工程侵蚀监测（通用6篇）
工程侵蚀监测 篇1
0 引 言
对开发建设项目产生工程侵蚀的监测是近年来水土保持领域关注的热点[1,2,3,4,5], 也日益成为水土流失监测工作的重点。在采矿、交通、电力、冶炼、水利水电、城镇建设等开发和建设项目中表现尤其明显。这些工程无论在施工期间还是在运行期间都对地表有着较大的扰动。如何针对各类工程项目的特点选择监测方法、拟订监测指标、确定监测时段, 都需要全面对工程侵蚀监测进行理论研究。建设项目对地表的扰动情况变化频繁, 计算弃土弃渣量、评估植被破坏、水土保持工程措施效益都需要不同于常规地面观测的监测方法。当前监测部门急切希望, 在基于工程类型、水土流失影响类型的分类研究基础上开展工程监测方法研究, 以便为监测工作提供有益的方法和思路。
工程侵蚀监测工作是从20世纪90年代末期逐步快速发展起来, 如马述萍等[6]利用测钎法在贮灰场中进行了水土流失监测;张晓云等[7]通过GIS和USLE对朱溪河小流域土壤侵蚀量进行估算;这些监测方法都能起到较好的效果。而随着近景摄影测量的发展, 通过摄影测量的方法能够快速、精确地将不同时期的监测对象的体积快速获取, 从而计算出对应的侵蚀量。
1 摄影测量简介
摄影测量学是测绘科学的一个重要分支, 摄影测量的最大优点是非接触的成像, 而且是面状的成像系统, 及一次测量能够获取被测量对象的整个表面数据。利用摄影的手段可以确定目标的外形、形态和几何位置。把摄影距离大约小于100 m的摄影测量称之为近景摄影测量, 它已广泛应用于科学技术的各个领域, 如建筑工程、地质、考古、医学、生物、机械制造、采矿、冶金、船舶制造、航天技术等各个方面[8,9]。摄影测量随着硬件和理论的发展, 已经成为监测的一种重要的手段, 相对于其他传统测量手段有如下优点。
(1) 监测速度快:
摄影测量是一种瞬间获取被测物体物理信息和几何信息的测量手段。
(2) 监测简单易行:
摄影测量是一种非接触性量测手段, 对不易接触的测量对象 (如高陡坡的弃渣场) 有着非常大的优势。
(3) 精度高:
摄影测量是一种基于严谨的理论的测量方法, 可提供相当高的精度测量手段。根据监测相机等硬件的投入情况, 测量精度有变化。
本项研究采用近景摄影测量来提取被测地形的三维信息, 然后进行工程侵蚀量计算。通过摄像设备 (数码相机) 非接触式地拍摄目标, 获得数字影像, 然后对目标点或特征点进行识别、坐标量测, 采用各种解析方法解算目标点或特征点影像的空间坐标, 最后通过数据处理得到所需要的各种数据。该方法具有测量快速、非接触、外业强度低、获取信息全面、可提供高精度等众多优点。
2 基于摄影测量的工程侵蚀监测
2.1 工程背景
襄渝铁路二线陕西省段白河县新小米溪弃渣场, 是有工程修建产生的一座弃渣场。该弃渣场长约160 m, 高约25 m, 坡度约为65°。弃渣场内堆积物主要为碎石废弃物, 少见废土。在弃渣场上修建了一条小的乡村公路, 并有挡土墙对其进行支护。弃渣场已停止弃渣, 长有少量的植被。图1描述了新小米溪弃渣场的全貌。
2.2 相机检校
近景摄影所用的相机不需要摄影测量的专业相机, 只需要对所采用的相机进行检校就可以了, 检校相机最主要的是光学畸变系数的检校和内位元素的检校。
2.2.1 光学畸变系数的检校
图像中存在的非线性畸变对图像质量有重要影响, 图像的非线性畸变是由畸变图像中的实际像点坐标偏离理论像点的位置坐标而产生的误差。可以通过采用图像畸变系数的求解方法来求得相机的畸变系数。具体步骤如下。
(1) 建立检校方格网。
(2) 相片透视变换。
(3) 利用方格网上对称的四个点的物方及像方坐标计算8个投影变换系数。
(4) 利用这8个投影变换系数和至少5个方格网点的物方坐标, 反算格网点的像方坐标, 进而求出其与量测的相片坐标的差值Δx, Δy。
(5) 用至少5个点的畸变差改正值Δx, Δy, 用间接平差法进行最小二乘平差, 求出畸变系数。
(6) 用畸变系数对过程3中用到的四个以上点的像方坐标进行畸变改正, 利用改正后的像方坐标和已知的物方坐标重新计算投影变换系数, 然后重复2、3步骤, 直到每相邻两组畸变系数变化比较稳定。
2.2.2 内位元素的检校
恢复 (摄影时) 光束形状的要素称为相片的内方位元素。内方位元素是确定摄影中心S与所摄相片P相对位置关系的要素, 依据此相对位置即可恢复摄影时光束的形状。本次通过三维控制场方法进行方位元素测量。具体步骤如下。
(1) 建立三维控制场:利用单张相片进行空间后方交会解算相机的内方位元素需要建立高精度而稳定的三维控制场, 并要求:控制场中控制点要达到一定数目且在控制场前方能看到所有控制点, 控制场稳定清晰、控制场的尺寸适合拍摄成像等。控制场中控制点的坐标通过空间前方交会法进行解求。
(2) 对控制场进行相片拍摄。
(3) 方位元素的测定:利用测取的畸变系数对控制场的像方坐标进行构象畸变差校正。然后利用共线方程, 建立像点坐标与物方坐标的联系。
2.3 监测数据采集
2.3.1 摄影站布设
根据工程的实际情况进行摄影站进行布设, 由于小米溪弃渣场为长条形坡面, 而且受到地形的限制, 不能一次性对目标进行拍摄, 所以采用多站的布设方式, 摄站间隔4.6 m, 共拍摄7个立体像对 (8张影像) 摄影距离为30 m。拍摄站点布置图如图2所示。
2.3.2 控制点的选择
控制点标志包含人工标志和选取特征点标志两种, 对于不能布设人工标志的现场, 可以采用特征点作为标志, 如特殊形状岩石的角点等易于辨识的特征点。小米溪弃渣场因现场坡面又陡又高, 危险性高, 无法预先布置控制, 故选择影像容易判读的明显地物点作为控制点, 共采集分布均匀的10个控制点。控制点分布图如图3所示。
2.4 基于VirtuoZo的近景摄影测量
在野外按照摄影测量的方式后, 需要将摄影测量的影像生成数字地表模型, 从而对数字地表模型进行量测获得拍摄区域的体积数据。在此我们使用武汉适普软件公司的VirtuoZo工具进行数字摄影测量的处理。
2.4.1 VirtuoZo简介
VirtuoZo系统是适普软件有限公司与武汉大学遥感学院共同研制的全数字摄影测量系统, 属世界同类产品的五大名牌之一。此系统是基于Windows平台的全数字摄影测量系统, 利用数字影像或数字化影像完成摄影测量作业。
2.4.2 数据处理步骤
通过拍摄的影像, 利用VirtuoZo软件进行处理, 主要分为以下6个步骤:
(1) 导入影像:在VirtuoZo下选择引入影像文件, 在弹出的对话框中填入相应的参数, 如相机参数文件、影像是否反转、转换的原始数据格式类型、影像的扫描分辨率等参数, 然后载入相应的原始影像文件, 编辑影像的输出路径, 即可开始转换。
(2) 建立测区:打开主界面程序, 选择打开测区;在弹出的对话框中输入相应的测区名, 即可新建一个测区, 输入相应的测区名确认后, 将出现对话框;填入相应的测区路径、控制点文件路径及文件名、加密点文件及文件名、摄影比例尺、成图比例尺、DEM采样间距、等高线间距等参数后确认即可。
(3) 建立模型及设置模型参数:打开主界面程序, 选择打开模型, 在弹出的对话框中输入相应的模型名, 即可新建一个模型, 输入相应的模型名确认后, 将出现对话框;填入相应的模型路径、左右影像文件路径及文件名、临时文件存放路径、产品文件存放路径等参数后确认即可。
(4) 模型的相对定向:选择模型定向, 进入相对定向界面后, 鼠标右键选择菜单“选项”栏中的“寻找近似值”、“自动精确定位”功能取消, 手工在影像边缘添加几对同名点后再做自动匹配, 自动寻找同名点;自动匹配完成后, 用户可检查同名点的误差, 对误差较大的点进行调整或删除。
(5) 模型的绝对定向:在相对定向界面中, 在菜单中选中功能选项“寻找近似值”、“自动精确定位”, 在左片中找出控制点对应的像点位置, 使用鼠标左键在该区域点取, 在弹出的1∶1影像显示窗口中精确刺准后, 右片上将自动匹配出相应的同名点, 在弹出的对话框中精确调整左右片的像点位置 (或使用右下角的微调按钮调整) , 使左右测标分别对准控制点, 给出相应的控制点点名 (与在加密点文件中的点名对应) ;同样的方法刺出其他控制点点位刺完足够控制点后, 可选择右键菜单“绝对定向-普通方式”, 即显示绝对定向的结果和各控制点误差, 也可点击“立体显示”按钮, 检查控制点是否刺准。绝对定向的结果可以通过“工具-质量报告”查出。
(6) 非水平核线影像的生成:在相对定向界面中, 作完相对定向后, 选择右键菜单“定义作业区”, 然后在左影像上用鼠标左键拉框选择核线影像的生成范围, 存盘;若不想手工设定, 可选择右键菜单“自动定义最大作业区”, 系统会自动找出可生成核线影像的最大范围, 存盘;选择右键菜单“生成核线影像-非水平核线 (或水平核线;注:要生成水平核线影像, 必须在作完绝对定向后方可;非水平核线则无此限制) ”, 即可生成核线影像。至此, 基于普通数码影像的立体模型已经建立。
2.5 工程侵蚀量的计算
在通过摄影测量对小米溪弃渣场进行两次测量后 (两次测量的时间间距为5个月) , 将测量的离散点进行插值、剖分, 计算得到弃渣场的体积。在获得两次测量的成果, 形成了对应的DTM (数字地形模型) 后, 将DTM进行了体积量算, (二次计算所选取的区域范围保持一致) 。将两次测量得到的弃渣场模型高程相减, 就得到各点的地表侵蚀量的大小, 然后采用等值线绘制算法, 得到工程侵蚀量在空间上的分布情况, 根据具体的侵蚀空间分布, 相关人员可采取有针对性的措施进行工程侵蚀预防。
分别计算了两次测量的区域地形体积, 结果表明第二次测量得到体积较第一次测量体积减小了74.3 m3, 即该边坡在两次测量时间间隔内造成的工程侵蚀量为74.3 m3。工程侵蚀量的空间分布如图5所示。
而根据平常的经验, 工程侵蚀主要发生在雨水冲刷和风力侵蚀。一般在每月每百平米的流失量为0.3～0.5 m3。降雨的发生对工程侵蚀相对比较大。
2.6 误差分析
近景数码测量距离控制点越远, 点位精度越差, 因此在实际工作中, 控制点的分布应首先环绕被测目标, 其次在其包容范围内, 均匀分布。当控制点数量在8个及以上时, 可获得较好的点位精度, 当控制点数量在10个以上时, 点位精度提高不明显, 当控制点的数量少于8个时, 点位精度迅速下降, 因此在实际工作中, 应该至少利用8个及以上的控制点进行像物关系模型的建立, 这样既可以提高建模精度, 同时也可以检验模型的可靠性, 因此, 控制点的数量在8个及以上是获得测区内均匀较高点位精度的必要条件。
影响工程侵蚀量计算精度的主要有两种误差。一是数码测量相关的误差, 这些误差的积累影响最终生成的不规则三角网的精度;二是不规则三角形法模型误差。不规则三角形法将研究对象地形表面抽象成由三棱柱组成的集合, 该方法用直线代替了呈现不规则曲面的地面, 除了这项误差外, 不存在其他误差, 另外在用不规则三角形法计算模型时, 采用全解析法计算, 整个计算过程精度高、误差小。因此, 与传统的地形体积计算相比, 此项误差可忽略不计。
3 结 语
数字摄影测量作为一种最新崛起的测量手段, 相对其他监测而言有很多优势, 特别是作为一种非接触式的测量手段, 不需要接触到地面就可以通过摄影的方式获取数据, 所以特别适合危险区域的测量, 如弃渣场、地塌陷等。
而作为面获取信息的方式, 相对其他非接触的测量方式如无棱镜全站仪, 摄影测量能够更加快速。
由于工程侵蚀对象一般分布在河流周围, 而且监测的对象比较陡峭。所以适合采用非接触式的摄影测量方法。但是对拍摄位置的选择也提出了较高的要求。需要进一步在拍摄位置的随机分布上进行更加深入的研究。
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工程侵蚀监测 篇2
工程侵蚀是由人类生产和建设活动直接引起的一种土壤侵蚀形式, 主要是由于矿山开采、城镇和基础设施建设等进程中扰动地面或堆置固体废弃物, 却未采取相应的水土保持措施而引起的。对开发建设项目产生工程侵蚀的监测是近年来水土保持领域关注的热点[1,2,3,4,5], 也日益成为工程侵蚀监测工作的重点。随着我国经济建设的快速发展、西部大开发和振兴东北老工业基地战略的实施, 资源开发、基础建设对区域生态的影响也越来越为政府、学界和公众所关注。通过监测了解开发建设项目生产建设过程中工程侵蚀发生的时段、部位、强度及特点, 以便及时采取、调整相应的防控措施, 最大限度地减少工程侵蚀, 是开发建设项目工程侵蚀及其防治效果科学评价和水土保持设施竣工专项验收的依据, 也是开发建设项目水土保持监督执法的重要基础。
1 工程侵蚀监测现状
我国的《水土保持监测技术规程》中针对开发建设项目工程侵蚀问题提出了小区观测、控制站观测、简易坡面量测法、调查监测法、遥感监测法等监测技术与方法。然而, 在工程建设过程中, 由于地貌变化迅速, 有时无法布设小区观测设施, 布设控制站又缺少实际的地形条件, 而遥感监测方法主要用于大范围、宏观上的工程侵蚀监测, 其不仅技术条件需求高, 而且分辨率适合的遥感图像价格也很昂贵, 故在实践中应用较多的是调查监测法和简易坡面量测。有些学者也在实践的基础上提出了新的实用方法, 如张卫等基于线形开发建设项目的施工与工程侵蚀特点提出了线路巡查、实地量测的方法, 多为公路、堤防、铁路等为主的线型开发建设项目监测所采用。郭新波等提出了开发建设项目地表扰动类型的概念, 再根据GPS等工具测量的各扰动类型的面积和范围, 实现对工程建设防治责任内的工程侵蚀的估算。侯琳等针对公路建设工程路基边坡工程侵蚀监测, 提出了测钎法。测钎法原理与水土保持监测技术规程中的简易工程侵蚀观测场监测中的钢钎法原理相同。可以看出, 上述工程侵蚀常见的监测技术和方法通常都是估算侵蚀量, 因此精度难以保证, 并且影响因素较多, 可靠性不高。开发建设项目的渣场测量主要采用GPS RTK技术、激光测距仪、罗盘和差分DGPS技术进行量测。这些测量方法的精度受人为影响较大, 也存在野外工作不便等缺点。
2 基于全站仪工程侵蚀监测原理
基于全站仪测量工程侵蚀主要是通过测量边坡对象的体积, 然后通过2次测量的结果进行比较, 然后得到边坡的工程侵蚀量。在测量边坡体积时, 利用无反射棱镜全站仪在边坡上采用“龙摆尾”的测量方法, 如图1所示。然后将测量到的有用点进行三角剖分, 建立起三维地形模型, 从而计算得到边坡的体积。
基于全站仪测量工程侵蚀量的主要步骤为:
(1) 利用无反射棱镜全站仪在边坡上按照逐行扫描的方式进行测量, 得到边坡的离散点。
(2) 将获取的离散点, 利用克里金插值的方法, 对数据点进行插值, 获得新的离散点集。
(3) 通过边坡的边界剔除计算范围外的离散点和测量的无效数据点, 并将剔除后的数据和边坡边界进行带约束的三角剖分。
(4) 利用生成的三角网, 计算边坡的体积, 通过2次观测的体积差, 得到工程侵蚀量。
3 工程侵蚀量的计算
3.1 克里金插值方法
克里金方法[6,7]包括普通克里金方法、泛克里金方法及协克里金方法等, 在本文中采用的是普通克里金插值方法。
令x为一维、二维或三维空间中的某一个位置, 变量z在x处的值可由下式计算:
式中:m (x) 是描述z (x) 的结构性成分的确定性函数;ε′ (x) 是与空间变化有关的随机变化项, 即区域性变量;ε″ (x) 是剩余误差项, 空间上具有零平均值。
克里金方法的第1步是确定适当的m (x) 函数, 最简单的情况是m (x) 等于采样区的平均值, 距离矢量h分离的2点x, x+h之间的数学期望等于零:
定义区域化变量Z (x) 在点 x和x+h 处的方差的一半, 记为半方差函数γ (h) , 即:
区域性变量计算公式可以写成下式的形式:
对于本文采用计算半方差函数子模型为指数模型:
式中:C0为块金常数;C1为拱高。但a不为变程, 变程约为3 a。
3.2 带约束Delaunay三角剖分算法
带约束Delaunay三角剖分[8,9]是指对点集进行剖分时, 应满足某种约束条件, 如对象重建中的模型边界, 如道路、施工场地等。在本文中, 点集来源于通过全站仪测量的到的离散点, 约束边来自于测量边坡的边界。因为在2次对比的时候, 需要确保对比的范围一致, 所以必须在三角剖分时保证采用同一个边界。
带约束Delaunay三角剖分的一种有效算法是先将所有点进行标准Delaunay三角剖分, 然后强行嵌入不在剖分中的约束边, 也可以通过交换对角线的方法强行嵌入约束边。这里使用方法的工作原理为:首先建立标准Delaunay三角剖分, 然后将复杂区域的边界线作为一种约束线, 对嵌入的所有约束边所影响的三角形进行局部调整, 使约束边成为三角剖分中的一条边, 且满足约束Delaunay三角网的基本性质, 然后将区域边界外的三角形从三角形链表中删除, 即得任意复杂边界的带约束Delaunay三角网。
3.2.1 逐步生成法标准Delaunay三角剖分
逐步生成法生成标准Delaunay三角网的过程为:
(1) 以任一点为起始点;
(2) 找出与起始点最近的数据点相互连接形成Delaunay三角形的一条边作为基线, 按Delaunay三角网的判别法则, 找出与基线构成Delaunay三角形的第三点;
(3) 基线的2个端点与第3点相连, 成为新的基线;
(4) 迭代以上2步直至所有基线都被处理。
上述过程表明, 三角网生长算法的思路是, 先找出点集中相距最短的2点连接成为一条Delaunay边, 然后按Delaunay三角网的判别法则找出包含此边的Delaunay三角形的另一端点, 依次处理所有新生成的边, 直至最终完成。
3.2.2 在标准Delaunay三角网中嵌入约束边
在标准Delaunay三角网嵌入约束边过程中, 需要由三角网拓扑信息快速搜索到约束边所影响的三角形, 并且在嵌入约束边的过程中, 三角网的拓扑关系在动态变化。因此, 保证三角网拓扑信息的正确性对于建立带约束Delaunay三角网是至关重要的。在三角网内查询的拓扑信息包括:
(1) 对于一个三角形, 获得其3个顶点, 3条边以及3个邻接三角形的信息;
(2) 对于一个点, 定位所有以该点为顶点的三角形。
设Delaunay三角形集合T (V;L) , 需在标准Delaunay三角网中嵌入约束边l, l=pipj, (pi, pj∈V) , 与约束边l相交的三角形所构成的区域称为约束边l的影响域。区域的边界所构成的多边形称为影响多边形Q。l将Q分成2部分Qu和Qd, 如图2所示。
在标准Delaunay三角网内嵌入一条约束边pipj的算法过程如下:
(1) 在三角网中找出以pi为顶点的三角形t1, 且t1与pipj相交。由点结构信息可即时定位以pi为顶点的三角形t, 再由三角形拓扑信息从t开始以pi为顶点逆时针方向寻找到三角形t1。如图3所示。
(2) 从t1开始, 由三角形拓扑信息依次找到影响域内三角形t2, t3, …, tk, 存入影响域三角形数组中, 同时生成Qu和Qd影响域边界数组, 其边界点具有拓扑性。如图4所示。
Qu={pi, u1, u2, …, um, pj}
Qd={pi, d1, d2, …, dn, pj}
由pipj开始对Qu和Qd按角度最大原则在影响域内生成新三角形。新生成的三角形信息写入影响域三角形数组存储的三角形空间中。由于未插入新点, 三角形个数不变, 所以不用再开辟新空间。为了确定三角形生成的先后次序, 使用栈数据结构。
3.3 边坡体积计算
边坡体积计算主要是对三角剖分后的TIN网格进行计算, 在获取TIN网格中的每一个单元的空间三角形后, 根据给定的高度计算体积。在此我们在每次计算时都取海平面为计算体积的标准。在Delaunay三角网中的单元体积模型如图5所示, 我们将这个不规则体分为2个部分, 一部分为上部的一个三棱柱, 另外一部分为下部的一个四面锥形, 然后将这2个部分的计算体积累加, 就得到了单元合成体积。最后将所有的边坡区域范围内的所有单元合成体积累加, 即可求得整个边坡的体积。
3.4 工程侵蚀量的计算
在通过全站仪对边坡进行测量后, 将测量的离散点进行插值、剖分, 计算得到边坡的体积。将2次测量得到的边坡模型高程相减, 就得到各点的地表侵蚀量的大小, 然后采用等值线绘制算法, 得到工程侵蚀量在空间上的分布情况, 根据具体的侵蚀空间分布, 相关人员可采取针对性的措施进行工程侵蚀预防。
3.5 误差分析
全站仪监测工程侵蚀方法中, 影响工程侵蚀量计算精度的主要有2种误差。一是与全站仪测量相关的误差, 包括全站仪测量误差、原始地形三角网生成误差, 这些误差的积累影响最终生成不规则三角网的精度。二是不规则三角形法模型误差, 不规则三角形法将研究对象地形表面抽象成由三棱柱组成的集合, 该方法用直线代替了呈现不规则曲面的地面, 除了这项误差外, 不存在其他误差。另外在用不规则三角形法计算模型时, 采用全解析法计算, 整个计算过程精度高、误差小。因此, 与传统的地形体积计算相比, 此项误差可忽略不计。
4 工程实例
在三峡库区巴东县水电站某开挖边坡进行监测, 该高边坡底边长约100 m, 坡长约30 m, 平均坡度约40°。
本次测量利用徕卡TPS700 TCR 702 (auto) 免棱镜测量全站仪, 采用了本地相对坐标系, 使用全站仪采用等角度观测法 (角度间隔为1°) , 对地面进行半自动密集观测, 共测量了约1 500个地形点。前后2次测量间隔时间为56 d。分别计算2次测量的边坡地形体积, 结果表明第2次测量得到体积较第1次测量体积减少了95 m3, 即该边坡在两次测量时间间隔内工程侵蚀量为95 m3。
5 结 语
由于硬件的快速发展, 使得全站仪能够在无棱镜反射的前提下测量到数据, 这样为大数据的快速测量提供了基础。本文提出了利用无棱镜的全站仪为工程侵蚀进行测量, 测量到的数据通过计算机技术, 利用克里金方法对边坡进一步的进行拟合, 然后在拟合的基础上进行带边坡约束边界的三角剖分, 形成标准的数字地形模型。然后再通过数字地形模型计算边坡体积。通过多次的量测, 可以获得边坡的工程侵蚀量。由于测量后的计算全部由计算机生成, 大大的提高了工程侵蚀量的监测速度。
通过全站仪进行工程侵蚀的监测, 需要对边坡测量的数据点达到1 000个以上, 虽然利用无棱镜全站仪进行测量时获取数据的速度比较快, 但是也需要2 h左右。而且需要数据点尽量分布均匀, 在人工操作中, 难免会产生一些问题, 所以进一步改造全站仪设备, 通过自动化控制让全站仪自动量测是下一步研究的方向。
摘要：对工程侵蚀的监测需要快速和精确。随着硬件的不断发展, 特别是无棱镜全站仪的发展, 使得使用全站仪来监测工程侵蚀量成为可能。采用最新型的无棱镜全站仪, 设计了一套测量方法, 对某公路边坡进行了监测。并根据监测的数据通过克里金插值和基于约束的Delaunay剖分方法建立其三维模型, 从而达到计算工程边坡体积的目的。通过多次监测, 最后达到工程侵蚀量监测的目标。
关键词：工程侵蚀,克里金插值,三角剖分,工程侵蚀监测
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工程侵蚀监测 篇3
关键词：侵蚀性葡萄胎,甲氨蝶呤,血药浓度
侵蚀性葡萄胎是葡萄胎组织侵入子宫肌层造成组织破坏的一种妊娠滋养细胞疾病,其具有恶性肿瘤行为,但程度不高。临床上治疗侵蚀性葡萄胎主要以化疗为主,其中甲氨蝶呤化疗药物的应用效果十分明显。然而,化疗用药剂一般较大,持续时间较长,容易产生药物毒性作用。这就必须在化疗期间加强对血药浓度的监测,同时依据监测结果制定个体化解毒方案,才能有效提高治疗效果,并减少不良反应的发生。2010年10月-2012年10月,我院采用甲氨蝶呤对侵蚀性葡萄胎患者进行了治疗,并分析了血药浓度监测的临床意义,取得了令人满意的结果。现陈述有关内容如下。
1资料与方法
1.1一般资料本组56例观察对象为我院2010年10月-2012年10月收治的侵蚀性葡萄胎患者,均符合《妇产科学》中的诊断标准[1]。随机将其分为对照组和观察组,每组28例。对照组年龄26~45岁,平均年龄(31.5±3.8)岁;观察组年龄27~46岁,平均年龄(32.6±3.4)岁。两组一般资料比较差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性。
1.2方法两组患者均给予静脉滴注甲氨蝶呤(MTX)400mg/m2,1次/d,治疗时间共1周。观察组每次滴注MTX后24h进行静脉血(2ml)采集,在EDTA抗凝管中离心,抽取血清并采用免疫分析法对MTX血药浓度进行测定;对照组滴注MTX后24h给予肌注亚叶酸钙(CF)15mg,无需测定血药浓度。
1.3血药浓度测定均采用相酶免疫法测定观察组血清,MTX试剂盒由美国Emit公司提供,使用临床化学分析仪、LP-600系列及CP-5000plus处理器等设备进行检测。
1.4观察指标观察两组患者口腔溃疡、消化道及四肢部位的不良反应,治疗结束后抽血进行肝/肾功能及血常规检查。1.5统计学处理应用SPSS16.0软件进行数据分析,百分数(%)表示计数资料,采用χ2检验,P<0.05为差异具有统计学意义。
2结果
2.1观察组患者的血液浓度静脉滴注MTX 24h后,观察组血药浓度>1×10-6mol/L,与中毒浓度相比较高。该组患者的浓度范围较大,个体之间存在明显差异,血药浓度(5.55~9.68)×10-6mol/L,平均7.69×10-6mol/L。
2.2不良反应对照组依据经验予以CF解毒;观察组结合个体差异与血药浓度测定结果,予以不同使用量的CF解毒,予以CF12mg、15mg、18mg、20mg各2例、13例、10例、3例。对两组患者的不良反应进行观察,并进行肝/肾功能及血常规检查,结果显示:两组不良反应的比较差异具有统计学意义(P<0.05,t=14.071 8)。见表1。
3讨论
侵蚀性葡萄胎采用MTX进行治疗,其目的在于杀灭滋养细胞,并对其生长进行抑制[2]。虽然MTX是公认的治疗侵蚀性葡萄胎的最佳方法,但大剂量使用容易出现不良反应。主要包括:(1)胃肠道反应:咽喉炎、口唇溃疡、呕吐、恶心、消化道出血等;(2)肾小管中MTX的沉积易引起高尿酸血症肾病,可出现尿毒症;(3)肝功能损害:碱性磷酸酶、丙氨酸氨基转移酶等增高;(4)骨髓抑制:血小板和白细胞减少,大剂量服药后对骨髓的抑制明显,可出现皮疹、脱发等症状。MTX是叶酸拮抗剂,其与二氢叶酸还原酶结合,阻断二氢叶酸转化为四氢叶酸,抑制嘧啶及嘌呤的合成,对胚胎滋养细胞分裂、蛋白质合成造成一定干扰。随着MTX血药浓度的增加,其作用强度及不良反应也随之增强,MTX浓度越高,细胞内毒性也就越强。
相关报道指出[3]:细胞内MTX的残留可产生细胞毒性作用,其持续的时间越长,患者死亡的风险就越大。MTX大剂量静注后24h血药浓度一般为谷浓度,本文结果显示MTX静注24h后的血药浓度>1×10-6mol/L(中毒浓度),且个体浓度的监测值相差较大,说明解毒用药必须按照患者的具体情况进行给药。研究表明,MTX使用前应给予复方氯化钠注射液1 000~3 000ml,实施水化处理,静注药物后饮用碱性水,可明显减少不良反应的发生。
而有关学者[4]同样指出:采用MTX治疗侵蚀性葡萄胎应注重“个体化”原则,同时根据MTX血药浓度的测定结果进行对应的CF解救,可有效提升治疗效果,并减少不良反应的发生。另外,研究[5]指出患者年龄小,体质量>60kg时,不良反应程度较轻,因此也要考虑解毒药物CF的使用量,不能仅凭经验调整CF解毒剂量,以免增加不良反应的严重程度。本文结果显示,观察组不良反应发生率为28.6%明显低于对照组的78.6%,组间比较差异具有统计学意义(P<0.05)。说明侵蚀性葡萄胎应用MTX进行治疗,对其血药浓度进行监测,具有一定的临床指导意义。
总而言之,大剂量静脉滴注MTX对侵蚀性葡萄胎进行治疗,能够获得确切疗效,同时对其血药浓度进行监测,依据结果制定个体化解毒方案,可有效减少不良反应的发生,值得临床推广及使用。
参考文献
[1]石祥奎,颜根喜,龚培尧,等.甲氨蝶呤治疗侵蚀性葡萄胎时血药浓度监测的临床意义〔J〕.中国医院药学杂志,2013,33(1):79-80.
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[3]赖香梅.复方米非司酮片联合甲氨蝶呤治疗宫外孕的临床研究〔J〕.国际医药卫生导报,2014,20(23):3603-3604.
[4]杨国贤.甲氨蝶呤与米非司酮联用方案治疗未破裂型输卵管妊娠的临床疗效观察〔J〕.当代医学,2014,20(36):145.
工程侵蚀监测 篇4
黄河三角洲是中国最年轻的一块陆地,它是由于黄河携带大量泥沙入海,在入海口受到海水顶托,流速缓慢,使得大量泥沙在此落淤,填海造陆形成的。黄河三角洲地域辽阔、自然资源丰富,被誉为我国“最具有开发潜力的三角洲”。
黄河三角洲的海岸线曲长,具有丰富的海岸带资源,其经济价值大,对于推动区域经济的发展有着重要的作用。然而,由于近几年来黄河中上游建设的各种水利水保工程、大型工程的拦沙、下游河道的淤积以及引水引沙的作用,使得进入黄河口的水沙呈现逐渐减少的趋势,造成了黄河口沙嘴难以保持稳定而不断被侵蚀[1]。因此,研究黄河三角洲海岸侵蚀,分析其防治对策,有利于做出合理的防御侵蚀的工程,有利于获取良好的发展区域经济的环境。
本文主要以黄河三角洲为研究区域,分析了海岸侵蚀的现状及原因,综述了目前黄河三角洲地区主要采用的防护工程技术概况及其发展情况。
1 黄河三角洲海岸侵蚀原因分析
沿岸泥沙亏损和海岸动力的强化是导致侵蚀发生的直接原因,而引起泥沙亏损和动力增强的根本原因是自然变化和人为影响。
1.1 引起黄河三角洲海岸侵蚀的自然因素
1.1.1 海洋动力作用增强
海水运动过程中产生的潮流、波浪等是造成海岸侵蚀的主要动力。近岸潮流决定了沿岸泥沙的离岸移动方向,并成为海岸侵蚀的重要原因之一。波浪作用主要表现为起动泥沙、搬运泥沙。黄河三角洲岸线侵蚀一般是受到潮流和波浪两者的共同作用引起的,增强了海岸的侵蚀作用。
1.1.2 全球变暖导致海平面上升
全球变暖导致很多地区的平均海平面相对于陆地有缓慢上升的趋势。由于岸滩剖面会逐渐调整以此来适应升高的平均海平面,因此,会造成岸线的缓慢蚀退。短时间内海平面上升不会引起海岸侵蚀;但长期变化,则会诱发或加速海岸的侵蚀。海平面相对上升,导致近岸水深增加,使到达岸边的波浪作用增强而侵蚀海岸[2]。
1.2 引起黄河三角洲海岸侵蚀的人为因素
1.2.1 河流来水来沙量减少
黄河泥沙是黄河三角洲迅速形成的主要动力。据利津水文站1950~1999年50年的资料统计,其多年平均径流量为343.3亿m3,多年平均来沙量为8.68亿t[3]。因此泥沙量的多少对黄河三角洲海岸线的后退淤进有着举足轻重的作用。
引起黄河下游河段来水来沙量减少的原因有很多,主要有黄河中上游的各种水利水保工程的减水减沙作用、小浪底水库修建后的拦沙作用、下游河道的淤积作用和下游引水量增加导致泥沙流失等原因。
1.2.2 开采地下资源造成陆地下沉
黄河三角洲自然资源丰富,尤其是石油的含量较多。从19世纪60年代开始,三角洲地区陆续开发了胜利、孤岛、河口等油田,伴随着石油等资源的开采,势必会造成陆地和岸滩的下沉,使得岸滩剖面缓慢调整,造成黄河三角洲地区海岸的蚀退。
2 黄河三角洲海岸防护工程技术研究
目前,黄河三角洲绝大部分海岸段因为河流泥沙供应量的减少,造成海岸侵蚀。我们可以在局部海岸段,通过工程措施改变近岸泥沙的运移格局,使泥沙堆积下来[4]。主要的防护工程有以下几种:
2.1 海堤
海堤是人类传统的海岸防护方法,它建造在海滩较高地区,是用来分界海滨陆域和海域的建筑物,走向一般与海岸线平行。它在固定海岸和防潮防浪方面发挥了很大的作用。但它一般不能用于保滩,作为防浪的长期防护方式也是不合适的,除非作为其它工程措施下的辅助或应急措施。这种工程结构,一般只适用于海浪不大的海岸或淤积海岸以防异常海沉[5]。
2.2 丁坝及丁坝群
丁坝及丁坝群是一种与海岸线近乎垂直的海岸建筑物,它的作用是拦截海岸上游输来的泥沙,形成宽阔的海滩而保护海岸。丁坝在淤泥质海岸有较成熟的运用,可以运用在黄河三角洲地区。丁坝及丁坝群是靠拦截的泥沙来达到防护海岸的目的,而黄河三角洲的上游输沙量逐年减少,不利于丁坝拦截大量泥沙形成海滩,因此,这种防护方法存在不足。
2.3 离岸堤
在海岸线外一定距离的海域中建造大致与岸线相平行的防波堤称为离岸式防波堤,简称离岸堤[6]。其作用与丁坝相似,能够造成离岸堤上游侧岸滩的淤积。可以采用大块石或各种混凝土块作为护面。但是离岸堤开口较小,污染易在海湾内积聚而不易排出。因此选择离岸堤作为海岸防护工程应该考虑环境污染问题。
2.4 人工河滩补沙
从海中或陆上采集合适的沙补充到被侵蚀的岸滩上是解决海岸侵蚀最自然的对策。海滩补沙已被证明是一种经济有效的措施,而且它对下游岸滩的影响也比其它防护设施小。由于人工填筑到海滩上的沙,在各种海洋环境条件,特别是海浪的作用下,仍会被冲刷,因此必须每隔几年对海滩进行补沙[6]。
3 结论
黄河三角洲是我国主要的三角洲之一,近年来由于自然变化和人为因素的干扰使得黄河三角洲海岸侵蚀现象日趋严重,进而造成周围海洋资源或油田设施的破坏,这应该引起我们的密切关注。
虽然海岸防护工程的形式比较多,但是我们可以根据海岸侵蚀的特点和黄河三角洲地区的具体情况,对三角洲地区的海岸侵蚀采用不同的防护工程或多种技术结合的形式,使工程达到最好的防护效果,减少黄河三角洲海岸的蚀退。
参考文献
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[3]黄河三角洲科研信息网.黄河三角洲海岸线变迁[EB/OL].http://www.bzcm.net/node/2010-03/11/content-89688.htm,2010-03-11.
[4]左书华,李九发,陈沈良,时连强.河口三角洲海岸侵蚀及防护措施浅析——以黄河三角洲及长江三角洲为例[J].中国地质灾害与防治学报,2006(4).
[5]丁训凯.海岸防护措施及工作程序[J].苏盐科技,1995(2).
工程侵蚀监测 篇5
一、工程概况
库塔干渠东干渠 (上段) 输水工程地处尉犁县境内, 东干渠首端接希尼尔水库分水闸, 尾段接孔雀河第五分水枢纽 (孔雀河阿恰枢纽) ;渠线沿塔里木河盆地东北部的库鲁塔格山山前冲积平原由北向南延伸, 最后投入孔雀河第五分水枢纽, 全线长4 3.459km。是塔里木近期综合治理规划项目——博斯腾湖输水工程的子项目。东干渠设计流量为25m3/s, 加大流量为30m3/s。
渠道全线均采用梯形断面, 结构由下向上依次为:40cm厚砂砾土垫层、一布一膜防渗层、苯板、10~12cm厚混凝土护砌层。混凝土设计技术指标为C20、W6、F150, 配合比见表1。
混凝土所使用的天山32.5普通水泥 (P.O) 中熟料的矿物成分C3S含量为52.06%, C3A为7.99%;秦龙32.5普通水泥 (P.O) 中熟料的矿物成分C3S含量为54.97%, C3A为6.30%。
二、侵蚀破坏宏观特征与地下水
(一) 侵蚀破坏宏观特征。
库塔干渠东干渠混凝土侵蚀破坏主要发生在地下水出露并被淹没的渠道底板混凝土部位。凡是淹没在地下水里的混凝土均酥松崩解, 失去强度;有些渠段的渠道底板, 虽没有被地下水淹没, 但凡是有地下水从底板伸缩缝渗流出来的混凝土部分也遭到同样破坏, 伸缩缝处两边的混凝土也酥松崩解。侵蚀破坏最严重的渠段是渠线35~38公里处, 渠道底板原来坚硬的混凝土表层已变成稀糊状或松散层, 完全丧失了强度;在没有地下水明显出露的渠段11公里处的渠道底板混凝土表层分布有膨胀疏松的不连续斑点状的侵蚀症状。
东干渠渠线, 凡是没有地下水出露或没有被地下水染指的渠道混凝土基本完好无损。显然, 东干渠渠底板混凝土侵蚀破坏与地下水紧密相关。造成东干渠地下水水位抬高的主要原因是处于上游的希尼尔水库蓄水的渗漏, 其次是东干渠附近排污渠污水外泻, 导致东干渠渠道沿线地下水位普遍升高0.3~1.16m。渠道上游段在2006年3月份前, 还没有地下水出露;但随着附近农田春灌的开始, 东干渠上游段渠线的地下水也逐步, 将渠道底板混凝土淹没或侵润。无疑将加剧对整个渠线渠道底板混凝土的侵蚀。
(二) 侵蚀外因——地下水与侵蚀介质。
混凝土的侵蚀实质上是水泥的侵蚀, 更确切的讲是混凝土中水泥石的侵蚀。混凝土或水泥石的侵蚀有内外因之分, 侵蚀内因是水泥石中水化产物Ca (OH) 2和CAH (水化铝酸钙 (3CaO?AI2O3?6H2O) 以及水泥石中与外界相通的孔隙 (也称为开口孔隙) 的多少;侵蚀外因是混凝土所处环境水和环境水中的侵蚀介质。东干渠渠道内出露的地下水就是渠道底板混凝土所处的环境水, 凡是被地下水淹没或染指的渠道混凝土发生酥松崩解, 说明地下水中有侵蚀介质。东干渠地下水水质检测委托通过国家级计量认证的巴音郭楞水环境监测分析中心承担, 测试结果详见表2。
由表2明显看到, 东干渠地下水普遍含有硫酸盐和镁盐侵蚀介质, 渠道混凝土又普遍使用32.5普通水泥, 按照GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》中附录G“环境水对混凝土腐蚀判定标准” (见表3) 。
在这里须强调一点, 东干渠直接对渠底混凝土产生侵蚀的是硫酸盐, 通常把这类侵蚀物质称为侵蚀介质;而东干渠地下水是侵蚀介质的载体。所以, 环境水对侵蚀介质所产生的危害, 起推波助澜的作用。
三、电镜、能谱微观测试与侵蚀产物
(一) 侵蚀产物。
东干渠渠底的板混凝土侵蚀是侵蚀介质—硫酸盐 (以SO42-形式计) 随着环境水 (既出露的地下水) 从水泥石与外界的孔隙侵入水泥石内部, 与水泥石孔隙中水化产物Ca (OH) 2和CAH (3CaO·AI2O3·6H2O) 发生化学反应, 化学反应为:
这些化学反应生成二水石膏 (CaSO4·2H2O) 和钙矾石 (Aft, 既3CaO·AI2O3·3CaSO4·31H2O) , 将这些生成物称为侵蚀产物。起初, 这些产物在水泥石孔隙中起填充作用, 宏观上使混凝土强度提高;当孔隙被这些产物填满后, 由于二水石膏和钙矾石 (AFt) 具有结晶膨胀作用, 使水泥石结构沿孔隙胀裂, 最后导致混凝土酥松崩解破坏。
正常的水泥石, 既未发生侵蚀的混凝土的水泥石结构中有较多Ca (OH) 2, 没有石膏;但有极少量的钙矾石 (AFt) 。这些钙矾石 (AFt) 是由水泥石中加入适量的石膏与水化产物CAH反应生成的, 其作用是在水泥早期水化过程中抑制水化, 调整水泥凝结, 使初凝时间不早于规定时间。这些钙矾石主要在水泥石结构初期形成过程中产生, 而且数量少, 不足以对水泥石产生结晶膨胀破坏的负面效应。但是对发生硫酸盐侵蚀的混凝土来说, 水泥石孔隙结构中过量的二水石膏和钙矾石的结晶膨胀破坏作用是致命的。
因此, 侵蚀混凝土水泥石中, 有无石膏存在和钙矾石多少是微观结构判定混凝土是否发生硫酸盐侵蚀的一个重要标志。
(二) 电镜、能谱微观测试结果。
电子显微镜 (简称电镜) 可用于水泥石微观结构观测, 能直接观察到水泥石微观结构的形貌形态和相对微观组成数量的变化, 特别适合于观察水泥石中晶体产物。水泥石中的Ca (OH) 2和硫酸盐侵蚀后的产物石膏和钙矾石 (AFt) 都是晶体结构, Ca (OH) 2是六方板块和层状结晶, 石膏CaSO4?2HO多是棱柱状的晶体, 钙矾石是针状和长柱状晶体。通过电镜观察水泥石中Ca (OH) 2和钙矾石晶体相对数量变化以及有无石膏Ca SO4·2H2O存在, 再结合混凝土所处环境水水质分析和混凝土侵蚀宏观特征, 就可判断分析出是否发生了硫酸盐侵蚀?程度如何?能谱测试是在电镜观测某种形态微观结构不知是什么或两种形态类似而不能区别时采用, 它能及时直接提供这种形态微观结构的化学元素组成及数量, 从而帮助人们确定这种结构物是什么。
东干渠沿渠线在渠底板混凝土上取侵蚀破坏典型式样两个, 进行了电镜和能谱观察与测试, 电镜观察及能谱测试结果见图一、二。
从图一所示水泥晶体结构形貌形态看, 东干渠被侵蚀的混凝土水泥石结构有大量的针状晶体钙矾石 (AFt) , 这是水泥石被硫酸盐侵蚀的典型微观特征之一。图一所示水泥石中针状晶体结构是钙矾石 (AFt) , 其分子式是3CaO·AI2O3·3CaSO4·31H2O, 因此能谱图中有大量的Ca、AI、S元素峰值显示。图二水泥石中有长柱状CaSO4·2H2O, 外形类似于针状的钙矾石, 但因它的分子式只有Ca、S元素, 而无AI元素;故其能谱图只有Ca、S元素峰值, 而AI元素峰值较低。钙矾石 (AFt) 和CaSO4·2H2O的显著区别就在于此。图能谱图证明东干渠被侵蚀的混凝土水泥石中有CaSO4·2H2O出现, 这也是水泥石被硫酸盐侵蚀的又一典型微观特征。
混凝土水泥石的侵蚀过程, 是其宏观和微观变化的过程, 混凝土宏观上的外观和强度变化必然和水泥石微观结构与化学组成直接相关。宏观现象是微观结构与化学组成变化的结果与表现, 微观结构的变化是宏观现象发生的动力和依据。也就是说, 东干渠渠底板混凝土侵蚀后之所以呈酥松、崩解、丧失强度, 就是因为水泥石中生成过量结晶膨胀的针状钙矾石和柱状CaSO4·2H2O所致, 是水泥石中钙矾石 (AFt) 和CaSO4·2H2O数量的变化, 导致水泥石或混凝土发生质的变化与破坏。
四、结论
根据东干渠出露的地下水的水质分析, 水中含有硫酸盐侵蚀介质, 其浓度 (SO42-) 已达到或超过对普通水泥混凝土的强侵蚀标准。东干渠衬砌的混凝土全部是使用32.5普通水泥配制的混凝土, 从已观察到的混凝土宏观破坏特征和水泥石微观结构的测试结果, 都证明了东干渠渠底板凡是被地下水淹没或染指的混凝土均发生了硫酸盐强侵蚀。
今后, 在有环境水 (地下水或裂隙水) 的混凝土工程中, 要像重视强度一样重视混凝土的抗侵蚀性, 首先做好预防, 及时检验、分析环境水中有无侵蚀介质, 而后按照GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》中“环境水腐蚀判定标准”分析可能产生的侵蚀类型和程度, 正确选择采取相应抗侵蚀技术措施。
摘要：对库塔干渠东干渠已完成的渠道混凝土通过环境水的抽样检测及混凝土试件的电镜、能谱微观测试分析渠道混凝土被侵蚀原因。
关键词：东干渠,混凝土,硫酸盐,侵蚀,原因分析
参考文献
[1]孙兆雄 (新疆农业大学水利与土木工程学院) .克孜尔水库廊道混凝土侵蚀检测分析报告, 2002;
工程侵蚀监测 篇6
1.1 前言
我国经济发展跨入21世纪, 铁路也进行了大规模的建设, 如何在这种大规模、建设工期紧的条件下, 更好的保证各项铁路桥梁工程的安全、耐久性, 就显得极为重要。
1.2 背景
根据欧美国家桥梁的发展表明, 如果在桥梁的设计和建造时期对安全与耐久性考虑不足, 将会在桥梁的运营和维护中付出惨重的经济代价。在我国, 也已经出现了许多因耐久性不良而过早报废的桥梁, 如北京西直门立交桥使用仅19年, 就因严重剥蚀和钢筋锈蚀破坏等原因于1999年报废重建。
目前, 由于忽视耐久性, 在桥梁运营时用于维修将可能耗费数倍于当初这些工程施工建设时的投资。作为一个桥梁工作者, 这些教训应该值得我们借鉴, 当下在铁路大规模的建设中, 我们应该思考这样一个问题:“我国桥梁的发展应该走向何方并采取哪些措施才能尽量避免上述已有的惨重教训?”
2 铁路桥梁混凝土的耐久性
铁路混凝土结构的耐久性应根据结构的设计使用年限、环境类别及其作用等级进行设计。
2.1 根据设计使用年限级别可划分
2.2 环境类别及作用等级
铁路混凝土结构所处环境类别分为碳化、氯盐、化学侵蚀、盐类结晶破坏、冻融破坏和磨蚀环境。不同的环境类别又可根据不同的环境程度分为不同的作用等级。
氯盐侵蚀原理:盐渍土或岩盐地区, 由于地基土、地下水中含有大量氯离子, 离子的渗透会极大地加剧混凝土结构的腐蚀:
1) 氯离子的侵入:在水分浸透的同时, 由于碳酸气、氯离子的渗透引起混凝土中性化。
2) 钢筋的腐蚀:由于浸入的水、气、氯离子等, 钢筋被腐蚀。即使不中性化, 钢筋表层所含磷分, 也会使钢筋发生腐蚀。
3) 裂纹的产生:由于钢筋被腐蚀、体积膨胀 (2.5倍) , 混凝土产生裂纹。
4) 强度降低:腐蚀物质从裂纹处进一步浸入, 加速钢筋的腐蚀、体积膨胀, 从而降低混凝土强度。
总之, 腐蚀会造成混凝土结构的强度降低, 大大缩短桥梁的使用寿命。因此采取必要、合理的防腐措施, 将制约结构的安全、耐久性使用年限。
3 铁路桥梁工程耐久性防腐措施
铁路桥梁工程中, 耐久性工程措施主要涉及混凝土原材料的选择、配合比、结构构造措施及附加防腐措施等:
1) 侵蚀原理
研究防腐技术的目的, 在于使结构物从投入使用, 到内部钢筋开始锈蚀的时间尽可能的接近设计寿命。完全保证混凝土与氯盐环境的Cl-隔绝是不可能的。重要的是如何有效控制氯盐总量限定在规定的范围之内。依据钢筋在氯盐环境中的电化学和腐蚀机理:凡是能有效阻止混凝土PH值下降、保证钢筋界面上的钝化膜不活化、维持界面双电层的电位恒定、避免钢筋表面去极化的发生, 就能够有效地控制腐蚀的发生, 也即防腐技术。
2) 防腐措施
(1) 增厚结构钢筋净保护层
根据环境氯盐侵蚀程度, 合理选用保护层厚度。施工中, 选用原材料中所含氯盐总量控制在限定值之内。大量工程实践和试验表明, 处于氯盐环境中的混凝土表面12mm深度内的氯离子浓度远远高于25~50mm深度范围。因此混凝土钢筋净保护层的设计厚度应不小于45mm。
(2) 优选原材料和阻锈剂
水泥宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。这些水泥中的水泥石Ca (OH) 2含量低, 能够预防氯盐对水泥石的溶解和溶出, 并防止氯盐与水泥石发生碱集料反应, 以及由此产生的混凝土松散、露骨和脱落。粗骨料应尽量选择高碱性的碳酸岩碎石 (与水泥有高强度的胶结力;形成高碱性的环境, 使钢筋界面的钝化膜长期处于钝化态) 。细骨料尽量采用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、孔隙率小的天然中粗河砂, 以防止海砂带入氯盐。同时优选适合本工程的钢筋阻锈剂, 阻止Cl-离子对钢筋的腐蚀。
(3) 采用三组分胶结材料及涂层
降低腐蚀介质对混凝土的渗透性, 是防止Cl-进入钢筋表面最直接的方法之一。通常采用在混凝土中掺加一定量的微硅粉、粉煤灰或磨细矿渣。水泥、微硅粉、粉煤灰称为三组分胶结材料。由此制成的混凝土, 具有极低的渗透性和很高的抗Cl-渗透能力, 同时具有低热、经济等优点。微硅粉可以提高混凝土的耐磨性, 和粉煤灰能有效降低活性集料含量及总碱量, 避免碱集料反应发生。此外混凝土表面涂层是防止钢筋锈蚀的第一道防线, 涂层能在一定时期内有效防止腐蚀介质浸入, 但因其使用寿命的限制而不能广泛使用。目前与混凝土寿命匹配的水泥基聚合物涂层、砂浆层成为混凝土表面保护层的首选。
(4) 钢筋保护处理
对钢筋保护最有效的即为涂刷钢筋保护模。在氯盐环境侵蚀程度较为严重的地区, 往往采用环氧涂层钢筋:即在普通钢筋表面制作一层环氧树脂薄膜保护层的钢筋, 涂层厚度一般在0.15mm-0.30mm。用环氧树脂粉末以静电喷涂方法制作:将普通钢筋表面进行除锈、打毛等处理后加热到230多摄氏度的高温, 再将带电的环氧树脂粉末喷射到钢筋表面, 粉末颗粒吸附在钢筋表面, 并与其熔融结合, 经过一定养护固化后便形成一层完整、连续、包裹住整个钢筋表面的环氧树脂薄膜保护层。涂层以其不与酸、碱等反应, 具有极高的化学稳定性和延性大、干缩小, 与金属表面具有极佳的粘着性的特点, 在钢筋表面形成阻隔其与水分、氧、氯化物或侵蚀性介质接触的物理屏障, 同时, 还因其具有阻隔钢筋与外界电流接触的功能而被认为是化学电离子防腐屏障。涂层钢筋目前大多应用于钢筋混凝土结构, 施工技术成熟, 同时可大大提高结构的耐久性, 当然工程造价会有所增加, 但从成本效益分析来看, 是十分值得的。
4 工程实例
哈罗铁路位于新疆维吾尔自治区哈密地区、吐鲁番地区和巴音郭楞蒙古自治州境内。本项目北起哈密货车南环线的哈密南车站, 向西上跨南环线后折向南穿哈密盆地, 经哈密工业园区、大南湖煤田, 沿哈罗公路穿越库鲁塔格低山丘陵区, 经罗布泊平原区的罗北区, 向西南到达罗中站 (罗布泊镇) 。
罗布泊湖积平原区属第四系晶间孔隙潜水及浅层承压水, 水质极差, 主要离子含量为:CL-:16023.4~170248mg/l, PH值:5.90~6.75;多为饱和卤水, 对混凝土工程具有超氯盐侵蚀性, 环境作用等级为L3。铁路桥梁在本段落设置时, 为保证结构安全、耐久性的实施, 需要在结构设计中增加附加防腐措施:
(1) 增大结构钢筋净保护层厚度。
(2) 对所有裸露在外的钢构件均采用“防腐涂装体系”;混凝土表面涂刷防腐涂层。以避免地下毛细上升及雨后盐雾造成结构外露面及各种钢构件的损坏。
(3) 混凝土中添加部分多功能复合外加剂, 如:钢筋阻锈剂, 格雷丝纤维等, 以增强混凝土自身的抗腐蚀性, 增大混凝土的致密性, 从而减小施工后混凝土表面的裂缝, 降低结构混凝土表面的渗透性。同时浇筑混凝土时, 采用透水模板衬里, 提高表面混凝土的密实度。
(4) 基坑采用浸渍沥青砖护壁、基底设置隔离层防渗、注浆填塞岩盐空洞等措施, 将基础与地基土岩盐隔离从而降低岩盐和地下卤水的侵蚀;同时严格施工中的工序控制与质量。
该项目2012年11月建成投入使用。经过现场施工, 证明了设计中采用的防腐措施切实可行、有效, 具有较好的可操作性, 满足结构安全、耐久性的要求, 达到了预期的目的, 为确保铁路实际生产效率达到设计能力, 使其社会、经济、技术效益显著。设计方案以前瞻性的思维、规划、措施开展设计, 为桥涵工程创造有效的措施保障。
目前在工程界, 针对盐湖区的防腐经验并不很成熟, 各种处理措施亦未得到时间上准确的验证, 随着科技的进步, 各种试验成果的实际应用, 必将会日趋完善, 以保障结构耐久性的实施。
5 结语
设计阶段是整个建设过程中技术含量最高, 难度最大, 最为关键的环节。设计方法、理论的选取将直接关系到铁路桥梁的建造和使用的安全和耐久 (重要工程, 其设计使用年限在100年以上。从桥梁全生命周期的综合造价考虑, 应该使设计、施工、运营、维护、维修乃至拆除的综合费用最低, 并且考虑桥梁在使用过程中可能遇到的各种意外事件, 使用阶段的风险在设计阶段就有充分的考虑, 能够更大程度上保证结构的安全和耐久) 。
结构各部件的寿命不是完全相同的, 因而结构寿命期内功能的保证, 必须从设计、施工、材料、检测、维修、加固整个过程来考虑, 保障结构在生命期内的结构可检性、可换性、可修性、可控、可强性和可持续性。
文章内容并不新鲜, 作者只是从目前国内桥梁建设中, 对于工程耐久性的部分实施措施做了进一步的剖析, 使铁路工程建设各个部门、单位都来关心工程建设百年大计中的新问题。文中的理解可能偏颇, 期望大家讨论指正。
摘要：针对目前铁路建设中对于桥梁工程, 如何将结构安全、耐久性融入工程建设的各个阶段, 保证项目工程达到合理的设计使用寿命, 提出了几点建议。特别是在结构防腐措施方面, 结合实际工程加以剖析, 通过实践总结出了一套较为可行的处理措施。对于今后如何更好的进行铁路桥涵设计具有一定的参考价值。
关键词：铁路桥梁,耐久性,防腐
参考文献
[1]《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》铁建设[2005]157号
[2]《环氧树脂涂层钢筋》JG3042-1997