7.3.1.1　析出物的分布特征

坝基析出物指坝踵帷幕体后排水孔口以及直接从岩体结构面中出现的胶状物质。在对多座水电站枢纽区析出物的现场调查过程中发现，坝基析出物普遍具有不均一的分布特点。表7.3.1 为我国13 座水电站大坝基础析出物的分布特征统计，反映基础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小部分，实际上仅为仍在排水的那部分排水孔的一部分。现场调查显示，坝基析出物多出露于河床坝段部位，此与该部位幕后排水孔口的较低高程而普遍处于溢流状态有关。

表7.3.1　部分大坝坝址析出物的分布特征统计

续表

另外，在少数水电站坝址区除大坝基础廊道部分排水孔口出现析出物之外，在左、右坝肩平洞内也出现此类物质。其中，以紧水滩水电站最为典型。在该水电站坝址区，析出物的分布除如表7.3.1 所示之外，在左、右坝肩部分平洞内还见有颜色各异的析出物。根据统计，在其右坝肩上游侧135m高程平洞中计有30多处直接从岩体裂隙中出现的析出物，以扇形状堆积在岩体渗水溢出处附近。其出露点数以及析出量均明显多于具有相似地貌特征的左坝肩部位。究其原因在于：右坝肩岩体中呈张性或张扭性结构面相对发育，以致岩体的透水性强于左坝肩，前者的平均渗透系数值为后者的3.5 倍。此外，运行期绕渗孔地下水位动态资料反映，右坝肩部分孔位地下水中来自上游库水的渗流分量大于左坝肩。可见，运行时期该部位地下水动态相对活跃，从而导致较多析出物的出现。由此亦可见，坝址区不同部位析出物的形成及其分布特征与区内地下水系统的补、径、排条件以及动态特征相关。

7.3.1.2　析出物的物质组成

根据对上述多座大坝基础析出物试样的无机化学成分测试成果（见表7.3.2），可以得出如下结论。

表7.3.2　部分坝址析出物中的主要无机化学成分统计　单位：%

续表

（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、并且烧失量大。析出物中的烧失量大，表明其含有较多的碳酸盐类物质，即CO2－3 离子在燃烧过程中以CO2 气体逸出所致；或表明析出物中含有较多的有机质。后一种情形通常一般在对区内基础帷幕体作了化灌补强之后才可能出现。

（2）在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百分比存在差异，此主要与不同坝址间存在的岩性差异有关；即便在同一坝址但取样位置不同的相同颜色析出物之间亦存在差异，此主要与不同部位间存在的岩性（包括工程材料）差异有关。

从统计而言，根据现场调查，上述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；当然还有部分呈上述颜色之间的混合色者。

根据无机化学化验成果，上述析出物样品中还含有其他的一些常量元素，如Na、K、P、Mg、Ti等。不同颜色析出物中不同元素含量的变化趋势见图7.3.1。同棕红色、黑色析出物相比较，白色析出物中的其他常量元素的含量百分比相对低一些。

图7.3.1　代表性颜色析出物中的常量元素变化趋势

据了解，我国有多座水电站曾对大坝基础或坝肩部位在进行了常规的水泥灌浆之后，还在局部对已形成的防渗帷幕体实施了化灌补强工程。这些水电站包括龙羊峡、李家峡、二滩、白山、红石、池潭、陈村以及水东等，所用的化学材料分别为丙凝、甲凝、中化—798 以及LW、HW 水溶性聚氨酯等。此类化学灌浆材料的常用配方及其质量指标见表7.3.3～表7.3.8。由于具有比较特殊的性质，此类化学材料一般均具有较好的可灌性，而在当时均收到了比较理想的防渗补强效果。然而，由此形成的加强帷幕体在长期高水头作用下的防渗耐久性依然值得关注。显然，在这样的化灌加强帷幕体后若出现析出物，其所含的化学成分可能比较复杂。对此，除应对试样进行无机化学成分的测定，还应测定其有机化学成分，借此反映幕后析出物与帷幕体化灌材料之间是否存在物质上的必然联系。

丙凝浆是一种含水凝胶体。其原材料由丙烯酰胺CH2＝CHONH2 （主剂）、甲撑双丙烯酰胺（交联剂）、三乙醇胺（促进剂）、过硫酸铵（NH4）2S4O8 （引发剂）、铁氰化钾（阻凝剂）和水（溶剂）等组成。丙凝含水凝胶具有不溶于水、抗渗、抗挤出、高弹性、吸水膨胀性等特点，但抗压强度不高；未聚合的丙烯酰胺单体可以溶解于水。待灌的丙凝浆液一般由甲液和乙液按一定配比（如1∶1）混合而成，见表7.3.3。

表7.3.3　丙凝浆液配合比

表7.3.4　中化—798灌浆配方一览

表7.3.5　环氧树脂质量指标一览

表7.3.6　丙酮质量指标一览

表7.3.7　糠醛质量指标一览

表7.3.8　LW水溶性聚氨酯灌浆配方一览

中化—798 浆材属呋南类－环氧体系，是一种具有高渗透性的灌浆材料，具有较好的物理力学指标。其特点：可灌性好；力学指标高；安全性、稳定性好；无毒性、不污染环境；单液灌注、工艺相对简单。其原料由呋南类－环氧体系、丙酮、糠醛、P1、P2、D1、D2等组成。其常用的灌浆配方见表7.3.4，有关原材料的各项质量指标见表7.3.5～表7.3.7。

此外，为判定中化—798化学材料的综合特性，可进行膨胀率试验。即将所取的试样置于恒温条件下，并定期观测其形状的变化以及水溶液的变化。已有的试验研究反映，中化—798 胶体材料具有一定的径向膨胀率（0.455%～1.825%）、轴向膨胀率（0.219%～0.293%）以及体积膨胀率（0.762%～2.094%）。另外也发现，试样经过一段时间后，水溶液由橘黄色变成淡红色，显示其中含有一定量的中化—798胶体材料析出成分。

LW水溶性聚氨酯的组成原料为LW预聚体、丙酮及乙酰氯等，其化灌浆液由异氰酸酯和WPE水溶性聚合醚合成而得，并加有增韧剂和稀释剂等。由此形成的浆液及其聚合体具有如下性能：黏度为45cp而大于HW，当LW 加上20%丙酮时，为93cp；比重为1.08，呈虎珀色透明液体；凝胶时间为几秒至几十分钟，受水的pH值影响，如pH＜7.0，其凝胶时间明显减缓；不同状态时具有不同的黏结强度，干缝为17×10N/cm2，水下湿缝为7×10N/cm2；具有良好的弹性，扯断强度为21.6×10N/cm2，伸长率（L－L0）/L0为273%，永久变形近似零；10%浆液固砂体的渗透性为1.8×10－9cm/s。由LW水溶性聚氨酯构成浆液的一般配方见表7.3.8。

同样，为判定此类化学材料的综合特性，可进行膨胀率试验以及极限拉伸试验。即将所取的试样置于恒温条件下，定期观测其形状的变化以及水溶液的变化。前一种试验反映，此类材料于前24h期间各种膨胀率变化最大，之后膨胀速度减缓，径向膨胀率大于相对应的轴向膨胀率（此与中化—798 有相似之处）；而后一种试验则反映，此类材料具有较强的拉伸性能，其极限拉伸率达1100%以上。另外，在膨胀率试验过程中发现，试样经过一段时间水溶液变成绿色，此后两端出现径向开裂，有的甚至出现轴向纵裂。(www.daowen.com)

某水电站位于黄河上游，大坝为混凝土双曲拱坝，坝长414.39m，最大坝高155m，坝顶高程2185m。水库正常蓄水位为2180m，相应库容16.5 亿m3。坝址基础岩体由前震旦系混合岩及片岩组成，其间穿插伟晶岩岩脉，具有不同的岩性特征。对于混合岩：由黑云斜长变粒岩基体及后期顺片理注入（或交代）的伟晶质脉体组成，呈浅黑灰色并夹有呈白色、肉红色的伟晶岩细脉，单层厚度在6～20cm之间，其间片理及微细裂隙发育，部分片理面上含有较多云母。对于片岩：呈黑绿色至灰绿色，单层厚度在40～60cm之间，其强度不及混合岩，位于部分片理面上的云母受区域动力变质作用，易蚀变成绿泥石。对于伟晶岩：呈灰白至肉红色，具有一定的强度和抗风化能力。

坝址区断裂构造发育。按其产状，区内以下3 组断层相对发育：①NW 向组，此为层间断层，多为层间挤压带，具有压性或压扭性；②NEE向组，多为顺河向发育，具有扭性或张扭性；③NE向组，此组断层一般由主干断层及数条分叉小断层组成。另外，坝址区还发育近SN 向（扭性或压扭性）及近EW向（张扭性）断层。

大坝施工期间，在普遍完成了对基础岩体的常规灌浆工程之后，考虑到区内局部断裂构造发育，先后4次采用不同的化学材料（即丙凝、中化—798 以及LW水溶性聚氨酯）对帷幕体局部作了化灌补强。其中，有2次是在河床部分坝段实施的。即分别针对位于9 号坝段的F1断层以及位于11～13 号坝段的F50、F20-1、F20断层于1996 年10 月～1997 年5 月间作了丙凝灌浆补强工程；并于1998年3 月～2001 年6 月间采用中化—798 化学材料在河床高程2035m廊道对11～13 号坝段基础岩体进行了再次灌浆补强。其他2 次是在右岸高程2185m及高程2150m灌浆洞进行的，主要是针对位于右岸的F43断层的影响范围比较大，在对有关部位先进行了常规水泥灌浆之后，于1999 年8 月～2001年6 月间也以LW水溶性聚氨酯作了灌浆补强。

为揭示近年来坝址幕后地下水析出物性状及其对于帷幕体耐久性的影响，在现场全面调查的基础上，采集了具有代表性的析出物试样，共9 个。对这些试样除进行了无机成分化验，还作了红外光谱测定和分析，以揭示区内析出物中是否含有上述化灌类物质。所用的仪器为NICOLETNEXUS870 傅立叶变换红外光谱仪（美国）；光谱范围为4000～400cm－1；分辨率为4cm－1。

考虑到部分试样中的有机质成分含量可能不高而不能明显表现其特征吸收峰，故先用有机溶剂对试样进行萃取，分离出部分有机物质，再进行红外光谱测试和分析。

所用的化学试剂为：甲苯、四氢呋喃、溴化钾。对于样品的处理过程如下：取100mg试样，加入3mL甲苯，充分搅拌混合，静置12h。经高速离心机后过滤出甲苯溶液，100℃下将甲苯挥发，加入KBr制成试样，并测试其红外光谱。其光谱标记为J。

将分离后的固相部分再加入3ml四氢呋喃，充分搅拌混合，也静置12h。经高速离心机后过滤出四氢呋喃溶液，100℃下将四氢呋喃挥发，加入KBr制成试样，并测试其红外光谱。其光谱标记为S。

根据特定化合物（如环氧树脂、糠醛类有机物等）特有的标准红外光谱的主要吸收峰，可以对比分析析出物试样中可能存在的有机物及其类型。糠醛以及环氧树酯类有机物的主要吸收峰见表7.3.9。

表7.3.9　环氧树脂、糠醛类标准红外光谱的主要吸收峰统计

根据特定化合物特有的标准红外光谱的吸收峰（表7.3.9），对比分析析出物各试样经过预处理后提取的有机物的红外光谱图（此略），得到有关分析结果，见表7.3.10。根据该表，可以得到以下结果。

1）析出物试样中均含有源于化灌材料的有机物。由此表明，区内补强帷幕体中有关化学材料的析出现象是比较普遍的。

2）从帷幕体后伴随渗流析出的不同有机物的分布特征来看，糠醛类有机物相对普遍，酯类有机物（包括芳香酯类和硅树脂类化合物）次之，而环氧树脂类有机物相对不普遍。由此可见，用于灌浆补强的不同化学材料具有不同的耐久性，即糠醛类物质的耐久性要差一些，而其余两种物质的耐久性相对好一些。由此可以得出，中化—798 化学材料的耐久性似弱于其他两种化学材料。

表7.3.10　析出物试样的红外光谱测试及其分析结果（2004.8）

注　表中“—”指应含量低而未被检出。

3）不同析出物试样中含有不同的源于化灌帷幕体的有机物，且在量方面也有差异。据此，可以把含有有机物的析出物试样分为两类：①在量方面相对多一些，如J9及J4这两个试样，后一个试样中除含有较多的糠醛类，还含有少量的环氧树脂和酯类，前一个试样中含有大量的糠醛类和多量的环氧树脂类化合物；②在量方面比较少，如J5、J7、J3、J6、J1、J2、J8等7个样。由此表明，区内化灌帷幕体的耐久性程度在不同部位间是有差异的。

7.3.1.3　析出物的理化特性

为探讨表7.3.2中部分水电站坝址析出物的成因，对有关试样还分别作了阳离子交换量（CEC）测试，其成果见表7.3.11。

表7.3.11　部分坝基析出物与岩样的理化指标统计

由表7.3.11 知，析出物的CEC值远大于岩样的相应物理量，表明其物理—化学活性远强于岩石而具有化学成因的性质。事实上，正是这种性质决定了此类析出物对于所处环境的变化具有相当敏感的反映。即易随水的pH 值的变化而变化，如在碱性水溶液中胶粒可形成凝胶；易随环境的Eh值的变化而变化，如在现场观察到排水孔口或岩体渗水处随着棕红色析出物厚度的增加，其下部因处于封闭状态又形成还原环境，以致棕红色胶体被还原成黑色胶体。

对析出物试样进行游离及活性氧化物分析，也有助于揭示析出物的理化特性。表7.3.12为我国南方一水电站坝址析出物试样中此类物质的化验成果。由该表（并结合表7.3.13）知，析出物中不同的氧化物具有不同的存在形式。其中，氧化铁及氧化锰这两种物质以游离态为主；前者所占百分比在34.82%～82.44%之间，均值55.65%，后者在81.40%～98.11%之间，均值88.26%。而上述游离态氧化物中，多数以无定形为主，可见具有较高的活性。部分试样中无定形氧化铁含量不高，这可能与库底存在的有机质有关。因为，此类物质可与铁形成络合态铁，而后者虽然亦属无定形物质，但不被草酸铵所提取（是用pH＝3.2草酸铵法分析活性氧化物的）。比较而言，析出物的硅、铝类氧化物中游离态百分比含量较低，而多以定形（或晶形）态存在。显然，若析出物中的氧化物之存在形式以游离态为主、且后者中又以无定形（或非晶形）为主，此类析出物则具有比较活泼的化学性质；反之，其化学性质不活泼。

表7.3.12　某坝址析出物中氧化物之形态测试结果统计　单位：%

表7.3.13　某坝址析出物中部分氧化物测试结果统计　单位：%

7.3.1.4　析出物的微观形态

在对多个水电站坝址地下水析出物进行现场调查期间，根据观察发现，凡出现析出物的多数排水孔内，水清透明，丁达尔效应明显，从而证实所在孔位地下水溶液中含有胶粒（或胶体），即水中含有直径小于10μm的颗粒。此类物质一般在水环境急剧变化部位（如排水孔口），可能以肉眼可辨的胶状物质出现；一经烘干，多呈粉末状。

图7.3.2为新安江水电站坝基部分析出物试样的XRD测试成果，可以从一个侧面反映了析出物的微观形态。据此，可进行如下解释：对于灌3-2 试样，其矿物成分以非晶形物质为主，含极少量高岭石、石英等；对于灌3-3试样，以针铁矿为主；对于1-6 6 试样，以非晶形物质为主，含极少量高岭石、长石；对于F1-5试样，以非晶形物质为主，含极少量石英；而对于1-2 1 试样，则也以非晶形物质为主，含少量石英、针铁矿和无定形氧化铁等。

图7.3.2　新安江水电站坝基部分析出物试样的XRD测试图谱

（a）灌3-2；（b）灌3-3；（c）1-6 6；（d）F1-5；（e）1-2 1

另外，对上述部分试样还作了电子显微镜观察，以从另一个侧面揭示其微观形态。对于灌3-2 试样，在X900 倍下观察，呈现为不规则蜂窝状，而在X2200倍及X2700倍时则可见到少量的针状物，大多为细粒或团絮状；而对于F1-5试样，在X5000倍下呈现为细粒的胶体或集合体，而在X900 倍下则呈现不规则蜂窝状，不显示任何结晶形态。

综上所述表明，化学成因的析出物通常具有较强的物理—化学活性，其微观形态以无定形的非晶质为主、呈粉末状而比表面积大。显然，物理成因的析出物则具有较弱的物理—化学活性，其微观形态以定形的晶质为主；而具有物理—化学作用双重成因的析出物的物理—化学活性则介于上述两者之间，其微观形态中既具有无定形的非晶质、又具有呈定形的晶质类物质。