淺談泥沙顆粒分析成果對水利工程的影響

程思

摘 要：隨著我國水利工程的大量修建，泥沙危害日益嚴重。科技水平的不斷進步，對泥沙問題研究更加深入。文章結(jié)合理論與實際運用闡述泥沙分析成果的重要意義。

關(guān)鍵詞：水利工程；泥沙問題；應用

引言

自然界的河流，常常挾帶著泥沙。針對河流泥沙的研究不僅有時間長、范圍廣的特點，還與人類的活動息息相關(guān)。河流中的泥沙對人類的影響具有兩重性，一方面泥沙能造福人類，如泥沙粗顆粒能夠提供工程建設(shè)所需要的建筑材料，細顆粒能夠用來淤灌農(nóng)田，提高農(nóng)田肥力；另一方面泥沙又具有危害性，如河流泥沙造成河道、水庫淤積，阻塞下游引航道至通航困難，影響港池航運和交通，磨蝕水力機械和水工建筑物，較大的泥沙顆粒還會造成農(nóng)田毀壞，這些都給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了較大的危害。事實證明，只要河流中含有一定數(shù)量的泥沙，任何水利工程的修建和運行，都要解決泥沙問題對其產(chǎn)生的影響。對水利工程來說，主要的問題有兩個方面，一是研究泥沙在水流中的運動規(guī)律，達到了解自然的問題；二是運用這些規(guī)律，預測河道在自然情況下或在興建了水利工程后的發(fā)展趨勢，合理處理水利工程建設(shè)和應用中所遇到的各種泥沙問題，達到興利除害、與自然和諧相處的目的。

1 泥沙顆粒分析方法簡介

1.1 泥沙含量

河流泥沙的含量是一個重要參數(shù)。對泥沙含量的檢測，應按照《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》進行，測量儀器應滿足檢測要求，并具備國家計量部門的檢測認證。測量采用沉淀干燥稱量法，通過烘干稱量處泥沙的質(zhì)量，該質(zhì)量與所取得樣品水樣的體積的比值，得到河水的泥沙含量。現(xiàn)在較多運用超聲波測量河流泥沙含量。

1.2 泥沙顆粒級配

泥沙顆粒級配分布是指泥沙顆粒在不同粒徑范圍所占的比例。泥沙級配分析一般采用激光粒度分布儀。激光粒度分布儀是基于激光散射原理測量粒度分布的一種新型粒度儀，不同于傳統(tǒng)的實驗室所采用的移液管法，測試的效率得到了極大的提高。

1.3 泥沙組成成分

泥沙組成成分分析一般通過特定的儀器和方法進行分析，可以得到泥沙中所含的礦物組分，以及在泥沙中所占的比例。

2 泥沙顆粒分析成果對水利工程的重要意義

2.1 泥沙分析資料對水庫淤積的重要作用

進行水庫規(guī)劃設(shè)計時，不僅要準確計算進入水庫的沙量，還要搞清進入水庫泥沙粒徑級配的組成。因為泥沙的顆粒級配不同，其淤積部位和淤積形態(tài)也不相同，較細的泥沙，在水庫內(nèi)的淤積是比較均勻的，而較粗的泥沙，則主要淤積在回水末端，形成三角洲，產(chǎn)生所謂的“翹尾巴”現(xiàn)象，使水庫淤積上延，回水上升，抬高上游水位，威脅兩岸城鎮(zhèn)和農(nóng)田的安全。下面以三峽工程為例，闡述泥沙資料對水庫淤積的重要意義。

三峽工程從開始建設(shè)以來，其泥沙問題已經(jīng)經(jīng)過了長期的研究，自2003年6月蓄水運行后，基本上實現(xiàn)了設(shè)計的防洪、發(fā)電、航運等綜合目標。隨著水庫使用時間的延長，庫區(qū)泥沙淤積和壩下游沖刷逐步發(fā)展，同時長江上游建庫排沙的作用會不斷顯現(xiàn)，這種新的形勢將對三峽水庫運用和泥沙應對措施提出新的要求。

三峽水庫泥沙細顆粒所占比例的較大，大約占1/3以上，而是否會出現(xiàn)絮凝，對水庫淤積量影響較大。泥沙絮凝現(xiàn)象主要以細顆粒泥沙為主。細顆粒泥沙絮凝的實質(zhì)是泥沙顆粒通過彼此之間的引力相互連接在一起，形成外形多樣、尺寸明顯變大的絮凝體。室內(nèi)試驗表明，泥沙含量越高，細顆粒泥沙絮凝沉降的平均速率越快。

一般認為，懸浮泥沙發(fā)生絮凝現(xiàn)象，僅僅以粒徑小于0.032mm的泥沙顆粒為主，而大于0.032mm的泥沙顆粒則不會發(fā)生絮凝。三峽水庫入庫泥沙中，粒徑小于0.032mm的泥沙顆粒所占比例較大。水流也是泥沙絮凝的重要因素，水流能加強細顆粒泥沙之間的碰撞，促進絮凝。室內(nèi)試驗研究表明，隨著水流流速的減小，細顆粒泥沙絮凝沉降強度逐漸增大，流速大于40cm/s時，細顆粒基本不發(fā)生絮凝沉降。由此，可以綜合判斷三峽水庫究竟會在何時發(fā)生絮凝現(xiàn)象。

2.2 泥沙顆粒對水力機械的影響

隨著更多水電站的興建，水輪機的磨損問題，日益突出。為了合理的選定機型和制造水輪機的材料，需要了解過機泥沙的級配和泥沙的成分，同時，為了防止水輪機磨損需要了解和研究泥沙的磨蝕機理，以及泥沙對水力機械的影響因素。

泥沙顆粒對水力機械過流部件磨損破壞主要有兩種方式：一種是泥沙對過流部件的垂直撞擊。具有一定動能的泥沙顆粒沖擊材料表面時，材料在接觸處首先形成彈性變形，繼而在接觸面中心處最大應力位置，開始進入塑性流變狀態(tài)，并伴隨著泥沙動能的損耗，塑性變形區(qū)進一步擴大，直到在沙粒動能轉(zhuǎn)化為材料彈塑性功的過程中，沙粒停止運動為止。以后，材料的表面彈性變形部分將恢復，而塑性變形部分將保留，形成沖擊坑。彈性部分在恢復過程中又對金屬材料的亞表層產(chǎn)生殘余拉應力，與塑性部分耦合，彈性變形在恢復以后再次擠壓金屬表層，這樣反復好多次，在加上其他泥沙顆粒的再次沖擊，作用更加加劇。在凹坑邊緣有塑性變形擠出的材料堆積，并為局部微觀空蝕提供了條件。另一種是泥沙顆粒對過流部件的切削。具有一定動能的硬度較高，外表嶙峋的較大泥沙顆粒以一定的角度沖擊切削金屬的表面，一方面直接將表層金屬切削掉，另一方面使得沿著金屬表面的拉壓與沖擊，造成金屬沖擊切削部位的局部受拉，局部受壓，產(chǎn)生彈塑性變形，受拉部分將產(chǎn)生微小裂紋與周圍金屬產(chǎn)生冷凝硬化，受壓部分與周圍金屬產(chǎn)生殘余壓應力，從而形成一個切削冷凝坑，也為局部空蝕提供了條件。還有一種較為普遍的磨損為泥沙與氣泡相耦合的磨損作用，這兩者共同作用加劇了水輪機的磨蝕。我國河流含泥沙嚴重，在水流中有大量的固體顆粒存在，這些固體顆粒的表面一般不平整，在微觀、亞微觀縫隙有不溶解于水的氣體，所以多泥沙水流的氣核數(shù)比相應條件下的清水量大，使得空化氣蝕容易提前發(fā)生。在氣泡潰滅的過程中，位于氣泡附近的泥沙顆粒受到潰滅過程的沖擊力影響，而獲得加速度，對金屬表面進行沖擊切割，加大了對過流部件的破壞。空化氣蝕破壞與泥沙磨損的耦合作用，使得破壞力加劇。根據(jù)三門峽磨損空蝕試驗裝置的測驗成果，若以清水空蝕量為基數(shù)，當含沙量為40kg/m3時，磨損量是清水空蝕的3.4倍，磨損與空蝕聯(lián)合作用時，為清水空蝕的16倍。美國密執(zhí)安大學的實驗室內(nèi)，進行振動型的空蝕試驗，其結(jié)果表明，渾水空蝕率比清水增加約50%。

泥沙組成成分也是影響水力機械磨蝕的重要因素。運用電子顯微鏡和X-射線衍射對三峽水輪機的泥沙顆粒進行分析研究，發(fā)現(xiàn)這些泥沙顆粒的棱角明顯，且部分泥沙顆粒的外觀崢嶸。對其泥沙組成成分進行分析，石英和長石的含量達到了總量的35%到40%，而隨著上游水流來沙量的不斷變化，其含量也不斷變化。而對泥沙的物理指標的分析，石英和長石的硬度遠遠大于水輪機的材料，由此可以說明泥沙組成成分對水力機械的磨損起重要作用。

3 結(jié)束語

綜上所述，為防止和解決水利工程泥沙問題，泥沙顆粒分析都是不可缺少的因素。可見，對泥沙顆粒進行表征，深入研究泥沙危害機理，了解其特性和研究其以后的發(fā)生、發(fā)展變化規(guī)律，無論在理論上還是實際應用中都具有重要的意義。

參考文獻

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