不同介質(zhì)對(duì)三峽河段泥沙沉降特征影響的比較分析

江玉姣 彭春蘭 葉德旭

(長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江三峽水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 湖北 宜昌 443000)

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不同介質(zhì)對(duì)三峽河段泥沙沉降特征影響的比較分析

江玉姣 彭春蘭 葉德旭

(長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江三峽水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 湖北 宜昌 443000)

為了研究不同分析介質(zhì)對(duì)三峽壩前泥沙沉降特征的影響，分別采用實(shí)驗(yàn)室分析用水和現(xiàn)場(chǎng)斷面水，對(duì)三峽水庫(kù)近壩斷面泥沙進(jìn)行分析，比較同一點(diǎn)沙樣級(jí)配、沉速及相應(yīng)特征值。結(jié)果表明，由于現(xiàn)場(chǎng)斷面水與實(shí)驗(yàn)室純水的性質(zhì)有一定差異，且現(xiàn)場(chǎng)水沙條件與室內(nèi)分析環(huán)境相差較大，不同分析介質(zhì)中的泥沙級(jí)配及沉速均存在較大差異。

壩前泥沙；泥沙分析；級(jí)配；沉降特征；三峽水利樞紐

1 研究背景

三峽水庫(kù)蓄水至175 m后，庫(kù)區(qū)河道水深、過(guò)水面積進(jìn)一步增加，流速大幅減小，水流挾沙能力減弱，水沙運(yùn)動(dòng)特性也隨之發(fā)生了較大變化。自2003年三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行以來(lái)，壩前至奉節(jié)的三峽河段泥沙整體表現(xiàn)為淤積，其中近壩河段淤積量較大，主河槽則表現(xiàn)為汛期泥沙明顯淤積，汛后淤積泥沙密實(shí)下沉，淤積幅度越大則沉降幅度越大。本文以實(shí)驗(yàn)室分析用水和現(xiàn)場(chǎng)斷面水作介質(zhì)，開展壩前泥沙試驗(yàn)，分析不同介質(zhì)對(duì)三峽河段泥沙沉降特征的影響[1]。

2 研究方案

2.1 取樣斷面

三峽河段泥沙絮凝試驗(yàn)取樣在三峽大壩至廟河河段進(jìn)行，主要取樣斷面為S30+1和S32+1斷面。S30+1斷面距大壩約800 m，S32+1斷面距大壩約3 500 m，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)河段斷面布置

2.2 取樣頻次

2014年7月施測(cè)S30+1和S32+1斷面，沙樣主要為淤泥型床沙，分析要求垂線沙重宜大于20 g，以滿足分樣要求。S30+1及S32+1斷面均布設(shè)左、中、右3條垂線，S30+1斷面左、右線水深均為70 m，中線水深100 m；S32+1斷面左線水深102 m，中線水深85 m，右線水深10 m。各施測(cè)點(diǎn)取樣安排詳見表1。

表1 絮凝試驗(yàn)外業(yè)取樣安排

2.3 研究方法

分別以實(shí)驗(yàn)室純水或現(xiàn)場(chǎng)斷面水為介質(zhì)，運(yùn)用沉降法(粒儀結(jié)合法與粒吸結(jié)合法)比較分析同一沙樣級(jí)配及沉降特征值。

根據(jù)《分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)方法》(GB/T6682-2008)，分析實(shí)驗(yàn)室純水分為3個(gè)等級(jí)：一級(jí)水、二級(jí)水和三級(jí)水。一級(jí)水用于制備標(biāo)準(zhǔn)水樣或超痕量物質(zhì)的分析，不含有溶解雜質(zhì)或膠態(tài)質(zhì)有機(jī)物，可用二級(jí)水經(jīng)進(jìn)一步處理制得二級(jí)水用于精確分析和研究工作，常含有微量的無(wú)機(jī)、有機(jī)或膠態(tài)雜質(zhì)，可用多次蒸餾、電滲析或離子交換等方法制取。三級(jí)水適用于一般試驗(yàn)工作，可用蒸餾水或離子交換等方法制取。實(shí)驗(yàn)室純水的原料應(yīng)當(dāng)是飲用水或比較干凈的水，如有污染或空白達(dá)不到要求，必須進(jìn)行純化處理。斷面水為天然河道水，與純水在pH值及所含物質(zhì)上有很大區(qū)別。

采用粒徑計(jì)法分析0.062～2.0 mm的泥沙顆粒，要求沙量為0.05～5.0 g。該方法是利用泥沙顆粒在靜水中所受到重力和水體介質(zhì)的浮力及各種外加阻力在瞬間能達(dá)到平衡而發(fā)生勻速沉降、且不同粒徑沉降速度不同的原理來(lái)進(jìn)行顆粒分析的。采用離心分析法分析粒徑小于0.062 mm的泥沙顆粒，要求質(zhì)量比濃度為0.05%～0.5%。由于細(xì)顆粒泥沙在重力作用下的水中沉速很小，顆粒分析中往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，離心分析是使泥沙顆粒在離心力的作用下沉降。離心儀采用重力沉降、離心沉降以及兩者結(jié)合等多種沉降方式，并通過(guò)巧妙地設(shè)計(jì)使離心裝置與測(cè)量裝置成為一個(gè)有機(jī)的整體，在河流泥沙顆粒分析中是一款應(yīng)用性較好的粒度檢測(cè)儀器。粒儀結(jié)合法要求每次分析完成后，要進(jìn)行合理性檢查，顆粒分析的上限點(diǎn)應(yīng)達(dá)到級(jí)配的95%以上，下限點(diǎn)不大于0.004 mm，但當(dāng)中數(shù)粒徑無(wú)法查得時(shí)，應(yīng)分析至可能的最小粒徑[1]。

3 比較分析

3.1 級(jí)配比較分析

圖2 S30+1斷面不同介質(zhì)粒儀結(jié)合級(jí)配比較

圖3 S32+1斷面不同介質(zhì)粒儀結(jié)合級(jí)配比較

圖4 S30+1斷面不同介質(zhì)粒吸結(jié)合級(jí)配比較

圖5 S32+1斷面不同介質(zhì)粒吸結(jié)合沉速比較

工程中的顆粒多以群體出現(xiàn)，測(cè)量也多針對(duì)顆粒群體，顆粒群體一般用級(jí)配分布描述。通常級(jí)配是描述粒徑與集聚量關(guān)系的較廣的概念的一般理解，所謂“級(jí)配”即顆粒及顆粒群體按“粒徑級(jí)”分布的度量與描述，反映了泥沙樣品的組成狀況。各粒徑組級(jí)配比較見圖2～5。 本文中河流泥沙的級(jí)配采用小于某粒徑的沙量占總沙量的百分比描述，以使有關(guān)敘述統(tǒng)一，避免混淆。粒儀結(jié)合和粒吸結(jié)合法中泥沙顆粒級(jí)配采用小于某粒徑的沙量(質(zhì)量)占總沙量(質(zhì)量)的百分比描述，對(duì)于同一沙樣，在某粒徑級(jí)級(jí)配越大，表明小于此粒徑級(jí)沙量越多，試驗(yàn)中對(duì)同一沙樣采用不同介質(zhì)分析進(jìn)行級(jí)配比較[2]。

由圖2～5可知，當(dāng)粒徑組小于0.062 mm時(shí)，同一沙樣在相同粒徑組，用實(shí)驗(yàn)室純水作介質(zhì)時(shí)，該粒徑組級(jí)配要大于用現(xiàn)場(chǎng)斷面水作介質(zhì)時(shí)該粒徑組級(jí)配；而當(dāng)粒徑組為 0.062 mm時(shí)，采用不同介質(zhì)時(shí)同一沙樣在該粒徑組級(jí)配基本相同，均已接近100%。這說(shuō)明用現(xiàn)場(chǎng)斷面水作介質(zhì)時(shí)，沙樣更容易凝結(jié)成團(tuán)導(dǎo)致較細(xì)粒徑組級(jí)配值較小，這與斷面水性質(zhì)有關(guān)。

3.2 沉速比較分析

泥沙顆粒在水介質(zhì)中的沉降可分為2種形式，即自由沉降與干涉沉降。本次絮凝試驗(yàn)采取的是粒儀結(jié)合和粒吸結(jié)合法，當(dāng)粒徑不大于0.062 mm時(shí)，應(yīng)選用斯托克斯沉速公式[2]：

式中，ρs為顆粒密度；ρ為水的密度；μ為流體黏度；γ為顆粒半徑；g為重力加速度。

當(dāng)粒徑為0.062～2.0 mm時(shí)，應(yīng)采用沙玉清的過(guò)渡區(qū)沉速公式。此次絮凝試驗(yàn)根據(jù)粒徑組范圍先計(jì)算各粒徑組wo，再根據(jù)泥沙顆粒級(jí)配，對(duì)各粒徑組沉速進(jìn)行加權(quán)平均，得到平均沉速wcp，試驗(yàn)中對(duì)同一沙樣采用不同介質(zhì)分析進(jìn)行沉速比較。

由圖6,7可知，用實(shí)驗(yàn)室純水與現(xiàn)場(chǎng)斷面水分別作介質(zhì)，采用粒儀結(jié)合和粒吸結(jié)合法分析泥沙顆粒得出12組wcp，其中有9組以現(xiàn)場(chǎng)斷面水為介質(zhì)的泥沙顆粒wcp大于純水為介質(zhì)的泥沙顆粒wcp，約占整體數(shù)據(jù)75%，表明以現(xiàn)場(chǎng)斷面水為介質(zhì)時(shí)泥沙顆粒沉速更大，更容易沉降，這是由于現(xiàn)場(chǎng)斷面水成分遠(yuǎn)比純水復(fù)雜，致使泥沙顆粒受到各種因素影響，沉降更快。而粒吸結(jié)合分析泥沙顆粒得出6組wcp，以現(xiàn)場(chǎng)斷面水為介質(zhì)的泥沙顆粒wcp全部大于純水為介質(zhì)的泥沙顆粒wcp，占比100%，表明相較粒儀結(jié)合分析而言，粒吸結(jié)合法中的泥沙更接近天然狀態(tài)下的自由沉降。

圖6 斷面不同介質(zhì)粒儀結(jié)合沉速比較

圖7 斷面不同介質(zhì)粒吸結(jié)合沉速比較

現(xiàn)場(chǎng)斷面水與實(shí)驗(yàn)室純水性質(zhì)有一定差異，其成分復(fù)雜，含有各種礦物質(zhì)及有機(jī)質(zhì)，其中的某些物質(zhì)會(huì)與泥沙顆粒發(fā)生結(jié)合乃至反應(yīng)，致使天然河道中泥沙性質(zhì)與室內(nèi)相比有所改變。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)條件與室內(nèi)條件相差較大，特別是室內(nèi)分析環(huán)境無(wú)法模擬現(xiàn)場(chǎng)水沙條件，無(wú)論是粒徑計(jì)管、離心儀還是吸管形狀均與天然河道的形態(tài)有較大差異，且天然河道的水體流量、流速及含沙量與此次室內(nèi)分析條件相差較大，可能導(dǎo)致壩前泥沙與室內(nèi)泥沙沉降存在較大差異。

4 結(jié)論與建議

用實(shí)驗(yàn)室純水和現(xiàn)場(chǎng)斷面水分別作介質(zhì)分析三峽壩前泥沙時(shí)，其級(jí)配及沉速均有一定差異。結(jié)果表明，同一沙樣在現(xiàn)場(chǎng)斷面水作介質(zhì)的條件下更易凝結(jié)成團(tuán)，致使較細(xì)粒徑組級(jí)配小于實(shí)驗(yàn)室純水作介質(zhì)時(shí)級(jí)配，同時(shí)由于其凝結(jié)后重力較大，故其更易沉降[3]。

沉降法(粒儀結(jié)合法與粒吸結(jié)合法)中現(xiàn)場(chǎng)斷面水為介質(zhì)時(shí)，泥沙顆粒wcp大于純水為介質(zhì)時(shí)泥沙顆粒wcp的數(shù)據(jù)占整體數(shù)據(jù)的75%，而粒吸結(jié)合法中該比例高達(dá)100%，這表明粒吸結(jié)合較粒儀結(jié)合更接近自然狀態(tài)下的泥沙顆粒沉降，建議后續(xù)以實(shí)驗(yàn)室純水和現(xiàn)場(chǎng)斷面水為介質(zhì)研究泥沙級(jí)配與沉速比較時(shí)，首選粒吸結(jié)合法。

此外，還應(yīng)進(jìn)一步分析與泥沙顆粒有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)因素，如pH值、有機(jī)質(zhì)含量及礦物質(zhì)含量等，盡快找到壩區(qū)泥沙淤積的主要影響因素。

[1] 封光寅．河流泥沙顆粒分析原理及方法[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[2] SL42—2010河流泥沙顆粒分析規(guī)程[S].

[3] 費(fèi)詳俊. 泥沙的群體沉降——兩種典型情況下非均勻沙沉速計(jì)算[J]. 泥沙研究, 1992, (3):11-20.

(編輯: 陳紫薇)

2016-09-15

江玉姣，女，長(zhǎng)江委水文局長(zhǎng)江三峽水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，工程師.

1006-0081(2016)11-0017-03

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