不同介质对三峡河段泥沙沉降特征影响的比较分析

2016-12-15江玉姣彭春兰叶德旭

水利水电快报 2016年11期

关键词：结合法纯水泥沙

江玉姣彭春兰叶德旭

(长江委水文局长江三峡水环境监测中心，湖北宜昌 443000)

不同介质对三峡河段泥沙沉降特征影响的比较分析

江玉姣彭春兰叶德旭

(长江委水文局长江三峡水环境监测中心，湖北宜昌 443000)

为了研究不同分析介质对三峡坝前泥沙沉降特征的影响，分别采用实验室分析用水和现场断面水，对三峡水库近坝断面泥沙进行分析，比较同一点沙样级配、沉速及相应特征值。结果表明，由于现场断面水与实验室纯水的性质有一定差异，且现场水沙条件与室内分析环境相差较大，不同分析介质中的泥沙级配及沉速均存在较大差异。

坝前泥沙；泥沙分析；级配；沉降特征；三峡水利枢纽

1 研究背景

三峡水库蓄水至175 m后，库区河道水深、过水面积进一步增加，流速大幅减小，水流挟沙能力减弱，水沙运动特性也随之发生了较大变化。自2003年三峡水库蓄水运行以来，坝前至奉节的三峡河段泥沙整体表现为淤积，其中近坝河段淤积量较大，主河槽则表现为汛期泥沙明显淤积，汛后淤积泥沙密实下沉，淤积幅度越大则沉降幅度越大。本文以实验室分析用水和现场断面水作介质，开展坝前泥沙试验，分析不同介质对三峡河段泥沙沉降特征的影响[1]。

2 研究方案

2.1 取样断面

三峡河段泥沙絮凝试验取样在三峡大坝至庙河河段进行，主要取样断面为S30+1和S32+1断面。S30+1断面距大坝约800 m，S32+1断面距大坝约3 500 m，如图1所示。

图1 试验河段断面布置

2.2 取样频次

2014年7月施测S30+1和S32+1断面，沙样主要为淤泥型床沙，分析要求垂线沙重宜大于20 g，以满足分样要求。S30+1及S32+1断面均布设左、中、右3条垂线，S30+1断面左、右线水深均为70 m，中线水深100 m；S32+1断面左线水深102 m，中线水深85 m，右线水深10 m。各施测点取样安排详见表1。

表1 絮凝试验外业取样安排

2.3 研究方法

分别以实验室纯水或现场断面水为介质，运用沉降法(粒仪结合法与粒吸结合法)比较分析同一沙样级配及沉降特征值。

根据《分析实验室用水规格和试验方法》(GB/T6682-2008)，分析实验室纯水分为3个等级：一级水、二级水和三级水。一级水用于制备标准水样或超痕量物质的分析，不含有溶解杂质或胶态质有机物，可用二级水经进一步处理制得二级水用于精确分析和研究工作，常含有微量的无机、有机或胶态杂质，可用多次蒸馏、电渗析或离子交换等方法制取。三级水适用于一般试验工作，可用蒸馏水或离子交换等方法制取。实验室纯水的原料应当是饮用水或比较干净的水，如有污染或空白达不到要求，必须进行纯化处理。断面水为天然河道水，与纯水在pH值及所含物质上有很大区别。

采用粒径计法分析0.062～2.0 mm的泥沙颗粒，要求沙量为0.05～5.0 g。该方法是利用泥沙颗粒在静水中所受到重力和水体介质的浮力及各种外加阻力在瞬间能达到平衡而发生匀速沉降、且不同粒径沉降速度不同的原理来进行颗粒分析的。采用离心分析法分析粒径小于0.062 mm的泥沙颗粒，要求质量比浓度为0.05%～0.5%。由于细颗粒泥沙在重力作用下的水中沉速很小，颗粒分析中往往需要很长时间，离心分析是使泥沙颗粒在离心力的作用下沉降。离心仪采用重力沉降、离心沉降以及两者结合等多种沉降方式，并通过巧妙地设计使离心装置与测量装置成为一个有机的整体，在河流泥沙颗粒分析中是一款应用性较好的粒度检测仪器。粒仪结合法要求每次分析完成后，要进行合理性检查，颗粒分析的上限点应达到级配的95%以上，下限点不大于0.004 mm，但当中数粒径无法查得时，应分析至可能的最小粒径[1]。

3 比较分析

3.1 级配比较分析

图2 S30+1断面不同介质粒仪结合级配比较

图3 S32+1断面不同介质粒仪结合级配比较

图4 S30+1断面不同介质粒吸结合级配比较

图5 S32+1断面不同介质粒吸结合沉速比较

工程中的颗粒多以群体出现，测量也多针对颗粒群体，颗粒群体一般用级配分布描述。通常级配是描述粒径与集聚量关系的较广的概念的一般理解，所谓“级配”即颗粒及颗粒群体按“粒径级”分布的度量与描述，反映了泥沙样品的组成状况。各粒径组级配比较见图2～5。本文中河流泥沙的级配采用小于某粒径的沙量占总沙量的百分比描述，以使有关叙述统一，避免混淆。粒仪结合和粒吸结合法中泥沙颗粒级配采用小于某粒径的沙量(质量)占总沙量(质量)的百分比描述，对于同一沙样，在某粒径级级配越大，表明小于此粒径级沙量越多，试验中对同一沙样采用不同介质分析进行级配比较[2]。

由图2～5可知，当粒径组小于0.062 mm时，同一沙样在相同粒径组，用实验室纯水作介质时，该粒径组级配要大于用现场断面水作介质时该粒径组级配；而当粒径组为 0.062 mm时，采用不同介质时同一沙样在该粒径组级配基本相同，均已接近100%。这说明用现场断面水作介质时，沙样更容易凝结成团导致较细粒径组级配值较小，这与断面水性质有关。

3.2 沉速比较分析

泥沙颗粒在水介质中的沉降可分为2种形式，即自由沉降与干涉沉降。本次絮凝试验采取的是粒仪结合和粒吸结合法，当粒径不大于0.062 mm时，应选用斯托克斯沉速公式[2]：

式中，ρs为颗粒密度；ρ为水的密度；μ为流体黏度；γ为颗粒半径；g为重力加速度。

当粒径为0.062～2.0 mm时，应采用沙玉清的过渡区沉速公式。此次絮凝试验根据粒径组范围先计算各粒径组wo，再根据泥沙颗粒级配，对各粒径组沉速进行加权平均，得到平均沉速wcp，试验中对同一沙样采用不同介质分析进行沉速比较。

由图6,7可知，用实验室纯水与现场断面水分别作介质，采用粒仪结合和粒吸结合法分析泥沙颗粒得出12组wcp，其中有9组以现场断面水为介质的泥沙颗粒wcp大于纯水为介质的泥沙颗粒wcp，约占整体数据75%，表明以现场断面水为介质时泥沙颗粒沉速更大，更容易沉降，这是由于现场断面水成分远比纯水复杂，致使泥沙颗粒受到各种因素影响，沉降更快。而粒吸结合分析泥沙颗粒得出6组wcp，以现场断面水为介质的泥沙颗粒wcp全部大于纯水为介质的泥沙颗粒wcp，占比100%，表明相较粒仪结合分析而言，粒吸结合法中的泥沙更接近天然状态下的自由沉降。

图6 断面不同介质粒仪结合沉速比较

图7 断面不同介质粒吸结合沉速比较

现场断面水与实验室纯水性质有一定差异，其成分复杂，含有各种矿物质及有机质，其中的某些物质会与泥沙颗粒发生结合乃至反应，致使天然河道中泥沙性质与室内相比有所改变。同时，现场条件与室内条件相差较大，特别是室内分析环境无法模拟现场水沙条件，无论是粒径计管、离心仪还是吸管形状均与天然河道的形态有较大差异，且天然河道的水体流量、流速及含沙量与此次室内分析条件相差较大，可能导致坝前泥沙与室内泥沙沉降存在较大差异。