三峽水庫壩前泥沙絮凝沉降實(shí)證分析

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

三峽水庫入庫站(朱沱+北碚+武隆)輸沙量1991～2002年平均為 3.5億t，2003～2016年平均為1.6億t/a，入庫沙量呈現(xiàn)大幅減少趨勢。而壩前段(大壩-廟河)2003年3月至2016年12月年均淤積量為1 138.3萬m3/a，尤其水庫壩前段，最大深泓淤積幅度達(dá) 63.0 m(S34斷面)，見圖1(吳淞高程)，可見在入庫泥沙減少的條件下，壩前段淤積量較原預(yù)測值偏大[1-3]。為探討水庫泥沙淤積機(jī)理，方春明等[4-6]分別采用不平衡沙數(shù)學(xué)模擬、現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)等手段，證實(shí)了三峽水庫可能存在泥沙絮凝沉降現(xiàn)象。本文重點(diǎn)針對三峽水庫壩前段，采用現(xiàn)場測量、同步現(xiàn)場水沙采樣送室內(nèi)實(shí)驗(yàn)兩種方式，分別獲得泥沙沉速與粒徑的關(guān)系，驗(yàn)證三峽水庫壩前存在泥沙絮凝現(xiàn)象，并計算分析絮凝沉降對沉速和粒徑的影響程度。

圖1 三峽水庫壩前淤積分布

2 絮凝實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用基于激光衍射原理的兩種儀器設(shè)備[7]，一種為現(xiàn)場激光測沙儀(LISST-100X)，另一種為室內(nèi)激光粒度分布儀(MS2000-MU)，通過分別模擬監(jiān)測有絮凝和無絮凝的水體中泥沙顆粒級配曲線，并計算有無絮凝的泥沙沉降速度，判斷泥沙絮凝沉降及其影響。具體的實(shí)驗(yàn)過程如下。

(1) 斷面布設(shè)、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和樣品取樣位置在三峽水庫壩前庫段18 km范圍，布設(shè)5個實(shí)驗(yàn)斷面，分別為YZL02、S31、S34、廟河斷面和S41見(圖2)，在斷面中泓附近布設(shè)3條垂線。

圖2 三峽水庫壩前段實(shí)驗(yàn)斷面布置

(2) 現(xiàn)場測驗(yàn)。在上述5個實(shí)驗(yàn)斷面的3條垂線上，采用ADCP和LISST-100X同步監(jiān)測流速、含沙量垂線分布及顆粒級配曲線。測定水體pH值和水溫；同步現(xiàn)場采集相對水深0.6的水樣和河床底泥沙樣，送至實(shí)驗(yàn)室。

(3) 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場水樣和沙樣經(jīng)H2O2預(yù)處理后，采用馬爾文激光粒度分布儀模擬無絮凝的水體泥沙顆粒級配曲線。使用X-射線粉末衍射儀(Fe靶)測定泥沙礦物成分。

(4) 對比分析。根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)資料，判斷水體酸堿性，計算有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)行巖性分析，沉速、特征粒徑參數(shù)計算及絮凝沉降分析。

(5)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)(采樣)時間為2011～2013年，共9組樣本：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

細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降機(jī)理受多種因素(泥沙粒度、巖性、水溫、鹽度、流速、水環(huán)境等)影響，引起相互間的碰撞和接觸，因微觀作用力引起顆粒粘結(jié)，形成絮團(tuán)，加速下降。由于影響細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的因素十分復(fù)雜，本文對三峽水庫壩前段泥沙樣本理化性質(zhì)和水文、水環(huán)境條件進(jìn)行初步分析。

3.1 泥沙因子

董耀華[8]綜合分析了錢寧、C.Migniot等的研究認(rèn)為，粒徑大于0.03 mm時絮凝不明顯，可取0.01 mm為絮凝的分界粒徑。王黨偉等[9]通過現(xiàn)場測試和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得出三峽水庫泥沙絮凝臨界粒徑約為 0.022 mm，臨界粒徑值與含沙量無關(guān)。根據(jù)水庫入庫站寸灘站和出庫站宜昌站懸移質(zhì)泥沙粒徑分析，小于 0.01 mm粒徑對應(yīng)的沙重百分?jǐn)?shù)就達(dá)50%～80%，小于 0.022 mm粒徑對應(yīng)的含量更高 (見圖3)，這部分細(xì)顆粒泥沙為絮凝沉降提供了基礎(chǔ)條件。

圖3 三峽水庫進(jìn)出庫泥沙顆粒級配曲線

泥沙的理化性質(zhì)是影響絮凝的因素之一，李旺等[10]綜合已有研究認(rèn)為，鹽度、離子濃度、pH值等對絮凝的影響機(jī)理已清楚，即通過降低泥沙顆粒的表面電位(Zeta電位)來促進(jìn)其絮凝，但對于有機(jī)絮凝目前研究不多。經(jīng)現(xiàn)場采樣分析，三峽近壩區(qū)泥沙礦物成分主要包括石英、鈉長石、方解石、綠泥石、伊利石、角閃石、白云石和鉀長石，其含量分別為7.98%，4.75%，1.27%，39.88%，44.28%,0.83%,0.93%和 0.08%，可見綠泥石和伊利石含量最高，合計達(dá) 84.16%。

3.2 水動力因子

水流對細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降強(qiáng)度的影響隨流速的減小而逐漸加快，蔣國俊等[11]認(rèn)為流速大于 0.4 m/s時，細(xì)顆粒泥沙基本不發(fā)生絮凝沉降。郭超[12]認(rèn)為長江中下游洪枯季泥沙在流速小于1.0 m/s時可能發(fā)生絮凝。何芳嬌等[13]分析三峽水庫奉節(jié)至壩前段的泥沙絮凝，其臨界流速約為 0.7 m/s。按水庫汛期145 m運(yùn)行，回水長約472 km，計算不同入庫流量各庫段平均流速(見表1)。由表1可見，各級流量下，水庫都存在流速小于1.0～0.4 m/s的情況，這為細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降提供了弱水動力條件。

表1 三峽水庫各庫段平均流速

表2 三峽水庫壩前段絮凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注:本表按文獻(xiàn)[15]方法將激光衍射法粒徑轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)粒徑計法粒徑。

3.3 水環(huán)境因子

江河水為堿性水，pH值大于 7.0，這一屬性是泥沙形成絮凝的另一種關(guān)鍵因素[14]。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，三峽水庫水體的pH值在8.0左右，呈弱堿性。

現(xiàn)場取樣分析顯示，泥沙的有機(jī)質(zhì)含量僅為2%～4%。

水溫是一個重要的環(huán)境物理指標(biāo)，可通過控制水體中細(xì)顆粒泥沙的布朗運(yùn)動強(qiáng)度以及水體生物化學(xué)過程來影響細(xì)顆粒泥沙的行為。三峽水庫在主汛期(7～9月)庫區(qū)水體的水溫有超過25℃的情況(見圖4)，這也是影響泥沙絮凝沉降的因素。

圖4 水庫蓄水前后水溫變化

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場測試、取樣和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，共計收集9組165個樣本對比實(shí)驗(yàn)資料，見表2。統(tǒng)計計算平均粒徑為 0.012 mm，與董耀華[8]取0.01 mm的絮凝分界粒徑十分接近。選取其中典型泥沙樣本，點(diǎn)繪級配曲線圖(見圖5)。

圖5 三峽壩前段泥沙顆粒級配曲線

由于絮凝作用，泥沙成絮團(tuán)，粒徑明顯變粗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：三峽水庫壩前段細(xì)顆粒泥沙沉降，因絮凝作用影響，細(xì)顆粒在碰撞、接觸中形成絮團(tuán)，粒徑變粗，中值粒徑、平均粒徑分別是無絮凝泥沙的1.6～8.0倍(平均4.1倍)和 2.1～6.2倍(平均 3.8倍)，與何芳嬌等[13]在奉節(jié)和壩前段實(shí)驗(yàn)的泥沙絮團(tuán)直徑約為單顆粒直徑的3～8倍一致；細(xì)顆粒泥沙絮團(tuán)沉降速度增加 2.9～17.9倍(平均 8.7倍，單樣中最大達(dá) 35.1倍)，與李文杰[6]在忠縣和奉節(jié)段的絮團(tuán)沉速是非絮凝沉速9 倍的實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。絮團(tuán)與單顆粒的沉降比(k)與粒徑密切相關(guān)，兩者可表示為

(1)

式中，k為有絮凝與無絮凝的沉降比；d50為中值粒徑，mm；WL為采用LISST-100X計算的沉降速度，m/s；W激為采用激光粒度分布儀計算的沉降速度，m/s。

4.2 原型觀測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

天然河流的含沙量垂線分布主要受流速分布影響，呈上層小下層大的特點(diǎn)，與流速相反。但三峽水庫入庫泥沙經(jīng)過長距離輸移，沿程淤積分選，粒徑越來越細(xì)，壩前泥沙大多為粒徑小于 0.1 mm的沖瀉質(zhì)。2014年7月4日在S41和廟河斷面(分別距大壩約18 km和12.7 km)實(shí)測中泓垂線最大流速近 1.0 m/s，垂線平均流速大于 0.7 m/s，垂線含沙量分布較均勻，未發(fā)生絮凝現(xiàn)象(見圖6)?？拷鼔吻岸?，由于庫面擴(kuò)寬，水深加大，流速減緩，S34、S31和YZL02斷面的垂線平均流速分別減少至0.66,0.46 m/s和 0.34 m/s(見表3)；含沙量在垂線上的梯度分布迅速加大(見圖7)，反映出絮凝作用加速了絮團(tuán)泥沙沉降。垂線上最大最小含沙量之比最大接近10倍(見表3)。越靠近壩前，最大流速越小，而垂線上最大含沙量逐步增大，最小含沙量逐步減小，最大最小含沙量比出現(xiàn)較大的斷面(S34、S31)、也與壩前段主要淤積部位一致(見圖1)。

圖7 三峽壩前段流速及含沙量分布(有絮凝)

表3 庫區(qū)壩前段實(shí)測含沙量沿程變化(2014年)

圖6 三峽壩前段流速及含沙量分布(無絮凝)

5 結(jié) 論

綜合分析已有研究成果，通過現(xiàn)場原型觀測和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對比分析及現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

(1)由于絮凝作用，細(xì)顆粒泥沙形成絮團(tuán)，絮團(tuán)中值粒徑、平均粒徑分別為0.019 mm和 0.046 mm，分別是單顆粒徑的1.6～8.0倍和 2.1～6.2倍。

(2)泥沙絮團(tuán)沉速加快，是單顆粒沉速的 2.9～17.9倍。絮凝強(qiáng)度與泥沙粒徑之間存在對應(yīng)關(guān)系。

(3)經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證，近壩區(qū)泥沙發(fā)生絮凝的分界粒徑約為 0.012 mm(平均粒徑)，分界流速約為 0.5 m/s(垂直平均流速)。