,

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

三峽水庫(kù)入庫(kù)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(kù)沙量呈現(xiàn)大幅減少趨勢(shì)。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(wàn)m3/a，尤其水庫(kù)壩前段，最大深泓淤積幅度達(dá) 63.0 m(S34斷面)，見(jiàn)圖1(吳淞高程)，可見(jiàn)在入庫(kù)泥沙減少的條件下，壩前段淤積量較原預(yù)測(cè)值偏大[1-3]。為探討水庫(kù)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(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)等手段，證實(shí)了三峽水庫(kù)可能存在泥沙絮凝沉降現(xiàn)象。本文重點(diǎn)針對(duì)三峽水庫(kù)壩前段，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、同步現(xiàn)場(chǎng)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(kù)壩前存在泥沙絮凝現(xiàn)象，并計(jì)算分析絮凝沉降對(duì)沉速和粒徑的影響程度。

圖1 三峽水庫(kù)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(chǎng)激光測(cè)沙儀(LISST-100X)，另一種為室內(nèi)激光粒度分布儀(MS2000-MU)，通過(guò)分別模擬監(jiān)測(cè)有絮凝和無(wú)絮凝的水體中泥沙顆粒級(jí)配曲線，并計(jì)算有無(wú)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(guò)程如下。

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

圖2 三峽水庫(kù)壩前段實(shí)驗(yàn)斷面布置

(2) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)。在上述5個(gè)實(shí)驗(yàn)斷面的3條垂線上，采用ADCP和LISST-100X同步監(jiān)測(cè)流速、含沙量垂線分布及顆粒級(jí)配曲線。測(cè)定水體pH值和水溫；同步現(xiàn)場(chǎng)采集相對(duì)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(chǎng)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(wú)絮凝的水體泥沙顆粒級(jí)配曲線。使用X-射線粉末衍射儀(Fe靶)測(cè)定泥沙礦物成分。

(4) 對(duì)比分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)資料，判斷水體酸堿性，計(jì)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(jì)算及絮凝沉降分析。

(5)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)(采樣)時(shí)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(duì)三峽水庫(kù)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(qián)寧、C.Migniot等的研究認(rèn)為，粒徑大于0.03 mm時(shí)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得出三峽水庫(kù)泥沙絮凝臨界粒徑約為 0.022 mm，臨界粒徑值與含沙量無(wú)關(guān)。根據(jù)水庫(kù)入庫(kù)站寸灘站和出庫(kù)站宜昌站懸移質(zhì)泥沙粒徑分析，小于 0.01 mm粒徑對(duì)應(yīng)的沙重百分?jǐn)?shù)就達(dá)50%～80%，小于 0.022 mm粒徑對(duì)應(yīng)的含量更高 (見(jiàn)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(kù)進(jìn)出庫(kù)泥沙顆粒級(jí)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(duì)絮凝的影響機(jī)理已清楚，即通過(guò)降低泥沙顆粒的表面電位(Zeta電位)來(lái)促進(jìn)其絮凝，但對(duì)于有機(jī)絮凝目前研究不多。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采樣分析，三峽近壩區(qū)泥沙礦物成分主要包括石英、鈉長(zhǎng)石、方解石、綠泥石、伊利石、角閃石、白云石和鉀長(zhǎng)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(jiàn)綠泥石和伊利石含量最高，合計(jì)達(dá) 84.16%。

3.2 水動(dòng)力因子

水流對(duì)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(guó)俊等[11]認(rèn)為流速大于 0.4 m/s時(shí)，細(xì)顆粒泥沙基本不發(fā)生絮凝沉降。郭超[12]認(rèn)為長(zhǎng)江中下游洪枯季泥沙在流速小于1.0 m/s時(shí)可能發(fā)生絮凝。何芳嬌等[13]分析三峽水庫(kù)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(kù)汛期145 m運(yùn)行，回水長(zhǎng)約472 km，計(jì)算不同入庫(kù)流量各庫(kù)段平均流速(見(jiàn)表1)。由表1可見(jiàn)，各級(jí)流量下，水庫(kù)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(dòng)力條件。

表1 三峽水庫(kù)各庫(kù)段平均流速

表2 三峽水庫(kù)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(jì)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(chǎng)實(shí)測(cè)，三峽水庫(kù)水體的pH值在8.0左右，呈弱堿性。

現(xiàn)場(chǎng)取樣分析顯示，泥沙的有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為2%～4%。

水溫是一個(gè)重要的環(huán)境物理指標(biāo)，可通過(guò)控制水體中細(xì)顆粒泥沙的布朗運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度以及水體生物化學(xué)過(guò)程來(lái)影響細(xì)顆粒泥沙的行為。三峽水庫(kù)在主汛期(7～9月)庫(kù)區(qū)水體的水溫有超過(guò)25℃的情況(見(jiàn)圖4)，這也是影響泥沙絮凝沉降的因素。

圖4 水庫(kù)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(chǎng)測(cè)試、取樣和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，共計(jì)收集9組165個(gè)樣本對(duì)比實(shí)驗(yàn)資料，見(jiàn)表2。統(tǒng)計(jì)計(jì)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(jí)配曲線圖(見(jiàn)圖5)。

圖5 三峽壩前段泥沙顆粒級(jí)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(kù)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(wú)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(wú)絮凝的沉降比；d50為中值粒徑，mm；WL為采用LISST-100X計(jì)算的沉降速度，m/s；W激為采用激光粒度分布儀計(jì)算的沉降速度，m/s。

4.2 原型觀測(cè)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(kù)入庫(kù)泥沙經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸移，沿程淤積分選，粒徑越來(lái)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(cè)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(jiàn)圖6)?？拷鼔吻岸危捎趲?kù)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(jiàn)表3)；含沙量在垂線上的梯度分布迅速加大(見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)圖1)。

圖7 三峽壩前段流速及含沙量分布(有絮凝)

表3 庫(kù)區(qū)壩前段實(shí)測(cè)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(wú)絮凝)

5 結(jié) 論

綜合分析已有研究成果，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

(3)經(jīng)實(shí)測(cè)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)。