不同介質(zhì)對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

(長江委水文局長江三峽水環(huán)境監(jiān)測中心， 湖北 宜昌 443000)

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不同介質(zhì)對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

(長江委水文局長江三峽水環(huán)境監(jiān)測中心， 湖北 宜昌 443000)

為了研究不同分析介質(zhì)對三峽壩前泥沙沉降特征的影響，分別采用實驗室分析用水和現(xiàn)場斷面水，對三峽水庫近壩斷面泥沙進行分析，比較同一點沙樣級配、沉速及相應特征值。結(jié)果表明，由于現(xiàn)場斷面水與實驗室純水的性質(zhì)有一定差異，且現(xiàn)場水沙條件與室內(nèi)分析環(huán)境相差較大，不同分析介質(zhì)中的泥沙級配及沉速均存在較大差異。

壩前泥沙；泥沙分析；級配；沉降特征；三峽水利樞紐

1 研究背景

三峽水庫蓄水至175 m后，庫區(qū)河道水深、過水面積進一步增加，流速大幅減小，水流挾沙能力減弱，水沙運動特性也隨之發(fā)生了較大變化。自2003年三峽水庫蓄水運行以來，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，汛后淤積泥沙密實下沉，淤積幅度越大則沉降幅度越大。本文以實驗室分析用水和現(xiàn)場斷面水作介質(zhì)，開展壩前泥沙試驗，分析不同介質(zhì)對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取樣在三峽大壩至廟河河段進行，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 試驗河段斷面布置

2.2 取樣頻次

2014年7月施測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。各施測點取樣安排詳見表1。

表1 絮凝試驗外業(yè)取樣安排

2.3 研究方法

分別以實驗室純水或現(xiàn)場斷面水為介質(zhì)，運用沉降法(粒儀結(jié)合法與粒吸結(jié)合法)比較分析同一沙樣級配及沉降特征值。

根據(jù)《分析實驗室用水規(guī)格和試驗方法》(GB/T6682-2008)，分析實驗室純水分為3個等級：一級水、二級水和三級水。一級水用于制備標準水樣或超痕量物質(zhì)的分析，不含有溶解雜質(zhì)或膠態(tài)質(zhì)有機物，可用二級水經(jīng)進一步處理制得二級水用于精確分析和研究工作，常含有微量的無機、有機或膠態(tài)雜質(zhì)，可用多次蒸餾、電滲析或離子交換等方法制取。三級水適用于一般試驗工作，可用蒸餾水或離子交換等方法制取。實驗室純水的原料應當是飲用水或比較干凈的水，如有污染或空白達不到要求，必須進行純化處理。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進行顆粒分析的。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時間，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，并通過巧妙地設(shè)計使離心裝置與測量裝置成為一個有機的整體，在河流泥沙顆粒分析中是一款應用性較好的粒度檢測儀器。粒儀結(jié)合法要求每次分析完成后，要進行合理性檢查，顆粒分析的上限點應達到級配的95%以上，下限點不大于0.004 mm，但當中數(shù)粒徑無法查得時，應分析至可能的最小粒徑[1]。

3 比較分析

3.1 級配比較分析

圖2 S30+1斷面不同介質(zhì)粒儀結(jié)合級配比較

圖3 S32+1斷面不同介質(zhì)粒儀結(jié)合級配比較

圖4 S30+1斷面不同介質(zhì)粒吸結(jié)合級配比較

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)，測量也多針對顆粒群體，顆粒群體一般用級配分布描述。通常級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“級配”即顆粒及顆粒群體按“粒徑級”分布的度量與描述，反映了泥沙樣品的組成狀況。各粒徑組級配比較見圖2～5。 本文中河流泥沙的級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，對于同一沙樣，在某粒徑級級配越大，表明小于此粒徑級沙量越多，試驗中對同一沙樣采用不同介質(zhì)分析進行級配比較[2]。

由圖2～5可知，當粒徑組小于0.062 mm時，同一沙樣在相同粒徑組，用實驗室純水作介質(zhì)時，該粒徑組級配要大于用現(xiàn)場斷面水作介質(zhì)時該粒徑組級配；而當粒徑組為 0.062 mm時，采用不同介質(zhì)時同一沙樣在該粒徑組級配基本相同，均已接近100%。這說明用現(xiàn)場斷面水作介質(zhì)時，沙樣更容易凝結(jié)成團導致較細粒徑組級配值較小，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。本次絮凝試驗采取的是粒儀結(jié)合和粒吸結(jié)合法，當粒徑不大于0.062 mm時，應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。

當粒徑為0.062～2.0 mm時，應采用沙玉清的過渡區(qū)沉速公式。此次絮凝試驗根據(jù)粒徑組范圍先計算各粒徑組wo，再根據(jù)泥沙顆粒級配，對各粒徑組沉速進行加權(quán)平均，得到平均沉速wcp，試驗中對同一沙樣采用不同介質(zhì)分析進行沉速比較。

由圖6,7可知，用實驗室純水與現(xiàn)場斷面水分別作介質(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)場斷面水為介質(zhì)時泥沙顆粒沉速更大，更容易沉降，這是由于現(xiàn)場斷面水成分遠比純水復雜，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)場斷面水與實驗室純水性質(zhì)有一定差異，其成分復雜，含有各種礦物質(zhì)及有機質(zhì)，其中的某些物質(zhì)會與泥沙顆粒發(fā)生結(jié)合乃至反應，致使天然河道中泥沙性質(zhì)與室內(nèi)相比有所改變。同時，現(xiàn)場條件與室內(nèi)條件相差較大，特別是室內(nèi)分析環(huán)境無法模擬現(xiàn)場水沙條件，無論是粒徑計管、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

用實驗室純水和現(xiàn)場斷面水分別作介質(zhì)分析三峽壩前泥沙時，其級配及沉速均有一定差異。結(jié)果表明，同一沙樣在現(xiàn)場斷面水作介質(zhì)的條件下更易凝結(jié)成團，致使較細粒徑組級配小于實驗室純水作介質(zhì)時級配，同時由于其凝結(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)場斷面水為介質(zhì)時，泥沙顆粒wcp大于純水為介質(zhì)時泥沙顆粒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)以實驗室純水和現(xiàn)場斷面水為介質(zhì)研究泥沙級配與沉速比較時，首選粒吸結(jié)合法。

此外，還應進一步分析與泥沙顆粒有關(guān)的現(xiàn)場水質(zhì)因素，如pH值、有機質(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] 費詳俊. 泥沙的群體沉降——兩種典型情況下非均勻沙沉速計算[J]. 泥沙研究, 1992, (3):11-20.

(編輯: 陳紫薇)

2016-09-15

江玉姣，女，長江委水文局長江三峽水環(huán)境監(jiān)測中心，工程師.

1006-0081(2016)11-0017-03

P333.4

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