溫 馨 苗廣霖

（鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001）

我國有很多流域，如長江流域、黃河流域、淮河流域等，在這些流域中都或多或少的存在著泥沙問題。黃河流域是世界上含沙量最大的河流，因此泥沙帶來的問題相對于其他河流更為顯著，因?yàn)槟嗌车挠俜e，黃河的河床不斷的抬高，因此黃河被形象的成為“懸河”。在多沙的河流中，要考慮泥沙的沉積對水庫庫容的影響，也要考慮到泥沙對水輪機(jī)的磨損，還要考慮到泥沙對建筑物的危害作用。

1 泥沙的危害

河流中的泥沙按其運(yùn)動方式可以分為懸移質(zhì)、推移質(zhì)和河床質(zhì)三類。受水流作用而懸浮于水中并隨水流移動的泥沙稱為懸移質(zhì)；受水流拖曳作用沿河床滾動、滑動、跳躍或?qū)右频哪嗌辰凶鐾埔瀑|(zhì)；組成河床活動層并處于相對靜止而停留在河床上的泥沙叫做河床質(zhì)。

1.1 對水庫庫容的影響

在天然的河流上修建水庫之后，隨著庫區(qū)水位的抬高，過水?dāng)嗝娴臄U(kuò)大，水力坡度的變緩，水流速度的減小，夾雜在河水中的懸移質(zhì)就會慢慢的在庫區(qū)中沉淀淤積。水流含沙量越大，在水庫中的淤積程度也就會越高，如黃河三門峽水庫，多年平均含沙量達(dá)37.8kg/m3,在1960-1970年，水庫總淤積泥沙達(dá)55.5億t，使水庫的庫容損失高達(dá)43%。水庫淤積侵占了水庫的調(diào)節(jié)庫容，使水庫的綜合效益降低；另外，水庫的回水末端的淤積上延，將增加水庫周圍的淹沒損失，威脅上游重要城鎮(zhèn)、工況和交通設(shè)施的安全。

1.2 對水輪機(jī)的危害

在多泥沙的河流中，泥沙的存在為泥沙水流氣蝕的產(chǎn)生或提前發(fā)生創(chuàng)造了條件。在水電站中，泥沙使水輪機(jī)流道內(nèi)的流場和壓力場發(fā)生了畸形，并且對水輪機(jī)過流部件的表面產(chǎn)生反復(fù)的沖擊和切削使水輪機(jī)的局部產(chǎn)生巨大的磨損。流速、含沙量、時(shí)間與材料磨蝕強(qiáng)度關(guān)系式W=KV2.6-3.5S0.954-1.1139t0.95-1.0式中，V為含沙液體相對于試件的流速，m/s；s為含沙量，kg/m3；t為磨蝕時(shí)間，h。從上面的兩個(gè)式子中可以看出，水輪機(jī)的破壞與沙粒的粒徑有關(guān)，粒徑越大，材料損失的質(zhì)量越大，相反粒徑越小，材料損失的質(zhì)量越小。水流中的含沙量也與材料的磨蝕強(qiáng)度有關(guān)，含沙量越小，材料的磨蝕強(qiáng)度越小。

1.3 對壩體的影響

1）隨著泥沙在壩體前的淤積，泥沙的壓力增大了壩體的壓應(yīng)力，尤其在壩踵處最為明顯。另外，上游壩坡度增加的幅度較下游壩坡大，隨著壩高的增加，上游壩坡壓應(yīng)力增加的幅度減小，但當(dāng)壩高超過一定高度時(shí)，泥沙壓力對下游壩坡的影響加劇。

2）泥沙壓力使壩體的應(yīng)力變得不均勻，破壞了應(yīng)力狀態(tài)，因此在多沙河流的壩體設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)考慮到泥沙壓力對壩體受力的影響。

2 泥沙危害的防治措施

泥沙的危害范圍很廣泛，它的破壞性不容忽視。因此，對于水利水電建設(shè)來說，一方面必須了解河流的泥沙特性；另一方面，要采取合理的工程措施防止或減少泥沙進(jìn)入引水渠道。

2.1 河流的泥沙特性

泥沙的特性分為泥沙顆粒的特性和泥沙群體的特性兩種。其中泥沙顆粒的特性主要有重度、粒徑、沉速和細(xì)粒泥沙表面的物理化學(xué)性質(zhì)，而群體特性包括粒徑分布、中值粒徑和均勻沙的群體沉速等。下面針對泥沙顆粒的凈水沉速和泥沙的群體沉速做簡單介紹。

2.1.1 泥沙顆粒的凈水沉速

泥沙的沉速一般是指單粒泥沙在靜止、等溫、廣域清水中自由下降的平均速度。泥沙顆粒的凈水沉速根據(jù)在水中的自由沉降可以分為層流、過渡和紊流三種狀態(tài)。層流區(qū)的泥沙顆粒大多是扁平的盤狀黏粒和由多面組成的雜角形粉粒，它們的沉速顯著小于等容的球體。過渡區(qū)的泥沙是常見的各種粗細(xì)不同的沙子，沙子的形狀變化較大，相同的等容粒徑，因形狀各異，其沉速大小之比可達(dá)1.5倍。紊流區(qū)的泥沙是自由可動的，顆粒運(yùn)動的軌跡因其形狀的不同而復(fù)雜多變。

2.1.2 泥沙的群體沉速

水利工程中常見的群體，大致分為兩類：一類是由基本相同的顆粒組成的群體，通常稱為均勻沙；它們在水中同步沉降，顆粒之間是無結(jié)構(gòu)的。另一類則是含有一定數(shù)量細(xì)微顆粒的混合沙，由細(xì)微顆粒形成了有結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)絡(luò)，再扶持著粗大的沙粒形成共同沉降。對于無粘性的均勻沙，里亞申柯提出了這樣的公式：

wCw=（1-s）m

式中wC和w分別為群體與單粒的同溫靜水沉速，s為含沙量，m為一待定指數(shù)。

2.2 工程措施

1）上游攔截，就地處理。在水庫上游采取攔沙措施，減少入庫泥沙，是防止和減少水庫泥沙淤積的最根本的方法。具體措施有：做好水土保持工作、在來沙較多的支流上修建攔沙壩庫、修建旁引水庫等。

2）水庫排沙，保持庫容。即將進(jìn)入水庫的泥沙盡可能多的排走，并將前期淤積下來的泥沙盡可能多的沖走。具體措施有：水庫采取蓄清排渾的運(yùn)用方式，在汛期降低水位運(yùn)用，使大部分來沙淤積在死庫容內(nèi)，或排出庫外；當(dāng)水庫不可能大量棄水時(shí)，可考慮異重流排沙；對于某些允許泄空的水庫，可以在年中的特定時(shí)間內(nèi)或是經(jīng)過數(shù)年之后間歇性地泄空水庫進(jìn)行集中排沙。

3）清除淤沙，恢復(fù)庫容。對于干旱缺水的地區(qū)，為確保水量而不容許利用水力排沙，或?qū)τ跊]有底孔設(shè)施的水庫，不能采用水力排沙時(shí)，可以采用挖泥船、吸泥泵等挖泥機(jī)械，清除水庫淤積的泥沙，也可用橫向沖蝕方法清除水庫淤積的泥沙。

3 結(jié)束語

水利工程中的泥沙問題被很多的人進(jìn)行了詳細(xì)的研究，本文通過對泥沙對水利工程帶來的一些危害的描述，提出了從研究泥沙特性和工程措施兩個(gè)方面進(jìn)行泥沙的治理和防護(hù)。

[1]陳松偉.淺談泥沙壓力對重力壩應(yīng)力的影響[J].中國水運(yùn).2008(5).

[2]林潔.水庫淤積形成及其影響和應(yīng)對措施[J].農(nóng)田水利.2012.