袁明道，譚 彩，蘭建洪，周 瑾，史永勝，張旭輝，徐云乾

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；2.深圳市東部水源管理中心，廣東 深圳 518172)

引調(diào)水工程是解決我國水資源分布不均的主要措施，供水隧洞是引調(diào)水工程的重要組成部分[1-3]。為保障重點區(qū)域或城市供水，應(yīng)急備用供水工程逐漸興建，該類工程常年處于間歇性運(yùn)行狀態(tài)，間歇性運(yùn)行供水隧洞溶蝕與侵入是評估隧洞安全性態(tài)的重要依據(jù)。

溶蝕是水工混凝土工程中常見的病害，根據(jù)水壓力的不同可分為接觸溶蝕和滲透溶蝕[4- 6]。通常供水隧洞主要為接觸溶蝕，然而間歇性運(yùn)行供水隧洞由于常年處于空管狀態(tài)，內(nèi)外水壓力差較大，易在隧洞襯砌裂縫等位置發(fā)生滲透溶蝕。目前滲透溶蝕研究主要集中于混凝土壩，尤其是碾壓混凝土壩。胡江等[7]對國內(nèi)外混凝土壩的滲透溶蝕進(jìn)行了概述，并歸納了其物理力學(xué)參數(shù)的空間變異規(guī)律；孔祥芝等[8]對采用直接剪切試驗研究了滲透溶蝕下碾壓混凝土層面抗剪強(qiáng)度衰減規(guī)律；胡明玉等[9]采取實地調(diào)研、溶蝕物成分分析、水樣分析等手段對江西省35座混凝土壩溶蝕特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明大壩溶蝕析出物主要成分均為CaCO3，其形成原因為Ca(OH)2在低堿度環(huán)境水下溶出并與CO2反應(yīng)；張志敏等[10]對某碾壓水泥混凝土壩壩體廊道白色析出物進(jìn)行檢測，其成分主要為CaCO3。

土體沿裂縫、接縫侵入，引起隧洞脫空，是導(dǎo)致隧洞結(jié)構(gòu)坍塌性破壞的主要因素。鄭剛等[11-12]基于模型試驗與數(shù)值模擬系統(tǒng)的開展了隧洞工程漏水漏砂災(zāi)害發(fā)展過程研究，隧洞事故成災(zāi)歷程普遍為隧洞縱向變形過大產(chǎn)生環(huán)向裂縫，使得橫向受力惡化產(chǎn)生縱向裂縫，導(dǎo)致水土大量流失，從而導(dǎo)致隧洞破壞。路平等[13]采用自主設(shè)計的盾構(gòu)隧洞滲漏模型裝置，研究了水下盾構(gòu)隧洞接縫滲漏規(guī)律。

為保障供水，通常供水隧洞難以停水檢修，目前尚未見關(guān)于供水隧洞溶蝕與侵入物特征研究的報導(dǎo)。本文采用現(xiàn)場調(diào)查、取樣測試研究了間歇性運(yùn)行供水隧洞溶蝕與侵入物分布特征、粒度特征、組分特征和細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，并對溶蝕與侵入物的成因進(jìn)行了分析。

1 工程概況

某間歇性運(yùn)行供水隧洞全長4.27 km，隧洞工程地質(zhì)縱剖面見圖1。隧洞斷面采用城門洞型，供水?dāng)嗝娉叽?.50 m×2.70 m(寬×高)，直墻段高1.45 m，頂拱中心夾角180°，直墻與底板混凝土采用倒圓角處理，倒圓直徑為0.50 m。隧洞進(jìn)口底板高程66.00 m，出口底高程63.90 m，隧洞沿洞軸線保持同一坡度，縱坡坡度1/2 000，設(shè)計流量4.63 m3/s。

圖1 隧洞工程地質(zhì)縱剖面

處于Ⅱ、Ⅲ類圍巖段隧洞長約3.02 km，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段隧洞長約1.25 km。支護(hù)結(jié)構(gòu)形式為初期支護(hù)和二次襯砌組成的復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架等方式，二次襯砌為模注鋼筋混凝土，厚300～500 mm。

2 溶蝕與侵入物特征分析

2.1 分布特征

為便于檢查和記錄，隧洞現(xiàn)場檢查以50 m洞段為一個工作單元，檢查所采用樁號為隧洞內(nèi)部標(biāo)注的樁號，進(jìn)口樁號K0+000，出口樁號K4+270。隧洞襯砌混凝土外表面未發(fā)現(xiàn)大面積蜂窩、麻面、掉皮、起砂、鋼筋外露和坍塌現(xiàn)象，主要問題為裂縫、溶蝕、滲水和土體侵入。

檢查發(fā)現(xiàn)隧洞襯砌混凝土裂縫共843條，其中縱向裂縫25條，環(huán)向裂縫818條。縱向裂縫長度均小于5 m，環(huán)向裂縫有288條長度大于等于5 m，其中延伸到底板裂縫61條。樁號K0+100～K0+150、K0+300～K0+350、K0+550～K0+650、K0+700～K0+750、K2+650～K2+850五段裂縫尤為集中。分析裂縫成因主要為水對微裂縫的滲壓導(dǎo)致的微裂紋擴(kuò)展以及水荷載作用導(dǎo)致的隧洞變形過大，隧洞縱向變形過大產(chǎn)生環(huán)向裂縫，使得橫向受力惡化產(chǎn)生縱向裂縫[11, 14]。大部分裂縫溶蝕病害明顯，溶出物多為白色，局部可見溶出物形成石鐘乳。

檢查發(fā)現(xiàn)滲水182處，其中75處存在侵入現(xiàn)象。樁號K0+050～K0+850、K1+750～K2+600、K2+700～K2+750、K3+600～K4+000段隧洞裂縫滲水、侵入病害較為嚴(yán)重。

2.2 粒度特征

某間歇性運(yùn)行供水隧洞典型溶蝕與侵入物主要有3種，如圖3所示。由于隧洞洞線較長，且各部分溶蝕與侵入物表觀特征基本一致，為減少工作量，僅在裂縫集中K0+300～K0+350和K2+650～K2+850處取典型溶蝕與侵入物進(jìn)行試驗，分別編號為S1、S2和S3。其中，S1為隧洞溶蝕物，S2和S3主要為隧洞侵入物，S2為隧洞砂質(zhì)侵入物且其中混有少量隧洞溶蝕物，S3為泥質(zhì)侵入物。K0+300～K0+350圍巖類別主要為Ⅳ類和Ⅴ類，埋深27～33 m。K2+650～K2+850主要為Ⅲ類和Ⅳ類圍巖，埋深115～160 m。S1呈白色，肉眼可見表面有白色細(xì)小晶體顆粒，錘擊聲啞有凹痕，浸水后手可掰開；S2呈黃白色，錘擊有較深凹痕，手捏砂感顯著，用力可捏散；S3呈棕黃色，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)很輕，干縮現(xiàn)象非常顯著，輕微擾動表面有水析出。

將取回的典型溶蝕與侵入物樣品置于烘箱內(nèi)恒溫烘24h，烘箱溫度設(shè)定為104 ℃，將烘干的樣品用木碾碾散后進(jìn)行顆粒分析試驗，其中S1和S2采用篩分法，S3采用比重計法。典型溶蝕與侵入物顆粒組成如表1所示。從表1可知，S1樣品粒徑主要集中在0.5～0.075 mm，S2樣品以砂顆粒為主，粒徑主要集中在2～0.25 mm，S3樣品由粉粒和黏粒組成，粒徑均小于0.075 mm。

表1 典型溶蝕與侵入物顆粒組成 %

2.3 組分特征

采用能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer， EDS)對典型溶蝕與侵入物樣品微區(qū)成分元素進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。從表2可知，S1樣品元素主要為Ca、O和C，占比99.16%；S2樣品元素主要為Ca、O和Si，占比96.08%；S3樣品元素主要為Fe、O和Si，占比96.09%。

表2 典型溶蝕與侵入物元素組成 %

采用X射線衍射(X-ray diffraction， XRD)對典型溶蝕與侵入物樣品進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析，XRD衍射圖譜如圖2所示。從圖2可知，S1樣品在衍射角2θ=22°～58°間顯示多重衍射峰，其中在22°～24°，29°～30°，35°～36°，39°～40°，43°～44°，46°～50°和56°～58°等位置出現(xiàn)特征衍射強(qiáng)峰，說明S1樣品主要成分為CaCO3。S2樣品與S1樣品類似，其主要差異為S2樣品在26°～27°出現(xiàn)特征衍射強(qiáng)峰，說明S2樣品主要成分為CaCO3和SiO2。S3樣品無特征衍射強(qiáng)峰，未能分析其中的晶體結(jié)構(gòu)，其主要原因為S3樣品主要為有機(jī)物，非晶相排列無規(guī)律，無法產(chǎn)生特征衍射加強(qiáng)峰。

圖2 典型溶蝕與侵入物XRD衍射圖譜

2.4 細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征

采用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope， SEM)對典型溶蝕與侵入物樣品進(jìn)行微觀形貌和結(jié)構(gòu)構(gòu)造分析，SEM掃描圖像如圖3所示。從圖3可知，S1樣品主要由不規(guī)則的方形碳酸鈣晶體堆積而成，大小介于5～20 μm，晶體結(jié)構(gòu)堆積較為緊密，故其強(qiáng)度相對較高。S2樣品碳酸鈣主要附著在砂顆粒表面以及砂顆粒間的接觸點上，大小介于1～4 μm，其分布較為分散，故其雖能對侵入的砂顆粒起一定的膠結(jié)作用，但其形成的膠結(jié)體強(qiáng)度較低，可直接用手捏散。S3樣品呈絮凝型結(jié)構(gòu)，針狀或片狀黏粒搭接成架室結(jié)構(gòu)，長度介于5～10 μm，孔隙較大，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度低且對擾動比較敏感。

圖3 典型溶蝕與侵入物SEM圖

3 溶蝕與侵入物成因分析

3.1 溶蝕物成因分析

表3 水樣分析結(jié)果

Ca(OH)2+H2O+CO2→CaCO3↓+2H2O

(1)

CaCO3+H2O+CO2→Ca(HCO3)2

(2)

Ca(HCO3)2不穩(wěn)定，在供水隧洞分縫或裂縫處流速和壓力突變下又會分解[14]，即

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+H2O+CO2↑

(3)

生成的CO2逸去，水中的CaCO3過飽和沉淀，在隧洞側(cè)墻部位形成以分縫、裂縫為中心向外向下生長的白色晶狀物體，在拱頂部位形成從分縫、裂縫口沿重力方向的白色石鐘乳。

3.2 侵入物成因分析

隧洞區(qū)域?qū)俚湫偷蜕角鹆陞^(qū)地貌，地形被5個主要沖溝所切割，隧洞沿線地面高程60～200 m，隧洞埋深12～137 m。隧洞地層以殘坡積及風(fēng)化巖為主，沖洪積地層不發(fā)育，有少部分人工填土，主要分布于幾個沖溝的表層。隧洞前段(K0+000～K1+600)為燕山三期花崗巖，全-微風(fēng)化，巖性為細(xì)、中粒黑云母花崗巖，基巖抗風(fēng)化較強(qiáng)，隧洞圍巖多為弱、微風(fēng)化巖，隧洞進(jìn)口及洞身局部少量為全-強(qiáng)風(fēng)化巖，巖石堅硬。隧洞后段(K1+600～K4+273)為下侏羅統(tǒng)金雞組下段，全弱風(fēng)化，巖性為粉砂巖、泥質(zhì)巖、長石石英砂巖等，由于其抗風(fēng)化能力相對較弱，因此溝谷切割較花崗巖區(qū)的溝谷更深，隧洞在溝谷處多遇全-強(qiáng)風(fēng)化砂巖，特別是在楓樹窩沖溝，由于沖溝切割深，部分隧洞出露于地表。

供水隧洞接縫、裂縫寬度大于臨界侵入張開量時，隧洞接縫、裂縫外的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化圍巖或軟弱夾層中的細(xì)小顆粒隨滲(漏)水逐步侵入隧洞內(nèi)。砂質(zhì)侵入物(S2)由于其主要由砂顆粒主成，粒徑相對較大，侵入相對困難，故其侵入量明顯少于泥質(zhì)侵入物(S3)。砂質(zhì)侵入物由于其粒徑相對較大，在供水隧洞分縫或裂縫處流速和壓力突降，砂顆粒可能停留在分縫或裂縫位置，并為隧洞溶蝕產(chǎn)生的CaCO3膠結(jié)，形成從供水隧洞分縫、裂縫口沿重力方向逐漸擴(kuò)大的侵入體。泥質(zhì)侵入物由于其粒徑小，即便供水隧洞分縫或裂縫處流速和壓力降低，仍被水?dāng)y帶至隧洞地面，由于水體在隧洞內(nèi)流速較慢，泥質(zhì)侵入物逐漸沉積，在分縫、裂縫口下方形成向供水隧洞下游擴(kuò)張的侵入體。

4 結(jié) 論

(1)間歇性運(yùn)行供水隧洞溶蝕與侵入主要發(fā)生在裂縫處，溶蝕物主要為碳酸鈣，侵入物主要為砂和細(xì)粒，其中侵入的砂通常被溶蝕的碳酸鈣所膠結(jié)。

(2)溶蝕物酸鈣晶體堆積較為緊密，其強(qiáng)度相對較高，砂質(zhì)侵入物碳酸鈣晶體主要呈點狀附著于砂顆粒表面，砂顆粒間的接觸點上其強(qiáng)度相對較低，泥質(zhì)侵入物為黏粒搭接成絮凝型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，其強(qiáng)度低且對擾動比較敏感。

(3)軟水環(huán)境易導(dǎo)致混凝土中鈣離子溶出并在供水隧洞分縫或裂縫處沉淀；侵入物的主要成因為隧洞外細(xì)小顆粒隨滲(漏)水侵入隧洞內(nèi)并逐步沉積。

限于試驗手段和現(xiàn)場條件，間歇性運(yùn)行供水隧洞溶蝕與侵入物成因分析主要以半定量和定性分析為主，建議開展相應(yīng)的模型試驗，定量的分析其形成機(jī)理。