蔡杰龙，杨永民，潘志权，张君禄，蔡灿旭，王梓鑫

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广东 广州 510635；3.广东省水利重点科研基地，广东 广州 510635；4.广东粤港供水有限公司，广东 深圳 518021)

水泥混凝土是现代建筑工程中使用最多、最广的构筑材料。混凝土构筑物，尤其是应用于交通、市政、水利等大型基建工程，其耐久性直接关系国民经济的发展和人身安全。随着社会的发展，科技的进步，混凝土也不断被应用于新的环境领域，不仅对混凝土的性能指标提出了更高的标准，也对影响其耐久性的因素有了新的认识，其中生物侵蚀也是致其性能劣化的一个重要因素[1]。

为了研究生物侵蚀对输水建筑物过水混凝土的侵蚀影响，本文以国内某大型供水工程为背景，通过采集工程现场水体中的淡水壳菜样本，并研究其代谢物对水质的影响以及过水混凝土面附着机理，并结合工程现场分析淡水壳菜对输水建筑物的侵蚀破坏状况，为工程开展生物侵蚀机理研究及采取针对性防护措施提供重要的理论依据。

1 淡水壳菜污损体系

淡水壳菜为贻贝科、沼蛤属,俗称紫贻贝、金贻贝、死不丢，是生活在淡水及淡咸水中的小贝壳，其形态见图1。淡水壳菜可通过足丝腺分泌具有黏附性的蛋白足丝从而固着在任何固体物质上，如在湖泊、河流、工厂的沉淀池及工业冷却水管管道内。

a)外貌

b)内部结构图1 淡水壳菜形态

淡水壳菜生长周期可分为3个阶段：幼体期、青年期和成熟期，生命周期通常为2 a。糙率大的隧洞和箱涵的内表面，淡水壳菜的生长分布密度稠密、单位面积数量多，一般成体对光线强弱没有明显的反应，甚至在黑暗的水管中，只要食物丰富，仍能生长。

近年，淡水壳菜污损体系对输水建筑物过水混凝土面的侵蚀破坏较为严重。因此，有必要对其代谢物及其对水质的影响与附着机理进行相关研究分析。

1.1 代谢物分析

淡水壳菜的附着会对混凝土产生侵蚀危害，为了评估污损生物附着对混凝土的侵蚀程度和机理，本文采用固相萃取-气质色谱联用技术测定了污损生物代谢酸种类，对于模拟研究生物侵蚀或开发抑制生物代谢型防护涂料意义重大。

现场刮取混凝土表层的污损生物附着层，通过便携式压滤器压取污损物，将所得液体过滤(滤纸孔径0.25 mm)、抽滤(滤膜孔径0.45 μm)测定其pH值，后密封带回，冷藏保存。为防止滤液感染其他细菌微生物，影响测试结果，取样过程所用压滤器、过滤装置、试样瓶等均作酒精消毒处理。

图2 污损体系压滤液成分的气相色谱

通过便携式pH计测定多组污损生物附着层压滤液发现，滤液pH值在6.5～7.0之间，表明生物污损层体系呈弱酸性，酸度与污损生物附着量及附着区环境恶化程度有关。图2为污损体系压滤液的气相色谱。通过检索分析可知，污损生物的代谢产物主要为乙酸、丙酸、丙三醇。乙酸、丙酸是生物代谢中较为常见的有机酸。丙三醇为生物体内甘油三脂的代谢产物之一。其中，由于乙酸和丙酸具有羧基，可络合金属离子和碱金属离子，对水泥水化产物有侵蚀分解作用。

1.2 对水质的影响

鉴于以淡水壳菜为主的污损生物附着面积之广、附着层之厚、附着量之大、附着期之长，生物的代谢活动可能会对水质产生影响，因此，通过红外光谱法和质谱分析法对水质进行了检测。

1.2.1红外分析

淡水壳菜在输水混凝土表面高密度附着，对输水糙率、工程运行、输水建筑耐久性有一定的影响，此外，生物的繁殖代谢也可能影响水质，因此，对原水进行了红外分析。分析结果见图3，除了波数3 429 cm-1的水的羟基伸缩振动峰外，还观测到2 083、1 628、667 cm-1的有机官能团，且峰值较强，说明原水中含有一定量的有机物。为确定有机物成分，进行了下述质谱分析。

图3 水质红外分析谱

1.2.2质谱分析

对水质进行质谱定性分析，结果见图4。质谱分析不同出峰时间可看到有7个峰，每个峰对应一种物质。另外，每个峰对应的质谱图分子碎片中质荷比均较大，表明这些物质多为高级脂肪酸和萜类物质。由此说明，原水中含有大量的有机质，验证了红外分析的结果。

a)质谱总图

b)峰1

c)峰2

d)峰3图4 水质质谱分析

e)峰4

f)峰5

g)峰6

h)峰7续图4 水质质谱分析

1.3 附着机理

淡水壳菜可以通过足丝固定在各种固体表面上，如岩石沙子船体木材玻璃塑料等，甚至可以黏附于制造不粘锅的特氟龙材料，具有化学合成胶水所不具有的特殊优势。足丝蛋白黏合范围广、耐海水腐蚀、强度高、生物亲和性良好，被认为是极好的广谱生物胶黏剂而应用于医学和生物工程等领域。通过显微镜观察可推断淡水壳菜足丝的附着机理，具体示意见图5。

图5 淡水壳菜足丝及附着示意

通过显微镜观察，结合相关文献资料查阅可知，淡水壳菜污损体系足丝由多种蛋白构成，不同蛋白起的作用也不尽相同[2]。黏蛋白(mussel adhesive protein，MAP)之所以具有极强的黏合作用，关键在于其结构中所富含的3，4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)。贻贝足丝腺分泌的MAP与固体底材接触时，DOPA的羟基可与底材形成氢键或配位键，从而固着于材料表面。

此外，西班牙、意大利等欧洲国家的延迟退休年龄政策也具有弹性，延迟退休的主要手段是以提高国民缴纳养老保险的时间来延迟本国的退休年龄，主要的养老保险缴纳年限为35-37年不等[5]。

2 过水混凝土面侵蚀状况分析

本工程为大型跨流域调水工程，其中输水建筑物全长约68.56 km，渡槽段全长3.90 km。工程自建成以来，一直受淡水壳菜滋生问题的困扰，尤其是工程投产后，淡水壳菜问题更加突出。淡水壳菜周期性的生长，造成了涵管过流能力减少，供水能耗增大，同时涵管内壁混凝土保护层因淡水壳菜足丝侵入而逐年被粉化而流失，给工程的结构与安全运行带来了潜在危害。

2.1 侵蚀现状

根据工程目前过水混凝土面淡水壳菜侵蚀存在的问题，本项目主要针对工程沿线主要建筑物的侵蚀状况进行调研分析，调研结果见图6。因主要建筑物数量较多，本文以其中典型代表“太园泵站”进行分析。

图6 主要建筑物淡水壳菜侵蚀现状

太园泵站因离取水口最近，配套输水建筑内壁淡水壳菜等污损生物附着也最为严重，附着厚度达3～5 cm左右。附着强度为：在伴有淤泥沉积的附着区，淡水壳菜较易铲除，附着强度较差；而在泥沙沉积少的区域，淡水壳菜成团直接嵌入式附着于混凝土表面时，附着强度显著增大，难以铲除(图7)。经高压水枪清洗后，混凝土基面露出，可明显观察到表面呈现凹凸不平、骨料外露的现状。附着特点有：阴暗潮湿的区域淡水壳菜附着量明显多于光照充足区，这与淡水壳菜喜好阴暗潮湿生存环境有关；由于水面起伏波动会给予淡水壳菜一定的冲击力，干扰淡水壳菜正常附着，故长期浸水区淡水壳菜附着量多于水面扰动区；此外，受流体力学影响(拐弯处外侧水流速度大于内侧水流速度)，拐弯处外侧较内侧淡水壳菜附着量少。

a)箱涵表面淡水壳菜密集附着

b)泥沙沉积区淡水壳菜易铲除

c)泥沙沉积少淡水壳菜团簇强附着

d)混凝土面遭侵蚀骨料外露图7 污损生物附着情况

2.2 侵蚀结果与规律分析

a)上游多，下游少，顺水方向逐渐减少。根据淡水壳菜生长数量统计数据可以看出，从上游端的反虹涵至下游端的隧洞，淡水壳菜滋生数量逐渐减少，呈现出较为明显的“上游多，下游少，顺水方向逐渐减少”的分布规律。究其原因，推断是：上游(如太园反虹涵、潼湖反虹涵、司马有压箱涵等)由于取水口的来水带来了源源不断的藻类、微生物及有机物等，为淡水壳菜生长提供了丰富的食物和养分，当温暖季节来临之时淡水壳菜便旺盛生长。随着养分被上游淡水壳菜吸收，水体中淡水壳菜生长所需的养分便逐渐下降，到了下游(如官仓反虹涵、清溪倒虹吸及沙岭倒虹吸等)，众多淡水壳菜幼虫得不到足够养分而不能附着涵管内壁生长，数量便逐渐减少。

b)暗涵相对多，明渠相对少，生长受太阳光线影响。目前来说，本工程淡水壳菜滋生严重的区域均为埋地的供水涵管，如太园反虹涵、潼湖反虹涵、司马有压箱涵、塘厦三期压力箱涵、竹尾田埋管、沙岭倒虹吸、对港供水二三期涵管等，而明渠则相对较少或不生长，显示出明显的“暗涵多、明渠少“的淡水壳菜生长规律，表明太阳光对淡水壳菜生长产生一定的抑制作用。

c)流动水域生长旺盛，静止水域难以生存。通过近些年对淡水壳菜生长数量的观测可知，淡水壳菜好生长于流动的水域，不流动的水域基本不生长。本工程主线输水建筑物的水流流速为1.0～4.4 m/s，持续流动的水体为淡水壳菜提供源源不断的食物和溶解氧，非常利于淡水壳菜生长，而不流动的水体则无法提供淡水壳菜生长所需养分。例如司马有压箱涵的主涵管大量滋生淡水壳菜，而水体处于非流动状态的进出检修车道(水体不流动)则不生长，在拐角处有明显的分界线；再如三期电站出水池中流动的水域淡水壳菜生长非常旺盛(右侧1、2、3机组出口)，而不流动水域(左侧)则基本没有淡水壳菜滋生。这一特征也为淡水壳菜的防治措施研究提供重要的指导作用。

2.3 生物侵蚀主要危害

淡水壳菜大量生长并附着于输水建筑物混凝土过水面，对工程形成的主要危害主要包括以下3个方面。

a)引起混凝土表面粉化碳化，危害建筑物结构安全，降低建筑物的使用年限。淡水壳菜的足丝侵入混凝土表层内部，其分泌物腐蚀水泥砂浆，加速混凝土内壁碳化和粉化，露出碎石粗骨料，使得混凝土内壁表层结构(钢筋保护层)厚度逐渐变小，从而降低水工建筑物的使用年限，危害性极大。

b)引起输水建筑物表面的糙率增大，有效管径缩减，输水能力降低。淡水壳菜通常在管壁、缝隙等处多个体稠密群聚簇生，使得有效管径缩减，糙率增大，输水能力大大降低。以太园反虹涵为例，2008年以前，淡水壳菜生长厚度可达2～4 cm，依据相关数据测算[3-4]，其糙率从年初的约0.012 3逐步增大至年底的0.016 7，增长约35.8%，同等水头差条件下供水能力大幅减少。由此可见，淡水壳莱的生长引起了输水建筑物糙率明显增大。

c)增大输水建筑物的输水能耗，增大工程运行成本。以司马有压箱涵为例，清理淡水壳菜前后的箱涵进出口水头损失数值相差76 cm[4]，可见淡水壳菜生长增大供水能耗的作用非常明显。

3 结论

a)淡水壳菜分泌的足丝蛋白与附着基以氢键和配位键形成化学键合，足丝蛋白由至少8种蛋白组成，黏附力极强。

b)输水建筑物混凝土面以淡水壳菜为主的污损体系主要代谢产物为乙酸、丙酸和丙三醇，呈弱酸性。其中乙酸和丙酸具有羧基，可络合金属离子和碱金属离子，对水泥水化产物有侵蚀分解作用。丙三醇的醇羟基具有亲水性，可在一定程度上改变混凝土表面特性。

c)以淡水壳菜污损体系为主的生物侵蚀可导致水工建筑中混凝土结构表面砂浆脱落，骨料外露，严重时可产生开裂和钢筋锈蚀，从而导致服役寿命大大缩短，不仅直接影响工程结构与安全，而且重建或维修还将导致巨大的经济损失。