物的化学成分

取右岸1#排水洞排水管根部和排水沟壁上析出物进行X射线衍射分析，其X射线衍射谱均未出现明显衍射峰，说明析出物为无定形的非晶质体。析出物的化学成分中，黑色以MnO2为主，约占40% ～70%，白色以CaO为主，Fe2O3、SiO2和Al2O3含量较少。由于有机质及CaO含量大，析出物灼烧过程中CO2气体及发挥物质均逸出较多，故烧失量（LOI）亦高，约占20%左右，水pH值7～8，呈弱碱性。取右岸1#排水洞、左岸30#进行排水洞排水沟内沉积物胶体分析，出现水铝英石等，表明沉积物为非晶质胶体。沉积物的主要化学成分为SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3和MnO2，其中SiO2+Al2O3总量已超50%，表现出 SiO2、Al2O3为主型析出物，CaO含量最大达20.89%，水pH值7～8，呈弱碱性，详见表3。

2.3析出物矿物及颗粒成分

取排水沟内沉积物进行X射线衍射分析，1#排水沟内沉积物主要矿物成分为石英、方解石，其含量约占54%～78%，伊利石、斜长各约占10%左右，并含少量高岭石、蒙脱石及白云石；30#排水沟内沉积物其主要矿物为石英和方解石，其含量约占50%～60%，其次为钾长石、斜长石，并含有伊利石、绿泥石和少量白云石。析出物的X射线衍射图中并无明显的衍射峰，说明样品中的针铁矿呈弱结晶状态 。经室内颗粒分析表明，颗粒主要以0.25至0.075 mm的砂砾和粉粒为主，小于0.005 mm的粘粒仅占2% ～7%，粒度模数约为1.46，沉积物手触有粗糙感。

表3　坝址析出物和沉积物化学成分分析　单位:%

3　析出物成因分析及评价

蓄水条件下，坝址自然环境变化较大 ，库底逐渐呈氧化还原环境，由于高水头的存在，使得坝基区地下水处于高渗压状态，进而渗透到坝基区相对不透水的岩层，而坝底高渗压水作为坝基水的主要补给源，逐渐促使坝基地下水趋于或形成氧化还原水环境，水环境的水-岩和水-混凝土的相互作用，又为析出物的形成提供了物质基础。因此，析出物是一定地质条件、水文地质环境下液-固相系列间相互作用的产物，且不同部位、不同类型的析出物具有不同的物质来源以及形成机制。

（1）锰、铁是较常见的变价元素，其迁移与富集主要受地球化学环境因素（如pH、Eh等）影响。当坝底水受到高渗压作用渗入坝基，坝基形成与库底相同的水环境，在还原环境下，呈酸性的地下水（具有一定含量的CO2）为坝基岩体裂隙中的Fe、Mn化合物的活化提供了有利的条件，Fe、Mn以离子或游离氧化物的形式进入液相中，随地下水的渗流而迁移［4-8］。当地下水流至排水孔口而处于氧化环境时，低价离子被氧化成高价离子，其中，胶粒氧化成凝胶，最终形成析出物。

由表1及表2可知，小浪底库水中几乎未含铁、锰，而右岸1#排水洞D5#、D20#、D25#孔析出物均含有较大量MnO2。因此，多为基岩裂隙中铁、锰等受地下水溶蚀所带出，虽不直接影响坝基强度，但对含锰元素岩石需加强监测。其反应过程如式（1）～式（5）:

（2）硅、铝是组成岩石的主要成分，因此，SiO2、Al2O3为主要成分的析出物是坝基岩石产生溶蚀的标志［7-8］，而坝基软弱夹层长期浸泡在坝基水下，坝基析出物中SiO2、Al2O3的多量迁移也是坝基软弱夹层性变的重要标志。

小浪底水电站坝基右岸排水沟两个沉积物样中SiO2+Al2O3总量均已超50% ，成为主要成分（见表3）。经X衍射分析，两个沉积物样中主要矿物均为为石英、方解石，其含量分别约占68%和55%，含有一定量伊利石、钾长石及斜长石，并含少量伊利石、绿泥石和白云石。上述表明，两个采样点基岩潜蚀明显，基岩裂隙部位已形成粘土物质机械搬运和软弱夹层局部软泥化现象。尽管目前还不能定量评价它们对岩体渗透稳定性的影响，但应引起重视，加强监测。

（3）白色析出物的主要成分是氧化钙，它是具有侵蚀性的地下水（含一定量CO2）在渗压作用下与灌浆帷幕体、坝体混凝土的碳酸盐类物质及基岩裂隙中方解石等发生的溶蚀作用的产物，它反映出混凝土和帷幕遭到腐蚀及裂隙基岩碎石受到溶蚀。主要体现在Ca（OH）2与CO2+H2O之间和钙质胶结物与地下水之间的相互作用，当地下水流至坝体渗水处或坝基地下水系统的排泄区，其温度升高，压力降低，CO2逸出而产生白色析出物，凡出现白色析出物的水介质均为碱性，此与坝踵帷幕体后滞缓的径流条件有关［9-13］。

由表3可知，小浪底两个样品中钙离子含量较库水中钙离子含量略有增加，说明坝基中钙离子发生了少量迁移，坝基水与水泥帷幕、混凝土发生作用，但现阶段影响小。但对两个样品矿物分析发现，析出物中方解石含量较大，坝基裂隙中钙质胶结物与地下水之间的相互作用明显。主要反应如（6）式:

（4）坝基析出物中含有大量有机物质，在其灼烧过程中，挥发物质的逸出 ，使其烧失量成为主要成分。这些有机物质虽不来源于基岩体，但对矿物等的分解有重要影响。如:有机质的间接反映出微生物的活跃程度，而有些微生物会加速铁锰等物质的运移和富集，有些微生物产生的无机或有机酸，能促进水对岩石、混凝土等的潜蚀［14-15］。

小浪底水电站坝前库水及库底沉积物分析表明，两个样品水质均为碱性，其中，排水孔析出物有机质及烧失量较大，应加强和完善微生物含量等方面的研究分析。

4　结 论

通过取样对小浪底大坝析出物的化学组成、矿物组成及微观形态等方面进行分析，结合析出物形成特点，初步探讨了坝基析出物的形成及潜在影响。需要指出的是:

（1）析出物并不是简单机械潜蚀所致，更应考虑化学潜蚀的影响，小浪底现阶段调查分析表明，化学潜蚀对大坝坝基强度及稳定性影响虽不大，但化学潜蚀是机械管涌等的先导。因此，仍需加强对其析出的监测与分析。

（2）现阶段研究表明，微生物含量及其活跃程度会加速铁锰等物质的运移和富集，其产生的无机或有机酸，能促进水对岩石、混凝土等的潜蚀。现阶段坝基有机质及烧失量可间接表明小浪底坝基水质中含大量活跃微生物，而对于微生物的取样及分析研究还有待深化。

（3）析出物中硅铝能间接反映出坝基岩体的强度及稳定性，而铁、锰含量会对含此类物质较多的岩石产生不良影响，氧化钙是帷幕混凝土受腐蚀的标志。因此，需进一步加强对此类型析出物的观察，通过定期取样、分析计算进行定量评价。

参考文献:

［1］ 林秀山.黄河小浪底水利枢纽文集［M］.郑州:黄河水利出版社，2001.

［2］ 吴 熹.小浪底大坝工程施工近况及几个技术问题的处理［J］.水力发电，1996，（7）:8-11.

［3］ 曹征齐，孙国纬.小浪底水利枢纽建设中的重要技术创新［J］.水力发电，2000，12（8）:29-34.

［4］ 邢林生.坝基析出物分析的新进展［J］.水利水电技术，1998，（6）:38-41.

［5］ 宋汉周，朱旭芬，彭 鹏，等.坝址渗水析出物及潜在影响研究［J］.水利学报，2011，42（4）:454-460.

［6］ 杨光中，彭汉兴，马晓辉，等.大坝坝基胶状析出物的分析与评价［J］.水利学报，2003，34（9）:102-106.

［7］ 杨保全 ，杨光中，叶桂萍.大坝坝基水质与渗流特征［J］.河海大学学报:自然科学版 ，2001，（2）:91-95.

［8］ 李学礼.水文地球化学［M］.北京:原子能出版社，1998.

［9］ 钱 会，席临平，肖 莉，等.宝珠寺水电站坝基排水孔异常逸出物成因分析［J］.岩土工程学报，2001，23（2）: 205-208.

［10］ 宋汉周.大坝坝址地下水析出物检测方法［J］.水电能源科学，2004，22（4）:43-46.

［11］ 马晓辉，彭汉兴 ，杨光中.新安江大坝坝基页岩性状变化研讨［J］.河海大学学报:自然科学版，1999，27（4）: 101-106.

［12］ 沈照理，刘光亚 ，杨成田，等.水文地质学［M］.北京:科学出版社，1985.

［13］ 李远惠，王世康 ，马秀莹.狮子滩水电站坝基排水孔黄色絮状溢出物成因分析［J］.水力发电学报，1993，（2）: 46-54.

［14］ 宋汉周，施希京.大坝坝址析出物及其对于岩体渗透稳定性的影响［J］.岩土工程学报，1997，19（5）:14-19.

［15］ 杨光中 ，彭汉兴，徐军阳，等.丹江口大坝坝基水质特征及帷幕性状评价［J］.水力发电学报 ，2000，（4）:33-39.

中图分类号:TV697.2

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0198—04

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.041

收稿日期 :2014-10-14修稿日期:2014-11-16

作者简介 :李占省（1974—），男，山东荷泽人，工程师，主要从事大坝安全监测方面的工作。E-mail:lizhansheng@xiaolangdi.com.cn

Analysis and Evaluation of the Precipitates on the Foundation of Xiaolangdi Dam

LI Zhan-sheng
（Yellow River Development Corporation of Water Conservancy and Hydropower，Luoyang，He’nan 410114，China）

Abstract:It is a widespread phenomenon that as soon as the the dam is built，its foundation starts to produce precipitates.Based on the existing research on precipitates on the dam foundation，combined with the safety inspection work scheduled for the Xiaolangdi dam in recent years，field investigations were carried out，and then samples were collected and analyzed in various methods.The basic characteristics and formation mechanism of the precipitates were discussed to evaluate the potential impact of the precipitates on the safe operation of the dam.The analysis indicates that at present stage，1#drainage hole on the right bank of the dam and 30#drainage hole on the left bank are afflicted by subsurface erosion of the chemicals in the groundwater，however the erosion does not have a great impact on the strength and the stability of the dam foundation，but it is the precursor of the mechanical piping，so regular monitoring is necessary.In addition，there are a large number of active micro-organisms in the water of the dam foundation area，its impact on the dam foundation rock remains to be further researched；meanwhile there is quite amount of substances that contain silicon，aluminum and calcium in the sediments of the 30#drainage hole gutter on the left bank of the dam，which is yet to be sampled，analyzed and evaluated at regular intervals.

Keywords:Xiaolangdi dam；dam foundation；precipitates；potential impact