水庫過機泥沙特性研究初探

(， 443000)

1 研究目的

根據(jù)測算，長江上游江水中的含沙量約為1.2 kg/m3，每年通過三峽電站壩址的沙量超過了5億t。在三峽工程未建前，這些泥沙大量淤積在曲折的荊江河段，抬高了河床水位，并威脅到整個江漢平原和洞庭湖平原的安全。三峽水庫形成后，受水勢變緩和庫尾地區(qū)回水影響，泥沙必然會在水庫內(nèi)尤其是壩前和庫尾(回水的影響)淤積。三峽水庫庫區(qū)淤積平衡后，含有各種粒徑懸移質(zhì)泥沙的水流將對三峽水電站機組產(chǎn)生沖蝕磨損。

為減緩長江含沙水流對三峽電站機組的磨損，對三峽水庫淤積情況及過機泥沙變化特性開展了研究。

2 庫區(qū)水沙特性

三峽水庫入庫流量采用北碚+武隆+朱沱站流量，黃陵廟(陡)站位于三峽大壩下游12 km，為三峽水庫出庫水文站；廟河站位于三峽大壩上游14 km，為庫區(qū)壩址水文站。

2012年主汛期，受長江上游流域持續(xù)強降雨的影響，三峽水庫上游多次發(fā)生洪水。7月份發(fā)生3次洪水過程，其中出現(xiàn)在7月24日的入庫洪峰流量達71 200 m3/s，這也是三峽水庫建庫9 a來最大洪峰。根據(jù)防洪調(diào)度要求，其時三峽水庫下泄流量為40 000～45 000 m3/s，可大幅度減輕長江中下游的防洪壓力。

相比2003～2011年的多年平均徑流量，2012年黃陵廟(陡)站的年徑流量增加了19.1%。年輸沙量略低于2003～2011年的多年平均輸沙量，減小了3.6%，但比2008～2011年的輸沙量大(見圖1)。

圖1 2003～2012年黃陵廟(陡)站徑流量與輸沙量過程線

3 研究內(nèi)容

3.1 研究方案

(1) 取樣時間。選擇2012年入庫流量為30 000、40 000、50 000、60 000 m3/s(或相應(yīng)沙峰附近)時連續(xù)取樣3 d，每天取樣1次。根據(jù)實際情況，分別在2012年7月6～8日(入庫流量60 000 m3/s)、10～12日(入庫流量50 000 m3/s)、27～29日(入庫流量40 000 m3/s)和2012年9月4～6日(入庫流量30 000 m3/s)來監(jiān)測泥沙的過機過程。

(2) 取樣部位。主要為1、13、19、24號和26號機組，地下電廠28、31號機組。每臺機組選擇3個取樣點，即引水口、渦殼門以及錐管門。取樣時，由三峽電廠技術(shù)人員現(xiàn)場確定具體位置。在引水口，根據(jù)具體情況選擇在YZL 01斷面(三峽大壩上游約130 m)取樣。

(3) 研究項目。主要包括懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)特征粒徑、水溫及巖性分析。

3.2 研究方式

(1) 現(xiàn)場測定。水溫計現(xiàn)場測定水溫，采用LISST現(xiàn)場測沙儀測定引水口含沙量。

(2) 室內(nèi)分析。用Mastersizer2000激光粒度分布儀分析樣品特征粒徑，對各渦殼門及錐管門，采用傳統(tǒng)稱重法分析測定含沙量。

(3) 巖性分析。運用X-射線粉末衍射儀(Fe靶)分析測定各泥沙樣品的主要礦物成分；采用掃描電鏡分析各泥沙樣品的外觀。

4 過機泥沙分布特性

4.1 機組入口區(qū)泥沙分布特性

圖2 各機組引水口對應(yīng)測驗垂線及壩前水深相對位置示意

采用LISST現(xiàn)場測沙儀，對電廠機組入口區(qū)(測驗斷面位于引水口上游約130 m)不同水深處的懸移質(zhì)含沙量進行監(jiān)測。測驗斷面處各機組對應(yīng)垂線水深與機組進水口處(壩前)水深不同，由于左、右岸電廠機組進水口底板高程低于地下電廠機組進水口底板高程，因此各機組進水口對應(yīng)各垂線的相對水深也不同(見圖2)。測驗期間壩前水位150～163 m(吳淞高程)，以壩前水位163 m為例，1號機組進水口對應(yīng)測驗垂線上的位置為河底，因此主要是垂線底部的泥沙進入機組。對于13號機組，主要是垂線中部的泥沙進入機組。19、24、26號機組對應(yīng)的測驗垂線處為原上游RCC擋水圍堰拆除后的殘余部分，根據(jù)19、24號機組進水口對應(yīng)壩前水深的相對位置，泥沙主要是從垂線中下部進入機組。對于26號機組，泥沙主要是從垂線的下部進入機組。地下電廠28、31號機組的進水口對應(yīng)測驗垂線上的位置和對應(yīng)壩前水深的相對位置則比較一致，主要都是垂線中下部的泥沙進入機組。

測驗期間，引水口斷面各機組對應(yīng)位置的含沙量在0.013～1.22 kg/m3之間變化，其泥沙垂向分布符合一般規(guī)律，即水面含沙量小，河底含沙量大，其中大壩靠右岸的機組對應(yīng)位置的垂線底部含沙量與水面含沙量的比值，要大于靠左和中部位置的比值，說明大壩靠右岸的機組泥沙垂向分布更不均勻。9月份，由于三峽水庫開始蓄水，壩前引水口含沙量大為減小。根據(jù)各機組對應(yīng)壩前取樣垂線相對位置，1、26、28、31號機組進水口底板高程已處于對應(yīng)壩前垂線的底部或下部，含沙量比值均較大。

4.2 過機泥沙研究要素

(1) 輸沙量過程變化。每年匯入三峽入庫水流挾帶了大量泥沙，但由于水庫綜合調(diào)度，導(dǎo)致泥沙和水流的波動二相性發(fā)生一定改變，即懸移質(zhì)泥沙運動中的過程變化要滯后于流量過程變化。

清溪場斷面位于烏江下游12 km處，萬縣斷面位于萬利鐵路大橋下游600 m處，廟河位于三峽大壩上游約14 km處。以清溪場、萬縣、廟河2012年實測水沙成果為例，清溪場和萬縣輸沙量隨著入庫流量的變化發(fā)生相應(yīng)變化，且稍緩于流量的變化，趨勢基本一致；7月份，當入庫流量在25 000～55 000 m3/s之間變化時，廟河輸沙量也隨之發(fā)生變化，不僅緩于入庫流量的變化，也稍緩于清溪場和萬縣的輸沙量變化；進入9月份后，入庫流量雖有較大的變化而且還出現(xiàn)明顯的來水過程，但廟河輸沙量一直維持較低值，這是三峽水庫蓄水所致。

(2) 懸移質(zhì)含沙量。各機組渦殼門和錐管門的含沙量一般均大于壩前各機組進水口對應(yīng)的垂線平均含沙量。1號和26號機組在含沙量較大時更加突出，說明其受地形影響，對應(yīng)壩前垂線下部或底部的泥沙進入機組后過壩。其他機組的略大，應(yīng)是其對應(yīng)壩前垂線中下部分的泥沙進入機組后過壩。另外，靠近大壩中段的13～26號機組含沙量略大，也與其為三峽電廠及泄水建筑物的主要運用段(過壩水流集中段)有關(guān)。而泥沙隨水流進入各機組后，渦殼門和錐管門的含沙量無明顯的變化。

(3) 懸移質(zhì)特征粒徑。2012年7月入庫流量變化很大，經(jīng)過三峽水庫的調(diào)節(jié)，出庫流量保持在39 800～45 400 m3/s之間，各次監(jiān)測的懸移質(zhì)平均粒徑均無較大的變化。9月，上游入庫含沙量減小，增加了壩前水流的挾沙能力，造成此時過機組泥沙的平均粒徑加大。2012年各次監(jiān)測的懸移質(zhì)中值粒徑均比較穩(wěn)定，大部分在0.007～0.009 mm之間，9月份相對大一些，也與此時含沙量相對較小、壩前水流挾沙能力增加有關(guān)。2012年7月入庫流量較大，最大粒徑值在0.15～0.30 mm之間。各次監(jiān)測的懸移質(zhì)最大粒徑值并不穩(wěn)定，壩前垂線最大粒徑一般大于渦殼門、錐管門的最大粒徑，說明部分較大顆粒的泥沙未進入機組，而沉降后淤積在壩前。9月份含沙量較小，但壩前垂線最大粒徑值出現(xiàn)大于7 月份的情況，渦殼門、錐管門的懸移質(zhì)最大粒徑值也大于7月份，這也說明由于上游入庫含沙量減小后，壩前水流挾沙能力增強，較粗的泥沙顆粒開始過壩。

4.3 巖性分析

將收集的泥沙樣品通過X射線衍射實驗，可測定各樣品的主要礦物成分。結(jié)合泥沙礦物成份和硬度分析(XRD)及泥沙礦物形狀分析(SEM)，將2011年和2012年泥沙大硬度礦物成分含量最多的機組進行比較，見表1。

表1 2011年與2012年典型機組泥沙礦物成分比較表 %

與2011年相比，2012年硬度較大的石英和鈉長石的含量有一定程度的減少，但硬度較小的伊利石和綠泥石的含量卻有較大增加。同時石英斷口顆粒出現(xiàn)的機組雖較2011年相比也有所減小，但其出現(xiàn)了貝殼狀斷口，說明泥沙礦物對機組的磨損有所減弱，但還是存在一定程度的磨損。

5 結(jié)論與建議

2012年發(fā)生了三峽水庫成庫以來的最大入庫流量且持續(xù)時間較長，出庫水量與多年平均相比增加了19.1%，出庫懸移質(zhì)輸沙量與多年平均相比減小3.6%，但比2008年后的幾年要大。入庫泥沙經(jīng)長距離輸移，粗粒徑泥沙沿程落淤，到達壩區(qū)的泥沙已明顯細化。通過三峽電廠機組的泥沙為懸移質(zhì)泥沙，過機泥沙礦物成分因產(chǎn)生入庫洪水的組成不同而存在一定的差異。

2012年7月，過機泥沙平均粒徑、中值粒徑、最大粒徑分別為0.007～0.009、0.013～0.015、0.15～0.30 mm，略小于2011年過機泥沙的相應(yīng)值；但是2012年9月份過機泥沙最大粒徑值出現(xiàn)了大于7 月份的情況，與汛末期壩前水流挾沙能力增強、較粗的泥沙顆粒開始過壩有關(guān)。

靠近大壩中段的13～26號機組與兩邊機組的入口區(qū)相比，其含沙量略大，原因是該段為三峽電廠及泄水建筑物的主要運用段，即過壩水流集中段；1號和26號機組的進水口接近壩前相對水深下部，其過機泥沙為對應(yīng)壩前垂線下部和底部的泥沙。

過機泥沙以粘土片層為主，主要含有伊利石、石英、綠泥石及白云石；2012年，硬度較大的石英和鈉長石的含量較2011年有一定程度的減少，但硬度較小的伊利石和綠泥石的含量較2011年有較大增加，同時石英斷口顆粒出現(xiàn)的機組較2011年也有所減小。2012年，三峽水庫過機泥沙的硬度大于5的泥沙平均含量為23.42%，均小于2011年的含量25.93%和2010年的含量29.57%，呈逐年遞減趨勢。