王福升，陸立國，潘自林，王 華

(1.寧夏水利工程建設中心，寧夏 銀川 750001；2.寧夏水利科學研究院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏華正水利水電工程建設監(jiān)理中心，寧夏 銀川 750001)

鹽環(huán)定揚黃工程20世紀80年代建設，解決陜西定邊、甘肅環(huán)縣和寧夏鹽池人畜飲水、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)環(huán)境、改變地區(qū)貧困落后面貌的一項“生命工程”。三道井泵站及干渠屬寧夏專用工程的主要組成部分，承擔著鹽池灌區(qū)近50%的灌溉任務，為推動革命老區(qū)脫貧治富，促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻。工程所在區(qū)域屬典型的中溫帶大陸性氣候，干旱少雨，風大沙多，日照充足，蒸發(fā)強烈，地下水無地表徑流補給，依靠大氣降水入滲補給，多年平均降雨量288 mm，多年平均蒸發(fā)量2 137 mm，水資源奇缺，地下含水層水質不一，苦水多，淡水少，埋深大，水量少，礦化度高，含氟量大，不宜飲用和農(nóng)業(yè)灌溉[1]。

三道井泵站及干渠投入運行不久，就出現(xiàn)了泵站混凝土、鋼筋腐蝕，10 km干渠襯砌渠道混凝土砌筑面板縫開裂、混凝土酥松、土體膨脹、隆起架空、板面滑塌，防滲功能喪失，造成通過高揚程的有限水資源浪費，嚴重制約了鹽池灌區(qū)6 000 hm2的農(nóng)田灌溉。針對混凝土腐蝕破壞問題，急需對造成的原因開展試驗研究，提出切實可行的改造方案。

為此，對渠道沿線按照每間隔500 m采集地面滲水或淺層地下水進行水質化驗分析，分別在泵站、渠道的渠堤和渠基按照隨機抽樣的方式采集土樣進行化驗分析。

1 環(huán)境水水質化學成分分析

混凝土受侵蝕會對混凝土的性能造成嚴重的影響，如圖1，圖2所示，混凝土遭受侵蝕破損的原因之一是含有害成分的水質侵蝕造成的[2-3]。取樣化驗三道井泵站排水井水樣，pH值7.3～8.2，電導儀測定總含鹽量12.236 g/L，屬鹽水，水質化驗結果見表1。

圖1 混凝土的侵蝕及剝落現(xiàn)象

圖2 混凝土受侵蝕影響的危害

同時，勘察化驗三道井泵站、管道沿線、渠道土壤土質，結果表明土層土壤母質中含有大量的鹽分，屬鹽漬土；同時，土層具有一定的膨脹性，屬于中到強膨脹性土。由于渠道滲漏，致使土壤中的有害離子溶解于水中并進入地下水中，具有強侵蝕性，水化學成分主要為SO42-、Cl-，礦化度較高，為硫酸氯化物Ca、Mg、Na型水，對渠道和泵站的混凝土產(chǎn)生腐蝕。

2 巖土浸出液化學成份分析

補充開展了巖土浸出液的化學成分分析[4]，目的是對環(huán)境水的水化學成分與圍巖及滲透途徑的關系予以論證。按水分土比為12∶1的比例制作浸出液，其結果見表2。由表2可以看出：SO42-、Cl-、K++Na+型水是淺層的Q3pl的粉砂、粉土及砂壤土等浸出液的主要化學成份，固形物含量1.1 g/kg～1.8 g/kg，屬微咸類水；Ca2+和Mg2+含量適中，且有一定量的HCO3-。計算土層浸出液的離子含量，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[5](GB 50021—2001)中的受氣候影響的水、土腐蝕介質評價表，將水的腐蝕指標換算成土的腐蝕指標，以mg/kg(土)的單位表示。

據(jù)規(guī)范[5]規(guī)定所列土的浸出液腐蝕標準，Q3pl洪積層細粒土個別具弱硫酸鹽腐蝕性和弱到中等的氯化物腐蝕性。根據(jù)巖土浸出液化學成分分析結果表明，均屬SO42-、Cl-、K++Na+型的水質類型，具有弱硫酸鹽和中等氯化物腐蝕性。

3 環(huán)境水水質類型

由環(huán)境水水質分析：泵站和渠道沿線環(huán)境水類型主要為C1-—SO42-—K++Na+型或SO42-—Cl-—K++Na+型水，C1-—SO42-—K++Na+型水中，有的Cl-離子含量高達4 g/L；SO42-—Cl-—K++Na+型水中，Cl-離子含量也達1.0 g/L～2.9 g/L；由此說明環(huán)境水的主要成分為NaCl鹽，pH值大多為10～12強堿性水。

表1 環(huán)境水水質化驗結果匯總表

表2 巖土浸出液化學成分分析表

4 環(huán)境水水質侵蝕性評價標準

根據(jù)相關研究成果[6-7]：用來拌制和養(yǎng)護混凝土，水的總含鹽量應該小于3 500 mg/L，SO42-含量應該小于2 700 mg/L，pH應該大于4。采用抗硫酸鹽水泥時，SO42-含量允許加大到10 000 mg/L。當混凝土經(jīng)常處于水下或水面交接處，pH>6.5，結晶性侵蝕指標見表3。

表3 結晶性侵蝕指標表

為了對環(huán)境水(包括地表水和泵房混凝土底板以下的地下水)水質對混凝土結構、混凝土內(nèi)的鋼筋，以及鋼結構的腐蝕性及腐蝕等級進行評價，分別采用國標《水利水電工程地質勘察規(guī)范》[8](GB 50287—99)和《巖土工程勘察規(guī)范》[5](GB 50021—2001)，場地水、土腐蝕性調查、測試與評價規(guī)定的標準，分別進行侵蝕性及等級劃分，并依照評定結果進行對比。

當混凝土所屬環(huán)境水中含有硫酸鹽時，硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生反應[9-10]，在水泥石構架中形成硫鋁酸鈣，固相體積可增大227%，致使混凝土脹裂、剝落。當環(huán)境水中同時含有鎂離子時，硫酸鎂除了能侵害水化鋁酸鈣和氫氧化鈣外，還可進一步和水化鋁酸鈣反應，生成氫氧化鎂和硅膠體，由于氫氧化鎂在水中的溶解度很小，這一反應可以完全進行下去。水化鋁酸鈣的消耗會導致水泥石架構的削弱[11-12]。

水中硫酸鹽對混凝土的侵蝕速度不僅與硫酸鹽濃度增加成正比，而且取決于水泥反應而推動的硫酸根離子得以補充的速度[13-14]。因此，在考察硫酸鹽侵蝕危害性時，應了解環(huán)境水的流動情況。當混凝土一側處于含硫酸鹽水的壓力下，特別存在滲水通道時，侵蝕速度將更快。干濕交替同樣加快混凝土的毀壞。

5 環(huán)境水綜合評價結果

根據(jù)規(guī)范[8]關于在受氣候、滲透性影響的水、土對混凝土結構所列的侵蝕性評價標準，對照渠道周邊水質，評價結果見表4。

表4 泵站及渠道周邊水水質侵蝕性評價

6 造成混凝土腐蝕的原因分析

在三道井泵站開挖擋土墻取土樣，明顯含有較大顆粒的鹽結晶和石膏顆粒。分別在泵站和干渠取土樣進行化驗分析，化驗結果見表5。

表5 三道井泵站渠道土樣化驗分析結果表

寧夏水利科學研究院對揚黃灌區(qū)土壤鹽漬化進行調查，當全鹽量<0.046%時，HCO3-> SO42-> Cl-；當0.046%<全鹽量<0.074%時，SO42-> HCO3->Cl-；當全鹽量>0.074%時，SO42->Cl->HCO3-。

根據(jù)三道井泵站、渠道土樣化驗分析結果，基土中含有大量的硫酸鹽、氯化物、鎂鹽，由于渠道行水滲漏，致使Cl-、SO42-含量達到了對混凝土中-強的侵蝕含量標準，對混凝土產(chǎn)生強腐蝕性。環(huán)境水中的硫酸鹽、氯鹽也構成對混凝土的侵蝕破壞，干濕交替環(huán)境加快了混凝土的毀壞[15-16]。根據(jù)規(guī)范[5]評價標準得出評價結果見表6。

7 結 論

(1) 造成襯砌渠道混凝土侵蝕破壞的主要原因是灌區(qū)環(huán)境水和渠道基土中硫酸鹽與混凝土內(nèi)部的Ca(OH)2、3CaO3·SiO2·3H2O等一些不穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的物質產(chǎn)生化學反應，引起體積膨脹，造成混凝土結構破壞。

表6 三道井干渠地表水和淺層地下水水質評價

(2) 泵站和干渠沿線的土層土壤母質中含有大量的鹽分，屬鹽漬土；同時，土層具有一定的膨脹性，屬于中到強膨脹性土。由于渠道滲漏，致使土壤中的有害離子溶解于水中并進入地下水中，具有強侵蝕性，水化學成分主要為SO42-、Cl-，礦化度較高，為硫酸氯化物Ca、Mg、Na型水，對混凝土產(chǎn)生腐蝕。

(3) 工程改造時，應采取措施減少硫酸鹽等有害離子對混凝土的侵蝕，一是增加防滲措施，減少渠道水的滲漏，并阻絕環(huán)境水的入侵；二是采用抗硫水泥增加混凝土自身耐腐蝕性；三是嚴禁使用當?shù)夭牧献鳛榛炷涟韬瞎橇?；四是增加混凝土結構密實度。