淺談泥沙顆粒分析成果對(duì)水利工程的影響

程思

摘 要：隨著我國(guó)水利工程的大量修建，泥沙危害日益嚴(yán)重。科技水平的不斷進(jìn)步，對(duì)泥沙問(wèn)題研究更加深入。文章結(jié)合理論與實(shí)際運(yùn)用闡述泥沙分析成果的重要意義。

關(guān)鍵詞：水利工程；泥沙問(wèn)題；應(yīng)用

引言

自然界的河流，常常挾帶著泥沙。針對(duì)河流泥沙的研究不僅有時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣的特點(diǎn)，還與人類的活動(dòng)息息相關(guān)。河流中的泥沙對(duì)人類的影響具有兩重性，一方面泥沙能造福人類，如泥沙粗顆粒能夠提供工程建設(shè)所需要的建筑材料，細(xì)顆粒能夠用來(lái)淤灌農(nóng)田，提高農(nóng)田肥力；另一方面泥沙又具有危害性，如河流泥沙造成河道、水庫(kù)淤積，阻塞下游引航道至通航困難，影響港池航運(yùn)和交通，磨蝕水力機(jī)械和水工建筑物，較大的泥沙顆粒還會(huì)造成農(nóng)田毀壞，這些都給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了較大的危害。事實(shí)證明，只要河流中含有一定數(shù)量的泥沙，任何水利工程的修建和運(yùn)行，都要解決泥沙問(wèn)題對(duì)其產(chǎn)生的影響。對(duì)水利工程來(lái)說(shuō)，主要的問(wèn)題有兩個(gè)方面，一是研究泥沙在水流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，達(dá)到了解自然的問(wèn)題；二是運(yùn)用這些規(guī)律，預(yù)測(cè)河道在自然情況下或在興建了水利工程后的發(fā)展趨勢(shì)，合理處理水利工程建設(shè)和應(yīng)用中所遇到的各種泥沙問(wèn)題，達(dá)到興利除害、與自然和諧相處的目的。

1 泥沙顆粒分析方法簡(jiǎn)介

1.1 泥沙含量

河流泥沙的含量是一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)泥沙含量的檢測(cè)，應(yīng)按照《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行，測(cè)量?jī)x器應(yīng)滿足檢測(cè)要求，并具備國(guó)家計(jì)量部門的檢測(cè)認(rèn)證。測(cè)量采用沉淀干燥稱量法，通過(guò)烘干稱量處泥沙的質(zhì)量，該質(zhì)量與所取得樣品水樣的體積的比值，得到河水的泥沙含量。現(xiàn)在較多運(yùn)用超聲波測(cè)量河流泥沙含量。

1.2 泥沙顆粒級(jí)配

泥沙顆粒級(jí)配分布是指泥沙顆粒在不同粒徑范圍所占的比例。泥沙級(jí)配分析一般采用激光粒度分布儀。激光粒度分布儀是基于激光散射原理測(cè)量粒度分布的一種新型粒度儀，不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室所采用的移液管法，測(cè)試的效率得到了極大的提高。

1.3 泥沙組成成分

泥沙組成成分分析一般通過(guò)特定的儀器和方法進(jìn)行分析，可以得到泥沙中所含的礦物組分，以及在泥沙中所占的比例。

2 泥沙顆粒分析成果對(duì)水利工程的重要意義

2.1 泥沙分析資料對(duì)水庫(kù)淤積的重要作用

進(jìn)行水庫(kù)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要準(zhǔn)確計(jì)算進(jìn)入水庫(kù)的沙量，還要搞清進(jìn)入水庫(kù)泥沙粒徑級(jí)配的組成。因?yàn)槟嗌车念w粒級(jí)配不同，其淤積部位和淤積形態(tài)也不相同，較細(xì)的泥沙，在水庫(kù)內(nèi)的淤積是比較均勻的，而較粗的泥沙，則主要淤積在回水末端，形成三角洲，產(chǎn)生所謂的“翹尾巴”現(xiàn)象，使水庫(kù)淤積上延，回水上升，抬高上游水位，威脅兩岸城鎮(zhèn)和農(nóng)田的安全。下面以三峽工程為例，闡述泥沙資料對(duì)水庫(kù)淤積的重要意義。

三峽工程從開(kāi)始建設(shè)以來(lái)，其泥沙問(wèn)題已經(jīng)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的研究，自2003年6月蓄水運(yùn)行后，基本上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合目標(biāo)。隨著水庫(kù)使用時(shí)間的延長(zhǎng)，庫(kù)區(qū)泥沙淤積和壩下游沖刷逐步發(fā)展，同時(shí)長(zhǎng)江上游建庫(kù)排沙的作用會(huì)不斷顯現(xiàn)，這種新的形勢(shì)將對(duì)三峽水庫(kù)運(yùn)用和泥沙應(yīng)對(duì)措施提出新的要求。

三峽水庫(kù)泥沙細(xì)顆粒所占比例的較大，大約占1/3以上，而是否會(huì)出現(xiàn)絮凝，對(duì)水庫(kù)淤積量影響較大。泥沙絮凝現(xiàn)象主要以細(xì)顆粒泥沙為主。細(xì)顆粒泥沙絮凝的實(shí)質(zhì)是泥沙顆粒通過(guò)彼此之間的引力相互連接在一起，形成外形多樣、尺寸明顯變大的絮凝體。室內(nèi)試驗(yàn)表明，泥沙含量越高，細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的平均速率越快。

一般認(rèn)為，懸浮泥沙發(fā)生絮凝現(xiàn)象，僅僅以粒徑小于0.032mm的泥沙顆粒為主，而大于0.032mm的泥沙顆粒則不會(huì)發(fā)生絮凝。三峽水庫(kù)入庫(kù)泥沙中，粒徑小于0.032mm的泥沙顆粒所占比例較大。水流也是泥沙絮凝的重要因素，水流能加強(qiáng)細(xì)顆粒泥沙之間的碰撞，促進(jìn)絮凝。室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，隨著水流流速的減小，細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降強(qiáng)度逐漸增大，流速大于40cm/s時(shí)，細(xì)顆粒基本不發(fā)生絮凝沉降。由此，可以綜合判斷三峽水庫(kù)究竟會(huì)在何時(shí)發(fā)生絮凝現(xiàn)象。

2.2 泥沙顆粒對(duì)水力機(jī)械的影響

隨著更多水電站的興建，水輪機(jī)的磨損問(wèn)題，日益突出。為了合理的選定機(jī)型和制造水輪機(jī)的材料，需要了解過(guò)機(jī)泥沙的級(jí)配和泥沙的成分，同時(shí)，為了防止水輪機(jī)磨損需要了解和研究泥沙的磨蝕機(jī)理，以及泥沙對(duì)水力機(jī)械的影響因素。

泥沙顆粒對(duì)水力機(jī)械過(guò)流部件磨損破壞主要有兩種方式：一種是泥沙對(duì)過(guò)流部件的垂直撞擊。具有一定動(dòng)能的泥沙顆粒沖擊材料表面時(shí)，材料在接觸處首先形成彈性變形，繼而在接觸面中心處最大應(yīng)力位置，開(kāi)始進(jìn)入塑性流變狀態(tài)，并伴隨著泥沙動(dòng)能的損耗，塑性變形區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，直到在沙粒動(dòng)能轉(zhuǎn)化為材料彈塑性功的過(guò)程中，沙粒停止運(yùn)動(dòng)為止。以后，材料的表面彈性變形部分將恢復(fù)，而塑性變形部分將保留，形成沖擊坑。彈性部分在恢復(fù)過(guò)程中又對(duì)金屬材料的亞表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，與塑性部分耦合，彈性變形在恢復(fù)以后再次擠壓金屬表層，這樣反復(fù)好多次，在加上其他泥沙顆粒的再次沖擊，作用更加加劇。在凹坑邊緣有塑性變形擠出的材料堆積，并為局部微觀空蝕提供了條件。另一種是泥沙顆粒對(duì)過(guò)流部件的切削。具有一定動(dòng)能的硬度較高，外表嶙峋的較大泥沙顆粒以一定的角度沖擊切削金屬的表面，一方面直接將表層金屬切削掉，另一方面使得沿著金屬表面的拉壓與沖擊，造成金屬?zèng)_擊切削部位的局部受拉，局部受壓，產(chǎn)生彈塑性變形，受拉部分將產(chǎn)生微小裂紋與周圍金屬產(chǎn)生冷凝硬化，受壓部分與周圍金屬產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而形成一個(gè)切削冷凝坑，也為局部空蝕提供了條件。還有一種較為普遍的磨損為泥沙與氣泡相耦合的磨損作用，這兩者共同作用加劇了水輪機(jī)的磨蝕。我國(guó)河流含泥沙嚴(yán)重，在水流中有大量的固體顆粒存在，這些固體顆粒的表面一般不平整，在微觀、亞微觀縫隙有不溶解于水的氣體，所以多泥沙水流的氣核數(shù)比相應(yīng)條件下的清水量大，使得空化氣蝕容易提前發(fā)生。在氣泡潰滅的過(guò)程中，位于氣泡附近的泥沙顆粒受到潰滅過(guò)程的沖擊力影響，而獲得加速度，對(duì)金屬表面進(jìn)行沖擊切割，加大了對(duì)過(guò)流部件的破壞?？栈瘹馕g破壞與泥沙磨損的耦合作用，使得破壞力加劇。根據(jù)三門峽磨損空蝕試驗(yàn)裝置的測(cè)驗(yàn)成果，若以清水空蝕量為基數(shù)，當(dāng)含沙量為40kg/m3時(shí)，磨損量是清水空蝕的3.4倍，磨損與空蝕聯(lián)合作用時(shí)，為清水空蝕的16倍。美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，進(jìn)行振動(dòng)型的空蝕試驗(yàn)，其結(jié)果表明，渾水空蝕率比清水增加約50%。

泥沙組成成分也是影響水力機(jī)械磨蝕的重要因素。運(yùn)用電子顯微鏡和X-射線衍射對(duì)三峽水輪機(jī)的泥沙顆粒進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)這些泥沙顆粒的棱角明顯，且部分泥沙顆粒的外觀崢嶸。對(duì)其泥沙組成成分進(jìn)行分析，石英和長(zhǎng)石的含量達(dá)到了總量的35%到40%，而隨著上游水流來(lái)沙量的不斷變化，其含量也不斷變化。而對(duì)泥沙的物理指標(biāo)的分析，石英和長(zhǎng)石的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水輪機(jī)的材料，由此可以說(shuō)明泥沙組成成分對(duì)水力機(jī)械的磨損起重要作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為防止和解決水利工程泥沙問(wèn)題，泥沙顆粒分析都是不可缺少的因素?？梢?jiàn)，對(duì)泥沙顆粒進(jìn)行表征，深入研究泥沙危害機(jī)理，了解其特性和研究其以后的發(fā)生、發(fā)展變化規(guī)律，無(wú)論在理論上還是實(shí)際應(yīng)用中都具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]廖庭庭，陳和春，高甜.三峽水電站過(guò)機(jī)泥沙粒徑對(duì)水輪機(jī)葉片空化空蝕的影響[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2012，2：121-123.

[2]馬琳，高千紅，廖正香.三峽水電站過(guò)機(jī)泥沙量初步監(jiān)測(cè)與分析[J].人民長(zhǎng)江，2012，43（2）：96-100.

[3]李義天，鄧金運(yùn)，孫昭華，等.河流水沙災(zāi)害及其防治[M].武漢大學(xué)出版社，2004.