侵蝕性介質(zhì)作用下灌區(qū)泵站混凝土病害檢測評估及應(yīng)用

王榮魯，何蘭超，葉莉莉，馬宏偉

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京，100038；3.水利部安全監(jiān)督司，北京，100053；4.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽合肥，230601）

侵蝕性介質(zhì)作用下灌區(qū)泵站混凝土病害檢測評估及應(yīng)用

王榮魯1,2，何蘭超3，葉莉莉3，馬宏偉4

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京，100038；3.水利部安全監(jiān)督司，北京，100053；4.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽合肥，230601）

以我國西北地區(qū)寧夏鹽環(huán)定揚黃灌區(qū)為例，介紹了西北高鹽地區(qū)硫酸鹽及氯離子侵蝕性介質(zhì)作用下的灌區(qū)泵站混凝土建筑物的運行現(xiàn)狀，針對典型病害進行了檢測，對老化病害現(xiàn)象進行了總結(jié)，分析了產(chǎn)生混凝土病害的原因，提出了有針對性的修補加固建議，同時對續(xù)建加固工程提出了意見及建議，對國內(nèi)類似工程的建設(shè)、運行及管理有一定參考意義。

侵蝕性介質(zhì)；混凝土病害；檢測評估

0　引言

混凝土侵蝕性破壞過程是一個十分復(fù)雜的物理、化學(xué)及力學(xué)變化過程，影響因素多，危害性大，是混凝土耐久性研究的重要內(nèi)容之一。土壤、地下水、海水、腐爛的有機物及工業(yè)廢水中都含有一定量硫酸根離子，它們通過多種途徑傳輸?shù)交炷羶?nèi)部與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)或者直接結(jié)晶析出，使混凝土產(chǎn)生膨脹、開裂、剝落等現(xiàn)象，最終喪失強度和整體性。水利、房屋建筑、道路、海港以及機場等工程中都存在硫酸鹽侵蝕問題，嚴重的會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)在較短時間內(nèi)發(fā)生破壞。我國許多水利水電工程中都存在混凝土硫酸鹽侵蝕問題，尤以黃河中上游的水利水電工程為主，比如，黃河上的八盤峽水電站、大峽水電站，青海朝陽水電站以及甘肅省靖會電力提灌工程和西坌電力提灌工程等都出現(xiàn)了不同程度的混凝土硫酸鹽侵蝕破壞問題[1-3]。我國西部地區(qū)鹽漬土分布廣泛，新疆、青海、西藏、甘肅、寧夏以及內(nèi)蒙古等地均有大面積鹽漬土，而這些鹽漬土里普遍含有大量硫酸根離子（如青海鹽漬土區(qū)硫酸根含量大于4 200 mg∕L），使得這些地區(qū)的一些道路、橋梁、建筑物、地下管道及電線桿塔等僅使用幾年就遭受嚴重侵蝕破壞，不得不進行修復(fù)，造成巨大的經(jīng)濟損失[4-5]。比如，新疆奎屯至賽里木湖高等級公路是國道312線的重要組成部分，其第九合同段位于博州精河縣內(nèi)，全長18 km，其中13.2 km為不良地質(zhì)段，主要類型為硫酸鹽中、強、過鹽漬土，試驗資料表明，硫酸根最高含量達7.98%（取樣深度在1.0 m內(nèi)）。此鹽漬土段構(gòu)造物多達45道（座），結(jié)構(gòu)形式均是淺基礎(chǔ)、墻式臺，這意味著有90座基礎(chǔ)、90座臺身將埋于此種鹽漬土中，因此混凝土硫酸鹽侵蝕研究問題十分重要[6]。青海察爾汗鹽湖是世界上最大干涸鹽湖，地下水位淺，其中硫酸根含量約5 760 mg∕L，從國外的一些文獻報道來看，美國、加拿大、歐洲許多國家也存在很多混凝土硫酸鹽侵蝕的案例[7-8]。此外，氯離子是導(dǎo)致混凝土建筑物鋼筋腐蝕破壞的主要原因，這種破壞主要由外界擴散進入混凝土的氯離子所引起，處于干濕循環(huán)環(huán)境下的海岸混凝土工程及內(nèi)陸高鹽地區(qū)的混凝土建筑物遭受氯離子侵害破壞最為嚴重。因此對硫酸鹽及氯離子等侵蝕性介質(zhì)作用下灌區(qū)泵站混凝土建筑物老化病害現(xiàn)象、成因分析及防治措施的研究，對存在上述病害的工程設(shè)計、施工和管理等均有十分重要的工程意義與現(xiàn)實意義。

1　寧夏鹽環(huán)定揚黃灌區(qū)典型工程檢測

1.1鹽環(huán)定揚黃工程概況[9]

鹽環(huán)定揚黃工程分為共用工程及專用工程，共用工程從寧夏靈武市白土崗鄉(xiāng)西南約2 km處的黃河青銅峽東干渠31+200處引水，揚黃干渠沿東南至老鹽池分水閘，向南至鹽池縣李家大莊，到達甘肅的分水點，向東至牛家口子，到達陜西分水點。工程共布置輸水總干渠123.6 km，泵站12座，最大凈揚程372.65 m。

鹽環(huán)定揚黃工程竣工后經(jīng)10多年的運行，近年發(fā)現(xiàn)泵站廠房結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定程度的老化病害現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為：二泵站、三泵站、四泵站、六泵站、九泵站、十泵站及三道井泵站廠房和柱體裂縫，混凝土剝蝕、鋼筋銹蝕外露，泵房基礎(chǔ)等混凝土嚴重腐蝕及沉降開裂，封閉圈側(cè)墻裂縫滲漏，混凝土的抗?jié)B性較差，滲漏水產(chǎn)生的凍融破壞已引起混凝土剝蝕，造成鋼筋外露和銹蝕等，對泵站廠房混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性造成了較大的影響。

1.2泵站水文地質(zhì)條件

（1）地下水位高，季節(jié)變化大，巖（土）體和水體含鹽量高，水質(zhì)差，對普通水泥具中等～強腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

（2）多建在地勢低洼的地方，地下水徑流條件差，水體靜滯，蒸發(fā)量較大，因此造成地下水礦化度高的現(xiàn)象。硫酸根離子的含量均比較高，對普通水泥具結(jié)晶類硫酸鹽型強腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性，使泵站混凝土構(gòu)筑物產(chǎn)生起砂、掉塊、酥松等腐蝕現(xiàn)象，且管坑中的輸水鋼管腐蝕比較嚴重。

1.3檢測項目

針對每個泵站的實際情況和工程特點，專項檢測內(nèi)容如下：（1）混凝土老化病害普查；（2）混凝土裂縫深度檢測；（3）混凝土碳化檢測；（4）混凝土強度檢測；（5）泵站混凝土底板脫空檢測；（6）鋼筋銹蝕檢測；（7）氯化物侵蝕深度檢測；（8）硫酸鹽侵蝕深度檢測；（9）鋼筋保護層厚度；（10）混凝土的堿含量檢測。

1.3.1混凝土中硫酸根離子含量檢測

鹽環(huán)定揚水工程3號、4號和6號泵站的水質(zhì)分析結(jié)果表明水中SO42-含量較高，對混凝土結(jié)構(gòu)具有強～中等腐蝕性。

水中硫酸鹽對混凝土的侵蝕速度不僅隨水中硫酸鹽濃度增加而加快，還取決于水泥反應(yīng)而推動的硫酸根離子得以補充的速度。當混凝土一側(cè)處于含硫酸鹽水的壓力下，特別當存有滲水通道時，侵蝕速度將更快，同時干濕交替會加快混凝土的毀壞。

受硫酸鹽侵蝕的混凝土表面呈稍白色，損壞通常先從棱角開始，隨后進一步開裂與脫落。硫酸鹽侵蝕與氯離子侵入導(dǎo)致鋼筋銹蝕脹裂作用交互一起，更加速混凝土的破壞。部分破壞現(xiàn)象見圖1、圖2。

圖1　鋼管腐蝕和穿墻處剝蝕Fig.1 Corrosion of the steel pipe

參照SL 352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進行檢測，定量測定混凝土砂漿中硫酸根離子的含量，為評價混凝土內(nèi)部劣化提供依據(jù)。

針對二泵站，在封閉圈、底板及機臺等部位鉆取了芯樣，芯樣直徑為50 mm，長度5～10 cm不等，按照試驗規(guī)程的要求，將芯樣切成薄片，研磨成粉末，測定硫酸根離子的含量，根據(jù)不同深度的硫酸根離子含量，測定硫酸根的侵蝕深度?；炷林械腟O3分為水溶性SO3和酸溶性SO3，但只有溶于水的硫酸根離子才會腐蝕混凝土。因此，本次僅測定水溶性硫酸根離子的含量。

圖2　上游墻體立柱底部受侵蝕破壞Fig.2 Corrosion damage at the bottom of pillar of the upstream wall

從硫酸根侵蝕深度的檢測結(jié)果可以看出，對泵站的立柱下部，水溶性的SO3含量隨距表面深度的增加而逐漸減?。粚炷恋装?，混凝土中水溶性SO3含量隨距表面深度的增加而降低的規(guī)律不太明顯，在距底板表面4 cm處，SO3含量仍有0.48%，說明硫酸根離子的侵入深度較深。

1.3.2混凝土中氯化物侵蝕的檢測

氯鹽對混凝土也有一定破壞作用，如結(jié)晶膨脹和增加凍融破壞等，但氯鹽引起的鋼筋銹蝕破壞通常起主導(dǎo)作用。

為查明鋼筋混凝土中氯離子的含量，可以在混凝土結(jié)構(gòu)上鉆取芯樣，根據(jù)SL 352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行。

針對二泵站，在封閉圈、底板及機臺等部位鉆取了芯樣，芯樣直徑為50 mm，長度5～10 cm不等，按照試驗規(guī)程的要求，將芯樣切成薄片，研磨成粉末，測定氯離子的含量，根據(jù)不同深度的氯離子含量，測定氯化物的侵蝕深度。

按GB∕T 50476-2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》中環(huán)境作用等級劃分規(guī)定，本工程屬于Ⅴ-C，混凝土中氯離子的最大含量不超過0.15%，而本次檢測中底板氯離子最小值為0.26%，平均值為0.4%，其含量均高于0.15%的允許值。對封閉圈墻及立柱直接進行了氯離子深度的檢測，除個別區(qū)域未見氯離子侵蝕外，其他部位混凝土均受到氯離子的侵蝕。

1.4檢測結(jié)論

（1）泵站混凝土結(jié)構(gòu)：上下游圈墻距底板高程以上20 cm高度范圍區(qū)域骨料裸露，混凝土受侵蝕性介質(zhì)破壞，白色析出物較普遍。

（2）混凝土的結(jié)構(gòu)強度：前后封閉圈、左右封閉圈墻強度大于R200的設(shè)計強度。前后立柱強度大于R200的設(shè)計強度。底板強度滿足設(shè)計要求，大于R150的設(shè)計強度，但底板混凝土的離散性很大，一方面混凝土澆筑質(zhì)量不好，混凝土不密實，骨料集中且上下分層，另外受侵蝕性介質(zhì)的腐蝕作用，底板混凝土局部強度較低，小于設(shè)計的強度要求。

（3）混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕情況：立柱鋼筋基本未發(fā)生銹蝕?？拷装甯浇?，局部鋼筋出露，已發(fā)生銹蝕。

（4）混凝土裂縫情況：上下游圍墻典型裂縫均較深，墻體沿豎向基本貫穿，有些裂縫滲水，裂縫對泵站結(jié)構(gòu)的整體性、防滲性及耐久性影響較大。

（5）混凝土碳化情況及鋼筋保護層厚度：混凝土碳化深度約20 mm，鋼筋保護層的厚度平均約25 mm，目前碳化深度小于鋼筋保護層厚度，鋼筋未發(fā)生大面積銹蝕。但由于碳化深度已比較接近或在局部已達到鋼筋保護層厚度，為防止碳化的進一步發(fā)展，有必要盡快對封閉圈及立柱進行防碳化處理。

（6）混凝土受硫酸鹽及氯鹽侵蝕情況：硫酸根侵蝕深度的檢測結(jié)果表明，對泵站的立柱下部，水溶性的SO3含量隨距表面深度的增加而逐漸減??；對混凝土底板，混凝土中水溶性SO3含量隨距表面深度的增加而降低的規(guī)律不太明顯，在距底板表面4 cm處，SO3含量仍有0.48%，說明硫酸根離子的侵入深度較深，對混凝土造成的腐蝕范圍較大。

底板氯離子含量均高于0.15%的允許值。對封閉圈墻及立柱直接進行了氯離子深度的檢測，除個別區(qū)域未見氯離子侵蝕外，其他水位變化區(qū)及以下部位的混凝土均受到氯離子的侵蝕。

2　泵站混凝土病害產(chǎn)生原因分析

通過檢測發(fā)現(xiàn)泵站混凝土結(jié)構(gòu)存在著不同程度的老化和病害，經(jīng)分析，造成混凝土結(jié)構(gòu)老化與病害的主要原因如下：

（1）工程所在地區(qū)為寒冷干旱地區(qū)。在此條件下，一方面容易因溫度應(yīng)力產(chǎn)生溫度裂縫，干濕循環(huán)易引發(fā)鋼筋銹蝕，另一方面，冬季低溫易引起混凝土的凍融破壞。

（2）對泵站混凝土結(jié)構(gòu)，硫酸鹽的腐蝕與凍融破壞交織在一起，凍融破壞加速硫酸鹽的侵蝕，硫酸鹽侵蝕后的混凝土也更容易產(chǎn)生凍融破壞。

（3）泵站地勢低洼，地下水徑流條件差，大多數(shù)泵站廠房基底布置在中等風(fēng)化砂巖和微風(fēng)化泥巖上，排水困難，水體靜滯，蒸發(fā)量較大，地下水礦化度高，硫酸根離子的含量較高，對普通水泥具結(jié)晶類硫酸鹽型強腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

（4）泵站主體結(jié)構(gòu)建于20世紀80年代，限于當時條件，工程建設(shè)采用的建筑標準普遍偏低，如混凝土的強度等級、抗凍等級等不滿足現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》的要求。

（5）混凝土的施工質(zhì)量不好，均勻性較差。經(jīng)過查看相關(guān)設(shè)計資料和施工資料，水灰比偏大，僅摻加減水劑，沒有摻加任何引氣劑，加上水灰比偏大，不可能達到設(shè)計提出的F100抗凍要求。

3　意見及建議

3.1泵站的修補加固建議

鑒于每個泵站的水文地質(zhì)條件、主要病害具有共同之處，建議采用下列的方式進行處理加固：

針對泵站前池混凝土襯砌破壞嚴重，混凝土脫空、剝落、裂縫，伸縮縫止水局部失效，應(yīng)首先對泵站前池進行處理。處理方案是：鑿除破壞的混凝土，清理干凈后插錨筋、澆筑混凝土，做好伸縮縫間的止水。對前池的裂縫進行化學(xué)灌漿處理，灌漿材料選用聚氨酯類灌漿材料。

泵站封閉圈墻的前、后墻存在較多裂縫，且多為貫穿性裂縫，應(yīng)采用化學(xué)灌漿的方法進行處理，用聚氨酯材料或環(huán)氧樹脂類灌漿材料。

對泵站進行降水處理，在前池附近布設(shè)一個集水井、在后管坑周圍布設(shè)2個集水井，使地下水位降至泵房底板高程以下，減少基礎(chǔ)與地下水的接觸。

底板剝蝕部位的處理：將剝蝕部位或脫空的底板進行鑿除直至新鮮混凝土面，當剝蝕或脫空深度小于3 cm時，用水沖洗干凈基面，然后涂刷界面劑，鋪設(shè)聚合物水泥砂漿至底板高程；當剝蝕深度大于3 cm時，鑿除至新鮮混凝土且鑿除深度不小于15 cm，然后用水沖洗干凈基面，然后涂刷界面劑，澆筑C20混凝土，采用抗硫酸鹽水泥。

3.2未來更新改造設(shè)計及施工建議

鑒于此類大型灌區(qū)還要進行相關(guān)更新改造及擴建工程，故提出以下建議，以提高工程的耐久性。

（1）提高設(shè)計標準，高度重視混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性?；炷两Y(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅要考慮混凝土的強度，更應(yīng)重視其耐久性，提高混凝土的抗凍性和抗?jié)B性。

（2）泵站工程周圍地下水硫酸根離子及氯離子的含量均比較高，對普通水泥具結(jié)晶類硫酸鹽型強腐蝕性。在設(shè)計時應(yīng)在混凝土結(jié)構(gòu)的表面采取專門的防腐蝕措施，預(yù)防在前，否則，一旦發(fā)生硫酸鹽侵蝕，防治難度較大。

（3）工程所在區(qū)域按凍融環(huán)境劃分屬于嚴寒地區(qū)（當?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁?8℃以下），設(shè)計中應(yīng)充分重視混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性能，采取適當?shù)目箖龅燃壱螅ㄗh采用F200，同時控制混凝土的水灰比不大于0.50，提高混凝土的密實性和防滲性。

（4）注重原材料的優(yōu)選和檢測。選取水泥等級一般不低于32.5，在有腐蝕性水體或水位變化區(qū)選用抗硫酸鹽水泥，拌和混凝土和砂漿用水不得采用氯離子超標的當?shù)睾铀?/p>

（5）摻外加劑。摻外加劑可顯著改善混凝土的性能。

（6）對運行管理的建議。混凝土在使用期間，周邊環(huán)境和載荷作用都會隨時間發(fā)生變化，各種人為或自然產(chǎn)生的老化病害是不可避免的。對此，應(yīng)以預(yù)防為主，建立定期檢測、保養(yǎng)及維護制度。建立科學(xué)的管理體系，發(fā)現(xiàn)問題及時維修、加固，防止病害進一步惡化。

[1]王柏源,詹學(xué)易,裴端寧.壩基可疑病態(tài)——混凝土硫酸鹽侵蝕問題的研究與診斷[J].大壩與安全,1994(1):31-34.

[2]亢景富.混凝土硫酸鹽侵蝕研究中的幾個基本問題[J].混凝土,1995(3):9-18.

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[4]王鎧,龐錦娟.論水、土中硫酸鹽對混凝土結(jié)晶腐蝕的氣候與評價[J].勘察科學(xué)技術(shù),2007(1):34-38.

[5]馮乃謙,邢鋒.混凝土與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[6]馬宏威,張雷,林學(xué)瑋,等.硫酸鹽對橋涵基礎(chǔ)混凝土的侵蝕分析及預(yù)防措施[J].東北公路,2003,26(2):119-121.

[7]Santhanam M,Cohen M D,Olek J.Sulfate attack re?search-Whither now[J].Cement and Concrete Research, 2001,31(6):845-851.

[8]Neville A.The confused world of sulfate attack on concrete [J].Cement and Concrete Research,2004,34(8):1275-1296.

[9]寧夏水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司.陜甘寧鹽環(huán)定揚黃續(xù)建工程公用部分初步設(shè)計報告[R].2009.

[10]GB∕T 50476-2008,混凝土耐久性設(shè)計規(guī)范[S].

作者郵箱：wangrl@iwhr.com

三峽水庫今年175 m試驗性蓄水正式啟動

據(jù)國際電力網(wǎng)根據(jù)國家防總批復(fù)，9月10日零時，三峽水庫2016年175 m試驗性蓄水在承接前期實時運用水位的基礎(chǔ)上正式啟動。這也是三峽水庫的第九次175 m試驗性蓄水。

今年前期7、8月份，三峽入庫流量分別為26 800 m3∕s和19 000 m3∕s，較多年均值分別偏枯10.7%和32.6%。面對前期來水偏枯，上游水庫群同期蓄水的不利形勢，三峽樞紐管理局8月初便提早準備，在往年蓄水經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，考慮上游溪洛渡、向家壩、三峽聯(lián)合蓄水要求，以及后期來水預(yù)報等情況，首次編制了《溪洛渡、向家壩、三峽水庫2016年聯(lián)合蓄水方案》，并報送長江防總。

8月24日，三峽集團與長江防總及長江水利委員會有關(guān)單位就2016年溪洛渡、向家壩、三峽聯(lián)合蓄水事宜進行了交流，對今年蓄水面臨的困難和有關(guān)措施達成一致意見。8月29日，水利部組織國家防總、長江防總、三峽集團召開會議，研究討論三峽水庫2016年汛末蓄水工作。8月31日，國家防總正式批復(fù)了三峽水庫2016年175 m試驗性蓄水實施計劃;長江防總批復(fù)了溪洛渡、向家壩2016年聯(lián)合蓄水方案。9月2日，三峽樞紐管理局組織有關(guān)單位召開了流域梯級水庫蓄水協(xié)調(diào)會，傳達了國家防總和長江防總的批復(fù)意見，部署安排了蓄水相關(guān)工作。

當前，三峽水庫水位較近幾年同期偏低，三峽以上水庫群待蓄水量較大，并且預(yù)報9、10月份來水較多年均值偏枯較多，三峽水庫蓄水形勢比較嚴峻。尤其今年是三峽工程整體竣工驗收之年，水庫蓄至175 m具有重要意義。后期蓄水過程中，三峽集團將積極保持與國家防總、長江防總、交通運輸部、國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等部門的溝通協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)好溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫的蓄水進程、發(fā)電計劃和船舶過閘等工作，同時加強樞紐建筑物、機組設(shè)備設(shè)施、水庫泥沙、水質(zhì)、地質(zhì)地震等方面的監(jiān)測與巡檢，力爭2016年溪洛渡、向家壩、三峽三庫蓄水目標順利實現(xiàn)。

Title:Disease detection and assessment of concrete of pumping station in corrosive medium

by WANG Rong-lu,HE Lan-chao,YE Li-li and MA Hong-wei∕China Institute of Water Resources and Hydro?power Research

This paper introduces the operation status of concrete structure of irrigation pumping station with the effect of sulfate and chloride ions in Yanhuanding irrigation area,Ningxia province,Northwest China.Typical diseases are detected,phenomenon of aging diseases are summarized and multiple causes for the diseases of concrete are also analyzed.Accordingly,treatment measures and suggestions are proposed,for reference.

corrosive medium;concrete disease;detection and evaluation

TV698.2

B

1671-1092（2016）04-0048-04

2016-05-12

王榮魯（1979-），男，山東臨沂人，工學(xué)碩士，高級工程師，從事水工混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測評估及邊坡穩(wěn)定性分析工作。