赵鹏
【摘 要】地下水对混凝土的腐蚀性以及其垂向变化规律是岩土工程重要的研究内容.以衡阳市合江套湘江隧道工程详勘区为研究对象,对地下水水文地球化学特征以及来源进行分析和探讨,对其腐蚀性进行评价.研究区地下水水文地球化学特征垂向变化明显,其中,地表水和浅部基岩裂隙水属于HCO3-Ca型;浅层地下水属于HCO3-Na型;深部基岩裂隙水属于SO4-Na型.浅层地下水由46.3％的地表水和53.7％的深部基岩裂隙水混合而成;浅部基岩裂隙水由87.4％的地表水和12.6％的深部基岩裂隙水混合而成.基岩裂隙水对混凝土具有中等腐蚀性,浅层地下水具有微腐蚀性. 【期刊名称】《铁道勘察》
【年(卷),期】2017(043)003
【总页数】4页(P42-45)
【关键词】地表水;地下水;腐蚀性;分布
裂隙水【作 者】赵鹏
【作者单位】中铁隧道勘测设计院有限公司,天津300133
【正文语种】中 文
【中图分类】P641.12
地下水的水文地球化学特征、来源及其腐蚀性研究是岩土工程勘察重要的工作内容，可为后续设计及施工提供依据[1-3]。不同深度地下水水文地球化学特征差异较大，导致其腐蚀性随深度变化较为显著[4]。近些年，随着我国基础建设工程的施工开挖深度不断加大，混凝土结构工程防腐显得尤为重要[4，5]。水文地球化学特征复杂的基岩裂隙水的腐蚀性研究不可忽视，一方面，基岩裂隙水矿化度较高，具有相对较强的腐蚀性；另一方面，基岩裂隙水与上部第四系松散岩类孔隙水混合，可导致地下水腐蚀性在垂向上发生显著变化。因此，全面了解不同深度地下水环境介质的特征，有针对性地分析不同深度地下水来源及其相互混合程度，以便采取合理的防腐措施，已成为基础工程设计和施工中的一个重要环节。以衡阳市合江套湘江隧道工程为研究对象，查明地下水的水文地球化学特征，分析不同深度地下水的来源及相互混合程度，并对其腐蚀性进行评价。
衡阳市合江套湘江隧道工程位于衡阳市城区北部，处于湘江、耒水以及蒸水三水汇水口位置，距离蒸水汇水口下游约2.4 km，距离耒水汇水口上游0.2 km处(见图1)。
工程区属侵蚀堆积河谷平原地貌类型，为湘江河流Ⅰ级阶地堆积地貌；属亚热带季风气候，四季分明，温暖湿润，雨量充沛，光照充足。其中，年平均气温17.9 ℃；年平均降水量1 337.7 mm；年平均相对湿度76%，年日照时数1 960 h。工程区处于新华夏系第二复式沉降带之平江-衡阳新华夏系坳(褶)陷(断)带的次级构造区，衡阳坳陷盆地的中部，地层从老到新有：下第三系霞流市组)、下第三系东塘组(E1d)及第四系(Q)。其中，霞流市组为厚93～950 m粉砂质泥岩；东塘组为厚244～2 132 m粉砂质泥岩；第四系为人工填土及河流阶地堆积物。工程区地表水主要为湘江河水体及两岸鱼塘等，地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，基岩中裂隙及岩溶发育不规律，水位不稳定。
2.1 样品采集
以衡阳市合江套湘江隧道工程详勘区地下水为研究对象，地下水样品采自湘江东岸3个水文钻孔，共取地下水试样8组，4组为基岩裂隙水，4组为浅层地下水。此外，还在湘江采集地表水样品2组，用以对比分析
2.2 测试方法
采集的水样中，SO42-、Cl-、Na+、K+、Mg2+以及Ca2+的浓度采用离子谱方法分析(ICS-1100，岛津)，标准曲线由5个浓度梯度的标准溶液确定，其中SO42-和Cl-浓度梯度均为10 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L以及400 mg/L； Na+、K+和Ca2+浓度梯度均为10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L以及200 mg/L；Mg2+浓度梯度为10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L以及50 mg/L。依据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)[6]，采用酸滴定法测定HCO3-，分别采用碱滴定法和盖耶尔法测定游离CO2和侵蚀CO2。采用pH计测定pH值。总矿化度(TDS)：依照国家行业标准《SL-79-1994矿化度的测定(重量法)》测定[7]。
3.1 水文地球化学特征
依据地下水的赋存状态以及水文地球化学特征，将衡阳市合江套湘江隧道工程详勘区地下水分为三种类型：浅层地下水，埋深<10 m；浅部基岩裂隙水，埋深10～40 m；深部基岩裂隙水，埋深>40 m(见表1)。
研究区地下水矿化度为854～5 519 mg/L，平均1 955 mg/L，与地表水矿化度(164～205 mg/L)相比明显偏高，这表明除大气降水和地表水补给外，深部地下水的补给也是研究区地下水的重要来源。浅层地下水和浅部基岩裂隙水矿化度(1 087～1 181 mg/L和854～1 013 mg/L)远高于地表水矿化度(164～205 mg/L)而远低于深部基岩裂隙水矿化度(3 660～5 519 mg/L)，说明浅层地下水和浅部基岩裂隙水为地表水和深部基岩裂隙水的混合水。总体上，从地表水—深部基岩裂隙水，矿化度具有随深度逐渐升高的趋势。
研究区地下水中Na++K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-以及HCO3-浓度变化较大(见表1)，变化范围分别为84～864 mg/L、35～632 mg/L、9～343 mg/L、119～102 mg/L、211～2 529 mg/L以及220～366 mg/L，平均分别为394 mg/L、187 mg/L、86 mg/L、405 mg/L、716 mg/L以及302 mg/L，与地表水相比，研究区地下水中不同类型离子浓度均明显偏高。从地表水—深部基岩裂隙水，不同类型离子浓度均具有逐渐增高的趋势，与矿化度的变化趋势相一致(见图2)。其中，浅层地下水阳离子以Na++K+为主，阴离子以HCO3-为主；浅部基岩裂隙水阳离子以Ca2+为主，阴离子以SO42-为主；深部基岩裂隙水阳离子以Na++K+为主，阴离子以SO42-为主。
为了进一步研究该区地下水水化学特征，采用Piper三线图示法来进行水化学类型分析，查明水化学类型以及离子变化特征。Piper三线图中(见图3)，Ⅰ区属于HCO3-Ca型，一般符合该特征的为浅层地下水或河水的水质类型；Ⅱ区属于HCO3-Na型，符合该特征的是深层地下水的水质类型；Ⅲ区属于 Cl-Na或 SO4-Na型，通常是海水、盐水或热水水质类型；Ⅳ区属于Cl-Ca、SO4-Ca型，通常是地下水或海水(盐水)混合水水质类型[8]。研究区地表水和浅部基岩裂隙水落于Ⅰ区，属于HCO3-Ca型；浅层地下水落于Ⅱ区，属于HCO3-Na型；深部基岩裂隙水落于Ⅲ区，属于SO4-Na型。
3.2 地下水来源分析
结合研究区地下水及地表水水文地球化学特征分析结果，深部基岩裂隙水矿化度较高，水化学类型属于SO4-Na型，说明其主要来源于深部水动力条件较弱承压含水层的越流补给；地表水矿化度较低，水化学类属于 HCO3-Ca型，符合大气降水的特征，说明主要来源于大气降水补给。Schoeller离子分布分析结果表明(见图4)：浅层地下水和浅部基岩裂隙水的离子分布趋势介于深部基岩裂隙水和地表水之间，结合研究区水文地球化学特征分析结果可知，浅层地下水和浅部基岩裂隙水为深部基岩裂隙水和地表水不同比例的混合水。地下水
中CO2溶解度对HCO3-、Ca2+和Mg2+浓度具有显著影响，碳酸盐类矿物(如方解石、白云石等)的溶解与结晶对Ca2+和Mg2+具有显著影响，微生物活动(硫化细菌和还原硫细菌)对SO42-的浓度具有一定影响，人为活动对Cl-浓度产生一定影响，Na+和K+浓度受外界影响相对较小。以Na++K+浓度为依据，计算浅层地下水和浅部基岩裂隙水中深部基岩裂隙水和地表水的混合比例。
其中，C1(Na+K)和C2(Na+K)分别代表地表水和深部基岩裂隙水中Na++K+浓度，x1和x2分别代表地表水和深部基岩裂隙水的混合比例，C3(Na+K)代表浅层地下水或浅部基岩裂隙水中Na++K+浓度。计算结果表明(如表2)：浅层地下水中地表水的比例为41.5%～49.1%，平均46.3%，深部基岩裂隙水为50.9%～58.5%，平均53.7%；浅部基岩裂隙水中地表水的比例为85.0%～89.9%，平均87.4%，深部基岩裂隙水的比例为10.1%～15.0%，平均为12.6%。对比发现，浅部基岩裂隙水中地表水的比例明显高于浅层地下水，这说明研究区范围内存在导水裂隙直接沟通浅层地表水与基岩裂隙水。此外，地表水也可能存在其它水体混入。
3.3 地下水腐蚀性评价
水泥硬化以后，水分主要以自由水的形式存在，硬化后会在混凝土内部形成大小不同的孔隙和毛细通道，混凝土构件接触环境中的地下水通过这些孔道进入到混凝土构件中，发生物理-化学反应，导致混凝土强度降低。地下水对混凝土的腐蚀作用主要包括三种类型：分解类腐蚀、结晶类腐蚀以及分解-结晶复合类腐蚀[5，9，10]。对照《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)，结合地下水中矿化度以及和Mg2+离子的浓度，对研究区地下水的结晶腐蚀性进行评价(见表3)：地表水和浅层地下水具有微结晶腐蚀性，浅部基岩裂隙水具有弱结晶腐蚀性，深部基岩裂隙水具有中等结晶腐蚀性。
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