三門峽測(cè)區(qū)粗泥沙顆粒級(jí)配測(cè)定及計(jì)算方法

王愛霞 劉亞奇 曹衛(wèi)東 孟逸琳 李月

【摘要】在河流泥沙顆粒級(jí)配測(cè)定中，對(duì)寬粒徑范圍沙型粗泥沙顆粒級(jí)配測(cè)定是一項(xiàng)重要的工作，它直接關(guān)系到測(cè)量成果的精度。以往的粗泥沙顆粒級(jí)配測(cè)定采用吸管法或光電儀分析與篩分析結(jié)合的方法來測(cè)定，這種方法需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間、較多人力和儀器設(shè)備才能完成。現(xiàn)階段采用激光儀與篩分析相結(jié)合的方法來測(cè)定寬粒徑范圍內(nèi)粗泥沙顆粒級(jí)配，減少了篩上部分沙重，擴(kuò)大了篩下激光儀測(cè)定范圍，能有效地節(jié)省測(cè)定時(shí)間，簡(jiǎn)化計(jì)算，減少人為因素，保證精度要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】激光儀；篩分析；寬粒徑范圍內(nèi)粗泥沙顆粒級(jí)配；分級(jí)交混

1、前言

黃河三門峽庫(kù)區(qū)所轄水文站屬多沙、粗沙區(qū)，沙量大、粒徑范圍寬。床沙中數(shù)粒徑最大可達(dá)到1.0mm以上，分析粗泥沙顆粒級(jí)配范圍較大，通常測(cè)量范圍在0.02mm～16.0mm之間，采用一種分析方法是無法實(shí)現(xiàn)的。以往的粗泥沙顆粒級(jí)配測(cè)定采用傳統(tǒng)的吸管法或光電儀分析與篩分析結(jié)合的方法來測(cè)定（0.062mm為接序分界粒級(jí)），這種方法需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間、較多人力和儀器設(shè)備才能完成。現(xiàn)階段采用激光儀與篩分析相結(jié)合的方法來測(cè)定寬粒徑范圍內(nèi)粗泥沙顆粒級(jí)配（1.0mm為接序分界粒級(jí)），減少了篩上部分沙重，擴(kuò)大了篩下激光儀測(cè)定范圍，能有效地節(jié)省測(cè)定時(shí)間，簡(jiǎn)化計(jì)算，減少人為因素，保證精度要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2、主要測(cè)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(jìn)行泥沙顆粒級(jí)配分析，具有作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)定粒徑范圍窄、特細(xì)顆粒精度較差等問題。特別是受其沉降法原理的局限性，對(duì)小粒子測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較大誤差，嚴(yán)重影響了成果質(zhì)量，而對(duì)于寬粒徑范圍內(nèi)粗顆粒泥沙是用篩分析方法來測(cè)定，由于分界粒級(jí)為0.062mm，所以大大增加了篩上部分沙重和測(cè)定范圍，存在過篩難度較大、測(cè)量繁瑣以及人為因素等問題。為了盡快解決傳統(tǒng)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(jìn)了測(cè)量范圍寬、所需樣品量少、快速方便、重復(fù)性好、信息量大、成果精度高、不受人為因素干擾等優(yōu)點(diǎn)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(dòng)使泥沙顆粒充分分離并處于不同運(yùn)動(dòng)方位，然后讓一束平行單色光照射樣品池中運(yùn)動(dòng)著的顆粒，使之從不同方向產(chǎn)生光的衍射、散射，衍射、散射后產(chǎn)生的光投向不同方向的光接收器（檢測(cè)器），再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將衍射、散射的光能信息經(jīng)過計(jì)算模型，轉(zhuǎn)化成粒度級(jí)配的分布信息。所測(cè)得的是整個(gè)顆粒從不同方位折射光的等效散射光的平均粒徑，因而會(huì)在最高粒度時(shí)比篩分法多一個(gè)或多個(gè)粒徑級(jí)分布的現(xiàn)象，即出現(xiàn)“分級(jí)交混現(xiàn)象”。

3、寬粒徑泥沙出現(xiàn)分級(jí)交混現(xiàn)象及調(diào)整處理

對(duì)于較粗泥沙，激光法在分界粒級(jí)小于某粒徑百分?jǐn)?shù)應(yīng)為100%，而實(shí)際操作中激光法不足100%，也就是激光法結(jié)果較篩分法多一個(gè)或多個(gè)粒徑級(jí)分布的情況。

從本測(cè)區(qū)激光粒度分析儀投產(chǎn)應(yīng)用十多年的粗泥沙顆粒級(jí)配分析資料來看，多數(shù)情況下，激光法在分界粒級(jí)以外范圍測(cè)出有泥沙，即出現(xiàn)“分級(jí)交混現(xiàn)象”。分級(jí)交混現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，是多方面的，應(yīng)與泥沙顆粒形態(tài)的復(fù)雜性及測(cè)定方位差別和不同分析方法的原理等有關(guān)。由于篩分法本身的缺陷，使較大粒徑沙樣歸于細(xì)沙以及泥沙粒度分級(jí)過疏等都有可能導(dǎo)致。對(duì)小于某粒級(jí)泥沙占全樣泥沙質(zhì)量/體積比例描述級(jí)配時(shí)，分界交混現(xiàn)象會(huì)造成二值問題，需要計(jì)算調(diào)整處理。

因此，在全樣泥沙顆粒級(jí)配分析范圍較寬，一種測(cè)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(cè)定全樣泥沙顆粒級(jí)配”。具體操作方法是，規(guī)定兩種接序測(cè)定方法的分界粒級(jí)，對(duì)于泥沙全樣，大于分界粒級(jí)用篩分法，小于分界粒級(jí)用激光法。先用篩分法分析泥沙全樣到分界粒級(jí)，計(jì)算出各小于某粒級(jí)泥沙占全樣泥沙質(zhì)量比例（%）的級(jí)配序列，然后將小于分界粒級(jí)的泥沙作為新的全樣對(duì)待，用激光法分析，計(jì)算出小于某粒級(jí)泥沙占新全樣泥沙體積比例級(jí)配序列（區(qū)間為0～100%的數(shù)值）。

4、用實(shí)例說明粗泥沙顆粒級(jí)配計(jì)算方法

設(shè)全樣泥沙的質(zhì)量為W，篩分法和激光粒度分析儀法的分界粒級(jí)為DFJ，分界粒級(jí)DFJ上、下的沙樣質(zhì)量分別為WS和WX，小于DFJ粒級(jí)泥沙占全樣泥沙質(zhì)量比例為PSFJ=WX/W 。因?yàn)楹Y分后小于分界粒級(jí)DFJ的泥沙作為新的全樣對(duì)待，用激光粒度分析儀法分析后，分析結(jié)果小于某粒級(jí)泥沙占全樣泥沙體積比例級(jí)配序列區(qū)間為0～1（100%），可是小于分界粒級(jí)DFJ的泥沙的體積比例多數(shù)情況下會(huì)出現(xiàn)小于1（100%）的可能。現(xiàn)對(duì)此種情況進(jìn)行調(diào)整處理。

如，三門峽測(cè)區(qū)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(zhì)量W=82.4306g，以粒級(jí)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(zhì)量WS=7.6507g，小于DFJ的質(zhì)量WX=74.7799g。篩分析和激光粒度分析儀分析的小于規(guī)定粒級(jí)泥沙的質(zhì)量比例（%）級(jí)配序列數(shù)值如表1。因出現(xiàn)分級(jí)交混現(xiàn)象，需要予以計(jì)算調(diào)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(jì)算，結(jié)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(diào)整后的級(jí)配；

Pjgi—為激光法序列級(jí)配；

Pjgfj—為激光法分界級(jí)配（小于等于1.0mm的級(jí)配）；

Psfj—為篩分法分界級(jí)配（大于1.0mm的級(jí)配）；

激光粒度分析儀法序列處理后，與篩分法序列接序，構(gòu)成處理后全樣序列。序列中DFJ=1.0mm分界的級(jí)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(jié)論

黃河三門峽測(cè)區(qū)分級(jí)交混現(xiàn)象每年都會(huì)出現(xiàn)，研究全樣泥沙顆粒級(jí)配的調(diào)整處理是一項(xiàng)重要內(nèi)容。用激光儀與篩分析結(jié)合法測(cè)定寬粒徑范圍內(nèi)粗泥沙顆粒級(jí)配是本測(cè)區(qū)進(jìn)行泥沙顆粒分析的基本方法，它具有測(cè)量速度快，計(jì)算方法相對(duì)簡(jiǎn)單，精度可靠的優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決以往用傳統(tǒng)方法結(jié)合測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、使用人力物力多、人為因素較大以及不便利用計(jì)算機(jī)計(jì)算等問題。

說明：文中引用公式和部分理論是黃委會(huì)水文局牛占教授根據(jù)激光法與篩分法對(duì)比測(cè)試粗泥沙試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理計(jì)算而得，在此特別感謝。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 王愛霞 席風(fēng)霞 席保慧等著。2012年中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)水文泥沙專業(yè)委員會(huì)第九屆學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，水文泥沙研究新進(jìn)展[J] ，中國(guó)水利水電出版社， 2012。