盐环定扬黄工程水工建筑物侵蚀破坏因素分析及应对措施

李小龙，郭永灵，唐 瑞

（1．宁夏盐环定扬水管理处，宁夏 吴忠751100；2．宁夏水利科学研究院，宁夏 银川750021）

盐环定扬黄工程是为解决革命老区陕西定边、甘肃环县、宁夏盐池，及同心等县部分地区人畜饮水困难，防治地方病，发展农业灌溉，改善生态环境，促进老区人民脱贫致富而兴建的一项扶贫工程。该工程分共用工程和各省区专用工程，共用工程于1988年7月开工，1996年9月竣工验收并投入使用，建成泵站12座，安装水泵机组101台套，装机容量6．59万kW，干渠长123．8km，其中铺设压力管道15．35km，最高扬程达651m，设计流量11m3／s。目前，已累计供水10亿m3，解决了受水区40万人民群众、60万头牲畜的饮水困难问题，发展农田灌溉1．59万hm2，近3．67万hm2草原沙化得到控制。建设的12座泵站中一泵站位于灵武市白土岗乡，从宁夏青铜峡河东灌区东干渠32km处取水。二、三、四、五、六、七泵站位于吴忠市利通区扁担沟乡境内，八泵站位于红寺堡区太阳山镇境内，九、十、十一、十二泵站位于盐池县惠安堡镇及冯记沟乡境内。经过近20a的运行，泵站、输水干渠、输水渡槽及输水渡槽井柱基桩等建筑物由于地下水位的抬升，出现了泵站厂房底板大面积渗水，封闭圈局部渗水，管道穿墙部位渗漏，管坑中地下水出露，出水钢管锈蚀严重；输水干渠混凝土结构起砂、掉块、酥松侵蚀严重；输水渡槽槽壳迎水面混凝土局部脱落，钢筋外露，特别是渡槽井柱基础腐蚀严重，出现断面直径缩小、漏筋等现象，影响渡槽结构安全。针对水利工程的侵蚀破坏问题，李旭春研究了环境水对水电站水工建筑物侵蚀［1］，张滨研究了寒冷地区水工混凝土建筑物的破坏类型［2］，刘馨馥探讨了冻胀性破坏对水工建筑物的影响［3］，徐存东等分析了硫酸盐［4］及氯离子［5］对水工建筑物的侵蚀破坏机理，任思学分析了水工建筑物混凝土的碳化、冻融破坏及防治［6］，陈建常提出了水工建筑物的破坏原因与防治对策［7］，刘数华研究了水工建筑物碳化破坏修补材料［8］。干湿交替区域的水工建筑物侵蚀破坏问题的出现与地下水位的升高、冻融循环加剧，以及地下水中硫酸根离子及氯离子含量的增高有直接联系。本文以盐环定扬黄工程中部分水工建筑物为实例，分析造成侵蚀的因素并探讨其防治措施。

1 侵蚀破坏现状

1．1 泵房受侵蚀情况

盐环定扬黄共用工程12座泵站建成运行以后，受渠道与前池渗漏以及泵站周围灌溉的影响，地下水排泄不畅，造成地下水位升高，使主厂房底板大面积渗水，封闭圈局部渗水，管道穿墙部位产生渗漏，管坑中地下水出露，出水钢管锈蚀严重，见图1。其中，二、三、四、六、九、十、十一泵站多在地势低洼的地方，当地地下水矿化度尤其是硫酸根离子的含量相对较高，对混凝土具有强腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性。使泵站混凝土构筑物产生起砂、掉块、酥松等腐蚀现象，对管坑中的输水钢管腐蚀也比较严重。

1．2 输水干渠受侵蚀情况

干渠挖方段渠道地下水位高，冻融破坏严重，造成渠道混凝土板酥碎掉皮、局部大面积滑塌，见图2。

图1 泵站泵房封闭圈腐蚀情况（A），泵站泵坑腐蚀情况（B）

图2 扬黄输水干渠砌护混凝土板腐蚀情况

1．3 输水渡槽受侵蚀情况

渡槽伸缩缝止水橡皮老化，槽壳迎水面混凝土局部脱落，钢筋外露，排架裂缝露筋，严重影响渡槽行水安全，见图3。特别是沙沟渡槽（位于渠道1＋500～1＋680段，全长180m）井柱基础受沟道水强腐蚀，出现断面直径缩小、漏筋等现象，影响渡槽结构安全。

2 侵蚀破坏因素分析

2．1 季节性冻融循环破坏

图3 渡槽止水橡皮腐蚀老化（A），盐环定沙沟渡槽井柱基础腐蚀严重（B）

混凝土的冻融破坏是指水工混凝土建筑物中已硬化的混凝土在浸水饱和及潮湿的条件下，由于环境温度的变化，使混凝土内部的孔隙水冻结膨胀、融解松驰产生疲劳应力，造成混凝土由表及里逐渐剥蚀的破坏现象，它是寒冷地区水工混凝土建筑物破坏的主要类型。冻融破坏主要发生在建筑物的水位变化区（输水干渠内坡），溢流面（冬季排水的斗口、退水闸），消力池及挡土墙等处。

2．2 有害离子侵蚀破坏

水中酸性离子侵蚀破坏就是地下水或输送水等水中酸性离子对水工混凝土的侵蚀作用。由于水工建筑物长期处于水的浸泡和干湿循环状态下，水中的矿物质特别是SO42－、CL－等对混凝土有一定的腐蚀破坏。2014年多次采取盐环定扬黄工程各泵站出露地下水水样对其进行检测，并依据《岩土工程勘察规范（GB 50021－2001）》中水对钢结构的腐蚀性评价标准（表1）及水对钢筋混凝土中钢筋腐蚀性评价标准（表2）和《水力发电工程地质勘察规范（GB 50287－2006）》中水对混凝土的腐蚀性评价标准（表3），对盐环定扬黄工程中侵蚀破坏严重的8个泵站所在地的地下水的腐蚀情况进行评级。从表1中可以看出8个泵站地下水的PH值处于7．6～9．6之间，均在正常范围内，其中一泵站和十泵站水质偏弱碱性总体看来各个泵站的地下水（Cl－＋SO42－）含量均大于500mg／L，则认为地下水对钢结构具有中度腐蚀性。从表2中可以看出8个泵站地下水的Cl－含量为360～1920mg／L，其中一泵站为360mg／L依据标准划分为弱腐蚀性；其余各地均大于500mg／L且小于5000mg／L，则依据标准划分为中度腐蚀性。从表3中可以看出8个泵站地下水的SO42－含量为624～6090mg／L，其中一泵站为624mg／L依据标准划分为中度腐蚀性；其余各地均大于1000mg／L，六泵站甚至达到6090mg／L，则依据标准划分为强腐蚀性，因此认为各泵站中地下水对水工建筑物的混凝土结构具有非常强烈的腐蚀性。

表1 盐环定扬黄工程地下水对钢结构的腐蚀性评价表

表2 盐环定扬黄工程地下水对钢混凝土中钢筋的腐蚀性评价表

表3 盐环定扬黄工程地下水对混凝土的腐蚀性评价表

3 侵蚀破坏应对措施

3．1 在设计阶段，优化配合比设计，采用合适的混凝土抗冻等级

3．1．1 控制水灰比和水泥用量

水灰比过大会对混凝土的耐久性产生直接影响，水灰比关系着混凝土孔隙多少，影响着CO2在孔隙中的扩散程度，影响着混凝土碳化的速度和对钢筋的锈蚀。控制水灰比也是为了减少混凝土拌合料凝固后多余的水逸出产生的毛细孔道和空隙，减少渗透性，防止冻融破坏和破坏结构表面的美观。因控制水泥用量是为了保证混凝土的密实性，通常规定不能低于最小用量，但水泥用量过多会引起收缩和水化热过大而导致开裂。从耐久性要求，宜优化混凝土配合比，确定最佳水泥用量和水灰比。

3．1．2 使用性能良好的外加剂

实践证明，在混凝土中使用一些外加剂可以改善和提高混凝土结构的耐久性。常用的混凝土外加剂有减水剂和引气剂，但是减水剂和引气剂只能起到控制水灰比，改善混凝土内部孔隙分布的作用，不能有效延缓混凝土内部不稳定物质遇侵蚀介质后的化学侵蚀作用。所以，选用一种既可以改善混凝土内部孔隙分布、又可以与混凝土内部的不稳定物质进行化学反应，使这些亚稳定的物质变为稳定物质的添加剂是很重要的。在混凝土配合比设计中可采用CM复合添加料、W·S型高效减水剂和引气剂等外加剂来增强混凝土的抗侵蚀性能。

3．1．3 采用合适的抗冻等级

从已建工程的破坏情况来看，工程的抗冻等级低、混凝土抗冻能力不够，以及对混凝土的抗冻耐久性能缺乏足够的认识是寒冷地区水工混凝土遭受冻融破坏的主要原因之一。在设计水工混凝土时一定要考虑抗冻要求，按照工程区域内以往的气候情况，采用合适的抗冻等级标准。

3．2 采取有效措施，及时补救被侵蚀破坏的水工建筑物

经过实践研究，在高扬程灌区上水以后地下水位都会有明显的升高。矿化物离子在水工建筑物附近集聚，进入混凝土内部和一些不稳定或亚稳定物质发生化学反应，造成混凝土建筑物的破坏。在长期受地下水浸泡的泵站后管坑、封闭圈、镇墩处还应该进行防腐涂护。①对地下水位较高的泵站后管坑，采取盲沟积水井点自动降水的技术，降低受侵蚀建筑物附近地下水位，防止侵蚀介质在建筑物附近积累，延缓侵蚀破坏。②对灌区中服役的仅受到表面侵蚀且侵蚀程度不影响其结构稳定性的建筑物，采用彻底凿除混凝土的被侵蚀层，凿至新鲜面以下2～3cm，进行外包加固处理并外涂环氧煤沥青防腐涂层的措施，有效延缓了建筑物的侵蚀破坏。③对侵蚀破坏已危及其结构稳定性的建筑物，出现坍塌、崩裂的镇支墩采取拆除后用添加CM型抗侵蚀防水复合材料的高抗侵蚀性的混凝土重新浇筑，并外涂环氧煤沥青防腐涂层的修复方法。

3．3 结合泵站更新改造，从根本上解决水工建筑物受地下水侵蚀破坏的问题

经过近20a的运行，盐环定扬黄工程受湿陷性黄土、冻胀破坏和自然老化等因素影响，各个泵站建筑物整体老化破损严重，输水能力下降。为解决盐环定扬黄共用工程存在的问题，从根本上消除工程缺陷，恢复工程的设计能力，进行盐环定扬黄共用工程泵站更新改造，从根本上解决侵蚀破坏问题。对安全类别为一类和三类的1、7、8、11共4座泵站建筑物进行修补加固和更新改造，对安全类别为四类的其余8座泵站建筑物拆除重建。在改造过程中由于各泵站的地下水或土壤对混凝土和钢结构存在较强的腐蚀性，因此凡是与地下水或土壤接触的钢筋混凝土部位，混凝土采用高抗硫酸盐水泥，并对接触表面涂刷YPN高分子防腐材料。对异地重建的泵站选址时，应充分考虑地下水和土壤对混凝土及钢结构的腐蚀问题，在满足泵站前池进流条件的情况下，尽量选择地势平坦的地方，防止地下水聚集，对水工建筑物造成侵蚀破坏。

4 结论与讨论

本文以盐环定扬黄工程中部分泵站、输水干渠、输水渡槽及输水渡槽井柱基桩等水工建筑物，因地下水位升高、冻融循环加剧以及地下水中硫酸根离子及氯离子含量的增高出现的侵蚀破坏问题，对造成侵蚀的因素及其防治措施进行了分析探讨。

（1）目前，盐环定扬黄工程的部分水利工程存在泵站厂房底板大面积渗水，封闭圈局部渗水，管坑中出水钢管锈蚀严重；输水干渠混凝土结构起砂、掉块、酥松侵蚀严重；输水渡槽槽壳迎水面混凝土局部脱落钢筋外露，渡槽井柱基础腐蚀严重等现象。

（2）季节性冻融循环是造成水工建筑物侵蚀破坏的一个主要因素；对盐环定扬黄工程共用工程8个泵站所在地的地下水对其腐蚀情况进行评级，地下水对钢结构具有中度腐蚀性；对钢筋混凝土中钢筋也具有中度腐蚀性；对水工建筑物的混凝土结构具有非常强烈的腐蚀性。

（3）防治水利工程侵蚀危害的方法主要有，在设计阶段控制水灰比和水泥用量、使用性能良好的外加剂并采用合适的混凝土抗冻等级；对地下水位较高的泵站后管坑和对侵蚀程度不影响其结构稳定性的建筑物，结合泵站更新改造，从根本上解决水工建筑物受地下水侵蚀破坏的问题。

水中的弱酸性离子是地下水利工程侵蚀破坏的最主要因素，防止硫酸盐侵蚀破坏应消减这些不稳定物质的含量以减少化学侵蚀；改变混凝土结构密实度，减少硫酸根离子侵入混凝土结构的途径；对Cl－的侵蚀预防也应该从减少侵蚀离子的入渗和改善混凝土的内部结构、减少混凝土内部亚稳定的物质，如水化铝酸钙、氢氧化钙等的含量入手。对于水下水利工程建筑物的维护及防治侵蚀工作是一项长期而艰巨的工作，如何找到更为有效的防治措施，仍需要不断地研究与探讨。

［1］李旭春，张国立．环境水对回龙山水电站水工建筑物侵蚀的研究［J］．海河水利，2002（3）：37－38．

［2］张滨，刘桂英，陈金波．寒冷地区水工混凝土建筑物侵蚀破坏的类型［J］．黑龙江水专学报，2002（3）：101－105．

［3］刘馨馥．浅谈冻胀性破坏对水工建筑物的影响［J］．科技与企业，2014（7）：192．

［4］徐存东，侯慧敏，张鹏．灌区水工混凝土建筑物受硫酸盐侵蚀破坏机理研究［J］．中国农村水利水电，2009（2）：53－54．

［5］徐存东，王之君，侯慧敏．灌溉回归水中氯离子对水工建筑物的破坏机理及寿命预测分析［J］．混凝土，2010（2）：29－31．

［6］任思学．浅析水工建筑物混凝土的碳化、冻融破坏及防治［J］．石河子科技，2006（1）：46－47．

［7］陈建常．论水工建筑物的破坏原因与防治对策［J］．科技创新导报，2013（3）：65－66．

［8］刘数华．水工建筑物碳化破坏修补材料研究［J］．东北水利水电，2007（2）：67－68．