三峽水庫壩前泥沙絮凝沉降實證分析

,

(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

三峽水庫入庫站(朱沱+北碚+武隆)輸沙量1991～2002年平均為 3.5億t，2003～2016年平均為1.6億t/a，入庫沙量呈現大幅減少趨勢。而壩前段(大壩-廟河)2003年3月至2016年12月年均淤積量為1 138.3萬m3/a，尤其水庫壩前段，最大深泓淤積幅度達 63.0 m(S34斷面)，見圖1(吳淞高程)，可見在入庫泥沙減少的條件下，壩前段淤積量較原預測值偏大[1-3]。為探討水庫泥沙淤積機理，方春明等[4-6]分別采用不平衡沙數學模擬、現場和室內試驗等手段，證實了三峽水庫可能存在泥沙絮凝沉降現象。本文重點針對三峽水庫壩前段，采用現場測量、同步現場水沙采樣送室內實驗兩種方式，分別獲得泥沙沉速與粒徑的關系，驗證三峽水庫壩前存在泥沙絮凝現象，并計算分析絮凝沉降對沉速和粒徑的影響程度。

圖1 三峽水庫壩前淤積分布

2 絮凝實驗方法

實驗采用基于激光衍射原理的兩種儀器設備[7]，一種為現場激光測沙儀(LISST-100X)，另一種為室內激光粒度分布儀(MS2000-MU)，通過分別模擬監測有絮凝和無絮凝的水體中泥沙顆粒級配曲線，并計算有無絮凝的泥沙沉降速度，判斷泥沙絮凝沉降及其影響。具體的實驗過程如下。

(1) 斷面布設、現場實驗和樣品取樣位置在三峽水庫壩前庫段18 km范圍，布設5個實驗斷面，分別為YZL02、S31、S34、廟河斷面和S41見(圖2)，在斷面中泓附近布設3條垂線。

圖2 三峽水庫壩前段實驗斷面布置

(2) 現場測驗。在上述5個實驗斷面的3條垂線上，采用ADCP和LISST-100X同步監測流速、含沙量垂線分布及顆粒級配曲線。測定水體pH值和水溫；同步現場采集相對水深0.6的水樣和河床底泥沙樣，送至實驗室。

(3) 室內實驗。現場水樣和沙樣經H2O2預處理后，采用馬爾文激光粒度分布儀模擬無絮凝的水體泥沙顆粒級配曲線。使用X-射線粉末衍射儀(Fe靶)測定泥沙礦物成分。

(4) 對比分析。根據現場和室內實驗資料，判斷水體酸堿性，計算有機質含量，進行巖性分析，沉速、特征粒徑參數計算及絮凝沉降分析。

(5)現場實驗(采樣)時間為2011～2013年，共9組樣本：2011年8月1～3日；2011年9月1～6日；2012年7月6～8日；2012年7月10～12日；2012年7月27～29日；2012年9月4～6日；2013年7月12～21日；2013年7月31日至8月2日；2013年8月16～18日。

3 絮凝沉降因素分析

細顆粒泥沙絮凝沉降機理受多種因素(泥沙粒度、巖性、水溫、鹽度、流速、水環境等)影響，引起相互間的碰撞和接觸，因微觀作用力引起顆粒粘結，形成絮團，加速下降。由于影響細顆粒泥沙絮凝沉降的因素十分復雜，本文對三峽水庫壩前段泥沙樣本理化性質和水文、水環境條件進行初步分析。

3.1 泥沙因子

董耀華[8]綜合分析了錢寧、C.Migniot等的研究認為，粒徑大于0.03 mm時絮凝不明顯，可取0.01 mm為絮凝的分界粒徑。王黨偉等[9]通過現場測試和室內實驗，得出三峽水庫泥沙絮凝臨界粒徑約為 0.022 mm，臨界粒徑值與含沙量無關。根據水庫入庫站寸灘站和出庫站宜昌站懸移質泥沙粒徑分析，小于 0.01 mm粒徑對應的沙重百分數就達50%～80%，小于 0.022 mm粒徑對應的含量更高 (見圖3)，這部分細顆粒泥沙為絮凝沉降提供了基礎條件。

圖3 三峽水庫進出庫泥沙顆粒級配曲線

泥沙的理化性質是影響絮凝的因素之一，李旺等[10]綜合已有研究認為，鹽度、離子濃度、pH值等對絮凝的影響機理已清楚，即通過降低泥沙顆粒的表面電位(Zeta電位)來促進其絮凝，但對于有機絮凝目前研究不多。經現場采樣分析，三峽近壩區泥沙礦物成分主要包括石英、鈉長石、方解石、綠泥石、伊利石、角閃石、白云石和鉀長石，其含量分別為7.98%，4.75%，1.27%，39.88%，44.28%,0.83%,0.93%和 0.08%，可見綠泥石和伊利石含量最高，合計達 84.16%。

3.2 水動力因子

水流對細顆粒泥沙絮凝沉降強度的影響隨流速的減小而逐漸加快，蔣國俊等[11]認為流速大于 0.4 m/s時，細顆粒泥沙基本不發生絮凝沉降。郭超[12]認為長江中下游洪枯季泥沙在流速小于1.0 m/s時可能發生絮凝。何芳嬌等[13]分析三峽水庫奉節至壩前段的泥沙絮凝，其臨界流速約為 0.7 m/s。按水庫汛期145 m運行，回水長約472 km，計算不同入庫流量各庫段平均流速(見表1)。由表1可見，各級流量下，水庫都存在流速小于1.0～0.4 m/s的情況，這為細顆粒泥沙絮凝沉降提供了弱水動力條件。

表1 三峽水庫各庫段平均流速

表2 三峽水庫壩前段絮凝實驗結果

注:本表按文獻[15]方法將激光衍射法粒徑轉換為傳統粒徑計法粒徑。

3.3 水環境因子

江河水為堿性水，pH值大于 7.0，這一屬性是泥沙形成絮凝的另一種關鍵因素[14]。經現場實測，三峽水庫水體的pH值在8.0左右，呈弱堿性。

現場取樣分析顯示，泥沙的有機質含量僅為2%～4%。

水溫是一個重要的環境物理指標，可通過控制水體中細顆粒泥沙的布朗運動強度以及水體生物化學過程來影響細顆粒泥沙的行為。三峽水庫在主汛期(7～9月)庫區水體的水溫有超過25℃的情況(見圖4)，這也是影響泥沙絮凝沉降的因素。

圖4 水庫蓄水前后水溫變化

4 實驗結果分析與驗證

4.1 實驗結果分析

根據現場測試、取樣和室內實驗，共計收集9組165個樣本對比實驗資料，見表2。統計計算平均粒徑為 0.012 mm，與董耀華[8]取0.01 mm的絮凝分界粒徑十分接近。選取其中典型泥沙樣本，點繪級配曲線圖(見圖5)。

圖5 三峽壩前段泥沙顆粒級配曲線

由于絮凝作用，泥沙成絮團，粒徑明顯變粗。實驗結果表明：三峽水庫壩前段細顆粒泥沙沉降，因絮凝作用影響，細顆粒在碰撞、接觸中形成絮團，粒徑變粗，中值粒徑、平均粒徑分別是無絮凝泥沙的1.6～8.0倍(平均4.1倍)和 2.1～6.2倍(平均 3.8倍)，與何芳嬌等[13]在奉節和壩前段實驗的泥沙絮團直徑約為單顆粒直徑的3～8倍一致；細顆粒泥沙絮團沉降速度增加 2.9～17.9倍(平均 8.7倍，單樣中最大達 35.1倍)，與李文杰[6]在忠縣和奉節段的絮團沉速是非絮凝沉速9 倍的實驗結果接近。絮團與單顆粒的沉降比(k)與粒徑密切相關，兩者可表示為

(1)

式中，k為有絮凝與無絮凝的沉降比；d50為中值粒徑，mm；WL為采用LISST-100X計算的沉降速度，m/s；W激為采用激光粒度分布儀計算的沉降速度，m/s。

4.2 原型觀測實驗驗證

天然河流的含沙量垂線分布主要受流速分布影響，呈上層小下層大的特點，與流速相反。但三峽水庫入庫泥沙經過長距離輸移，沿程淤積分選，粒徑越來越細，壩前泥沙大多為粒徑小于 0.1 mm的沖瀉質。2014年7月4日在S41和廟河斷面(分別距大壩約18 km和12.7 km)實測中泓垂線最大流速近 1.0 m/s，垂線平均流速大于 0.7 m/s，垂線含沙量分布較均勻，未發生絮凝現象(見圖6)。靠近壩前段，由于庫面擴寬，水深加大，流速減緩，S34、S31和YZL02斷面的垂線平均流速分別減少至0.66,0.46 m/s和 0.34 m/s(見表3)；含沙量在垂線上的梯度分布迅速加大(見圖7)，反映出絮凝作用加速了絮團泥沙沉降。垂線上最大最小含沙量之比最大接近10倍(見表3)。越靠近壩前，最大流速越小，而垂線上最大含沙量逐步增大，最小含沙量逐步減小，最大最小含沙量比出現較大的斷面(S34、S31)、也與壩前段主要淤積部位一致(見圖1)。

圖7 三峽壩前段流速及含沙量分布(有絮凝)

表3 庫區壩前段實測含沙量沿程變化(2014年)

圖6 三峽壩前段流速及含沙量分布(無絮凝)

5 結 論

綜合分析已有研究成果，通過現場原型觀測和室內實驗對比分析及現場實測驗證，主要結論如下：

(1)由于絮凝作用，細顆粒泥沙形成絮團，絮團中值粒徑、平均粒徑分別為0.019 mm和 0.046 mm，分別是單顆粒徑的1.6～8.0倍和 2.1～6.2倍。

(2)泥沙絮團沉速加快，是單顆粒沉速的 2.9～17.9倍。絮凝強度與泥沙粒徑之間存在對應關系。

(3)經實測驗證，近壩區泥沙發生絮凝的分界粒徑約為 0.012 mm(平均粒徑)，分界流速約為 0.5 m/s(垂直平均流速)。