鄭州市主城區淺層地下水土腐蝕性評價

趙迷軍，吉建華，賀瑞霞，王 健，軒吉善，周子文

（1.中化地質河南局集團有限公司，河南 鄭州 450011；2.河南城建學院土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036；3.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

隨著社會經濟的發展，城市建設不斷向地下空間拓展，地下水土對地下空間工程的影響愈發凸顯。地下水土腐蝕對鋼筋混凝土結構的耐久性影響較大，可能導致鋼筋混凝土結構出現裂縫、污點或混凝土蓋板剝落［1－2］，不僅影響結構的美觀、穩定性和安全性，還會帶來經濟損失。鋼筋混凝土結構的腐蝕是一個長期的、隨時間變化的過程，在不同的階段會發生不同的物理化學反應，結構性能的變化也是一個漸進的動態過程［3］。

地下水土中微生物的誘導腐蝕引起了廣泛的關注［4］。Stefanoni等［5］總結了碳化混凝土中鋼筋的腐蝕率。Angst等［6］的研究結果對混凝土結構在侵蝕性環境下的可靠使用壽命預測至關重要。Wahab等［7］總結了微波無損檢測技術及其在混凝土腐蝕性評價監測技術中的應用。Zhang等［8］對應用中子成像技術研究水泥基材料耐久性進行了綜述。有些學者在地下水污染及腐蝕性方面也做了大量的工作，大多數研究成果具有很強的地域性，如對臨沂［9］、銀川［10］、曹妃甸［11］、天津［12］等地區地下水的腐蝕性評價。土壤相較于其他腐蝕介質，具有多樣性、不均勻性、不流動性、季節性和地域性等諸多特點［13］，使得研究面臨諸多困難。隨著人工智能的快速發展，其在土壤腐蝕性評價中得到了廣泛的應用，如Matlab人工神經網絡［14］、GA－BP神經網絡［15］、灰關聯分析法［16］、回歸分析法［17］等。

鄭州作為河南省會、中原城市群核心城市、國家重要的綜合交通樞紐，未來發展的潛力較大，地下工程顯著增加，且主要集中在淺層含水層范圍內。為了保障各地下工程、設施的長期安全使用，進行地下水土腐蝕性評價，查清鄭州市淺層地下水腐蝕性條件，為地下工程的腐蝕性防治提供指導。

1 研究區概況

鄭州市地處中國地理中心，為平原城市，屬北溫帶大陸性季風氣候區，干燥度指數k值小于1.5，為濕潤區。本文以鄭州市主城區為研究區域，面積990 km2。鄭州市區地表河流分屬于黃河和淮河兩大水系，同時也賦存較豐富的地下水資源。根據含水層組的埋藏分布特征與含水層之間的水力聯系特征，鄭州市地下水含水層可細分為淺層潛水－微承壓含水層（底板埋深80～100 m）、中深層承壓含水層（120～350 m）、深層承壓含水層（400～800 m）、超深層承壓含水層埋深（800～1 500 m）。按照鄭州市發展規劃，預測未來一定時間內，工程建設所涉及的地層一般為埋深50～100 m，因此本次地下水土腐蝕性評價主要針對淺層潛水－微承壓水（淺層地下水）及淺層土體。

東部黃河沖積平原潛水含水層賦存于全新統和上更新統的褐黃色深灰色中砂、細砂砂層中，一般厚度為10.2～33.5 m，自西南向東北厚度逐漸變大。潛水含水層垂向上一般存在2～3層中細砂層，上段砂層顆粒較粗，滲透性較好，下層砂層相對較細，至黃河沖積平原邊緣地帶西呈細砂層，中間為褐黃色粉土（弱透水層）與粉質黏土（上層滯水層）。承壓含水層隔水頂板為上更新統下段及中更新統上段洪積相棕黃棕紅色粉質黏土，厚度一般為30～50 m，地下水具有較明顯的承壓性質。

本次地下水土腐蝕性評價的基本數據主要來源于實測數據和資料收集。實測的數據為鄭州市主城區淺層采取的42組水樣及33組土樣的腐蝕性分析結果；資料收集主要為研究區58份歷史巖土勘察報告中的水質及土腐蝕性分析數據。兩種數據能夠相互印證，數據可信度較高。兩種數據共計400組，能夠滿足對鄭州市主城區范圍內的地下水和土腐蝕性評價要求。

2 區域地下水水化學特征

2.1 地下水水化學特征

鄭州市主城區淺層水水質具有明顯的變化規律。從西南山丘區至東北黃河沖積平原，地下水水化學類型由HCO3－Ca型和HCO3－Ca－Mg型過渡到HCO3－Na－Ca型和HCO3－Na－Ca－Mg型（見圖1）。根據水樣測試結果可知，研究區淺層地下水的溶解性總固體（TDS）和硬度整體上由南向北、由西向東逐漸增大（見圖2），研究區域內淺層地下水水化學特征和土化學特征見表1、表2。

表1 鄭州市主城區淺層地下水水化學特征

表2 鄭州市主城區淺層土化學特征

圖2 鄭州市主城區淺層地下水水化學特征等值線圖

2.2 原生劣質地下水

高鐵錳水主要分布于鄭州市東北部黃河影響帶，其成因與原生地球化學環境有關。含水層一般呈淺灰色，黏土層中見鐵錳結核，說明含水層是在還原環境下沉積，富含鐵錳質。淺層地下水中總鐵含量為0.02～1.12 mg／L，以Fe2＋為主，錳含量為0.12～0.88 mg／L，最大含量分別超生活飲用水標準3.7倍和8.8倍。主城區內淺層地下水受蒸發作用影響較大，高氟水主要分布在鄭州市北部黃河沖積平原背河洼地和決口扇邊緣帶低洼地等。區內高氟水氟化物含量為1.04～1.57 mg／L，超出生活飲用水標準1.5倍，且鄭州市中深層地下水高氟現象較淺層水更為普遍。長期飲用高氟地下水，可能引起氟骨病、氟斑牙等地方病，危害當地群眾健康安全。

3 地下水土腐蝕性評價方法

本文腐蝕性評價依據巖土工程勘察規范［18］進行?；谘芯繀^三維地質模型和GIS平臺，首先將各取樣點的腐蝕性評價結果矢量化，并賦予相應的屬性值，將腐蝕性分區圖與鄭州市地圖疊加分析。根據實地調查情況對分區圖進行適當調整，并對分區邊界線進行圓滑處理后得到鄭州市淺層地下水土腐蝕性評價分區圖，從而使評價數據與結果可視化。

4 地下水土腐蝕性評價結果

4.1 地下水土對混凝土結構的腐蝕性評價

4.1.1 環境影響下的腐蝕性評價

場地環境類型是判定地下水有無腐蝕性的基礎。研究區干燥指數小于1.5，屬于濕潤區，根據主要工程建設層的透水性、含水量及地區經驗，綜合確定研究區環境類型為Ⅱ類［18］。

根據鄭州市主城區所取土試樣以及水試樣的分析結果進行統計，依據上述規范進行評價，評價結果顯示僅淺層地下水硫酸鹽對混凝土結構具有微腐蝕－弱腐蝕，水土試樣分析中的鎂鹽、銨鹽、苛性堿、總礦化度對混凝土結構的腐蝕等級均為微腐蝕（見表3、表4）。鄭州市地下水土對混凝土具有弱腐蝕性區域面積占比為0.34%，其余均為微腐蝕區域（見圖3）。

表3 按環境類型淺層地下水對混凝土結構的腐蝕性評價結果

表4 按環境類型淺層土對混凝土結構的腐蝕性評價結果

圖3 鄭州市主城區地下水土對混凝土結構的腐蝕性分區

4.1.2 地層滲透性影響下的腐蝕性評價

地下水和土對混凝土結構的腐蝕性與地層滲透性密切相關，鄭州市主城區淺層含水層及土層主要為砂土，即為強透水層，并基于此地層滲透性類別依據規范進行評價，評價結果如表5所示。根據地層滲透性地下水土對混凝土結構的腐蝕等級綜合評價為微腐蝕。

表5 按地層滲透性地下水土對混凝土結構的腐蝕性評價

4.2 區域地下水土對鋼結構的腐蝕性評價

4.2.1 地下水土對鋼筋的腐蝕性評價

研究區內地下水中Cl－含量為7～155.3 mg／L，在長期浸水條件下，地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性；在干濕交替條件下，部分區域地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有弱腐蝕性。根據研究區內土中Cl－含量統計分析可知，土中Cl－含量為31.95～170.4 mg／L，土對混凝土結構中鋼筋具微腐蝕性。地下水土對鋼筋的腐蝕性分區見圖4，其中具有弱腐蝕性區域面積占比為7.86%，其余均為微腐蝕區域。

圖4 地下水土對鋼筋的腐蝕性分區圖

4.2.2 地下水土對鋼結構的腐蝕性評價

研究區內所有水樣點的pH值為6.82～9.21，Cl－與SO2－4含量之和為19.48～620.42 mg／L。因此綜合判定研究區大部分地區地下水對鋼結構呈弱腐蝕性，ZCG10（鄭州市主城區東北部東四環附近）、二里崗南街—城東南路一帶地下水對鋼結構的腐蝕性為中腐蝕性（見圖5），其中具有中腐蝕性區域面積占比為0.34%，其余均為弱腐蝕區域。

圖5 地下水對鋼結構的腐蝕性分區圖

場地土對鋼結構的腐蝕性評價主要依據土體pH值與視電阻率值。研究區內不同埋深場地土的視電阻率值變化較大，因此不同埋深場地土對鋼結構的腐蝕性需分別進行評價。根據評價標準，針對不同深度場地土pH值、視電阻率實測范圍值進行腐蝕性評價（見表6），結果顯示，隨著深度增加，腐蝕等級由弱腐蝕到中等腐蝕。同時對不同深度范圍內場地土對鋼結構的腐蝕性評價分別進行分區（見圖6）。由圖6可知隨著深度增加具有中腐蝕性區域面積占比逐漸增大，其中大于50 m深中腐蝕區域面積占比34.47%（見表6）。

表6 不同深度范圍場地土pH與電阻率實測值及腐蝕性評價

圖6 鄭州市主城區不同埋深土對鋼結構的腐蝕性分區圖

5 結論和建議

基于研究區內淺層地下水及淺層土的400余組水化學特征數據，依據國家規范進行了鄭州市主城區淺層地下水土對不同埋深混凝土結構、混凝土中鋼筋以及鋼結構的腐蝕性分析，并使用GIS技術進行了研究區腐蝕性分區的可視化分析，可以為鄭州市地下工程的防腐蝕提供支持與參考。主要結論和建議如下：

（1）研究區地下水土對混凝土結構的腐蝕性等級絕大部分為微腐蝕，僅在主城區東北部東四環附近為弱腐蝕。

（2）在長期浸水條件下，地下水土對研究區內鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性；在干濕交替條件下，部分區域地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有弱腐蝕性。

（3）工作區大部分地區地下水土對鋼結構的腐蝕性為弱腐蝕性，東北部東四環附近、二里崗南街—城東南路一帶地下水對鋼結構的腐蝕性為中腐蝕性。

地下混凝土結構抗腐蝕首先應該選用抗腐蝕性能好的建筑材料，如抗硫酸鹽硅酸鹽水泥有較強的抗硫酸鹽腐蝕能力，同時應提高混凝土密實性，從而提高其自身抗腐蝕能力。附加措施則以隔離防護為主，如使用土工織物，其一般化學穩定性較好，耐腐蝕能力較強，有一定的耐久性。另外，也可使用碎石、水泥等加固地基。