三門峽測區粗泥沙顆粒級配測定及計算方法

王愛霞 劉亞奇 曹衛東 孟逸琳 李月

【摘要】在河流泥沙顆粒級配測定中，對寬粒徑范圍沙型粗泥沙顆粒級配測定是一項重要的工作，它直接關系到測量成果的精度。以往的粗泥沙顆粒級配測定采用吸管法或光電儀分析與篩分析結合的方法來測定，這種方法需要花費較長時間、較多人力和儀器設備才能完成。現階段采用激光儀與篩分析相結合的方法來測定寬粒徑范圍內粗泥沙顆粒級配，減少了篩上部分沙重，擴大了篩下激光儀測定范圍，能有效地節省測定時間，簡化計算，減少人為因素，保證精度要求，具有一定的實用價值。

【關鍵詞】激光儀；篩分析；寬粒徑范圍內粗泥沙顆粒級配；分級交混

1、前言

黃河三門峽庫區所轄水文站屬多沙、粗沙區，沙量大、粒徑范圍寬。床沙中數粒徑最大可達到1.0mm以上，分析粗泥沙顆粒級配范圍較大，通常測量范圍在0.02mm～16.0mm之間，采用一種分析方法是無法實現的。以往的粗泥沙顆粒級配測定采用傳統的吸管法或光電儀分析與篩分析結合的方法來測定（0.062mm為接序分界粒級），這種方法需要花費較長時間、較多人力和儀器設備才能完成?，F階段采用激光儀與篩分析相結合的方法來測定寬粒徑范圍內粗泥沙顆粒級配（1.0mm為接序分界粒級），減少了篩上部分沙重，擴大了篩下激光儀測定范圍，能有效地節省測定時間，簡化計算，減少人為因素，保證精度要求，具有一定的實用價值。

2、主要測試方法的比較

80年代至90年代一直使用吸管法或光電儀進行泥沙顆粒級配分析，具有作業時間長、測定粒徑范圍窄、特細顆粒精度較差等問題。特別是受其沉降法原理的局限性，對小粒子測量會產生較大誤差，嚴重影響了成果質量，而對于寬粒徑范圍內粗顆粒泥沙是用篩分析方法來測定，由于分界粒級為0.062mm，所以大大增加了篩上部分沙重和測定范圍，存在過篩難度較大、測量繁瑣以及人為因素等問題。為了盡快解決傳統方法帶來的一系列影響分析精度和操作繁瑣等突出問題。從2005年、2015年分別引進了測量范圍寬、所需樣品量少、快速方便、重復性好、信息量大、成果精度高、不受人為因素干擾等優點的激光粒度分析儀第一代和第二代，該儀器是以其通過高頻振動使泥沙顆粒充分分離并處于不同運動方位，然后讓一束平行單色光照射樣品池中運動著的顆粒，使之從不同方向產生光的衍射、散射，衍射、散射后產生的光投向不同方向的光接收器（檢測器），再經光電轉換器將衍射、散射的光能信息經過計算模型，轉化成粒度級配的分布信息。所測得的是整個顆粒從不同方位折射光的等效散射光的平均粒徑，因而會在最高粒度時比篩分法多一個或多個粒徑級分布的現象，即出現“分級交混現象”。

3、寬粒徑泥沙出現分級交混現象及調整處理

對于較粗泥沙，激光法在分界粒級小于某粒徑百分數應為100%，而實際操作中激光法不足100%，也就是激光法結果較篩分法多一個或多個粒徑級分布的情況。

從本測區激光粒度分析儀投產應用十多年的粗泥沙顆粒級配分析資料來看，多數情況下，激光法在分界粒級以外范圍測出有泥沙，即出現“分級交混現象”。分級交混現象產生的原因，是多方面的，應與泥沙顆粒形態的復雜性及測定方位差別和不同分析方法的原理等有關。由于篩分法本身的缺陷，使較大粒徑沙樣歸于細沙以及泥沙粒度分級過疏等都有可能導致。對小于某粒級泥沙占全樣泥沙質量/體積比例描述級配時，分界交混現象會造成二值問題，需要計算調整處理。

因此，在全樣泥沙顆粒級配分析范圍較寬，一種測量方法不能覆蓋全樣泥沙顆粒分析的情況下，可用“篩分法/激光法接序測定全樣泥沙顆粒級配”。具體操作方法是，規定兩種接序測定方法的分界粒級，對于泥沙全樣，大于分界粒級用篩分法，小于分界粒級用激光法。先用篩分法分析泥沙全樣到分界粒級，計算出各小于某粒級泥沙占全樣泥沙質量比例（%）的級配序列，然后將小于分界粒級的泥沙作為新的全樣對待，用激光法分析，計算出小于某粒級泥沙占新全樣泥沙體積比例級配序列（區間為0～100%的數值）。

4、用實例說明粗泥沙顆粒級配計算方法

設全樣泥沙的質量為W，篩分法和激光粒度分析儀法的分界粒級為DFJ，分界粒級DFJ上、下的沙樣質量分別為WS和WX，小于DFJ粒級泥沙占全樣泥沙質量比例為PSFJ=WX/W 。因為篩分后小于分界粒級DFJ的泥沙作為新的全樣對待，用激光粒度分析儀法分析后，分析結果小于某粒級泥沙占全樣泥沙體積比例級配序列區間為0～1（100%），可是小于分界粒級DFJ的泥沙的體積比例多數情況下會出現小于1（100%）的可能。現對此種情況進行調整處理。

如，三門峽測區黃河干流龍門水文站2017年第11次斷面輸沙第10條垂線的床沙樣品，總質量W=82.4306g，以粒級DFJ=1.0mm分界，大于DFJ用篩分析，小于DFJ用激光粒度分析儀分析。篩分析后，大于DFJ的質量WS=7.6507g，小于DFJ的質量WX=74.7799g。篩分析和激光粒度分析儀分析的小于規定粒級泥沙的質量比例（%）級配序列數值如表1。因出現分級交混現象，需要予以計算調整處理。

表1中，激光粒度分析儀法序列處理按公式PJGTZI==K×Pjgi計算，結果如下：

PJGTZI=K×Pjgi=0.9769×86.7=84.7；

=0.9769×32.7=31.9；

=……

=0.9769×3.7=3.6；

=0.9769×2.4=2.3

{其中，K=0.5×（1+1/0.867）×0.907=0.9769}。

式中，PJGTZI—為激光法調整后的級配；

Pjgi—為激光法序列級配；

Pjgfj—為激光法分界級配（小于等于1.0mm的級配）；

Psfj—為篩分法分界級配（大于1.0mm的級配）；

激光粒度分析儀法序列處理后，與篩分法序列接序，構成處理后全樣序列。序列中DFJ=1.0mm分界的級配采用激光粒度分析儀法序列處理后的84.7%，而未用篩分法序列的90.7%。

5、結論

黃河三門峽測區分級交混現象每年都會出現，研究全樣泥沙顆粒級配的調整處理是一項重要內容。用激光儀與篩分析結合法測定寬粒徑范圍內粗泥沙顆粒級配是本測區進行泥沙顆粒分析的基本方法，它具有測量速度快，計算方法相對簡單，精度可靠的優點，能較好地解決以往用傳統方法結合測量時間長、使用人力物力多、人為因素較大以及不便利用計算機計算等問題。

說明：文中引用公式和部分理論是黃委會水文局牛占教授根據激光法與篩分法對比測試粗泥沙試驗數據整理計算而得，在此特別感謝。

參考文獻：

[1] 水利部黃河水利委員會水文局。中華人民共和國行業標準。河流泥沙顆粒分析規程[S]。北京：水利電力出版社，2010。

[2] 和瑞莉，李靜等譯。英國馬爾文儀器有限公司編，馬爾文MS2000激光粒度分析儀使用手冊[M]。鄭州：黃河水利出版社，2001。

[3] 王愛霞 席風霞 席保慧等著。2012年中國水力發電工程學會水文泥沙專業委員會第九屆學術討論會論文集，水文泥沙研究新進展[J] ，中國水利水電出版社， 2012。