水庫過機泥沙特性研究初探

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1 研究目的

根據(jù)測算，長江上游江水中的含沙量約為1.2 kg/m3，每年通過三峽電站壩址的沙量超過了5億t。在三峽工程未建前，這些泥沙大量淤積在曲折的荊江河段，抬高了河床水位，并威脅到整個江漢平原和洞庭湖平原的安全。三峽水庫形成后，受水勢變緩和庫尾地區(qū)回水影響，泥沙必然會在水庫內(nèi)尤其是壩前和庫尾(回水的影響)淤積。三峽水庫庫區(qū)淤積平衡后，含有各種粒徑懸移質(zhì)泥沙的水流將對三峽水電站機組產(chǎn)生沖蝕磨損。

為減緩長江含沙水流對三峽電站機組的磨損，對三峽水庫淤積情況及過機泥沙變化特性開展了研究。

2 庫區(qū)水沙特性

三峽水庫入庫流量采用北碚+武隆+朱沱站流量，黃陵廟(陡)站位于三峽大壩下游12 km，為三峽水庫出庫水文站；廟河站位于三峽大壩上游14 km，為庫區(qū)壩址水文站。

2012年主汛期，受長江上游流域持續(xù)強降雨的影響，三峽水庫上游多次發(fā)生洪水。7月份發(fā)生3次洪水過程，其中出現(xiàn)在7月24日的入庫洪峰流量達71 200 m3/s，這也是三峽水庫建庫9 a來最大洪峰。根據(jù)防洪調(diào)度要求，其時三峽水庫下泄流量為40 000～45 000 m3/s，可大幅度減輕長江中下游的防洪壓力。

相比2003～2011年的多年平均徑流量，2012年黃陵廟(陡)站的年徑流量增加了19.1%。年輸沙量略低于2003～2011年的多年平均輸沙量，減小了3.6%，但比2008～2011年的輸沙量大(見圖1)。

圖1 2003～2012年黃陵廟(陡)站徑流量與輸沙量過程線

3 研究內(nèi)容

3.1 研究方案

(1) 取樣時間。選擇2012年入庫流量為30 000、40 000、50 000、60 000 m3/s(或相應沙峰附近)時連續(xù)取樣3 d，每天取樣1次。根據(jù)實際情況，分別在2012年7月6～8日(入庫流量60 000 m3/s)、10～12日(入庫流量50 000 m3/s)、27～29日(入庫流量40 000 m3/s)和2012年9月4～6日(入庫流量30 000 m3/s)來監(jiān)測泥沙的過機過程。

(2) 取樣部位。主要為1、13、19、24號和26號機組，地下電廠28、31號機組。每臺機組選擇3個取樣點，即引水口、渦殼門以及錐管門。取樣時，由三峽電廠技術人員現(xiàn)場確定具體位置。在引水口，根據(jù)具體情況選擇在YZL 01斷面(三峽大壩上游約130 m)取樣。

(3) 研究項目。主要包括懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)特征粒徑、水溫及巖性分析。

3.2 研究方式

(1) 現(xiàn)場測定。水溫計現(xiàn)場測定水溫，采用LISST現(xiàn)場測沙儀測定引水口含沙量。

(2) 室內(nèi)分析。用Mastersizer2000激光粒度分布儀分析樣品特征粒徑，對各渦殼門及錐管門，采用傳統(tǒng)稱重法分析測定含沙量。

(3) 巖性分析。運用X-射線粉末衍射儀(Fe靶)分析測定各泥沙樣品的主要礦物成分；采用掃描電鏡分析各泥沙樣品的外觀。

4 過機泥沙分布特性

4.1 機組入口區(qū)泥沙分布特性

圖2 各機組引水口對應測驗垂線及壩前水深相對位置示意

采用LISST現(xiàn)場測沙儀，對電廠機組入口區(qū)(測驗斷面位于引水口上游約130 m)不同水深處的懸移質(zhì)含沙量進行監(jiān)測。測驗斷面處各機組對應垂線水深與機組進水口處(壩前)水深不同，由于左、右岸電廠機組進水口底板高程低于地下電廠機組進水口底板高程，因此各機組進水口對應各垂線的相對水深也不同(見圖2)。測驗期間壩前水位150～163 m(吳淞高程)，以壩前水位163 m為例，1號機組進水口對應測驗垂線上的位置為河底，因此主要是垂線底部的泥沙進入機組。對于13號機組，主要是垂線中部的泥沙進入機組。19、24、26號機組對應的測驗垂線處為原上游RCC擋水圍堰拆除后的殘余部分，根據(jù)19、24號機組進水口對應壩前水深的相對位置，泥沙主要是從垂線中下部進入機組。對于26號機組，泥沙主要是從垂線的下部進入機組。地下電廠28、31號機組的進水口對應測驗垂線上的位置和對應壩前水深的相對位置則比較一致，主要都是垂線中下部的泥沙進入機組。

測驗期間，引水口斷面各機組對應位置的含沙量在0.013～1.22 kg/m3之間變化，其泥沙垂向分布符合一般規(guī)律，即水面含沙量小，河底含沙量大，其中大壩靠右岸的機組對應位置的垂線底部含沙量與水面含沙量的比值，要大于靠左和中部位置的比值，說明大壩靠右岸的機組泥沙垂向分布更不均勻。9月份，由于三峽水庫開始蓄水，壩前引水口含沙量大為減小。根據(jù)各機組對應壩前取樣垂線相對位置，1、26、28、31號機組進水口底板高程已處于對應壩前垂線的底部或下部，含沙量比值均較大。

4.2 過機泥沙研究要素

(1) 輸沙量過程變化。每年匯入三峽入庫水流挾帶了大量泥沙，但由于水庫綜合調(diào)度，導致泥沙和水流的波動二相性發(fā)生一定改變，即懸移質(zhì)泥沙運動中的過程變化要滯后于流量過程變化。

清溪場斷面位于烏江下游12 km處，萬縣斷面位于萬利鐵路大橋下游600 m處，廟河位于三峽大壩上游約14 km處。以清溪場、萬縣、廟河2012年實測水沙成果為例，清溪場和萬縣輸沙量隨著入庫流量的變化發(fā)生相應變化，且稍緩于流量的變化，趨勢基本一致；7月份，當入庫流量在25 000～55 000 m3/s之間變化時，廟河輸沙量也隨之發(fā)生變化，不僅緩于入庫流量的變化，也稍緩于清溪場和萬縣的輸沙量變化；進入9月份后，入庫流量雖有較大的變化而且還出現(xiàn)明顯的來水過程，但廟河輸沙量一直維持較低值，這是三峽水庫蓄水所致。

(2) 懸移質(zhì)含沙量。各機組渦殼門和錐管門的含沙量一般均大于壩前各機組進水口對應的垂線平均含沙量。1號和26號機組在含沙量較大時更加突出，說明其受地形影響，對應壩前垂線下部或底部的泥沙進入機組后過壩。其他機組的略大，應是其對應壩前垂線中下部分的泥沙進入機組后過壩。另外，靠近大壩中段的13～26號機組含沙量略大，也與其為三峽電廠及泄水建筑物的主要運用段(過壩水流集中段)有關。而泥沙隨水流進入各機組后，渦殼門和錐管門的含沙量無明顯的變化。

(3) 懸移質(zhì)特征粒徑。2012年7月入庫流量變化很大，經(jīng)過三峽水庫的調(diào)節(jié)，出庫流量保持在39 800～45 400 m3/s之間，各次監(jiān)測的懸移質(zhì)平均粒徑均無較大的變化。9月，上游入庫含沙量減小，增加了壩前水流的挾沙能力，造成此時過機組泥沙的平均粒徑加大。2012年各次監(jiān)測的懸移質(zhì)中值粒徑均比較穩(wěn)定，大部分在0.007～0.009 mm之間，9月份相對大一些，也與此時含沙量相對較小、壩前水流挾沙能力增加有關。2012年7月入庫流量較大，最大粒徑值在0.15～0.30 mm之間。各次監(jiān)測的懸移質(zhì)最大粒徑值并不穩(wěn)定，壩前垂線最大粒徑一般大于渦殼門、錐管門的最大粒徑，說明部分較大顆粒的泥沙未進入機組，而沉降后淤積在壩前。9月份含沙量較小，但壩前垂線最大粒徑值出現(xiàn)大于7 月份的情況，渦殼門、錐管門的懸移質(zhì)最大粒徑值也大于7月份，這也說明由于上游入庫含沙量減小后，壩前水流挾沙能力增強，較粗的泥沙顆粒開始過壩。

4.3 巖性分析

將收集的泥沙樣品通過X射線衍射實驗，可測定各樣品的主要礦物成分。結(jié)合泥沙礦物成份和硬度分析(XRD)及泥沙礦物形狀分析(SEM)，將2011年和2012年泥沙大硬度礦物成分含量最多的機組進行比較，見表1。

表1 2011年與2012年典型機組泥沙礦物成分比較表 %

與2011年相比，2012年硬度較大的石英和鈉長石的含量有一定程度的減少，但硬度較小的伊利石和綠泥石的含量卻有較大增加。同時石英斷口顆粒出現(xiàn)的機組雖較2011年相比也有所減小，但其出現(xiàn)了貝殼狀斷口，說明泥沙礦物對機組的磨損有所減弱，但還是存在一定程度的磨損。

5 結(jié)論與建議

2012年發(fā)生了三峽水庫成庫以來的最大入庫流量且持續(xù)時間較長，出庫水量與多年平均相比增加了19.1%，出庫懸移質(zhì)輸沙量與多年平均相比減小3.6%，但比2008年后的幾年要大。入庫泥沙經(jīng)長距離輸移，粗粒徑泥沙沿程落淤，到達壩區(qū)的泥沙已明顯細化。通過三峽電廠機組的泥沙為懸移質(zhì)泥沙，過機泥沙礦物成分因產(chǎn)生入庫洪水的組成不同而存在一定的差異。

2012年7月，過機泥沙平均粒徑、中值粒徑、最大粒徑分別為0.007～0.009、0.013～0.015、0.15～0.30 mm，略小于2011年過機泥沙的相應值；但是2012年9月份過機泥沙最大粒徑值出現(xiàn)了大于7 月份的情況，與汛末期壩前水流挾沙能力增強、較粗的泥沙顆粒開始過壩有關。

靠近大壩中段的13～26號機組與兩邊機組的入口區(qū)相比，其含沙量略大，原因是該段為三峽電廠及泄水建筑物的主要運用段，即過壩水流集中段；1號和26號機組的進水口接近壩前相對水深下部，其過機泥沙為對應壩前垂線下部和底部的泥沙。

過機泥沙以粘土片層為主，主要含有伊利石、石英、綠泥石及白云石；2012年，硬度較大的石英和鈉長石的含量較2011年有一定程度的減少，但硬度較小的伊利石和綠泥石的含量較2011年有較大增加，同時石英斷口顆粒出現(xiàn)的機組較2011年也有所減小。2012年，三峽水庫過機泥沙的硬度大于5的泥沙平均含量為23.42%，均小于2011年的含量25.93%和2010年的含量29.57%，呈逐年遞減趨勢。