環(huán)境水質(zhì)對(duì)大壩安全與穩(wěn)定的影響

1、    環(huán)境水質(zhì)對(duì)大壩安全與穩(wěn)定的影響            作者：楊德瑋時(shí)間：2010-1-4 9:21:00                     論文關(guān)鍵詞：水質(zhì)水污染大壩安全涂層保護(hù)論文摘要：大壩建成蓄水后，由于自然或人為因素，大

2、壩的水質(zhì)環(huán)境發(fā)生一系列變化。正是這些變化，對(duì)大壩的安全和穩(wěn)定造成了不同程度的影響。庫(kù)水是否污染 ，壩體受影響程度也有所不同。對(duì)此，可采用涂層保護(hù)壩體，從而減小環(huán)境水質(zhì)對(duì)大壩安全與穩(wěn)定的不良影響。大壩環(huán)境水質(zhì)包括壩前庫(kù)水，壩后尾水，壩基及壩肩地下水。在是否被污染兩種情況下，大壩環(huán)境水質(zhì)發(fā)生著變化，從而導(dǎo)致對(duì)大壩的安全和穩(wěn)定造成一定的影響。1.水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 我國(guó)（GB3838-2002）地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)地表水環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，按功能高低將水劃分為五類。類：主要適用于源頭水，國(guó)家自然保護(hù)區(qū)；類：主要適用于集中式生活飲用水地表水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產(chǎn)卵場(chǎng)、仔稚幼魚的索餌場(chǎng)等；

3、類：主要適用于集中式生活飲用水地表水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)、魚蝦類越冬場(chǎng)、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)；類：主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)；類：主要適用于一般農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般要求水域。1.1水質(zhì)評(píng)價(jià)方法1.1.1監(jiān)測(cè)指數(shù)法利用表征水體水質(zhì)的物理、化學(xué)參數(shù)的相對(duì)污染程度值，通過統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)處理，得到一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)值，用以表征水體的污染程度。（1）單因子評(píng)價(jià)指數(shù)法：對(duì)各類指標(biāo)進(jìn)行分析。（2）多因子評(píng)價(jià)指數(shù)法： 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型得出一個(gè)概括性的指數(shù)以綜合表征水體的污染程度。包含：a平均迭加法；b加權(quán)平均法；c內(nèi)梅羅指數(shù)法：  ； ：參與評(píng)價(jià)的最大單因子指數(shù)；  ：參

4、與評(píng)價(jià)的單因子指數(shù)均值。一般地說： ，環(huán)境質(zhì)量狀況優(yōu)于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)； ，環(huán)境質(zhì)量狀況優(yōu)于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)； ，環(huán)境質(zhì)量狀況處于臨界狀態(tài)。（3）模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法：先對(duì)單項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)考慮各參數(shù)在總體中的地位，配以適當(dāng)權(quán)重，然后運(yùn)用模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算法，得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。1.1.2生物學(xué)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法由于水環(huán)境系統(tǒng)中污染物質(zhì)之間存在復(fù)雜關(guān)系，對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響程度不一；水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一；對(duì)水體質(zhì)量的綜合評(píng)判有一定模糊性；因此，不同水質(zhì)評(píng)價(jià)方法差別較大。好的評(píng)價(jià)方法應(yīng)當(dāng)具有：準(zhǔn)確性、可比性、實(shí)用性、前瞻性。    目前常用：（1）指標(biāo)生物法：利用指示生物可以對(duì)水污染程度作出

5、綜合判斷。指標(biāo)生物：在一定水質(zhì)條件下，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量變化反映敏感的生物。（2）生物指數(shù)法： 依據(jù)水體污染影響水生生物群落結(jié)構(gòu)的原理，用數(shù)學(xué)形式表示群落結(jié)構(gòu)變化情況，從而指示水體質(zhì)量情況。 2.無污染水質(zhì)對(duì)大壩安全與穩(wěn)定的影響無污染水質(zhì)（為類、類、類水）情況即在大壩建成蓄水后，壩址自然環(huán)境發(fā)生變化，有利于庫(kù)水中有機(jī)質(zhì)的聚集，致使下層庫(kù)水弱酸性化和含侵蝕 在向壩基運(yùn)移過程中，與壩基巖石、帷幕、混凝土間產(chǎn)生物理化學(xué)作用，導(dǎo)致化學(xué)潛蝕的產(chǎn)生。鉀、鈉、硅、鋁等元素是組成巖石的基本成分，鈣是水泥的主成分，它們?cè)趬位械拇罅窟w移是化學(xué)潛蝕強(qiáng)的標(biāo)志壩基水所處的地球化學(xué)環(huán)境制約著這一作用的強(qiáng)度，弱酸性的氧化環(huán)境

6、更有利于化學(xué)潛蝕作用的進(jìn)行。在化學(xué)潛蝕過程中膠粒的凝聚遷移可能攜帶巖石中粘粉級(jí)顆粒在排水孔口沉淀，因而壩基化學(xué)潛蝕作用可伴隨機(jī)械管涌的出現(xiàn)2.1無污染庫(kù)水水質(zhì)特征上層庫(kù)水為中性或弱堿性水，不含或很少含侵蝕 ；中下層庫(kù)水，多為中一弱酸性的含侵蝕 的低礦化度水水呈弱酸性主要是由水中碳酸含量所決定，碳酸的來源是有機(jī)質(zhì)的分解，同時(shí)還釋放出 和 等，但由于庫(kù)底處于缺氧的還原環(huán)境，有機(jī)質(zhì)分解不完全，因而庫(kù)底水中 量受到一定限制 。2.2無污染水質(zhì)對(duì)各壩型安全與穩(wěn)定的影響水與壩體混凝土、水與壩基帷幕、水與巖石之間之間的相互作用卻長(zhǎng)期存在，它可能引起壩體的腐蝕、加速老化和壩基軟弱巖層的化學(xué)潛蝕(包括對(duì)帷幕、混

7、凝土的侵蝕)、機(jī)械管涌等問題。（1）壩體混凝土在主要壩型中重力壩、土石壩及厚拱壩由于其壩體混凝土用量巨大，水質(zhì)的弱酸性對(duì)其影響不大。對(duì)于薄拱壩者不同，由于薄拱壩壩身較薄、用料較少，水質(zhì)的弱酸性對(duì)其影響較大。薄拱壩壩身材料混凝土中成分為 及硅酸鹽（弱酸強(qiáng)堿鹽，不能存于酸性環(huán)境中，反應(yīng)復(fù)雜，以 為例）。 與 反應(yīng)生成 ， 在含有侵蝕 的水中發(fā)生氧化還原 反映而被溶解。在壩體服役期內(nèi)，壩體可能漸漸被侵蝕變薄從而加速壩體老化成為潛在危險(xiǎn)。 （2）壩基帷幕在地基處理中可采用帷幕灌漿來降低揚(yáng)壓力，減少水滲透量，防止壩基內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械、化學(xué)管涌。庫(kù)水通過滲透作用會(huì)直接接觸到帷幕，帷幕材料為混凝土，故亦在酸性水質(zhì)

8、中被侵蝕。一旦帷幕局部破壞后，在滲透壓的作用下整體帷幕將受到破壞從而增加揚(yáng)壓力，對(duì)壩基穩(wěn)定造成不利影響。（3）壩基巖層巖層中主要成分為 ，在弱酸性水質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 。長(zhǎng)時(shí)間作用下巖層可能成為軟弱夾層造成壩體整體滑動(dòng)的危險(xiǎn)。3.污染水質(zhì)對(duì)大壩安全與穩(wěn)定的影響在大壩建成蓄水后，若由于人類活動(dòng)或自然因素水體被污染，也會(huì)對(duì)大壩安全與穩(wěn)定造成一定的影響。此類水質(zhì)為類、類水。3.1污染庫(kù)水水質(zhì)特征水污染物分類（1）植物營(yíng)養(yǎng)物及其危害：藻類大量繁殖。（2）水體重金屬污染及其危害：重金屬不能被降解，只會(huì)分散或富集，對(duì)人和生物有毒性。（3）水體油類物質(zhì)污染及其危害：破壞生物正常生活環(huán)境，造成生物機(jī)能障礙。（4

9、）水體熱源污染及其危害：導(dǎo)致水環(huán)境發(fā)生一系列物理、化學(xué)及生物學(xué)變化。（5）水體農(nóng)藥污染及其危害：造成魚類、鳥類大量死亡，對(duì)人類健康有嚴(yán)重威脅。    植物營(yíng)養(yǎng)物，油類物質(zhì)，農(nóng)藥污染為有機(jī)物污染，在水體中易形成酸性水質(zhì)；重金屬離子及熱源會(huì)導(dǎo)致新的化學(xué)變化。3.2污染水質(zhì)對(duì)各壩型安全與穩(wěn)定的影響主體原理同無污染水質(zhì)對(duì)各壩型安全與穩(wěn)定的影響，但不同的污染物會(huì)有不同的影響，下舉例說明。（1）植物營(yíng)養(yǎng)物污染, 藻類大量繁殖后腐敗分解成有機(jī)物，水體漸變?yōu)樗嵝裕?）油類物質(zhì)污染，油脂大多數(shù)是混合甘油酯，為有機(jī)弱酸，在水中會(huì)電離出一定量的 ，從而與 反應(yīng)，并溶解 （3）

10、農(nóng)藥污染，大多數(shù)農(nóng)藥成分呈酸性，如氰戊菊酯 英文名稱：fenvalerate化學(xué)式：C25H22ClNO3分子量：419.9結(jié)構(gòu)式：化學(xué)名稱：(S)-氰基-3-苯氧基芐基(S)-2-(4-氯苯基)-3-甲基丁酸酯(S)-cyano-3-phenoxybenzyl(S)-2-(4-chlorophenyl)-3-methylbutyrate。屬于有機(jī)弱酸，在水中會(huì)電離出一定量的 ，從而與 反應(yīng)，并溶解 。（4）重金屬離子污染，重金屬離子主要是、 、 等。汞、鎘、鉛等具有顯著和生物毒性。它們?cè)谒w中不能被微生物降解，而只能發(fā)生各種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化和分散、富集過程(即遷移)。這些重金屬離子會(huì)與 發(fā)生置換

11、反應(yīng)形成更難溶物質(zhì)。由于反應(yīng)緩慢，生成的難溶物會(huì)以絮狀存在于水體中，由于浪壓力作用而不會(huì)附著于壩體上。（5）熱源污染，提高水體溫度，會(huì)加速 與酸性物質(zhì)的反應(yīng)，加速壩體的老化。4.解決方案的提出4.1涂層保護(hù)為了減弱水質(zhì)對(duì)大壩的侵蝕作用，可在壩體表面進(jìn)行涂層保護(hù)。涂層材料應(yīng)用于壩體時(shí)需要解決一下問題：(1)涂層材料抗酸性要好，從而保護(hù)壩體緩解侵蝕。(2)涂層材料粘接性要好，從而附于壩體上不宜脫落。(3)涂層材料價(jià)格要低廉，從而使用于表面積巨大的壩體。(4)涂層材料施工期要端、凝固要快，從而不影響工期。(5)涂層材料除了要抵抗環(huán)境水質(zhì)的影響，還要防止以下鋼精混凝土破壞：a. 碳化反應(yīng): 水和空氣中

12、的 等酸性物質(zhì)在水的參與下與混凝土中的 反應(yīng)，生成碳酸鈣 ，使混凝土的PH值由13以上降到9以下。鋼鐵表面在PH值13以上時(shí)，處于鈍化狀態(tài)，基本上不會(huì)生銹腐蝕。但在PH值降到9以下，遇到氧等腐蝕介質(zhì)，就會(huì)生銹。鋼鐵的銹蝕產(chǎn)物體積會(huì)膨脹24倍，產(chǎn)生巨大的膨脹力，使混凝土出現(xiàn)裂縫，更多的水、氧、和電解介質(zhì)滲到鋼鐵表面，加速了鋼筋和鋼鐵的腐蝕，混凝土層剝落，失去承載能力直至橋梁坍塌或混凝土管道破壞，造成重大損失b. 氯離子腐蝕: 離子滲透力極強(qiáng)，它會(huì)滲透到混凝土中與混凝土中的主要成份 起反應(yīng)，生成易溶的 ，造成混凝土的破壞。氯離子達(dá)到鋼鐵表面會(huì)破壞鋼鐵的鈍化狀態(tài)，使鋼鐵加速發(fā)生電化學(xué)腐蝕。 

13、;   c. 凍融破壞: 凍融破壞是在混凝土中的氣孔和微細(xì)裂縫處發(fā)生的。北方冬季在0以下，水在氣孔和裂縫中結(jié)冰，在零下4以下時(shí)，冰的體積膨脹，產(chǎn)生巨大的膨脹力。隨天氣變化，一再出現(xiàn)膨脹和收縮造成混凝土產(chǎn)生裂痕和粉化，直至破壞。4.2涂層材料  目前可作為涂層保護(hù)的材料有硅酸鹽礦物涂料、環(huán)氧樹脂類涂料等（1）硅酸鹽礦物涂料硅酸鹽礦物涂料，由無機(jī)礦物和無機(jī)黏合劑組成的涂料。又稱無機(jī)礦物涂料。主要成分是堿金屬硅酸鹽（俗稱“水玻璃”）、無機(jī)色素、礦物填料等。無機(jī)礦物涂料是無毒、無異味、無刺激性的生態(tài)環(huán)保涂飾材料，對(duì)環(huán)境和人類健康危害較少。礦物涂料不受酸性物質(zhì)影響

14、，能防止大氣中的硫化物及硫酸等的酸性侵蝕（2）環(huán)氧樹脂類涂層，可長(zhǎng)期附著在堿性的混凝土表面?？捎糜诨炷练栏沫h(huán)氧類涂料產(chǎn)品主要有以下三種：a. 環(huán)氧玻璃鱗片涂料: ，涂料中有相當(dāng)數(shù)量的玻璃鱗片填料。玻璃鱗片厚度在5微米以下，在200微米厚的涂層中就可以重疊著數(shù)十層玻璃鱗片，水和腐蝕性介質(zhì)要通過異常曲折的途徑方可達(dá)到混凝土或鋼鐵表面，因此與同樣厚度的普通涂層相比，其抵抗腐蝕性介質(zhì)穿透的阻力增加57倍。玻璃鱗片涂層堅(jiān)韌、耐磨，機(jī)械強(qiáng)度高，防腐壽命長(zhǎng)，是國(guó)際上廣泛使用的重防腐涂料。b. 環(huán)氧防腐涂料: 環(huán)氧涂料是用低分子環(huán)氧樹脂配制而成，分子量小滲透力強(qiáng)，可以深深滲透入混凝土層，并充滿混凝土中的氣

15、孔和裂縫中，起到封閉和與面漆結(jié)合的抓底作用。c. 環(huán)氧煤瀝青漆: 環(huán)氧煤瀝青漆是一種優(yōu)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瀝青，煤瀝青吸水率低，抗微生物、耐植物根，環(huán)氧樹脂粘結(jié)力大、機(jī)械強(qiáng)度高，可以常溫施工，使環(huán)氧煤瀝青成為低成本，高效能的防水、防腐涂料。5總結(jié)a.無論在是否污染的水質(zhì)下工作的大壩，其主體都會(huì)受到水的侵蝕作用。污染水質(zhì)下的侵蝕作用更強(qiáng)于無污染水質(zhì)對(duì)大壩的侵蝕。侵蝕作用會(huì)降低壩體、壩基的材料強(qiáng)度，加速其老化，給大壩的安全與穩(wěn)定造成不良影響。b.采用壩體涂層可以很好的解決壩體腐蝕問題。但解決方案還不成熟，是解決壩體腐蝕的新方向，需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)1顧圣平、田富強(qiáng)、徐得潛.水資源規(guī)劃及利用.中國(guó)水利水電出版社.20092 Pen Hanxing,Shi Xijing,Liu Jiangang.Environment water action around dam site in Wanzhe mountainous area of China 7th Internationa