水利工程泥沙的危害及應對措施

溫 馨 苗廣霖

（鄭州大學 水利與環境學院，河南 鄭州 450001）

我國有很多流域，如長江流域、黃河流域、淮河流域等，在這些流域中都或多或少的存在著泥沙問題。黃河流域是世界上含沙量最大的河流，因此泥沙帶來的問題相對于其他河流更為顯著，因為泥沙的淤積，黃河的河床不斷的抬高，因此黃河被形象的成為“懸河”。在多沙的河流中，要考慮泥沙的沉積對水庫庫容的影響，也要考慮到泥沙對水輪機的磨損，還要考慮到泥沙對建筑物的危害作用。

1 泥沙的危害

河流中的泥沙按其運動方式可以分為懸移質、推移質和河床質三類。受水流作用而懸浮于水中并隨水流移動的泥沙稱為懸移質；受水流拖曳作用沿河床滾動、滑動、跳躍或層移的泥沙叫做推移質；組成河床活動層并處于相對靜止而停留在河床上的泥沙叫做河床質。

1.1 對水庫庫容的影響

在天然的河流上修建水庫之后，隨著庫區水位的抬高，過水斷面的擴大，水力坡度的變緩，水流速度的減小，夾雜在河水中的懸移質就會慢慢的在庫區中沉淀淤積。水流含沙量越大，在水庫中的淤積程度也就會越高，如黃河三門峽水庫，多年平均含沙量達37.8kg/m3,在1960-1970年，水庫總淤積泥沙達55.5億t，使水庫的庫容損失高達43%。水庫淤積侵占了水庫的調節庫容，使水庫的綜合效益降低；另外，水庫的回水末端的淤積上延，將增加水庫周圍的淹沒損失，威脅上游重要城鎮、工況和交通設施的安全。

1.2 對水輪機的危害

在多泥沙的河流中，泥沙的存在為泥沙水流氣蝕的產生或提前發生創造了條件。在水電站中，泥沙使水輪機流道內的流場和壓力場發生了畸形，并且對水輪機過流部件的表面產生反復的沖擊和切削使水輪機的局部產生巨大的磨損。流速、含沙量、時間與材料磨蝕強度關系式W=KV2.6-3.5S0.954-1.1139t0.95-1.0式中，V為含沙液體相對于試件的流速，m/s；s為含沙量，kg/m3；t為磨蝕時間，h。從上面的兩個式子中可以看出，水輪機的破壞與沙粒的粒徑有關，粒徑越大，材料損失的質量越大，相反粒徑越小，材料損失的質量越小。水流中的含沙量也與材料的磨蝕強度有關，含沙量越小，材料的磨蝕強度越小。

1.3 對壩體的影響

1）隨著泥沙在壩體前的淤積，泥沙的壓力增大了壩體的壓應力，尤其在壩踵處最為明顯。另外，上游壩坡度增加的幅度較下游壩坡大，隨著壩高的增加，上游壩坡壓應力增加的幅度減小，但當壩高超過一定高度時，泥沙壓力對下游壩坡的影響加劇。

2）泥沙壓力使壩體的應力變得不均勻，破壞了應力狀態，因此在多沙河流的壩體設計的過程中，應考慮到泥沙壓力對壩體受力的影響。

2 泥沙危害的防治措施

泥沙的危害范圍很廣泛，它的破壞性不容忽視。因此，對于水利水電建設來說，一方面必須了解河流的泥沙特性；另一方面，要采取合理的工程措施防止或減少泥沙進入引水渠道。

2.1 河流的泥沙特性

泥沙的特性分為泥沙顆粒的特性和泥沙群體的特性兩種。其中泥沙顆粒的特性主要有重度、粒徑、沉速和細粒泥沙表面的物理化學性質，而群體特性包括粒徑分布、中值粒徑和均勻沙的群體沉速等。下面針對泥沙顆粒的凈水沉速和泥沙的群體沉速做簡單介紹。

2.1.1 泥沙顆粒的凈水沉速

泥沙的沉速一般是指單粒泥沙在靜止、等溫、廣域清水中自由下降的平均速度。泥沙顆粒的凈水沉速根據在水中的自由沉降可以分為層流、過渡和紊流三種狀態。層流區的泥沙顆粒大多是扁平的盤狀黏粒和由多面組成的雜角形粉粒，它們的沉速顯著小于等容的球體。過渡區的泥沙是常見的各種粗細不同的沙子，沙子的形狀變化較大，相同的等容粒徑，因形狀各異，其沉速大小之比可達1.5倍。紊流區的泥沙是自由可動的，顆粒運動的軌跡因其形狀的不同而復雜多變。

2.1.2 泥沙的群體沉速

水利工程中常見的群體，大致分為兩類：一類是由基本相同的顆粒組成的群體，通常稱為均勻沙；它們在水中同步沉降，顆粒之間是無結構的。另一類則是含有一定數量細微顆粒的混合沙，由細微顆粒形成了有結構性的網絡，再扶持著粗大的沙粒形成共同沉降。對于無粘性的均勻沙，里亞申柯提出了這樣的公式：

wCw=（1-s）m

式中wC和w分別為群體與單粒的同溫靜水沉速，s為含沙量，m為一待定指數。

2.2 工程措施

1）上游攔截，就地處理。在水庫上游采取攔沙措施，減少入庫泥沙，是防止和減少水庫泥沙淤積的最根本的方法。具體措施有：做好水土保持工作、在來沙較多的支流上修建攔沙壩庫、修建旁引水庫等。

2）水庫排沙，保持庫容。即將進入水庫的泥沙盡可能多的排走，并將前期淤積下來的泥沙盡可能多的沖走。具體措施有：水庫采取蓄清排渾的運用方式，在汛期降低水位運用，使大部分來沙淤積在死庫容內，或排出庫外；當水庫不可能大量棄水時，可考慮異重流排沙；對于某些允許泄空的水庫，可以在年中的特定時間內或是經過數年之后間歇性地泄空水庫進行集中排沙。

3）清除淤沙，恢復庫容。對于干旱缺水的地區，為確保水量而不容許利用水力排沙，或對于沒有底孔設施的水庫，不能采用水力排沙時，可以采用挖泥船、吸泥泵等挖泥機械，清除水庫淤積的泥沙，也可用橫向沖蝕方法清除水庫淤積的泥沙。

3 結束語

水利工程中的泥沙問題被很多的人進行了詳細的研究，本文通過對泥沙對水利工程帶來的一些危害的描述，提出了從研究泥沙特性和工程措施兩個方面進行泥沙的治理和防護。

[1]陳松偉.淺談泥沙壓力對重力壩應力的影響[J].中國水運.2008(5).

[2]林潔.水庫淤積形成及其影響和應對措施[J].農田水利.2012.