鹽環(huán)定揚黃工程水工建筑物侵蝕破壞因素分析及應對措施

李小龍，郭永靈，唐 瑞

（1．寧夏鹽環(huán)定揚水管理處，寧夏 吳忠751100；2．寧夏水利科學研究院，寧夏 銀川750021）

鹽環(huán)定揚黃工程是為解決革命老區(qū)陜西定邊、甘肅環(huán)縣、寧夏鹽池，及同心等縣部分地區(qū)人畜飲水困難，防治地方病，發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉，改善生態(tài)環(huán)境，促進老區(qū)人民脫貧致富而興建的一項扶貧工程。該工程分共用工程和各省區(qū)專用工程，共用工程于1988年7月開工，1996年9月竣工驗收并投入使用，建成泵站12座，安裝水泵機組101臺套，裝機容量6．59萬kW，干渠長123．8km，其中鋪設壓力管道15．35km，最高揚程達651m，設計流量11m3／s。目前，已累計供水10億m3，解決了受水區(qū)40萬人民群眾、60萬頭牲畜的飲水困難問題，發(fā)展農(nóng)田灌溉1．59萬hm2，近3．67萬hm2草原沙化得到控制。建設的12座泵站中一泵站位于靈武市白土崗鄉(xiāng)，從寧夏青銅峽河東灌區(qū)東干渠32km處取水。二、三、四、五、六、七泵站位于吳忠市利通區(qū)扁擔溝鄉(xiāng)境內(nèi)，八泵站位于紅寺堡區(qū)太陽山鎮(zhèn)境內(nèi)，九、十、十一、十二泵站位于鹽池縣惠安堡鎮(zhèn)及馮記溝鄉(xiāng)境內(nèi)。經(jīng)過近20a的運行，泵站、輸水干渠、輸水渡槽及輸水渡槽井柱基樁等建筑物由于地下水位的抬升，出現(xiàn)了泵站廠房底板大面積滲水，封閉圈局部滲水，管道穿墻部位滲漏，管坑中地下水出露，出水鋼管銹蝕嚴重；輸水干渠混凝土結構起砂、掉塊、酥松侵蝕嚴重；輸水渡槽槽殼迎水面混凝土局部脫落，鋼筋外露，特別是渡槽井柱基礎腐蝕嚴重，出現(xiàn)斷面直徑縮小、漏筋等現(xiàn)象，影響渡槽結構安全。針對水利工程的侵蝕破壞問題，李旭春研究了環(huán)境水對水電站水工建筑物侵蝕［1］，張濱研究了寒冷地區(qū)水工混凝土建筑物的破壞類型［2］，劉馨馥探討了凍脹性破壞對水工建筑物的影響［3］，徐存東等分析了硫酸鹽［4］及氯離子［5］對水工建筑物的侵蝕破壞機理，任思學分析了水工建筑物混凝土的碳化、凍融破壞及防治［6］，陳建常提出了水工建筑物的破壞原因與防治對策［7］，劉數(shù)華研究了水工建筑物碳化破壞修補材料［8］。干濕交替區(qū)域的水工建筑物侵蝕破壞問題的出現(xiàn)與地下水位的升高、凍融循環(huán)加劇，以及地下水中硫酸根離子及氯離子含量的增高有直接聯(lián)系。本文以鹽環(huán)定揚黃工程中部分水工建筑物為實例，分析造成侵蝕的因素并探討其防治措施。

1 侵蝕破壞現(xiàn)狀

1．1 泵房受侵蝕情況

鹽環(huán)定揚黃共用工程12座泵站建成運行以后，受渠道與前池滲漏以及泵站周圍灌溉的影響，地下水排泄不暢，造成地下水位升高，使主廠房底板大面積滲水，封閉圈局部滲水，管道穿墻部位產(chǎn)生滲漏，管坑中地下水出露，出水鋼管銹蝕嚴重，見圖1。其中，二、三、四、六、九、十、十一泵站多在地勢低洼的地方，當?shù)氐叵滤V化度尤其是硫酸根離子的含量相對較高，對混凝土具有強腐蝕性，對鋼結構具有中等腐蝕性。使泵站混凝土構筑物產(chǎn)生起砂、掉塊、酥松等腐蝕現(xiàn)象，對管坑中的輸水鋼管腐蝕也比較嚴重。

1．2 輸水干渠受侵蝕情況

干渠挖方段渠道地下水位高，凍融破壞嚴重，造成渠道混凝土板酥碎掉皮、局部大面積滑塌，見圖2。

圖1 泵站泵房封閉圈腐蝕情況（A），泵站泵坑腐蝕情況（B）

圖2 揚黃輸水干渠砌護混凝土板腐蝕情況

1．3 輸水渡槽受侵蝕情況

渡槽伸縮縫止水橡皮老化，槽殼迎水面混凝土局部脫落，鋼筋外露，排架裂縫露筋，嚴重影響渡槽行水安全，見圖3。特別是沙溝渡槽（位于渠道1＋500～1＋680段，全長180m）井柱基礎受溝道水強腐蝕，出現(xiàn)斷面直徑縮小、漏筋等現(xiàn)象，影響渡槽結構安全。

2 侵蝕破壞因素分析

2．1 季節(jié)性凍融循環(huán)破壞

圖3 渡槽止水橡皮腐蝕老化（A），鹽環(huán)定沙溝渡槽井柱基礎腐蝕嚴重（B）

混凝土的凍融破壞是指水工混凝土建筑物中已硬化的混凝土在浸水飽和及潮濕的條件下，由于環(huán)境溫度的變化，使混凝土內(nèi)部的孔隙水凍結膨脹、融解松馳產(chǎn)生疲勞應力，造成混凝土由表及里逐漸剝蝕的破壞現(xiàn)象，它是寒冷地區(qū)水工混凝土建筑物破壞的主要類型。凍融破壞主要發(fā)生在建筑物的水位變化區(qū)（輸水干渠內(nèi)坡），溢流面（冬季排水的斗口、退水閘），消力池及擋土墻等處。

2．2 有害離子侵蝕破壞

水中酸性離子侵蝕破壞就是地下水或輸送水等水中酸性離子對水工混凝土的侵蝕作用。由于水工建筑物長期處于水的浸泡和干濕循環(huán)狀態(tài)下，水中的礦物質(zhì)特別是SO42－、CL－等對混凝土有一定的腐蝕破壞。2014年多次采取鹽環(huán)定揚黃工程各泵站出露地下水水樣對其進行檢測，并依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范（GB 50021－2001）》中水對鋼結構的腐蝕性評價標準（表1）及水對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕性評價標準（表2）和《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范（GB 50287－2006）》中水對混凝土的腐蝕性評價標準（表3），對鹽環(huán)定揚黃工程中侵蝕破壞嚴重的8個泵站所在地的地下水的腐蝕情況進行評級。從表1中可以看出8個泵站地下水的PH值處于7．6～9．6之間，均在正常范圍內(nèi)，其中一泵站和十泵站水質(zhì)偏弱堿性總體看來各個泵站的地下水（Cl－＋SO42－）含量均大于500mg／L，則認為地下水對鋼結構具有中度腐蝕性。從表2中可以看出8個泵站地下水的Cl－含量為360～1920mg／L，其中一泵站為360mg／L依據(jù)標準劃分為弱腐蝕性；其余各地均大于500mg／L且小于5000mg／L，則依據(jù)標準劃分為中度腐蝕性。從表3中可以看出8個泵站地下水的SO42－含量為624～6090mg／L，其中一泵站為624mg／L依據(jù)標準劃分為中度腐蝕性；其余各地均大于1000mg／L，六泵站甚至達到6090mg／L，則依據(jù)標準劃分為強腐蝕性，因此認為各泵站中地下水對水工建筑物的混凝土結構具有非常強烈的腐蝕性。

表1 鹽環(huán)定揚黃工程地下水對鋼結構的腐蝕性評價表

表2 鹽環(huán)定揚黃工程地下水對鋼混凝土中鋼筋的腐蝕性評價表

表3 鹽環(huán)定揚黃工程地下水對混凝土的腐蝕性評價表

3 侵蝕破壞應對措施

3．1 在設計階段，優(yōu)化配合比設計，采用合適的混凝土抗凍等級

3．1．1 控制水灰比和水泥用量

水灰比過大會對混凝土的耐久性產(chǎn)生直接影響，水灰比關系著混凝土孔隙多少，影響著CO2在孔隙中的擴散程度，影響著混凝土碳化的速度和對鋼筋的銹蝕?？刂扑冶纫彩菫榱藴p少混凝土拌合料凝固后多余的水逸出產(chǎn)生的毛細孔道和空隙，減少滲透性，防止凍融破壞和破壞結構表面的美觀。因控制水泥用量是為了保證混凝土的密實性，通常規(guī)定不能低于最小用量，但水泥用量過多會引起收縮和水化熱過大而導致開裂。從耐久性要求，宜優(yōu)化混凝土配合比，確定最佳水泥用量和水灰比。

3．1．2 使用性能良好的外加劑

實踐證明，在混凝土中使用一些外加劑可以改善和提高混凝土結構的耐久性。常用的混凝土外加劑有減水劑和引氣劑，但是減水劑和引氣劑只能起到控制水灰比，改善混凝土內(nèi)部孔隙分布的作用，不能有效延緩混凝土內(nèi)部不穩(wěn)定物質(zhì)遇侵蝕介質(zhì)后的化學侵蝕作用。所以，選用一種既可以改善混凝土內(nèi)部孔隙分布、又可以與混凝土內(nèi)部的不穩(wěn)定物質(zhì)進行化學反應，使這些亞穩(wěn)定的物質(zhì)變?yōu)榉€(wěn)定物質(zhì)的添加劑是很重要的。在混凝土配合比設計中可采用CM復合添加料、W·S型高效減水劑和引氣劑等外加劑來增強混凝土的抗侵蝕性能。

3．1．3 采用合適的抗凍等級

從已建工程的破壞情況來看，工程的抗凍等級低、混凝土抗凍能力不夠，以及對混凝土的抗凍耐久性能缺乏足夠的認識是寒冷地區(qū)水工混凝土遭受凍融破壞的主要原因之一。在設計水工混凝土時一定要考慮抗凍要求，按照工程區(qū)域內(nèi)以往的氣候情況，采用合適的抗凍等級標準。

3．2 采取有效措施，及時補救被侵蝕破壞的水工建筑物

經(jīng)過實踐研究，在高揚程灌區(qū)上水以后地下水位都會有明顯的升高。礦化物離子在水工建筑物附近集聚，進入混凝土內(nèi)部和一些不穩(wěn)定或亞穩(wěn)定物質(zhì)發(fā)生化學反應，造成混凝土建筑物的破壞。在長期受地下水浸泡的泵站后管坑、封閉圈、鎮(zhèn)墩處還應該進行防腐涂護。①對地下水位較高的泵站后管坑，采取盲溝積水井點自動降水的技術，降低受侵蝕建筑物附近地下水位，防止侵蝕介質(zhì)在建筑物附近積累，延緩侵蝕破壞。②對灌區(qū)中服役的僅受到表面侵蝕且侵蝕程度不影響其結構穩(wěn)定性的建筑物，采用徹底鑿除混凝土的被侵蝕層，鑿至新鮮面以下2～3cm，進行外包加固處理并外涂環(huán)氧煤瀝青防腐涂層的措施，有效延緩了建筑物的侵蝕破壞。③對侵蝕破壞已危及其結構穩(wěn)定性的建筑物，出現(xiàn)坍塌、崩裂的鎮(zhèn)支墩采取拆除后用添加CM型抗侵蝕防水復合材料的高抗侵蝕性的混凝土重新澆筑，并外涂環(huán)氧煤瀝青防腐涂層的修復方法。

3．3 結合泵站更新改造，從根本上解決水工建筑物受地下水侵蝕破壞的問題

經(jīng)過近20a的運行，鹽環(huán)定揚黃工程受濕陷性黃土、凍脹破壞和自然老化等因素影響，各個泵站建筑物整體老化破損嚴重，輸水能力下降。為解決鹽環(huán)定揚黃共用工程存在的問題，從根本上消除工程缺陷，恢復工程的設計能力，進行鹽環(huán)定揚黃共用工程泵站更新改造，從根本上解決侵蝕破壞問題。對安全類別為一類和三類的1、7、8、11共4座泵站建筑物進行修補加固和更新改造，對安全類別為四類的其余8座泵站建筑物拆除重建。在改造過程中由于各泵站的地下水或土壤對混凝土和鋼結構存在較強的腐蝕性，因此凡是與地下水或土壤接觸的鋼筋混凝土部位，混凝土采用高抗硫酸鹽水泥，并對接觸表面涂刷YPN高分子防腐材料。對異地重建的泵站選址時，應充分考慮地下水和土壤對混凝土及鋼結構的腐蝕問題，在滿足泵站前池進流條件的情況下，盡量選擇地勢平坦的地方，防止地下水聚集，對水工建筑物造成侵蝕破壞。

4 結論與討論

本文以鹽環(huán)定揚黃工程中部分泵站、輸水干渠、輸水渡槽及輸水渡槽井柱基樁等水工建筑物，因地下水位升高、凍融循環(huán)加劇以及地下水中硫酸根離子及氯離子含量的增高出現(xiàn)的侵蝕破壞問題，對造成侵蝕的因素及其防治措施進行了分析探討。

（1）目前，鹽環(huán)定揚黃工程的部分水利工程存在泵站廠房底板大面積滲水，封閉圈局部滲水，管坑中出水鋼管銹蝕嚴重；輸水干渠混凝土結構起砂、掉塊、酥松侵蝕嚴重；輸水渡槽槽殼迎水面混凝土局部脫落鋼筋外露，渡槽井柱基礎腐蝕嚴重等現(xiàn)象。

（2）季節(jié)性凍融循環(huán)是造成水工建筑物侵蝕破壞的一個主要因素；對鹽環(huán)定揚黃工程共用工程8個泵站所在地的地下水對其腐蝕情況進行評級，地下水對鋼結構具有中度腐蝕性；對鋼筋混凝土中鋼筋也具有中度腐蝕性；對水工建筑物的混凝土結構具有非常強烈的腐蝕性。

（3）防治水利工程侵蝕危害的方法主要有，在設計階段控制水灰比和水泥用量、使用性能良好的外加劑并采用合適的混凝土抗凍等級；對地下水位較高的泵站后管坑和對侵蝕程度不影響其結構穩(wěn)定性的建筑物，結合泵站更新改造，從根本上解決水工建筑物受地下水侵蝕破壞的問題。

水中的弱酸性離子是地下水利工程侵蝕破壞的最主要因素，防止硫酸鹽侵蝕破壞應消減這些不穩(wěn)定物質(zhì)的含量以減少化學侵蝕；改變混凝土結構密實度，減少硫酸根離子侵入混凝土結構的途徑；對Cl－的侵蝕預防也應該從減少侵蝕離子的入滲和改善混凝土的內(nèi)部結構、減少混凝土內(nèi)部亞穩(wěn)定的物質(zhì)，如水化鋁酸鈣、氫氧化鈣等的含量入手。對于水下水利工程建筑物的維護及防治侵蝕工作是一項長期而艱巨的工作，如何找到更為有效的防治措施，仍需要不斷地研究與探討。

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