三门峡测区粗泥沙颗粒级配测定及计算方法

王爱霞 刘亚奇 曹卫东 孟逸琳 李月

【摘要】在河流泥沙颗粒级配测定中，对宽粒径范围沙型粗泥沙颗粒级配测定是一项重要的工作，它直接关系到测量成果的精度。以往的粗泥沙颗粒级配测定采用吸管法或光电仪分析与筛分析结合的方法来测定，这种方法需要花费较长时间、较多人力和仪器设备才能完成。现阶段采用激光仪与筛分析相结合的方法来测定宽粒径范围内粗泥沙颗粒级配，减少了筛上部分沙重，扩大了筛下激光仪测定范围，能有效地节省测定时间，简化计算，减少人为因素，保证精度要求，具有一定的实用价值。

【关键词】激光仪；筛分析；宽粒径范围内粗泥沙颗粒级配；分级交混

1、前言

黄河三门峡库区所辖水文站属多沙、粗沙区，沙量大、粒径范围宽。床沙中数粒径最大可达到1.0mm以上，分析粗泥沙颗粒级配范围较大，通常测量范围在0.02mm～16.0mm之间，采用一种分析方法是无法实现的。以往的粗泥沙颗粒级配测定采用传统的吸管法或光电仪分析与筛分析结合的方法来测定（0.062mm为接序分界粒级），这种方法需要花费较长时间、较多人力和仪器设备才能完成。现阶段采用激光仪与筛分析相结合的方法来测定宽粒径范围内粗泥沙颗粒级配（1.0mm为接序分界粒级），减少了筛上部分沙重，扩大了筛下激光仪测定范围，能有效地节省测定时间，简化计算，减少人为因素，保证精度要求，具有一定的实用价值。

2、主要测试方法的比较

80年代至90年代一直使用吸管法或光电仪进行泥沙颗粒级配分析，具有作业时间长、测定粒径范围窄、特细颗粒精度较差等问题。特别是受其沉降法原理的局限性，对小粒子测量会产生较大误差，严重影响了成果质量，而对于宽粒径范围内粗颗粒泥沙是用筛分析方法来测定，由于分界粒级为0.062mm，所以大大增加了筛上部分沙重和测定范围，存在过筛难度较大、测量繁琐以及人为因素等问题。为了尽快解决传统方法带来的一系列影响分析精度和操作繁琐等突出问题。从2005年、2015年分别引进了测量范围宽、所需样品量少、快速方便、重复性好、信息量大、成果精度高、不受人为因素干扰等优点的激光粒度分析仪第一代和第二代，该仪器是以其通过高频振动使泥沙颗粒充分分离并处于不同运动方位，然后让一束平行单色光照射样品池中运动着的颗粒，使之从不同方向产生光的衍射、散射，衍射、散射后产生的光投向不同方向的光接收器（检测器），再经光电转换器将衍射、散射的光能信息经过计算模型，转化成粒度级配的分布信息。所测得的是整个颗粒从不同方位折射光的等效散射光的平均粒径，因而会在最高粒度时比筛分法多一个或多个粒径级分布的现象，即出现“分级交混现象”。

3、宽粒径泥沙出现分级交混现象及调整处理

对于较粗泥沙，激光法在分界粒级小于某粒径百分数应为100%，而实际操作中激光法不足100%，也就是激光法结果较筛分法多一个或多个粒径级分布的情况。

从本测区激光粒度分析仪投产应用十多年的粗泥沙颗粒级配分析资料来看，多数情况下，激光法在分界粒级以外范围测出有泥沙，即出现“分级交混现象”。分级交混现象产生的原因，是多方面的，应与泥沙颗粒形态的复杂性及测定方位差别和不同分析方法的原理等有关。由于筛分法本身的缺陷，使较大粒径沙样归于细沙以及泥沙粒度分级过疏等都有可能导致。对小于某粒级泥沙占全样泥沙质量/体积比例描述级配时，分界交混现象会造成二值问题，需要计算调整处理。

因此，在全样泥沙颗粒级配分析范围较宽，一种测量方法不能覆盖全样泥沙颗粒分析的情况下，可用“筛分法/激光法接序测定全样泥沙颗粒级配”。具体操作方法是，规定两种接序测定方法的分界粒级，对于泥沙全样，大于分界粒级用筛分法，小于分界粒级用激光法。先用筛分法分析泥沙全样到分界粒级，计算出各小于某粒级泥沙占全样泥沙质量比例（%）的级配序列，然后将小于分界粒级的泥沙作为新的全样对待，用激光法分析，计算出小于某粒级泥沙占新全样泥沙体积比例级配序列（区间为0～100%的数值）。

4、用实例说明粗泥沙颗粒级配计算方法

设全样泥沙的质量为W，筛分法和激光粒度分析仪法的分界粒级为DFJ，分界粒级DFJ上、下的沙样质量分别为WS和WX，小于DFJ粒级泥沙占全样泥沙质量比例为PSFJ=WX/W 。因为筛分后小于分界粒级DFJ的泥沙作为新的全样对待，用激光粒度分析仪法分析后，分析结果小于某粒级泥沙占全样泥沙体积比例级配序列区间为0～1（100%），可是小于分界粒级DFJ的泥沙的体积比例多数情况下会出现小于1（100%）的可能。现对此种情况进行调整处理。

如，三门峡测区黄河干流龙门水文站2017年第11次断面输沙第10条垂线的床沙样品，总质量W=82.4306g，以粒级DFJ=1.0mm分界，大于DFJ用筛分析，小于DFJ用激光粒度分析仪分析。筛分析后，大于DFJ的质量WS=7.6507g，小于DFJ的质量WX=74.7799g。筛分析和激光粒度分析仪分析的小于规定粒级泥沙的质量比例（%）级配序列数值如表1。因出现分级交混现象，需要予以计算调整处理。

表1中，激光粒度分析仪法序列处理按公式PJGTZI==K×Pjgi计算，结果如下：

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—为激光法调整后的级配；

Pjgi—为激光法序列级配；

Pjgfj—为激光法分界级配（小于等于1.0mm的级配）；

Psfj—为筛分法分界级配（大于1.0mm的级配）；

激光粒度分析仪法序列处理后，与筛分法序列接序，构成处理后全样序列。序列中DFJ=1.0mm分界的级配采用激光粒度分析仪法序列处理后的84.7%，而未用筛分法序列的90.7%。

5、结论

黄河三门峡测区分级交混现象每年都会出现，研究全样泥沙颗粒级配的调整处理是一项重要内容。用激光仪与筛分析结合法测定宽粒径范围内粗泥沙颗粒级配是本测区进行泥沙颗粒分析的基本方法，它具有测量速度快，计算方法相对简单，精度可靠的优点，能较好地解决以往用传统方法结合测量时间长、使用人力物力多、人为因素较大以及不便利用计算机计算等问题。

说明：文中引用公式和部分理论是黄委会水文局牛占教授根据激光法与筛分法对比测试粗泥沙试验数据整理计算而得，在此特别感谢。

参考文献：

[1] 水利部黃河水利委员会水文局。中华人民共和国行业标准。河流泥沙颗粒分析规程[S]。北京：水利电力出版社，2010。

[2] 和瑞莉，李静等译。英国马尔文仪器有限公司编，马尔文MS2000激光粒度分析仪使用手册[M]。郑州：黄河水利出版社，2001。

[3] 王爱霞 席风霞 席保慧等著。2012年中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会第九届学术讨论会论文集，水文泥沙研究新进展[J] ，中国水利水电出版社， 2012。