水质分析与整理.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除水质分析及水化验资料的整理分析第一篇 水质分析开展水质分析的目的是判断环境水对大坝混凝土、基岩和灌浆帷幕及水下金属结构的侵蚀作用，为工程施工及维护中对材料和工艺的要求提供依据。一、水质分析一）水样采取水样采取以能反映环境水的变化为原则。一般地，应选择下列地点进行水样采集。1、 水库水样在距坝上游面100m左右的水库横断面上，选择左、中、右三条垂线，每条垂线一般布置在水库表面以下0.20.5m处、水深中间和库底附近等三处取样点。另外，为了监视水库水质污染情况，在工矿企业废水流入水库的地方及水库出水口附近也应设有取样点。2、 地下水位孔在两岸坝头绕渗孔各取23个孔。3、 坝体、坝基排水孔和测压孔除对应水库取样地点的坝段应布置取样点外，还应适当选择钙质等溶出物较多的排水孔及渗漏量较大的排水孔作为取样点。当个别监测孔的水有异常颜色或悬浮可疑物质等异常情况时，应随时取样化验。水质取样可采用取样瓶和一些特别的水样采集工具进行采取。水样采取后，在取样现场首先要做好水样编号和物理性质的描述，即试样的温度、颜色、透明度、气味、味道等，并同时记录当时的气温。2） 水质分析的内容水质分析的内容包括pH值的测定、碱度的测量、二氧化碳（游离、化合、侵蚀性）的测定、氯离子的测定、总硬度的测定、钙离子的测定、镁离子的测定、硫酸根离子的测定、钾钠离子总量的测量、含盐量的测定及水质综合评定。3） 水质分析的原理方法水质分析的原理是借助于化学反应。其方法一般可利用标准试剂和标准溶液测定或借助特制的测定仪器，如pH值的测定可采用pH-25型酸度计，含盐量的测定可采用81型水质纯度仪等。水质分析的测定方法和计算可参阅有关规范。第二篇 水化验资料的整理分析混凝土坝坝体长期在库水及渗透水的作用下会因水的侵蚀作用而溶蚀削弱，混凝土坝地基岩石中的石灰岩、白云岩、方解石脉以及水泥灌浆帷幕也会因渗透水的作用发生溶蚀、化学管涌和老化。大坝观测中水化验资料整理分析的目的，就在于了解库水、地下水、渗透水中的水质的变化、分布情况，分析坝体混凝土、坝基帷幕及地基岩石不被溶蚀的程度，从而为采取防蚀措施保证大坝安全耐久使用提供依据。关于水质化验分析的仪器设备、操作方法等可参考有关水化书籍和规程。1、 水泥腐蚀原理坝体混凝土是由水泥、骨料（砂、石）和水组成的，坝基水泥防渗帷幕是填在岩石裂隙中的水泥结石。通常，基岩和混凝土中的骨料均不易被水所侵蚀，因此，混凝土和帷幕的受蚀可归为水泥的腐蚀。普通硅酸盐水泥主要由4种化合物组成：硅酸三钙（3CaOSiO2）、硅酸二钙（2CaOSiO2）、铝酸三钙（3CaOAl2O3）、铝铁酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3）。当加水和混凝土时，水泥浆内发生下列变化：1） 硅酸三钙水解为水化硅酸二钙和氢氧化钙3CaOSiO2+5H2O=Ca（OH）2+2CaOSiO24H2O（公式1）2） 硅酸二钙水化为水化硅酸二钙2CaOSiO2+4H2O=2CaOSiO24H2O（公式2）3） 铝酸三钙水化为水化铝酸三钙3CaOAl2O3+6H2O=3CaOAl2O36H2O（公式3）还有一部分铝酸三钙水化为水化铝酸四钙：3CaOAl2O3+Ca（OH）2+11H2O=4CaOAl2O312H2O（公式4）4） 铝铁酸四钙水化为水化铝酸四钙和水化铁酸四钙（公式5）4CaOAl2O3Fe2O3+4Ca（OH）2+11H2O=4CaOAl2O312H2O+4CaOFe2O33H2O由上可知，水泥水硬化时，产生氢氧化钙和硅酸钙等的水化物，仅硅酸三钙遭受水解，其余成分均发生水化反应，水解产生的Ca(OH)2是溶解于水的。水泥结石中无论硅酸钙水化物或铝酸钙水化物都必须保持在一定浓度的氧化钙溶液中才能稳定存在，它们所需的氧化钙极限浓度为：硅酸三钙3CaOSiO2饱和Ca(OH)2溶液；水化硅酸二钙2CaOSiO24H2O溶液中CaO浓度1.1g/L；水化硅酸一钙CaOSiO22H2O溶液中CaO浓度0.05g/L；水化铝酸四钙4CaOAl2O3（1213）H2O溶液中CaO浓度1.08g/L；水化铝酸三钙3CaOAl2O3（618）H2O溶液中CaO浓度0.561.08g/L；水化铝酸二钙2CaOAl2O37H2O溶液中CaO浓度0.360.56g/L；通常，不论是拌合混凝土、水泥砂浆或净水灌浆时用水量如何多，水中总可以达到足够的CaO浓度，使反应按（公式1）（公式5）进行，使最初产生的水解处于平衡状态，并阻止其进一步水解，但当作用于混凝土的水大量存在且渗过混凝土内部时，情况就不同了，首先是存在于水泥结石中的游石灰（约占水泥重量15%）溶解和被渗水带出，此时水中CaO浓度降低，除公式1的硅酸三钙继续水解外，当CaO浓度降低到1.1g/L时，硅酸二钙也要水解，产生水化硅酸一钙：2CaOSiO2+3H2O=Ca（OH）2+CaOSiO22H2O（公式6）当CaO浓度降低到1.08g/L时，水化铝酸四钙开始水解；CaO浓度降低到0.561.08g/L时，水化铝酸三钙又水解：3CaOAl2O3+8H2O=Ca（OH）2+2CaOAl2O37H2O（公式7）水化铝酸二钙在CaO浓度降到0.360.56g/L时遭受完全水解，并并生氢氧化铝Al（OH）3胶冻，当CaO浓度降低到0.05g/L时，水化硅酸一钙也开始分解，产生硅酸胶冻SiO2水，胶酸钙的分解，最后将产生Fe（OH）3。在硬化的水泥结石中，氢氧化钙晶体是具有高强度的主要结构部分，但在渗水的水解作用下，它不断被溶出和流失，同时，水泥结石中的其它化合物也被逐次分解为非结合性的产物硅酸氢氧化铝和氢氧化铁，因此就会导致水泥结石结构的逐渐破坏和强度的相应降低。2、 环境水对水泥侵蚀的分类及其特征环境水对水泥的侵蚀一般分为五种类型。1、 溶出型侵蚀这种侵蚀原理已如上述，其基本特征是水使水泥结石的粒子溶解、排出，除了渗透水量的大小影响侵蚀程度外，水质中重碳酸钙Ca（HCO3）2和重碳酸镁Mg（HCO3）2的含量也很有关系，它们可用重碳酸根HCO3）2阴离子浓度或暂时硬度（1L水中有毫克当量的碳酸氢钙与碳酸氢镁就等于1度）来表示，水的暂时硬度愈小对水泥结石的侵蚀作用就愈强，而暂时硬度高的水则可不起破坏作用而起有利作用。这是因为碳酸氢钙或碳酸氢镁能与水泥结石中的石灰起作用生成不溶解的碳酸钙所致。Ca（HCO3）2+Ca（OH）2=2CaCO3+2H2O（公式8）碳酸钙积聚在混凝土空隙内就提高了混凝土的密实度，并且可在混凝土表面生成不透水层，防止或减少水的入浸。水中存在SO42、Cl、Na+、K+等离子时将增加水对水泥石的溶解度而加速侵蚀作用。2、 碳酸型侵蚀天然水中总是存在一些游离二氧化碳CO2的它可与水泥结石中游离石灰Ca（OH）2起作用，在表面生成碳酸钙Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O（公式9）这种碳酸钙能与水中的碳酸继续作用，生成可溶的重碳酸钙。CaCO3+CO2+H2O Ca（HCO3）2（公式9）这个反应是可逆的，只有当CO2和Ca（HCO3）2之间的深度达到一定的平衡关系时，这种反应才告停止。天然水中含有的Ca（HCO3）2必须要有一定量的碳酸才能使它保存在溶液中，这种碳酸称作平衡碳酸，对水泥结石无害，因为它不溶解CaCO3，但是当水中含有多于平衡量的碳酸时，就会与CaCO3作用而生成Ca（HCO3）2，这时，水泥结石表面的保护层CaCO3被破坏，在水的渗滤下Ca（OH）2的浓度将降低，因此就引起水化硅酸钙及水化铝酸钙的分解和水泥结石的腐蚀，这种多于平衡量的碳酸叫侵蚀性碳酸，它的含量愈大，则溶液的酸性愈强，水泥结石的受蚀也愈严重。3、 酸型侵蚀当水中含有盐酸HCl、硫酸H2SO4、硝酸HNO3等酸类时，它们与水泥结石组成部分反应后生成的产物能被水溶解，因而易被侵蚀溶液的不断流动所冲走，反应生成的一种不具胶结能力的无定形物质Al（OH）3等，使水泥结石部分结构松散，例如：nCaOmSiO2+ H2 SO4+H2O=nCa SO4+mSi（OH）4+H2OnCaOmAl2O3+ H2 SO4+H2O=nCa SO4+mAl（OH）3+H2O同时，这些酸类还会起侵蚀性碳酸同样的作用，即把水泥结石表面的CaCO3薄膜溶解掉，因而促使Ca（OH）2从水泥结石中溶出，这一作用比式的腐蚀作用更重要。水中酸的浓度愈大时水泥结石的侵蚀速度愈快。4、 镁盐型侵蚀水中的镁盐和水泥结石可发生下列反应Ca（OH）2+MgCl2CaCl2+Mg（OH）2Ca（OH）2+MgSO4Ca SO4+Mg（OH）2此反应使Ca（OH）2浓度降低，就引起硅酸钙水化物和铝酸钙水化物等主要结构部分水解而破坏。海水中镁离子Mg2含量较大，约1.3g/L，河湖上的混凝土坝遇此类侵蚀者很少。5、 硫酸型侵蚀水中有硫酸盐存在时，水与水泥结石接触后发生如下反应Ca（OH）2+NaSO4CaSO4+NaOH这种反应生成的硫酸钙CaSO4（以及水中原有的CaSO4）在水泥结石内部结晶成水化硫酸钙CaSO42H2O或者硫铝酸钙晶体时，结晶膨胀，体积增大，使已硬化的水泥结石产生过大的应力致破坏。当水中有NaCl存在时，能对硫酸盐的侵蚀起作用，所以酸型硫酸盐侵蚀时，必须同时考虑Cl含量的影响。3、 环境水化学分析1、 天然水的组成雨雪降落到地面时，可溶解大气中部分氧、氮、二氧化碳等气体，并与分散在空气中的尘埃、烟、微生物等接触，带入杂质，渗入地下的水，通过土石裂隙，沿途溶解了各种物质，因此含矿物成分多、硬度较大，但较清澈、少悬浮物。江河水是由水面所降雨雪，地表流入水，地下渗入水组成，含有较多的可溶杂质及悬浮物，有的还受工业污水及生活污水排入的影响，水库水由江河水积聚而成，其成分和水源、水库地质地理条件等有关，一般流动性较江河小，悬浮物易沉降，水质季节变化也较江河为小。通常天然水中含有杂质如表1，表中还指出了各杂质对工业及人体健康的影响。在天然水中，最主要组成的有Cl、SO42、HCO3、CO32、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、H+等离子，O2、CO2、H2S等气体，此外还有微量的Pb2+、Zn2+、Cd2+、As3+、Br、I、F、HPO3、SO32、Fe2+、Fe3+、Mn2+、硅酸、氮、甲烷等。汇入水库作用于坝的水还有工业废水，它们往往含有一些天然水中很少而对混凝土有害的物质，主要有石膏水、铵盐、硫酸铜和硫酸锌，升汞、盐酸、硝酸和硫酸、氯、溴、氟、醋酸、酒精、各种硫酸盐和镁盐、硫化氢、二氧化硫、动物脂肪，各种由强酸和镁、锌、铜、铁、铵等构成的盐。2、 环境水分析项目为判定环境水对水工混凝土的侵蚀应进行下列项目分析：1） 干燥残渣（食盐总量），供以检查按各种离子作含量分析；2） 暂时硬度（HCO3离子）；3） 游离碳酸含量；4） 氢离子含量（PH氢离子指数）；5） 氯离子含量；6） 硫酸根离子SO42含量；7） 钙离子含量；8） 镁离子含量；9） 钾、钠离子含量，按测定阳离子和阴离子的差数来计算；10） 硫化氢的含量；11） 氧化度。表1 3、 水化验结果的表示方法进行水化验后，各种离子的含量用每升水中所含该种离子的毫克数表示，记作mg/L，有时也用离子的每升毫克当量数来表示，即把毫克/升数除以该离子的当量数。如果分析结果准确，则各阳离子的毫克当量数总和应与各个阴离子的毫克当量数总和相等。因此这个方法能验证化验结果的准确度。水中溶解的各种气体及水中胶状物，一般不用毫克当量数表示。水化验结果表示时常遇到的几个概念，简略解释如下。1） 酸度是水中所含能与强碱(NaOH、KOH等)作用的物质含量。包括强酸（HCl、HNO3及H2SO4等）、弱酸（碳酸、硫化氢、醋酸）等及铵、铁、铝等离子与强酸所组成的盐（它们能在水中水解生成氢离子）。酸度会影响水的pH值及永久硬度。2） 碱度是水中所含能与强酸相作用的物质含量，包括钙、镁的重碳酸盐，钾、钠、钙、镁的碳酸盐及氢氧化物等。3） pH值是表示溶液中的氢离子浓度的指示量。pH=logH+=log(1/H+)当pH=7时溶液为中性；pH7时为碱性。实用上分：中性水pH=6.58.0，弱酸性水pH=4.06.4，强酸性水pH=4.0以下，弱碱性水pH=8.19.9；强碱性水pH=10.0以上。4） 硬度。1L水中含有钙盐及镁盐的总量相当于10mgCaO时，叫做1度（德国度），前苏联规定用20L水中含有Ca2+、Mg2+离子1毫克当量作为硬度单位。1mmol/L相当于德国度28，1相当于0.357mmol/L。暂时硬度由Ca（HCO3）2和Mg（HCO3）2形成的硬度。因煮沸时它们分解形成CaCO3沉淀，故称暂时硬度。永久硬度是硬度与暂时硬度之和。4、 水工混凝土环境水侵蚀标准根据港工混凝土技术规范JTB2003-63中关于环境水侵蚀性特征和标准，摘编了表1，此外又摘录了重力坝的设计与划算一书中有关硫酸盐型侵蚀和镁盐侵蚀标准，编列了表2、表3、表4。由表可知，火山灰水泥及矿渣水泥抵抗溶出型及硫酸型侵蚀均比硅酸盐水泥要好。五、环境水对坝体混凝土及坝基帷幕侵蚀的分析估算1、由环境水化验成果判断其侵蚀性把对水库水、地下水化验出各种离子含量与环境水侵蚀标准表相比较，可以初步判断它们对坝体及帷幕有无侵蚀作用。此法是判断侵蚀的基本方法。因为它可以全面地对五种类型的侵蚀作考查判断，同时它只需具备库水（或加上地下水）水化验结果就可以了。因此建坝前选择坝体及帷幕水泥都使用这种方法，建坝后作为了解入渗水的侵蚀性也常用这个方法。2、 由渗出水化验成果判断其侵蚀性混凝土坝建成后，坝体排水孔的水质反映了排水孔上游侧的坝体受水作用后渗透水的化学组成，用排水孔水质（渗出水质）与库水水质（渗入水库）相比较，其差异就是水经过渗透途径所发生的变化。由这种变化可以了解混凝土受侵蚀的情况。同样，水泥帷幕后坝基排水孔的水质和库水（或山坡地下水）水质的差异可反映排水孔前坝基受侵蚀情况。当基岩中没有碳岩、白云岩、石膏、方解石脉这类易溶盐类时，坝基的侵蚀主要是水泥帷幕固结灌浆中水泥的腐蚀。坝下游而的漏水水质与库水的差异则反映了坝体上下游面间的受蚀情况。用这种水质对比的方法，可以测到坝受侵蚀的实际情况。这比单根据水库水质推断混凝土（或帷幕）是否会被侵蚀，更要直接、更要实际。目前用此种方法主要是判断溶出型以及碳酸型、泛酸型、镁盐型这四种侵蚀综合作用下水泥结石中石灰被溶出的数量和速度。用此法判断硫酸盐型侵蚀问题尚待实践摸索。通常，硅酸盐水泥中CaO含量约64%67%，其余为SiO2、Al2O3及Fe2O3等，若CaO含量以65%计，则1kg水泥含CaO为650g，其中含Ca2+离子为464g。一些试验说明，当水经过硅酸盐水泥的混凝土或砂浆试件长时间的渗滤，使水泥中全部石灰的25%30%溶出时，试件强度的降低约为10%50%，在结构安全系数较小时，可能招致破坏。通常先根据渗出水与渗入水间Ca2+离子增量Ca2+及渗水流量Q，求算Ca2+溶出速度VCa2+。当Ca2+单位为毫克/升，Q单位为升/分时，VCa2+单位为毫克/分。一定时间t(min)内溶出Ca2+的重量G Ca2+为G Ca2+= VCa2+ti 当几个时段内VCa2+不等时，可分段求再总加求和。G VCa2+=由上式可求得一段时间内Ca2+的积累溶蚀量，从而了解坝体或帷幕溶蚀程度。T=(G)/ VCa2+式中，(G)为混凝土（或帷幕）中Ca2+的极限溶出量，(G)的单位为毫克，VCa2+单位为毫克/分，T的单位为分。上式还可写作下式：T=0.19010-5(G)/ VCa2+式中，(G)的单位为吨，VCa2+单位为吨/年，T的单位为年。若认为水泥结石中石灰CaO被溶出30%时结构即可能破坏，则Ca2+的极限溶出量(G)为(G)=G水泥0.650.3040/56=0.139 G水泥G水泥为混凝土（或帷幕）中水泥的重量，Ca2+在CaO中所占重量为40/56。（G）和G水泥的单位可均为吨，均为千克或均为毫克。通过坝基的渗透流量可按下式计算：BKHM Q= b+M式中 K坝基平均渗透系数，m/d；B坝段长度，m；H计算水头，m；M坝下透水层厚度，m；b坝底宽度，m；Q经过坝基的全部渗流量，m3/d；丰满混凝土坝渗漏溶蚀比较严重。据初步计算，1973年全坝坝基排水孔溶出Ca2+离子约2t，相应水泥4.3t，受影响的帷幕水泥14.3t（认为水泥的石灰质中有30%被侵蚀，帷幕效能即大为降低），而19571974年平均每年补充灌入帷幕的水泥仅为7.2t。对坝体也作了类似计算，1973年丰满坝体排水孔漏水带走Ca2+离子8.7t，相应水泥18.8t，受影响水泥62.6t。19571974年平均每年补充灌入坝体的水泥仅15.5t，溶蚀超过了加固速度。六、水化验成果整理水化验成果应定期加以整理、整编，成果应包括经过计算、校审的各次水样化验结果表，侵蚀性判断表，溶蚀量计算表，水样采取和化验的说明等。对水化验成果，也可以绘制水质分布图、侵蚀量过程线、渗出水与渗入水水质相关图，借以了解水质分布和变化规律，混凝土（或帷幕）受侵蚀过程及最不利部位等情况。表1 环境水侵蚀标准表（一）侵蚀类型标准说明结构最小厚度（m）硅酸盐水泥火山灰质及矿渣硅酸盐水泥溶出型侵蚀水的重碳酸盐碱度（暂时硬度）每升毫克当量数小于表列数值时即被认为具有侵蚀性（mmol/L相当于28）0.50.52.52.52.01.20.70.70.4不规定泛酸型侵蚀水的pH值小于表列数值时，即被认为具有侵蚀性。0.50.52.52.57.06.56.07.06.76.2碳酸型侵蚀水中游离碳酸含量（mg/L）大于a(Ca2+)+b+k，即被认为具有侵蚀性，表列数值为k值，a、b值由有关表可查得0.50.52.52.5010200515镁盐型侵蚀如果水中Mg2+离子含量不小于1000mg/L，并且超过了按公式k- SO42-算得的数值，水就认为是有侵蚀性的，公式中k按本表取值，SO42-离子含量以mg/L计，如果含量小于1000，不论SO42-为多少，都认为水没有镁盐侵蚀性0.50.52.52.5500060007000450050006000表2 环境水侵蚀标准表（二）侵蚀类型标准说明结构最小厚度（m）非抗硫酸盐的硅酸盐水泥火山灰质及矿渣硅酸盐水泥抗硫酸盐硅酸盐水泥抗硫酸盐火山灰质及矿渣硅酸盐水泥含CL-量小于1000mg/L含CL-量等于10006000 mg/L含CL-量大于6000 mg/L硫酸盐型侵蚀水中SO42-离子含量超过表列数值，水就被认为是有侵蚀性0.50.52.52.5250250300100+0.15CL-100+0.15CL-100+0.15CL-105010501100250025003000350035004000表3 环境水侵蚀标准表（三）侵蚀类型标准说明普通硅酸盐水泥火山灰质及矿渣硅酸盐水泥纯熟料大坝水泥矿渣大坝水泥抗硫酸盐