吐魯番煤窯溝第一人民渠破壞機(jī)理及防范措施

胡海濤

【摘要】渠道的破壞原因有多種，本文通過電鏡、能譜微觀測(cè)試等方法分析了第一人民渠破壞機(jī)理為石膏結(jié)晶型和硫酸鎂侵蝕結(jié)晶型侵蝕破壞，并提出了防范措施，為類似環(huán)境下渠道建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】渠道；破壞機(jī)理；硫酸鹽；防范措施

1、煤窯溝第一人民渠概況

煤窯溝第一人民渠是吐魯番煤窯溝流域重要的引水渠道工程。人民渠首將水引入人民干渠，在人民干渠10.4km處設(shè)有分水閘，分為第一人民渠和第二人民渠，第一人民渠分水85%，第二人民渠分水15%，第一人民渠承擔(dān)著煤窯溝河主要引水任務(wù)，為吐魯番市農(nóng)業(yè)發(fā)展做出了極大貢獻(xiàn)。

第一人民渠修建于1955年，全長(zhǎng)30.8km，襯砌型式為干砌卵石灌漿，斷面結(jié)構(gòu)型式為梯弧形，設(shè)計(jì)引水流量15m3/s。第一人民渠距今已運(yùn)行60余年，渠道破損較為嚴(yán)重，輸水滲漏損失較大，隨著節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)以及最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施，對(duì)第一人民渠的加固改造也在逐步實(shí)施。

干砌卵石灌漿渠道在吐魯番是較為普遍的渠道襯砌型式，上世紀(jì)五六十年代廣泛使用于干渠襯砌中。該渠道襯砌型式具有抗沖耐磨性能好，卵石之間鑲嵌緊密，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于吐魯番渠道縱坡較大，水流泥沙含量高的特點(diǎn)。近年來第一人民渠逐漸出現(xiàn)砌石之間的漿體松散脫落現(xiàn)象，除渠道底部漿體受磨損脫落外，渠道邊坡同樣出現(xiàn)類似現(xiàn)象，并且隨著漿體的松散脫落，一同砌筑的卵石也逐漸松動(dòng)，致使渠道逐漸破壞，部分渠段甚至失去使用功能。

2、地質(zhì)概況

煤窯溝第一人民渠大部分處于煤窯溝河右岸的Ⅲ級(jí)階地上，地形平緩，北高南低，地形坡降3.3%。表層巖性為中更新統(tǒng)～全新統(tǒng)沖洪積物（Q3-4al+pl）含漂石的砂卵礫石層，厚度約2～3m，下部為第四系上更新統(tǒng)沖洪積（Q3al+pl）含漂石的砂卵礫石層，厚度較大，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)，為泥質(zhì)微膠結(jié)，局部泥鈣質(zhì)弱膠結(jié)，天然密度2.15～2.53g/cm3。渠基砂礫石層在0～1.5m范圍內(nèi)易溶鹽含量較高，之后隨著深度的增加易溶鹽含量急劇減小，根據(jù)土樣化驗(yàn)結(jié)果，硫酸根離子最大含量為6.7g/L，鎂離子0.2 g/L，對(duì)混凝土有腐蝕性。

3、破壞機(jī)理

第一人民渠基礎(chǔ)為透水性較強(qiáng)的砂礫石層，不存在凍脹破壞問題，而渠基表層砂礫石易溶鹽含量高，砌石漿液直接與其接觸，鹽侵蝕破壞的可能性較大。為分析第一人民渠鹽侵蝕破壞情況，對(duì)渠道破損的漿體取樣進(jìn)行掃面電鏡，從內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)分析其侵蝕產(chǎn)物、造成侵蝕破壞的因素和侵蝕類型。

3.1 試件取樣。本次沿渠線取兩組試件進(jìn)行電鏡微觀測(cè)試。兩組試件漿體均比較松散，水泥石疏松掉渣比較嚴(yán)重，表面有很嚴(yán)重的白色晶體富集，這主要是由于鹽分結(jié)晶造成，成為產(chǎn)生侵蝕的因素。

3.2 侵蝕破壞機(jī)理

分別對(duì)兩組試件分別進(jìn)行電鏡及能譜微觀測(cè)試，第一人民渠侵蝕破壞原因?yàn)槭嘟Y(jié)晶型和MgSO4溶蝕-結(jié)晶型兩種。兩組試件電鏡圖。

（1）石膏結(jié)晶型

兩組試件白色鹽類結(jié)晶的背面所照電鏡照片可以看到大量的侵蝕產(chǎn)物石膏，從能譜圖元素量峰值可以看出，該塊狀結(jié)構(gòu)的主要元素構(gòu)成為Ca、S、O。而石膏的分子式正是CaSO4·2H2O，主要組成元素正是Ca、S、O。當(dāng)侵蝕溶液中硫酸根離子的濃度大于1g/L時(shí)，若水泥石的毛細(xì)孔為飽和石灰溶液所填充，不僅會(huì)有鈣礬石生成，而且還會(huì)有石膏結(jié)晶析出。水泥石內(nèi)部形成的二水石膏體積增大1.24倍，使水泥石因內(nèi)應(yīng)力過大而破壞。根據(jù)濃度積規(guī)則，只有當(dāng)SO42-和 Ca2+的濃度積大于或等于CaSO4的濃度積時(shí)才能有石膏結(jié)晶析出，顯然侵蝕溶液中SO42-濃度和毛細(xì)孔中的石灰溶液濃度具有重要意義。根據(jù)試件表層松散掉渣的情況分析，本次侵蝕破壞石膏結(jié)晶的侵蝕起到了主體作用，說明侵蝕溶液中SO42-的濃度非常高，這與渠道基礎(chǔ)土體易溶鹽含量（SO42-含量6g/L）的分析結(jié)果相吻合，該侵蝕使得試件沒有粗大裂紋但遍體遺散。

（2）硫酸鎂侵蝕結(jié)晶型

根據(jù)渠基土體易溶鹽分析，侵蝕液中硫酸根離子濃度為6.7g/L，鎂離子的濃度0.2 g/L，說明硫酸鎂的存在。在所有硫酸鹽類型中，MgSO4侵蝕是對(duì)混凝土侵蝕破壞性最大的一種，MgSO4的侵蝕其原因主要是Mg2+和SO42-均為侵蝕源，二者相互疊加構(gòu)成嚴(yán)重的復(fù)合侵蝕，這種反應(yīng)生成的石膏晶體或鈣礬石晶體會(huì)引起混凝土體積膨脹產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)反應(yīng)將CH轉(zhuǎn)化成MH，降低了水泥石系統(tǒng)的堿度，破壞了C-S-H水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的條件，使C-S-H等水化產(chǎn)物分解造成混凝土強(qiáng)度和粘結(jié)性的損失，進(jìn)而使混凝土產(chǎn)生破壞。.

4、防范措施

由以上分析可以看出，導(dǎo)致渠道混凝土漿液破壞的原因?yàn)榱蛩猁}侵蝕破壞，其內(nèi)因主要是水泥石水化鋁酸鈣、Ca（OH）2和毛細(xì)孔，外因則是侵蝕溶液中存在SO42-。因此，防止或減輕混凝土硫酸鹽侵蝕的方法有：

（1）優(yōu)先選擇抗硫酸鹽水泥或摻堿性混合料水泥品種。根據(jù)混凝土工程或卵石灌漿工程所處的侵蝕環(huán)境的特點(diǎn)，合理選擇水泥品種，如抗硫酸鹽水泥或摻活性混合材料水泥?？沽蛩猁}水泥配制混凝土的出發(fā)點(diǎn)或原理是基于硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕實(shí)質(zhì)是硫酸鹽對(duì)水泥的侵蝕，因此只要減少和控制硅酸鹽水泥熟料中的C3S和C3A，達(dá)到減少Ca（OH）2和CAH的目的，就可以生產(chǎn)出抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，并配制出能夠抵抗硫酸鹽侵蝕的水泥混凝土，但其在水中硫酸根離子含量超過4g/L或土中硫酸根離子超過6g/L時(shí)效果降低，抗蝕齡期縮短。摻堿性礦渣混凝土具有優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕能力，當(dāng)采用火山灰質(zhì)或粉煤灰摻料與抗硫酸鹽水泥聯(lián)合使用時(shí)，配制的混凝土對(duì)抗硫酸鹽侵蝕有顯著的效果，摻硅粉等超細(xì)混合材的混凝土，其抗硫酸鹽侵蝕能力也大大提高。

（2）提高混凝土密實(shí)度

混凝土的抗?jié)B性和抗侵蝕性具有密切相關(guān)性，提高混凝土密實(shí)度無疑有利于提高抗侵蝕性，混凝土的高密實(shí)度在耐久性方面表現(xiàn)為既有高抗?jié)B性又有高抗硫酸鹽侵蝕性。在混凝土配合比中可通過添加粉煤灰等添加劑等方法提高混凝土的密實(shí)性，施工中應(yīng)有效降低水灰比，避免多余的水分蒸發(fā)后形成連通的孔隙，使侵蝕介質(zhì)容易滲入水泥石的內(nèi)部從而加速侵蝕的產(chǎn)生。

（3）與侵蝕介質(zhì)隔離

第一人民渠受到硫酸鹽侵蝕主要是渠基土體中的易溶鹽含量高造成的，因此可通過土工膜將混凝土或漿砌石與土體隔離，避免二者直接接觸，降低易溶鹽侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)又可起到防滲的作用。

混凝土的抗侵蝕防范措施不能一概而論，應(yīng)根據(jù)不同環(huán)境采取不同措施，或依據(jù)試驗(yàn)綜合確定防范措施，以提高混凝土的抗侵蝕能力，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

5、結(jié)論

本文分析了第一人民渠破壞機(jī)理為硫酸鹽侵蝕破壞，為類似環(huán)境下渠道的維修改建和抗硫酸鹽侵蝕防范措施積累了經(jīng)驗(yàn)。