吐魯番煤窯溝第一人民渠破壞機理及防范措施

胡海濤

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

【關鍵詞】渠道；破壞機理；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%，第一人民渠承擔著煤窯溝河主要引水任務，為吐魯番市農業發展做出了極大貢獻。

第一人民渠修建于1955年，全長30.8km，襯砌型式為干砌卵石灌漿，斷面結構型式為梯弧形，設計引水流量15m3/s。第一人民渠距今已運行60余年，渠道破損較為嚴重，輸水滲漏損失較大，隨著節水型社會的建設以及最嚴格水資源管理制度的實施，對第一人民渠的加固改造也在逐步實施。

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，結構穩定等優點，尤其適用于吐魯番渠道縱坡較大，水流泥沙含量高的特點。近年來第一人民渠逐漸出現砌石之間的漿體松散脫落現象，除渠道底部漿體受磨損脫落外，渠道邊坡同樣出現類似現象，并且隨著漿體的松散脫落，一同砌筑的卵石也逐漸松動，致使渠道逐漸破壞，部分渠段甚至失去使用功能。

2、地質概況

煤窯溝第一人民渠大部分處于煤窯溝河右岸的Ⅲ級階地上，地形平緩，北高南低，地形坡降3.3%。表層巖性為中更新統～全新統沖洪積物（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沖洪積（Q3al+pl）含漂石的砂卵礫石層，厚度較大，結構中密～密實，為泥質微膠結，局部泥鈣質弱膠結，天然密度2.15～2.53g/cm3。渠基砂礫石層在0～1.5m范圍內易溶鹽含量較高，之后隨著深度的增加易溶鹽含量急劇減小，根據土樣化驗結果，硫酸根離子最大含量為6.7g/L，鎂離子0.2 g/L，對混凝土有腐蝕性。

3、破壞機理

第一人民渠基礎為透水性較強的砂礫石層，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，對渠道破損的漿體取樣進行掃面電鏡，從內部微觀結構分析其侵蝕產物、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行電鏡微觀測試。兩組試件漿體均比較松散，水泥石疏松掉渣比較嚴重，表面有很嚴重的白色晶體富集，這主要是由于鹽分結晶造成，成為產生侵蝕的因素。

3.2 侵蝕破壞機理

分別對兩組試件分別進行電鏡及能譜微觀測試，第一人民渠侵蝕破壞原因為石膏結晶型和MgSO4溶蝕-結晶型兩種。兩組試件電鏡圖。

（1）石膏結晶型

兩組試件白色鹽類結晶的背面所照電鏡照片可以看到大量的侵蝕產物石膏，從能譜圖元素量峰值可以看出，該塊狀結構的主要元素構成為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。當侵蝕溶液中硫酸根離子的濃度大于1g/L時，若水泥石的毛細孔為飽和石灰溶液所填充，不僅會有鈣礬石生成，而且還會有石膏結晶析出。水泥石內部形成的二水石膏體積增大1.24倍，使水泥石因內應力過大而破壞。根據濃度積規則，只有當SO42-和 Ca2+的濃度積大于或等于CaSO4的濃度積時才能有石膏結晶析出，顯然侵蝕溶液中SO42-濃度和毛細孔中的石灰溶液濃度具有重要意義。根據試件表層松散掉渣的情況分析，本次侵蝕破壞石膏結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，這與渠道基礎土體易溶鹽含量（SO42-含量6g/L）的分析結果相吻合，該侵蝕使得試件沒有粗大裂紋但遍體遺散。

（2）硫酸鎂侵蝕結晶型

根據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，二者相互疊加構成嚴重的復合侵蝕，這種反應生成的石膏晶體或鈣礬石晶體會引起混凝土體積膨脹產生內應力，同時反應將CH轉化成MH，降低了水泥石系統的堿度，破壞了C-S-H水化產物穩定存在的條件，使C-S-H等水化產物分解造成混凝土強度和粘結性的損失，進而使混凝土產生破壞。.

4、防范措施

由以上分析可以看出，導致渠道混凝土漿液破壞的原因為硫酸鹽侵蝕破壞，其內因主要是水泥石水化鋁酸鈣、Ca（OH）2和毛細孔，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）優先選擇抗硫酸鹽水泥或摻堿性混合料水泥品種。根據混凝土工程或卵石灌漿工程所處的侵蝕環境的特點，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。抗硫酸鹽水泥配制混凝土的出發點或原理是基于硫酸鹽對混凝土的侵蝕實質是硫酸鹽對水泥的侵蝕，因此只要減少和控制硅酸鹽水泥熟料中的C3S和C3A，達到減少Ca（OH）2和CAH的目的，就可以生產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時效果降低，抗蝕齡期縮短。摻堿性礦渣混凝土具有優異的抗硫酸鹽侵蝕能力，當采用火山灰質或粉煤灰摻料與抗硫酸鹽水泥聯合使用時，配制的混凝土對抗硫酸鹽侵蝕有顯著的效果，摻硅粉等超細混合材的混凝土，其抗硫酸鹽侵蝕能力也大大提高。

（2）提高混凝土密實度

混凝土的抗滲性和抗侵蝕性具有密切相關性，提高混凝土密實度無疑有利于提高抗侵蝕性，混凝土的高密實度在耐久性方面表現為既有高抗滲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性，施工中應有效降低水灰比，避免多余的水分蒸發后形成連通的孔隙，使侵蝕介質容易滲入水泥石的內部從而加速侵蝕的產生。

（3）與侵蝕介質隔離

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險，同時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，應根據不同環境采取不同措施，或依據試驗綜合確定防范措施，以提高混凝土的抗侵蝕能力，延長混凝土結構的耐久性。

5、結論

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