环境水质对大坝安全与稳定的影响

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论文关键词：水质　水污染　大坝安全　涂层保护

论文摘要：大坝建成蓄水后，由于自然或人为因素，大坝的水质环境发生一系列变化。正是这些变化，对大坝的安全和稳定造成了不同程度的影响。库水是否污染 ，坝体受影响程度也有所不同。对此，可采用涂层保护坝体，从而减小环境水质对大坝安全与稳定的不良影响。

大坝环境水质包括坝前库水，坝后尾水，坝基及坝肩地下水。在是否被污染两种情况下，大坝环境水质发生着变化，从而导致对大坝的安全和稳定造成一定的影响。

1.水质标准

我国（GB3838-2002）《地表水环境质量标准》依据地表水环境功能和保护目标，按功能高低将水划分为五类。

Ⅰ类：主要适用于源头水，国家自然保护区；

Ⅱ类：主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等；

Ⅲ类：主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区；

Ⅳ类：主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；

Ⅴ类：主要适用于一般农业用水区及一般要求水域。

1.1水质评价方法

1.1.1监测指数法

利用表征水体水质的物理、化学参数的相对污染程度值，通过统计数学处理，得到一个简单的数值，用以表征水体的污染程度。

（1）单因子评价指数法：对各类指标进行分析。

（2）多因子评价指数法： 应用数学模型得出一个概括性的指数以综合表征水体的污染程度。包含：

a平均迭加法；b加权平均法；c内梅罗指数法： ； ：参与评价的最大单因子指数； ：参与评价的单因子指数均值。

一般地说： ，环境质量状况优于评价标准； ，环境质量状况优于评价标准； ，环境质量状况处于临界状态。

（3）模糊数学评价法：先对单项参数进行评价，同时考虑各参数在总体中的地位，配以适当权重，然后运用模糊矩阵复合运算法，得出综合评价结果。

1.1.2生物学水质评价方法

由于水环境系统中污染物质之间存在复杂关系，对环境质量的影响程度不一；水质标准难以统一；对水体质量的综合评判有一定模糊性；因此，不同水质评价方法差别较大。好的评价方法应当具有：准确性、可比性、实用性、前瞻性。

目前常用：

（1）指标生物法：利用指示生物可以对水污染程度作出综合判断。

指标生物：在一定水质条件下，对水环境质量变化反映敏感的生物。

（2）生物指数法：

依据水体污染影响水生生物群落结构的原理，用数学形式表示群落结构变化情况，从而指示水体质量情况。

2.无污染水质对大坝安全与稳定的影响

无污染水质（为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类水）情况即在大坝建成蓄水后，坝址自然环境发生变化，有利于库水中有机质的聚集，致使下层库水弱酸性化和含侵蚀 在向坝基运移过程中，与坝基岩石、帷幕、混凝土间产生物理化学作用，导致化学潜蚀的产生。钾、钠、硅、铝等元素是组成岩石的基本成分，钙是水泥的主成分，它们在坝基水中的大量迁移是化学潜蚀强的标志坝基水所处的地球化学环境制约着这一作用的强度，弱酸性的氧化环境更有利于化学潜蚀作用的进行。在化学潜蚀过程中．胶粒的凝聚迁移可能携带岩石中粘粉级颗粒在排水孔口沉淀，因而坝基化学潜蚀作用可伴随机械管涌的出现

2.1无污染库水水质特征

上层库水为中性或弱碱性水，不含或很少含侵蚀 ；中下层库水，多为中一弱酸性的含侵蚀 的低矿化度水．水呈弱酸性主要是由水中碳酸含量所决定，碳酸的来源是有机质的分解，同时还释放出 和 等，但由于库底处于缺氧的还原环境，有机质分解不完全，因而库底水中 量受到一定限制 。

2.2无污染水质对各坝型安全与稳定的影响

水与坝体混凝土、水与坝基帷幕、水与岩石之间之间的相互作用却长期存在，它可能引起坝体的腐蚀、加速老化和坝基软弱岩层的化学潜蚀(包括对帷幕、混凝土的侵蚀)、机械管涌等问题。

（1）坝体混凝土

在主要坝型中重力坝、土石坝及厚拱坝由于其坝体混凝土用量巨大，水质的弱酸性对其影响不大。对于薄拱坝者不同，由于薄拱坝坝身较薄、用料较少，水质的弱酸性对其影响较大。

薄拱坝坝身材料混凝土中成分为 及硅酸盐（弱酸强碱盐，不能存于酸性环境中，反应复杂，以 为例）。 与 反应生成 ， 在含有侵蚀 的水中发生氧化还原 反映而被溶解。在坝体服役期内，坝体可能渐渐被侵蚀变薄从而加速坝体老化成为潜在危险。

（2）坝基帷幕

在地基处理中可采用帷幕灌浆来降低扬压力，减少水渗透量，防止坝基内产生机械、化学管涌。

库水通过渗透作用会直接接触到帷幕，帷幕材料为混凝土，故亦在酸性水质中被侵蚀。一旦帷幕局部破坏后，在渗透压的作用下整体帷幕将受到破坏从而增加扬压力，对坝基稳定造成不利影响。

（3）坝基岩层

岩层中主要成分为 ，在弱酸性水质中发生化学反应 。长时间作用下岩层可能成为软弱夹层造成坝体整体滑动的危险。

3.污染水质对大坝安全与稳定的影响

在大坝建成蓄水后，若由于人类活动或自然因素水体被污染，也会对大坝安全与稳定造成一定的影响。此类水质为Ⅳ类、Ⅴ类水。

3.1污染库水水质特征

水污染物分类

（1）植物营养物及其危害：藻类大量繁殖。

（2）水体重金属污染及其危害：重金属不能被降解，只会分散或富集，对人和生物有毒性。

（3）水体油类物质污染及其危害：破坏生物正常生活环境，造成生物机能障碍。

（4）水体热源污染及其危害：导致水环境发生一系列物理、化学及生物学变化。

（5）水体农药污染及其危害：造成鱼类、鸟类大量死亡，对人类健康有严重威胁。

植物营养物，油类物质，农药污染为有机物污染，在水体中易形成酸性水质；重金属离子及热源会导致新的化学变化。

3.2污染水质对各坝型安全与稳定的影响

主体原理同无污染水质对各坝型安全与稳定的影响，但不同的污染物会有不同的影响，下举例说明。

（1）植物营养物污染, 藻类大量繁殖后腐败分解成有机物，水体渐变为酸性

（2）油类物质污染，油脂大多数是混合甘油酯，为有机弱酸，在水中会电离出一定量的 ，从而与 反应，并溶解

（3）农药污染，大多数农药成分呈酸性，如氰戊菊酯

英文名称：fenvalerate

化学式：C25H22ClNO3

分子量：419.9

结构式：

化学名称：(S)-α-氰基-3-苯氧基苄基(S)-2-(4-氯苯基)-3-甲基丁酸酯［(S)-α-cyano-3-phenoxybenzyl(S)-2-(4-chlorophenyl)-3-methylbutyrate］。属于有机弱酸，在水中会电离出一定量的 ，从而与 反应，并溶解 。

（4）重金属离子污染，重金属离子主要是 、 、 等。汞、镉、铅等具有显著和生物毒性。它们在水体中不能被微生物降解，而只能发生各种形态相互转化和分散、

富集过程(即迁移)。这些重金属离子会与 发生置换反应形成更难溶物质。由于反应缓慢，生成的难溶物会以絮状存在于水体中，由于浪压力作用而不会附着于坝体上。

（5）热源污染，提高水体温度，会加速 与酸性物质的反应，加速坝体的老化。

4.解决方案的提出

4.1涂层保护

为了减弱水质对大坝的侵蚀作用，可在坝体表面进行涂层保护。

涂层材料应用于坝体时需要解决一下问题：

(1)涂层材料抗酸性要好，从而保护坝体缓解侵蚀。

(2)涂层材料粘接性要好，从而附于坝体上不宜脱落。

(3)涂层材料价格要低廉，从而使用于表面积巨大的坝体。

(4)涂层材料施工期要端、凝固要快，从而不影响工期。

(5)涂层材料除了要抵抗环境水质的影响，还要防止以下钢精混凝土破坏：

a. 碳化反应: 水和空气中的 等酸性物质在水的参与下与混凝土中的 反应，生成碳酸钙 ，使混凝土的PH值由13以上降到9以下。钢铁表面在PH值13以上时，处于钝化状态，基本上不会生锈腐蚀。但在PH值降到9以下，遇到氧等腐蚀介质，就会生锈。钢铁的锈蚀产物体积会膨胀2～4倍，产生巨大的膨胀力，使混凝土出现裂缝，更多的水、氧、和电解介质渗到钢铁表面，加速了钢筋和钢铁的腐蚀，混凝土层剥落，失去承载能力直至桥梁坍塌或混凝土管道破坏，造成重大损失

b. 氯离子腐蚀: 离子渗透力极强，它会渗透到混凝土中与混凝土中的主要成份 起反应，生成易溶的 ，造成混凝土的破坏。氯离子达到钢铁表面会破坏钢铁的钝化状态，使钢铁加速发生电化学腐蚀。

c. 冻融破坏: 冻融破坏是在混凝土中的气孔和微细裂缝处发生的。北方冬季在0℃以下，水在气孔和裂缝中结冰，在零下4℃以下时，冰的体积膨胀，产生巨大的膨胀力。随天气变化，一再出现膨胀和收缩造成混凝土产生裂痕和粉化，直至破坏。

4.2涂层材料

目前可作为涂层保护的材料有硅酸盐矿物涂料、环氧树脂类涂料等

（1）硅酸盐矿物涂料

硅酸盐矿物涂料，由无机矿物和无机黏合剂组成的涂料。又称无机矿物涂料。主要成分是碱金属硅酸盐（俗称“水玻璃”）、无机色素、矿物填料等。无机矿物涂料是无毒、无异味、无刺激性的生态环保涂饰材料，对环境和人类健康危害较少。矿物涂料不受酸性物质影响，能防止大气中的硫化物及硫酸等的酸蚀

（2）环氧树脂类涂层，可长期附着在碱性的混凝土表面。

可用于混凝土防腐的环氧类涂料产品主要有以下三种：

a. 环氧玻璃鳞片涂料: ，涂料中有相当数量的玻璃鳞片填料。玻璃鳞片厚度在5微米以下，在200微米厚的涂层中就可以重叠着数十层玻璃鳞片，水和腐蚀性介质要通过异常曲折的途径方可达到混凝土或钢铁表面，因此与同样厚度的普通涂层相比，其抵抗腐蚀性介质穿透的阻力增加5～7倍。玻璃鳞片涂层坚韧、耐磨，机械强度高，防腐寿命长，是国际上广泛使用的重防腐涂料。

b. 环氧防腐涂料: 环氧涂料是用低分子环氧树脂配制而成，分子量小渗透力强，可以深深渗透入混凝土层，并充满混凝土中的气孔和裂缝中，起到封闭和与面漆结合的抓底作用。

c. 环氧煤沥青漆: 环氧煤沥青漆是一种优良的混凝土表面防水、防腐涂料，漆中含有耐水性最好的煤焦沥青，煤沥青吸水率低，抗微生物、耐植物根，环氧树脂粘结力大、机械强度高，可以常温施工，使环氧煤沥青成为低成本，高效能的防水、防腐涂料。

5．总结

a.无论在是否污染的水质下工作的大坝，其主体都会受到水的侵蚀作用。污染水质下的侵蚀作用更强于无污染水质对大坝的侵蚀。侵蚀作用会降低坝体、坝基的材料强度，加速其老化，给大坝的安全与稳定造成不良影响。

b.采用坝体涂层可以很好的解决坝体腐蚀问题。但解决方案还不成熟，是解决坝体腐蚀的新方向，需进一步实验。

参考文献

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