水库过机泥沙特性研究初探

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1 研究目的

根据测算，长江上游江水中的含沙量约为1.2 kg/m3，每年通过三峡电站坝址的沙量超过了5亿t。在三峡工程未建前，这些泥沙大量淤积在曲折的荆江河段，抬高了河床水位，并威胁到整个江汉平原和洞庭湖平原的安全。三峡水库形成后，受水势变缓和库尾地区回水影响，泥沙必然会在水库内尤其是坝前和库尾(回水的影响)淤积。三峡水库库区淤积平衡后，含有各种粒径悬移质泥沙的水流将对三峡水电站机组产生冲蚀磨损。

为减缓长江含沙水流对三峡电站机组的磨损，对三峡水库淤积情况及过机泥沙变化特性开展了研究。

2 库区水沙特性

三峡水库入库流量采用北碚+武隆+朱沱站流量，黄陵庙(陡)站位于三峡大坝下游12 km，为三峡水库出库水文站；庙河站位于三峡大坝上游14 km，为库区坝址水文站。

2012年主汛期，受长江上游流域持续强降雨的影响，三峡水库上游多次发生洪水。7月份发生3次洪水过程，其中出现在7月24日的入库洪峰流量达71 200 m3/s，这也是三峡水库建库9 a来最大洪峰。根据防洪调度要求，其时三峡水库下泄流量为40 000～45 000 m3/s，可大幅度减轻长江中下游的防洪压力。

相比2003～2011年的多年平均径流量，2012年黄陵庙(陡)站的年径流量增加了19.1%。年输沙量略低于2003～2011年的多年平均输沙量，减小了3.6%，但比2008～2011年的输沙量大(见图1)。

图1 2003～2012年黄陵庙(陡)站径流量与输沙量过程线

3 研究内容

3.1 研究方案

(1) 取样时间。选择2012年入库流量为30 000、40 000、50 000、60 000 m3/s(或相应沙峰附近)时连续取样3 d，每天取样1次。根据实际情况，分别在2012年7月6～8日(入库流量60 000 m3/s)、10～12日(入库流量50 000 m3/s)、27～29日(入库流量40 000 m3/s)和2012年9月4～6日(入库流量30 000 m3/s)来监测泥沙的过机过程。

(2) 取样部位。主要为1、13、19、24号和26号机组，地下电厂28、31号机组。每台机组选择3个取样点，即引水口、涡壳门以及锥管门。取样时，由三峡电厂技术人员现场确定具体位置。在引水口，根据具体情况选择在YZL 01断面(三峡大坝上游约130 m)取样。

(3) 研究项目。主要包括悬移质含沙量、悬移质特征粒径、水温及岩性分析。

3.2 研究方式

(1) 现场测定。水温计现场测定水温，采用LISST现场测沙仪测定引水口含沙量。

(2) 室内分析。用Mastersizer2000激光粒度分布仪分析样品特征粒径，对各涡壳门及锥管门，采用传统称重法分析测定含沙量。

(3) 岩性分析。运用X-射线粉末衍射仪(Fe靶)分析测定各泥沙样品的主要矿物成分；采用扫描电镜分析各泥沙样品的外观。

4 过机泥沙分布特性

4.1 机组入口区泥沙分布特性

图2 各机组引水口对应测验垂线及坝前水深相对位置示意

采用LISST现场测沙仪，对电厂机组入口区(测验断面位于引水口上游约130 m)不同水深处的悬移质含沙量进行监测。测验断面处各机组对应垂线水深与机组进水口处(坝前)水深不同，由于左、右岸电厂机组进水口底板高程低于地下电厂机组进水口底板高程，因此各机组进水口对应各垂线的相对水深也不同(见图2)。测验期间坝前水位150～163 m(吴淞高程)，以坝前水位163 m为例，1号机组进水口对应测验垂线上的位置为河底，因此主要是垂线底部的泥沙进入机组。对于13号机组，主要是垂线中部的泥沙进入机组。19、24、26号机组对应的测验垂线处为原上游RCC挡水围堰拆除后的残余部分，根据19、24号机组进水口对应坝前水深的相对位置，泥沙主要是从垂线中下部进入机组。对于26号机组，泥沙主要是从垂线的下部进入机组。地下电厂28、31号机组的进水口对应测验垂线上的位置和对应坝前水深的相对位置则比较一致，主要都是垂线中下部的泥沙进入机组。

测验期间，引水口断面各机组对应位置的含沙量在0.013～1.22 kg/m3之间变化，其泥沙垂向分布符合一般规律，即水面含沙量小，河底含沙量大，其中大坝靠右岸的机组对应位置的垂线底部含沙量与水面含沙量的比值，要大于靠左和中部位置的比值，说明大坝靠右岸的机组泥沙垂向分布更不均匀。9月份，由于三峡水库开始蓄水，坝前引水口含沙量大为减小。根据各机组对应坝前取样垂线相对位置，1、26、28、31号机组进水口底板高程已处于对应坝前垂线的底部或下部，含沙量比值均较大。

4.2 过机泥沙研究要素

(1) 输沙量过程变化。每年汇入三峡入库水流挟带了大量泥沙，但由于水库综合调度，导致泥沙和水流的波动二相性发生一定改变，即悬移质泥沙运动中的过程变化要滞后于流量过程变化。

清溪场断面位于乌江下游12 km处，万县断面位于万利铁路大桥下游600 m处，庙河位于三峡大坝上游约14 km处。以清溪场、万县、庙河2012年实测水沙成果为例，清溪场和万县输沙量随着入库流量的变化发生相应变化，且稍缓于流量的变化，趋势基本一致；7月份，当入库流量在25 000～55 000 m3/s之间变化时，庙河输沙量也随之发生变化，不仅缓于入库流量的变化，也稍缓于清溪场和万县的输沙量变化；进入9月份后，入库流量虽有较大的变化而且还出现明显的来水过程，但庙河输沙量一直维持较低值，这是三峡水库蓄水所致。

(2) 悬移质含沙量。各机组涡壳门和锥管门的含沙量一般均大于坝前各机组进水口对应的垂线平均含沙量。1号和26号机组在含沙量较大时更加突出，说明其受地形影响，对应坝前垂线下部或底部的泥沙进入机组后过坝。其他机组的略大，应是其对应坝前垂线中下部分的泥沙进入机组后过坝。另外，靠近大坝中段的13～26号机组含沙量略大，也与其为三峡电厂及泄水建筑物的主要运用段(过坝水流集中段)有关。而泥沙随水流进入各机组后，涡壳门和锥管门的含沙量无明显的变化。

(3) 悬移质特征粒径。2012年7月入库流量变化很大，经过三峡水库的调节，出库流量保持在39 800～45 400 m3/s之间，各次监测的悬移质平均粒径均无较大的变化。9月，上游入库含沙量减小，增加了坝前水流的挟沙能力，造成此时过机组泥沙的平均粒径加大。2012年各次监测的悬移质中值粒径均比较稳定，大部分在0.007～0.009 mm之间，9月份相对大一些，也与此时含沙量相对较小、坝前水流挟沙能力增加有关。2012年7月入库流量较大，最大粒径值在0.15～0.30 mm之间。各次监测的悬移质最大粒径值并不稳定，坝前垂线最大粒径一般大于涡壳门、锥管门的最大粒径，说明部分较大颗粒的泥沙未进入机组，而沉降后淤积在坝前。9月份含沙量较小，但坝前垂线最大粒径值出现大于7 月份的情况，涡壳门、锥管门的悬移质最大粒径值也大于7月份，这也说明由于上游入库含沙量减小后，坝前水流挟沙能力增强，较粗的泥沙颗粒开始过坝。

4.3 岩性分析

将收集的泥沙样品通过X射线衍射实验，可测定各样品的主要矿物成分。结合泥沙矿物成份和硬度分析(XRD)及泥沙矿物形状分析(SEM)，将2011年和2012年泥沙大硬度矿物成分含量最多的机组进行比较，见表1。

表1 2011年与2012年典型机组泥沙矿物成分比较表 %

与2011年相比，2012年硬度较大的石英和钠长石的含量有一定程度的减少，但硬度较小的伊利石和绿泥石的含量却有较大增加。同时石英断口颗粒出现的机组虽较2011年相比也有所减小，但其出现了贝壳状断口，说明泥沙矿物对机组的磨损有所减弱，但还是存在一定程度的磨损。

5 结论与建议

2012年发生了三峡水库成库以来的最大入库流量且持续时间较长，出库水量与多年平均相比增加了19.1%，出库悬移质输沙量与多年平均相比减小3.6%，但比2008年后的几年要大。入库泥沙经长距离输移，粗粒径泥沙沿程落淤，到达坝区的泥沙已明显细化。通过三峡电厂机组的泥沙为悬移质泥沙，过机泥沙矿物成分因产生入库洪水的组成不同而存在一定的差异。

2012年7月，过机泥沙平均粒径、中值粒径、最大粒径分别为0.007～0.009、0.013～0.015、0.15～0.30 mm，略小于2011年过机泥沙的相应值；但是2012年9月份过机泥沙最大粒径值出现了大于7 月份的情况，与汛末期坝前水流挟沙能力增强、较粗的泥沙颗粒开始过坝有关。

靠近大坝中段的13～26号机组与两边机组的入口区相比，其含沙量略大，原因是该段为三峡电厂及泄水建筑物的主要运用段，即过坝水流集中段；1号和26号机组的进水口接近坝前相对水深下部，其过机泥沙为对应坝前垂线下部和底部的泥沙。

过机泥沙以粘土片层为主，主要含有伊利石、石英、绿泥石及白云石；2012年，硬度较大的石英和钠长石的含量较2011年有一定程度的减少，但硬度较小的伊利石和绿泥石的含量较2011年有较大增加，同时石英断口颗粒出现的机组较2011年也有所减小。2012年，三峡水库过机泥沙的硬度大于5的泥沙平均含量为23.42%，均小于2011年的含量25.93%和2010年的含量29.57%，呈逐年递减趋势。