三峡水库坝前泥沙絮凝沉降实证分析

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(长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

三峡水库入库站(朱沱+北碚+武隆)输沙量1991～2002年平均为 3.5亿t，2003～2016年平均为1.6亿t/a，入库沙量呈现大幅减少趋势。而坝前段(大坝-庙河)2003年3月至2016年12月年均淤积量为1 138.3万m3/a，尤其水库坝前段，最大深泓淤积幅度达 63.0 m(S34断面)，见图1(吴淞高程)，可见在入库泥沙减少的条件下，坝前段淤积量较原预测值偏大[1-3]。为探讨水库泥沙淤积机理，方春明等[4-6]分别采用不平衡沙数学模拟、现场和室内试验等手段，证实了三峡水库可能存在泥沙絮凝沉降现象。本文重点针对三峡水库坝前段，采用现场测量、同步现场水沙采样送室内实验两种方式，分别获得泥沙沉速与粒径的关系，验证三峡水库坝前存在泥沙絮凝现象，并计算分析絮凝沉降对沉速和粒径的影响程度。

图1 三峡水库坝前淤积分布

2 絮凝实验方法

实验采用基于激光衍射原理的两种仪器设备[7]，一种为现场激光测沙仪(LISST-100X)，另一种为室内激光粒度分布仪(MS2000-MU)，通过分别模拟监测有絮凝和无絮凝的水体中泥沙颗粒级配曲线，并计算有无絮凝的泥沙沉降速度，判断泥沙絮凝沉降及其影响。具体的实验过程如下。

(1) 断面布设、现场实验和样品取样位置在三峡水库坝前库段18 km范围，布设5个实验断面，分别为YZL02、S31、S34、庙河断面和S41见(图2)，在断面中泓附近布设3条垂线。

图2 三峡水库坝前段实验断面布置

(2) 现场测验。在上述5个实验断面的3条垂线上，采用ADCP和LISST-100X同步监测流速、含沙量垂线分布及颗粒级配曲线。测定水体pH值和水温；同步现场采集相对水深0.6的水样和河床底泥沙样，送至实验室。

(3) 室内实验。现场水样和沙样经H2O2预处理后，采用马尔文激光粒度分布仪模拟无絮凝的水体泥沙颗粒级配曲线。使用X-射线粉末衍射仪(Fe靶)测定泥沙矿物成分。

(4) 对比分析。根据现场和室内实验资料，判断水体酸碱性，计算有机质含量，进行岩性分析，沉速、特征粒径参数计算及絮凝沉降分析。

(5)现场实验(采样)时间为2011～2013年，共9组样本：2011年8月1～3日；2011年9月1～6日；2012年7月6～8日；2012年7月10～12日；2012年7月27～29日；2012年9月4～6日；2013年7月12～21日；2013年7月31日至8月2日；2013年8月16～18日。

3 絮凝沉降因素分析

细颗粒泥沙絮凝沉降机理受多种因素(泥沙粒度、岩性、水温、盐度、流速、水环境等)影响，引起相互间的碰撞和接触，因微观作用力引起颗粒粘结，形成絮团，加速下降。由于影响细颗粒泥沙絮凝沉降的因素十分复杂，本文对三峡水库坝前段泥沙样本理化性质和水文、水环境条件进行初步分析。

3.1 泥沙因子

董耀华[8]综合分析了钱宁、C.Migniot等的研究认为，粒径大于0.03 mm时絮凝不明显，可取0.01 mm为絮凝的分界粒径。王党伟等[9]通过现场测试和室内实验，得出三峡水库泥沙絮凝临界粒径约为 0.022 mm，临界粒径值与含沙量无关。根据水库入库站寸滩站和出库站宜昌站悬移质泥沙粒径分析，小于 0.01 mm粒径对应的沙重百分数就达50%～80%，小于 0.022 mm粒径对应的含量更高 (见图3)，这部分细颗粒泥沙为絮凝沉降提供了基础条件。

图3 三峡水库进出库泥沙颗粒级配曲线

泥沙的理化性质是影响絮凝的因素之一，李旺等[10]综合已有研究认为，盐度、离子浓度、pH值等对絮凝的影响机理已清楚，即通过降低泥沙颗粒的表面电位(Zeta电位)来促进其絮凝，但对于有机絮凝目前研究不多。经现场采样分析，三峡近坝区泥沙矿物成分主要包括石英、钠长石、方解石、绿泥石、伊利石、角闪石、白云石和钾长石，其含量分别为7.98%，4.75%，1.27%，39.88%，44.28%,0.83%,0.93%和 0.08%，可见绿泥石和伊利石含量最高，合计达 84.16%。

3.2 水动力因子

水流对细颗粒泥沙絮凝沉降强度的影响随流速的减小而逐渐加快，蒋国俊等[11]认为流速大于 0.4 m/s时，细颗粒泥沙基本不发生絮凝沉降。郭超[12]认为长江中下游洪枯季泥沙在流速小于1.0 m/s时可能发生絮凝。何芳娇等[13]分析三峡水库奉节至坝前段的泥沙絮凝，其临界流速约为 0.7 m/s。按水库汛期145 m运行，回水长约472 km，计算不同入库流量各库段平均流速(见表1)。由表1可见，各级流量下，水库都存在流速小于1.0～0.4 m/s的情况，这为细颗粒泥沙絮凝沉降提供了弱水动力条件。

表1 三峡水库各库段平均流速

表2 三峡水库坝前段絮凝实验结果

注:本表按文献[15]方法将激光衍射法粒径转换为传统粒径计法粒径。

3.3 水环境因子

江河水为碱性水，pH值大于 7.0，这一属性是泥沙形成絮凝的另一种关键因素[14]。经现场实测，三峡水库水体的pH值在8.0左右，呈弱碱性。

现场取样分析显示，泥沙的有机质含量仅为2%～4%。

水温是一个重要的环境物理指标，可通过控制水体中细颗粒泥沙的布朗运动强度以及水体生物化学过程来影响细颗粒泥沙的行为。三峡水库在主汛期(7～9月)库区水体的水温有超过25℃的情况(见图4)，这也是影响泥沙絮凝沉降的因素。

图4 水库蓄水前后水温变化

4 实验结果分析与验证

4.1 实验结果分析

根据现场测试、取样和室内实验，共计收集9组165个样本对比实验资料，见表2。统计计算平均粒径为 0.012 mm，与董耀华[8]取0.01 mm的絮凝分界粒径十分接近。选取其中典型泥沙样本，点绘级配曲线图(见图5)。

图5 三峡坝前段泥沙颗粒级配曲线

由于絮凝作用，泥沙成絮团，粒径明显变粗。实验结果表明：三峡水库坝前段细颗粒泥沙沉降，因絮凝作用影响，细颗粒在碰撞、接触中形成絮团，粒径变粗，中值粒径、平均粒径分别是无絮凝泥沙的1.6～8.0倍(平均4.1倍)和 2.1～6.2倍(平均 3.8倍)，与何芳娇等[13]在奉节和坝前段实验的泥沙絮团直径约为单颗粒直径的3～8倍一致；细颗粒泥沙絮团沉降速度增加 2.9～17.9倍(平均 8.7倍，单样中最大达 35.1倍)，与李文杰[6]在忠县和奉节段的絮团沉速是非絮凝沉速9 倍的实验结果接近。絮团与单颗粒的沉降比(k)与粒径密切相关，两者可表示为

(1)

式中，k为有絮凝与无絮凝的沉降比；d50为中值粒径，mm；WL为采用LISST-100X计算的沉降速度，m/s；W激为采用激光粒度分布仪计算的沉降速度，m/s。

4.2 原型观测实验验证

天然河流的含沙量垂线分布主要受流速分布影响，呈上层小下层大的特点，与流速相反。但三峡水库入库泥沙经过长距离输移，沿程淤积分选，粒径越来越细，坝前泥沙大多为粒径小于 0.1 mm的冲泻质。2014年7月4日在S41和庙河断面(分别距大坝约18 km和12.7 km)实测中泓垂线最大流速近 1.0 m/s，垂线平均流速大于 0.7 m/s，垂线含沙量分布较均匀，未发生絮凝现象(见图6)。靠近坝前段，由于库面扩宽，水深加大，流速减缓，S34、S31和YZL02断面的垂线平均流速分别减少至0.66,0.46 m/s和 0.34 m/s(见表3)；含沙量在垂线上的梯度分布迅速加大(见图7)，反映出絮凝作用加速了絮团泥沙沉降。垂线上最大最小含沙量之比最大接近10倍(见表3)。越靠近坝前，最大流速越小，而垂线上最大含沙量逐步增大，最小含沙量逐步减小，最大最小含沙量比出现较大的断面(S34、S31)、也与坝前段主要淤积部位一致(见图1)。

图7 三峡坝前段流速及含沙量分布(有絮凝)

表3 库区坝前段实测含沙量沿程变化(2014年)

图6 三峡坝前段流速及含沙量分布(无絮凝)

5 结 论

综合分析已有研究成果，通过现场原型观测和室内实验对比分析及现场实测验证，主要结论如下：

(1)由于絮凝作用，细颗粒泥沙形成絮团，絮团中值粒径、平均粒径分别为0.019 mm和 0.046 mm，分别是单颗粒径的1.6～8.0倍和 2.1～6.2倍。

(2)泥沙絮团沉速加快，是单颗粒沉速的 2.9～17.9倍。絮凝强度与泥沙粒径之间存在对应关系。

(3)经实测验证，近坝区泥沙发生絮凝的分界粒径约为 0.012 mm(平均粒径)，分界流速约为 0.5 m/s(垂直平均流速)。