中图分类号：TV223.4 文献标识码： A文章编号：0559-9350（2011）04-0454-07
Study on seepage colloidal educts of dam and its potential effects
SONG Han-zhou，ZHU Xu-fen，PENG Peng，WU Zhi-wei
Abstract：The colloidal educts permeated from large dam has potential unfavorable effect on the safety of dam. The in-situ investigation，sampling and measurements，were carried out to study this phenomenon. According to the location， the colloid can be classified into two kinds： permeated from the dam foundation and from the dam body. The causes of the formation of this kind of material are dissolution-precipitation，reduction-oxidation-cementing，physical erosion and others. It is considered that the colliod formed in dam foundation would potentially have the effects both on seepage stability of rock masses and on the anti-seepage behavior of curtain，while the colloidal from the dam body has imPACts on its durability. It is believed that the effect of the colliod produced by the chemical formation might be limited on the micro-aspects，whereas the one by the physical or chemico-physical formation might be identified on the macro-aspects.Therefore， it is stressed that the colliod’s behavior belonging to the latter formation should be moNItored from time to time.
Key words：colliods around dam-site；sampling and measurements；formation: potential effects on project
1 研究背景
近年来，在有关部门定期组织实施的水电站大坝安全检查工作中，发现不少的大坝坝址区伴随着渗水而出现了胶状物质（简称析出物）。此类物质大多分布在大坝基础廊道等部位，多数源于帷幕体后排水孔，或直接源于岩体裂隙。另外，也发现少数坝体（主要指碾压混凝土坝，简称RCC坝）除相对普遍地出现“流白浆”或“霜斑”（efflorescence）外，表面局部还出现了其它颜色的析出物。上述现象的形成、演变及其潜在的影响值得关注。
已有研究表明，坝址渗水析出物是蓄水条件下区内液-固相（包括岩石以及工程材料等）系列间相互作用的产物，隐含着丰富的信息。文献［1-3］分别依据水质及析出物的化验结果，对其物质来源以及成因作了初步分析；文献［4］从其理化特性以及区内地下水动态特征等方面对析出物于岩体渗透稳定性的影响进行了讨论，但对析出物潜在的其它方面的影响未予论及；文献［5］依据多个工程实例，对析出物作了初步分类；文献［6］对目前常用的析出物的检测方法作了评述。应该说，有关研究已取得了一些进展，但还缺少系统性，尚需要进一步探讨。
本文在已有研究的基础上，采用现场调查、取样、多手段化验和测试等方法，以多个水电站工程为例，对坝址析出物的基本性状作进一步探讨，并对其潜在的多个方面的影响进行揭示，旨在获得一些规律性的认识。
2 析出物的基本特征
2.1 分布特征
按照分布特征，坝址析出物可分为两类：一类源于坝基；另一类则源自坝体。前者出现于坝踵帷幕体后排水孔口，或直接形成于岩体结构面表面；后者则出现于坝体表面。
表1为大坝基础析出物的分布特征统计。由表1可知，坝基帷幕体后出现析出物的排水孔数量占区内排水孔总数的一部分，实际上亦仅为仍在排水的那些孔中的一部分。根据现场调查，坝基析出物多出露于河床坝段部位，此现象与该部位幕后排水孔的孔口高程较低而普遍处于溢流状态有关。
表1 大坝基础析出物的分布特征
注：表中A指混凝土宽缝重力坝；B指碾压混凝土坝；C指混凝土双曲拱坝；D指混凝土重力拱坝；E指混凝土重力坝
根据多个实例的现场调查，坝基析出物中白色者分布最普遍；棕红色者次之；黑色者分布相对不普遍；还有部分呈混合色。
对于常态混凝土坝，坝体析出物相对单一，以“流白浆”为主；但对于碾压混凝土坝，坝体析出物则复杂些，既可出现类似于常态混凝土坝的析钙现象，也可能出现其它颜色的析出物，如棕红色及黑色等。后一类析出物的分布多与坝体结构潜在的缺陷部位（如原生的施工层面以及次生的裂缝等）相一致。
2.2 组分特征
经对多批坝基析出物试样的无机化学成分测试（表2），可以得出：（1）不同颜色的析出物具有不同的主化学成分。其中，棕红色者以Fe2O3为主；黑色者以MnO为主；白色者则以CaO为主，且烧失量（LOI）大。后一类析出物中的LOI大，表明含有较多的碳酸盐类物质，即CO32-离子在燃烧过程中以CO2 气体逸出所致；（2）不同坝址但颜色相同的析出物之间，其主化学成分虽相同但其含量存在差异。此主要源自其物质来源方面的差异。
表2 大坝基础析出物的主要无机化学成分（%）
根据具体的化验结果，坝基析出物中还含有其它的一些元素，如Si、Al、Na、K、P、Mg、Ti等，其氧化物相对含量的变化见图1。同棕红色、黑色析出物相比较，白色析出物中的其它元素含量要低得多。
图1 坝基代表性颜色析出物中的常量元素变化
同常态混凝土坝体出现的“流白浆”现象相比较，碾压混凝土坝体析出物的物质组成要复杂些。
以水东大坝为例，坝体析出物中既有一定含量的CaO，又含有其它一些组分，见表3。
表3 水东大坝体析出物的主要无机化学成分（%）
注：取样化验时间为1999年7月。
3 析出物的形成机理
蓄水条件下坝址区渗水析出物是一定地质、水文地质环境下液-固相系列间相互作用的产物，但不同部位、不同类型的析出物具有不同的物质来源以及形成机理。
3.1 溶解-沉淀作用
坝址渗水析出物中的钙质即由此类作用所致。关于其物质来源，认为除补给源之外主要来自以下两个方面：（1）源于基础岩体中的碳酸盐类物质；（2）源于大坝混凝土及坝踵帷幕体中的水泥水化产物。前者多以方解石细脉、钙质薄膜或作为充填物的钙质胶结物出现于作为渗径的结构面中。当含有一定量侵蚀性CO2 的坝前库水在渗压作用下向坝基运移过程中，可与此类物质发生溶解反应；即便在纯水中，此类物质仍具有一定的溶解性［2］。后者在具不同水质特征的环境水作用下，Ca（OH）2 一类水化产物也具有溶解性，所不同的仅是程度上的差异。在具一定含量的侵蚀性CO2的环境水作用下，可发生如下反应
Ca(OH)2 +CO2 + nH2O→CaCO3 + (n +1)H2O
CaCO3 +H2CO3→Ca(HCO3)2 （1）
若由此生成的重碳酸盐未发生流失，可继续与Ca(OH)2 接触，并使之碳化。由于该碳化层物质在软水中仍具有一定的溶解性，因而位于其内的水泥结石仍将受到进一步的溶蚀。若此类物质发生流失，则在坝体渗水处或坝基地下水系统的排泄区（或排泄点）由于水环境的变化（如压力的降低或温度的升高），可形成析出物。有关反应式为
Ca(HCO3)2 →CaCO3↓+H2O+CO2↑ （2）
另一方面，若区内局部渗流滞缓，则有利于水溶液趋于饱和以及碱性化，而当水溶液的饱和指数SI≥1（SI反映水溶液与碳酸盐类物质间的反应状态），可发生如下反应而形成析出物
Ca2+ +CO32-→CaCO3↓ （3）
另外根据表2，坝基不同颜色的析出物中还含有一定量的SiO2。究其物质来源，认为主要源自岩体中一些硅酸盐和铝硅酸盐类矿物的异元溶解过程［7］。在此过程中，SiO2多呈胶体在水中迁移并以胶态淋出；也有少部分呈离子态，即岩石中的晶质、非晶质SiO2 经水解形成偏硅酸，进一步离解以SiO32-迁移，从而为坝址渗水析出物的形成提供了一个物质来源。
3.2 还原-氧化-絮凝作用
坝基渗水析出物中的铁、锰质即由此类作用所致。关于其物质来源，除局部可能与工程材料（如排水孔中的钢管等）有关，主要来自岩体中。此类物质尽管在一般岩石中含量不高，但由于构造应力的作用，可相对富集于岩体结构面中，一定条件下可成为区内棕红色及黑色析出物的物质来源。
蓄水条件下，坝址地下水系统是向着还原环境演变的，因而有利于岩体结构面中的铁、锰质发生淋滤分解作用，而以低价的离子或以低价的游离氧化物进入水溶液中，并随之运移。当地下水流出排水孔口或直接源于岩体结构面而处于氧化环境时，水中的低价离子变成高价离子，低价氧化物（胶粒）变成高价“难溶”的氢氧化物（凝胶）进而以肉眼可见的析出物出现。与形成棕红色析出物相关的反应过程可归纳为
Fe2+→Fe3++e
Fe3+ +3H2O→Fe(OH)3 +3H+
4Fe(OH)2 +2H2O+O2 →4Fe(OH)3
2Fe(OH)3→Fe2O3·3H2O↓ （4）
与形成黑色析出物相关的反应过程亦可归纳为
Mn2+ +0.5O2 +H2O→MnO2↓+2H +
2Mn(OH)2 +O2 →2MnO(OH)2↓
Mn(OH)2 +2OH -→MnO2↓+2H2O+2e （5）
现场调查发现，凡出现棕红色及黑色析出物的排水孔内地下水均具有丁达尔（Tyndall）效应，表明所在孔内水溶液实际上是一种含有胶粒的胶体溶液。由于胶粒本身颗粒（1~100nm）细小，比表面积可达10~70m2/g，因而具有很强的吸附以及化学反应活性，另外也容易形成团聚体［8］。而当水环境由相对封闭的还原环境变为开放的氧化环境时，这种转变有利于水溶液中胶粒间的彼此吸引而发生絮凝作用。
因此，源自坝基的上述棕红色及黑色析出物中的铁、锰质是呈无定形状析出的，而不同于白色析出物中钙质析出的形态。以何种形态析出，主要取决于析出物形成过程中的凝结速度和定向速度。若前者大于后者，则生成无定形沉淀；若后者大于前者，则生成结晶状沉淀。凝结速度与饱和度成正比，而定向速度是指分子或离子以一定的方式在晶格中排列的速度，它主要取决于物质的极性的大小。例如CaCO3 等由于分子小、极性大，故定向速度快，能生成结晶状沉淀；而Fe（OH）3 等由于含羟基多（还有水分子结合在其中），结构复杂，分子极性较小，且溶解度甚微，故其凝结速度远大于定向速度，因而容易形成无定形结构的析出物。
3.3 浸析作用
一定条件下，坝址渗水析出物中可能含有某些特殊物质如有机质基团，即由此类作用所致。析出物中此类特殊物质的出现，一般与采用的非常规工程材料有关。图2为某水电站6#坝段幕后一排水孔位（G6-4）析出物的红外光谱图。针对投入运行之后该坝段幕后一扬压力孔（P6）测值出现异常（大于设计值），曾采用水溶性聚氨脂作为化灌材料对该坝段上游侧帷幕作了局部补强；但一段时期后，在其下游侧出现了不同于其它坝段的析出物。对于图2的有关分析如下：波数在1 085cm-1以右，为醚类化合物的C-O-C的不对称伸缩振动产生；在1 620cm-1附近，为固态仲酰胺C=O 伸缩振动产生；在2 925cm-1附近，为亚甲基中C-H 不对称伸缩振动产生；而在3 400cm-1附近，则为仲酰胺中N-H伸缩振动产生。据此认为，该析出物试样中检出的上述基团，源于上游侧加强帷幕体中化灌材料的析出。由此，也为评价该坝段化灌加强帷幕的防渗性能提供了来自相关物质方面的证据。
图2 G6-4孔位析出物的红外光谱
3.4 其它
除了上述作用，坝基析出物还可能存在其它的成因，如地质薄弱体（软弱夹层、断层破碎带等）部位局部细小颗粒于渗流作用下的带出等。此类作用的发生，多以化学作用为先导，如环境水首先与地质薄弱体中充填物的胶结物（往往具有一定的溶解性）发生溶蚀作用，而使得作为充填物的颗粒间的连接力逐渐减弱乃至丧失，从而导致地下水系统内局部渗透变形的发生，并为排泄区（或点）析出物的形成提供物质来源。
对于碾压混凝土坝体非白色析出物中出现的一定含量的Fe2O3 和SiO2（表3），认为此类组分主要来源于坝体材料中水合亚铁酸盐和水合硅酸盐类物质于一定条件下的析出，即当相应部位孔隙溶液中Ca(OH)2 的浓度低于某一临界值时［9］。
4 坝址析出物潜在影响评价
坝址不同部位出现的析出物具有不同的潜在影响，一是对岩体渗透稳定性的影响，二是对基础帷幕体防渗时效的影响，而坝体析出物则主要反映在对坝体结构耐久性的影响方面。
4.1 对岩体渗透稳定性的影响
对此，认为重点应是判定区内析出物的成因类型，可开展以下3个方面的研究。
（1）析出物与固相介质在其组成以及含量方面的差异性分析。根据已有的研究，尽管不同坝址有着不同类型的岩石，但绝大多数岩石中硅、铝是主要的成分，因而也是构成岩石的强度与稳定的主要物质；另一方面，坝基析出物中也含有此类物质（表2）。文献［5］把析出物中的硅、铝含量相对高者（如大于30%）视为特殊析出物；而把这两种成分含量较低者视为一般析出物。现场调查反映：后一类析出物的分布相对普遍；前一类虽不普遍，但多与区内地质薄弱体的分布位置相对应。
上述两类析出物中，认为特殊类型者应系地下水的物理-化学双重作用所致，某些情形下可视之为相邻的地质薄弱体发生了软化、泥化，且其中的某些组分（如铝硅酸盐组分）发生了迁移的标志，在一定阶段对岩体的渗透稳定性会产生相对明显的不利影响。
（2）析出物的微观形态分析。一般可采用X射线衍射（简称XRD）测试方法揭示其微观形态，并可辅于电子显微镜观察以及颗粒分析方法等。如果XRD测试曲线上无明显的衍射峰，则表明相关析出物为典型的化学作用所致；反之，若有多处明显的衍射峰，且由其特殊的峰值显示为石英，而析出物所在的水溶液的pH值又不高，则表明相关析出物的成因中具有物理作用的因素。
（3）析出物的量化分析。在实际工作中，可对同一孔位析出物量于不同时段进行测定，据此可反映其随时间的变化。对于化学成因者，其量的变化一般是相对稳定的；而对于非典型化学成因者，则可能呈现增多的趋势。
另外，对析出物进行阳离子交换容量（简称CEC）的测定，也有助于判定其成因。对于化学成因者，一般具有较高的CEC值，如在15~30mol/kg之间［4］；而对于非典型化学成因者，其CEC值则低得多。
4.2 对帷幕体防渗时效的影响
坝址析出物对帷幕体防渗时效的影响可从如下方面展开分析与评价。
（1）幕后地下水析钙量估算。根据水质化验资料，我国南方大中型水电站库水普遍具有软水、溶出型侵蚀作用［4］，而坝前库水通常是运行工况下坝址地下水的重要补给源之一，从而使溶解-沉淀作用成为坝址渗流场内液-固相间发生物质转移的最普遍的方式之一。这样，可通过与补给源相比较，根据幕后地下水中某种或某些成分的增量估算固相的相应物质的迁移量。
在具有上述水质特征的环境水作用下，帷幕体中诸如Ca（OH）2一类水泥水化产物可被持续溶出，而导致帷幕体的密实度降低以及防渗效果衰减。可用式（6）估算一定时段内源于基础帷幕体的析钙量(ΔC ) ：
ΔC = k·ΔC′= k × (C″-C′)（6）
式中：ΔC ′为幕后地下水中的总析钙量，在数值上为幕后地下水中的钙含量(C″)与作为该部位地下水的补给源中相应物理量(C′)之差(mg/L)； k (≤1)为折减系数，以反映对幕后地下水析钙量具有贡献的其它来源的物质所占份额。
显然，若有地下水质监测点位（一般为排水孔）的流量资料，可估算相应部位于某时段（如1a）内的总析钙量。在实际工作中，若有形成某坝段基础帷幕体的具体灌浆资料，包括所用的水泥材料等，可推求幕后地下水中源于基础帷幕体的析钙量（可用CaO表征）占上述坝段形成基础帷幕体所用的水泥中CaO总量的百分比，并以此来推求帷幕体防渗失效的年限。
（2）幕后析出物中特殊物质的检测。这里论及的特殊物质指析出物中所含的有机质。对此，通常可采用如前所述的红外光谱测试方法，但这种方法仅具有定性或半定量的解析精度。
因此，也可采用其它分析方法。丙凝是我国曾经流行的一种化灌材料，并被应用于陈村、丹江口和刘家峡等水电站坝基的防渗补强工程。作为评价其防渗耐久性的一个重要方面，就是检测相应部位渗水析出物中是否含有丙凝凝胶一类物质。考虑到丙凝含水凝胶的特点，可从以下方面进行检测：①进行水中NH3-N含量分析；②进行加酸试验；③进行加热烘干试验。上述检测方法曾成功地应用于陈村、丹江口等水电站坝基丙凝加强帷幕的防渗性能的评价［10-11］。
4.3 对坝体结构耐久性的影响
坝体不同颜色的渗水析出物对于坝体结构的耐久性具有不同的影响程度。常态混凝土坝体表面的“流白浆”现象多为扩散渗透作用所致，故在相当一段时间内还不足以明显影响到坝体结构的耐久性。但在碾压混凝土坝（主要指早期建成的）的相对不密实部位（如在具有较好连通性的毛细孔位、施工不密实造成的不密实部位以及其它缝、隙等部位），因渗流相对通畅，而以较快的渗漏方式进行，以致碱度降低快，一定阶段可能出现棕红色或黑色析出物。
因此，后两类析出物对于相应部位坝体结构的耐久性具有相对显著的影响。这是因为坝体材料中水合亚铁酸盐（棕红色析出物的主要物质来源）只有在一定浓度的Ca(OH)2 溶液中才是稳定的，即4CaO·Fe2O3·aq 仅在Ca(OH)2≥1.40g/L 的溶液中呈稳定态；而当溶液中Ca(OH)2 <1.40g/L时，此类水合盐类物质就会不断被分解，并最终导致其中所含的Fe2O3一类组分的析出。与之相似，坝体材料中水合硅酸盐（黑色析出物的主要物质来源）也只有在具一定浓度的Ca（OH）2 溶液中呈稳定态，而在较低浓度的Ca（OH）2 溶液中亦呈非稳定态，即CaO·SiO2·aq 在Ca（OH）2<0.05g/L的溶液中也会不断被分解［9］，并最终导致其中所含的SiO2一类组分的析出。这就意味着，在上述棕红色或黑色析出物出现的部位，Ca（OH）2 物质均以较快的渗漏方式析出，由此而影响到相应部位坝体结构的耐久性。
5 结语
本文研究表明，蓄水环境下坝址区伴随着渗水而出现的不同颜色的析出物，具有不同的物质组成以及不同的形成机理。其物质主要来源于基础岩体、工程材料等方面。其形成机理包括溶解-沉淀作用、还原-氧化-絮凝作用、浸析作用以及其它作用等。坝址不同部位析出物具有不同的潜在影响。坝基析出物对基础岩体的渗透稳定性、坝踵帷幕体的防渗时效性产生不利影响，而坝体析出物则对坝体结构的耐久性产生不利影响。坝址析出物产生的潜在影响程度取决于析出物的成因。化学成因者所产生的影响一般仅具有微观的厘定；而物理或化学-物理双重成因者所产生的影响则在一定阶段可能出现宏观的标志，如渗透变形等。
实际工作中，在探讨坝基析出物对岩体渗透稳定性的影响时，着重要揭示区内析出物与可能存在的地质薄弱体（如软弱夹层、断层破碎带等）之间的内在关系，如在分布位置、物质组分等方面的对应性程度等；在探讨其对帷幕体防渗时效性的影响时，应结合分析幕后地下水宏观动态（如扬压力、排水量等）可能发生的变化；在探讨坝体析出物对坝体结构耐久性的影响时，应重点关注坝体表面是否出现了非白色析出物。需要进一步探讨的是：析出物性状的演变、如何提高析出物量化指标（包括析出量及析钙量等）的解析精度，并在此基础上建立更有效的具有普遍指导意义的评估体系。
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作者简介：宋汉周（1954-），男，江苏启东人，教授，主要从事地质工程研究。
