盐池灌区环境水和岩土浸出液对泵站及渠道混凝土腐蚀破坏原因分析

2021-03-19王福升陆立国潘自林

水利与建筑工程学报 2021年1期

王福升，陆立国，潘自林，王华

(1.宁夏水利工程建设中心，宁夏银川 750001；2.宁夏水利科学研究院，宁夏银川 750021；3.宁夏华正水利水电工程建设监理中心，宁夏银川 750001)

盐环定扬黄工程20世纪80年代建设，解决陕西定边、甘肃环县和宁夏盐池人畜饮水、农业灌溉、生态环境、改变地区贫困落后面貌的一项“生命工程”。三道井泵站及干渠属宁夏专用工程的主要组成部分，承担着盐池灌区近50%的灌溉任务，为推动革命老区脱贫治富，促进区域经济发展作出了重要贡献。工程所在区域属典型的中温带大陆性气候，干旱少雨，风大沙多，日照充足，蒸发强烈，地下水无地表径流补给，依靠大气降水入渗补给，多年平均降雨量288 mm，多年平均蒸发量2 137 mm，水资源奇缺，地下含水层水质不一，苦水多，淡水少，埋深大，水量少，矿化度高，含氟量大，不宜饮用和农业灌溉[1]。

三道井泵站及干渠投入运行不久，就出现了泵站混凝土、钢筋腐蚀，10 km干渠衬砌渠道混凝土砌筑面板缝开裂、混凝土酥松、土体膨胀、隆起架空、板面滑塌，防渗功能丧失，造成通过高扬程的有限水资源浪费，严重制约了盐池灌区6 000 hm2的农田灌溉。针对混凝土腐蚀破坏问题，急需对造成的原因开展试验研究，提出切实可行的改造方案。

为此，对渠道沿线按照每间隔500 m采集地面渗水或浅层地下水进行水质化验分析，分别在泵站、渠道的渠堤和渠基按照随机抽样的方式采集土样进行化验分析。

1 环境水水质化学成分分析

混凝土受侵蚀会对混凝土的性能造成严重的影响，如图1，图2所示，混凝土遭受侵蚀破损的原因之一是含有害成分的水质侵蚀造成的[2-3]。取样化验三道井泵站排水井水样，pH值7.3～8.2，电导仪测定总含盐量12.236 g/L，属盐水，水质化验结果见表1。

图1 混凝土的侵蚀及剥落现象

图2 混凝土受侵蚀影响的危害

同时，勘察化验三道井泵站、管道沿线、渠道土壤土质，结果表明土层土壤母质中含有大量的盐分，属盐渍土；同时，土层具有一定的膨胀性，属于中到强膨胀性土。由于渠道渗漏，致使土壤中的有害离子溶解于水中并进入地下水中，具有强侵蚀性，水化学成分主要为SO42-、Cl-，矿化度较高，为硫酸氯化物Ca、Mg、Na型水，对渠道和泵站的混凝土产生腐蚀。

2 岩土浸出液化学成份分析

补充开展了岩土浸出液的化学成分分析[4]，目的是对环境水的水化学成分与围岩及渗透途径的关系予以论证。按水分土比为12∶1的比例制作浸出液，其结果见表2。由表2可以看出：SO42-、Cl-、K++Na+型水是浅层的Q3pl的粉砂、粉土及砂壤土等浸出液的主要化学成份，固形物含量1.1 g/kg～1.8 g/kg，属微咸类水；Ca2+和Mg2+含量适中，且有一定量的HCO3-。计算土层浸出液的离子含量，依据《岩土工程勘察规范》[5](GB 50021—2001)中的受气候影响的水、土腐蚀介质评价表，将水的腐蚀指标换算成土的腐蚀指标，以mg/kg(土)的单位表示。

据规范[5]规定所列土的浸出液腐蚀标准，Q3pl洪积层细粒土个别具弱硫酸盐腐蚀性和弱到中等的氯化物腐蚀性。根据岩土浸出液化学成分分析结果表明，均属SO42-、Cl-、K++Na+型的水质类型，具有弱硫酸盐和中等氯化物腐蚀性。

3 环境水水质类型

由环境水水质分析：泵站和渠道沿线环境水类型主要为C1-—SO42-—K++Na+型或SO42-—Cl-—K++Na+型水，C1-—SO42-—K++Na+型水中，有的Cl-离子含量高达4 g/L；SO42-—Cl-—K++Na+型水中，Cl-离子含量也达1.0 g/L～2.9 g/L；由此说明环境水的主要成分为NaCl盐，pH值大多为10～12强碱性水。

表1 环境水水质化验结果汇总表

表2 岩土浸出液化学成分分析表

4 环境水水质侵蚀性评价标准

根据相关研究成果[6-7]：用来拌制和养护混凝土，水的总含盐量应该小于3 500 mg/L，SO42-含量应该小于2 700 mg/L，pH应该大于4。采用抗硫酸盐水泥时，SO42-含量允许加大到10 000 mg/L。当混凝土经常处于水下或水面交接处，pH>6.5，结晶性侵蚀指标见表3。

表3 结晶性侵蚀指标表

为了对环境水(包括地表水和泵房混凝土底板以下的地下水)水质对混凝土结构、混凝土内的钢筋，以及钢结构的腐蚀性及腐蚀等级进行评价，分别采用国标《水利水电工程地质勘察规范》[8](GB 50287—99)和《岩土工程勘察规范》[5](GB 50021—2001)，场地水、土腐蚀性调查、测试与评价规定的标准，分别进行侵蚀性及等级划分，并依照评定结果进行对比。

当混凝土所属环境水中含有硫酸盐时，硫酸根离子与水泥水化产物氢氧化钙及水化铝酸钙发生反应[9-10]，在水泥石构架中形成硫铝酸钙，固相体积可增大227%，致使混凝土胀裂、剥落。当环境水中同时含有镁离子时，硫酸镁除了能侵害水化铝酸钙和氢氧化钙外，还可进一步和水化铝酸钙反应，生成氢氧化镁和硅胶体，由于氢氧化镁在水中的溶解度很小，这一反应可以完全进行下去。水化铝酸钙的消耗会导致水泥石架构的削弱[11-12]。

水中硫酸盐对混凝土的侵蚀速度不仅与硫酸盐浓度增加成正比，而且取决于水泥反应而推动的硫酸根离子得以补充的速度[13-14]。因此，在考察硫酸盐侵蚀危害性时，应了解环境水的流动情况。当混凝土一侧处于含硫酸盐水的压力下，特别存在渗水通道时，侵蚀速度将更快。干湿交替同样加快混凝土的毁坏。

5 环境水综合评价结果

根据规范[8]关于在受气候、渗透性影响的水、土对混凝土结构所列的侵蚀性评价标准，对照渠道周边水质，评价结果见表4。

表4 泵站及渠道周边水水质侵蚀性评价

6 造成混凝土腐蚀的原因分析

在三道井泵站开挖挡土墙取土样，明显含有较大颗粒的盐结晶和石膏颗粒。分别在泵站和干渠取土样进行化验分析，化验结果见表5。

表5 三道井泵站渠道土样化验分析结果表

宁夏水利科学研究院对扬黄灌区土壤盐渍化进行调查，当全盐量<0.046%时，HCO3-> SO42-> Cl-；当0.046%<全盐量<0.074%时，SO42-> HCO3->Cl-；当全盐量>0.074%时，SO42->Cl->HCO3-。

根据三道井泵站、渠道土样化验分析结果，基土中含有大量的硫酸盐、氯化物、镁盐，由于渠道行水渗漏，致使Cl-、SO42-含量达到了对混凝土中-强的侵蚀含量标准，对混凝土产生强腐蚀性。环境水中的硫酸盐、氯盐也构成对混凝土的侵蚀破坏，干湿交替环境加快了混凝土的毁坏[15-16]。根据规范[5]评价标准得出评价结果见表6。