地下水对胶东引黄调水工程输水管道的腐蚀性影响评价

刘丰铭，金 丽，李庆国，孙 翀，赵汝鹏，杨文泰，武 玮

(1.济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250022；2.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；3.山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250013；4.水发规划设计有限公司，山东 济南 250100)

胶东引黄调水工程是一项具有战略性意义的水资源调配工程，同时也是一项重大的保障性的民生工程，输水管道建成后，通过优化配置水资源，缓解了胶东半岛缺水的局面，为山东省烟台、威海市的经济发展提供了水利保障[1]。截至目前，胶东引黄调水工程已经通水运行5 a，工程运行对沿线地下水系统带来了一定的影响，同时由地下水环境带来的沉降、塌陷、浮托、突涌，尤其对混凝土结构的物理化学浸蚀的潜在风险也在逐渐地增加。为了减少、避免或消除沿线地下水给工程运行管理带来的各种影响，降低工程运行成本，需要针对胶东引黄调水工程穿越区地下水环境状况可能对工程产生的不利影响进行研究，调查研究地下水位、水质状况，分析可能对调水工程产生的不利影响，为提出切实可行的对策措施，保障胶东引黄调水工程安全、长效运行提供支撑。

混凝土管道具有较好的承载和防腐能力，在城市建设中始终发挥着越来越大的作用[2]。由于地下水环境对钢筋混凝土具有腐蚀作用，因此在水利工程中钢筋混凝土等构造物的维修费用是一项巨大的经济支出[3]，例如，在1922年，占美国债务6%份额的各类混凝土结构物的维修费高达2.6×1011美元[4]。我国目前没有足够严格的调查数据，如果按占国内生产总值(GDP)2%～4%份额来进行推算，我国历年因钢筋混凝土结构腐蚀维修导致的经济支出的金额为1.7×1011～3.5×1011元[5]。据不完全统计，因钢筋混凝土尤其是地下管道的腐蚀而导致的经济损失在所有腐蚀造成的经济损失中占有相当大的比例[6]。早在200 a前，国外学者就认识到水对钢筋混凝土有腐蚀作用，特别是对输水管道的腐蚀作用尤为明显，主要是由地下水和土壤中离子侵蚀作用所导致[7]。在19世纪初，国外学者维卡首次提出水中硫酸盐对混凝土具有腐蚀性，后来英、法、日、德、前苏联等国家的学者先后在实验室及室外进行了大量研究和试验[8]。我国学者对钢筋混凝土受地下水腐蚀性研究较少，资料不足，为了削弱地下水对钢筋混凝土的腐蚀性作用，延长地下混凝土输水管道的使用寿命，亟需对地下水对钢筋混凝土结构的腐蚀问题进行深入研究[9]。

为了研究地下水对混凝土输水管道的腐蚀情况，本文中选择胶东引黄调水工程烟台—威海段的暗渠和管道段进行地下水腐蚀性分析评价，采用统计产品与服务解决方案(SPSS)软件进行分区段水质统计分析，根据相关标准进行腐蚀等级评定，确定不同区段的地下水腐蚀性影响程度。

1 研究区域概况

胶东引黄调水工程位于山东省域内，地上段从滨州市博兴县打渔张引黄闸起，至潍坊市昌邑市宋庄镇后分水，直到烟台市龙口黄水河泵站；地下段从黄水河泵站开始，直至威海市文登区米山水库，此段通过管道、隧洞、暗渠等输水。工程输水线路总长482.4 km，考虑到明渠段在输水期间主要作为地下水的补给源，因此本文中不对明渠段进行研究。

鉴于地下水对胶东引黄调水工程混凝土管道的腐蚀性影响，本文中主要研究区段为烟台龙口黄水河泵站—威海文登米山水库段(烟威地区)，输水工程采用压力管道、隧洞和暗渠输水，全长149.88 km，依次经过黄水河泵站、温石汤泵站、高疃泵站、星石泊泵站、米山水库这5个站点，工程输水管道、暗渠材质类型如图1所示。

图1 胶东引黄调水工程输水管道、暗渠材质类型

2 地下水水环境分析

2.1 水质指标选取

2.2 水质分析

考虑到各区段地下水离子浓度的不同，因此取不同区段的地下水离子浓度最大值进行评定。根据具体地区地下水离子浓度数据，分别对输水管道地下水水质状况进行统计，结果见表1。

表1 胶东引黄调水工程各区段输水管道地下水水质状况统计结果

3 地下水对输水管道腐蚀性影响评价

针对地下水化学特性对混凝土、钢结构工程造成腐蚀破坏，从而造成混凝土工程强度降低或结构破坏，影响工程安全的问题，在黄水河泵站—米山水库段(烟威地区)穿越区内，在不同渠段和重点部位中选择典型断面和部位，根据周边地下水质状况分析的结果，从水化学角度对地下水对胶东引黄调水工程输水管道腐蚀的影响进行评价，从而进行地下水对输水管道腐蚀等级的评定。

3.1 评价标准选取

参考相关国家标准或规范以及专家学者对供水工程评价指标和指标体系的研究，结合胶东引黄调水工程实际情况，将地下水水质和地下水环境对研究区段输水管道腐蚀影响评价标准分为4个评价等级，即有极强不利影响、有不利影响、有微弱影响、基本无影响。4个评价等级对应4个腐蚀程度，每个地区的综合评价等级依据最高腐蚀程度定级。腐蚀等级按腐蚀程度分为极强腐蚀、中等腐蚀、微弱腐蚀、基本无腐蚀4个等级。地下水环境分为以下3类：Ⅰ类水环境，处于强透水层；Ⅱ类水环境，处于弱透水层且伴有干湿交替作用；Ⅲ类水环境，也处于弱透水层，但不具有干湿交替作用。

地下水对研究区段输水管道的腐蚀程度由输水管道所在地的地下水环境以及地下水中腐蚀性离子浓度所决定。本文中的评价标准按照GB 50021—2001中地下水腐蚀性评价标准进行等级评估。选取分别考虑受环境类型影响与受地层渗透性影响时地下水对混凝土结构进行腐蚀评价，评价标准如表2—4所示。需要说明的是：1)标准数值适用于干湿交替作用，如果没有干湿交替作用，则表中标准数值应为原标准的1.3倍；2)标准数值适用于不冻区，若在冰冻区则表中标准数值是原标准的80%，若在微冻区则表中标准数值是原标准的90%[13]。

表2 结晶性腐蚀评价标准

表3 分解性腐蚀评价标准

表4 结晶分解性腐蚀评价标准

混凝土中的钢筋主要受地下水中Cl-的含量、地下水环境干湿状态等影响，地下水水质和地下水环境对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀性评价标准见表5。

表5 地下水对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀性评价标准

表6 地下水对钢结构腐蚀性评价标准

根据地下水实际条件并结合气候与地理位置可以综合判定地下水环境所属类别。本文中以地下水中离子浓度最大值进行评价，结合当地地下水考察及地理位置综合判定，研究区域场地地下水环境临水且干湿交替，因此本文中将其定为Ⅱ类水环境，即处于弱透水层，同时伴有干湿交替作用。具体的地下水环境的分类评价标准见表7。

表7 地下水环境的分类评价标准

3.2 评价结果

根据表2—7中的评价标准，结合研究区段地下水环境类别、地下水水质分析结果，分别进行地下水对研究区段混凝土输水管道的结晶性、分解性、结晶分解性腐蚀评价，地下水对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀评价以及地下水对钢结构的腐蚀评价。

最后通过水质分析，对黄水河泵站—米山水库段地下水腐蚀性离子进行评估，评价结果见表8、9。从表中可以看出：胶东引黄调水工程从黄水河泵站到文登区的米山水库接管点，各区段地下水水质与地下水环境对混凝土基本无腐蚀性；混凝土中钢筋因受到地下水水质和环境的影响而受到弱腐蚀；地下水水质和环境对钢结构的腐蚀程度为微弱腐蚀。

表8 胶东引黄调水工程各区段输水管道地下水对混凝土腐蚀评价结果

表9 胶东引黄调水工程各区段输水管道地下水对混凝土中钢筋、钢结构腐蚀评价结果

4 结论

经过对不同区段地下水水质、水环境的分析并进行腐蚀等级的评估，可以得出胶东引黄调水工程黄水河泵站—米山水库段地下水对混凝土的腐蚀等级为基本无腐蚀；混凝土中钢筋受到地下水的影响而造成的腐蚀为微弱腐蚀；钢结构受到地下水影响而导致腐蚀为微弱腐蚀。综上所述，黄水河泵站—米山水库段地下水对输水管道以及暗渠的钢筋混凝土和钢结构仅有微弱影响。由于该区段地下水对输水管道具有微弱腐蚀性，因此不仅要对该区段输水管道用沥青或者树脂在接触面进行包裹防腐，而且还要进行场地降水、排水换土等防护工作。