浅谈泥沙颗粒分析成果对水利工程的影响

程思

摘 要：随着我国水利工程的大量修建，泥沙危害日益严重。科技水平的不断进步，对泥沙问题研究更加深入。文章结合理论与实际运用阐述泥沙分析成果的重要意义。

关键词：水利工程；泥沙问题；应用

引言

自然界的河流，常常挟带着泥沙。针对河流泥沙的研究不仅有时间长、范围广的特点，还与人类的活动息息相关。河流中的泥沙对人类的影响具有两重性，一方面泥沙能造福人类，如泥沙粗颗粒能够提供工程建设所需要的建筑材料，细颗粒能够用来淤灌农田，提高农田肥力；另一方面泥沙又具有危害性，如河流泥沙造成河道、水库淤积，阻塞下游引航道至通航困难，影响港池航运和交通，磨蚀水力机械和水工建筑物，较大的泥沙颗粒还会造成农田毁坏，这些都给工农业生产带来了较大的危害。事实证明，只要河流中含有一定数量的泥沙，任何水利工程的修建和运行，都要解决泥沙问题对其产生的影响。对水利工程来说，主要的问题有两个方面，一是研究泥沙在水流中的运动规律，达到了解自然的问题；二是运用这些规律，预测河道在自然情况下或在兴建了水利工程后的发展趋势，合理处理水利工程建设和应用中所遇到的各种泥沙问题，达到兴利除害、与自然和谐相处的目的。

1 泥沙颗粒分析方法简介

1.1 泥沙含量

河流泥沙的含量是一个重要参数。对泥沙含量的检测，应按照《河流悬移质泥沙测验规范》进行，测量仪器应满足检测要求，并具备国家计量部门的检测认证。测量采用沉淀干燥称量法，通过烘干称量处泥沙的质量，该质量与所取得样品水样的体积的比值，得到河水的泥沙含量。现在较多运用超声波测量河流泥沙含量。

1.2 泥沙颗粒级配

泥沙颗粒级配分布是指泥沙颗粒在不同粒径范围所占的比例。泥沙级配分析一般采用激光粒度分布仪。激光粒度分布仪是基于激光散射原理测量粒度分布的一种新型粒度仪，不同于传统的实验室所采用的移液管法，测试的效率得到了极大的提高。

1.3 泥沙组成成分

泥沙组成成分分析一般通过特定的仪器和方法进行分析，可以得到泥沙中所含的矿物组分，以及在泥沙中所占的比例。

2 泥沙颗粒分析成果对水利工程的重要意义

2.1 泥沙分析资料对水库淤积的重要作用

进行水库规划设计时，不仅要准确计算进入水库的沙量，还要搞清进入水库泥沙粒径级配的组成。因为泥沙的颗粒级配不同，其淤积部位和淤积形态也不相同，较细的泥沙，在水库内的淤积是比较均匀的，而较粗的泥沙，则主要淤积在回水末端，形成三角洲，产生所谓的“翘尾巴”现象，使水库淤积上延，回水上升，抬高上游水位，威胁两岸城镇和农田的安全。下面以三峡工程为例，阐述泥沙资料对水库淤积的重要意义。

三峡工程从开始建设以来，其泥沙问题已经经过了长期的研究，自2003年6月蓄水运行后，基本上实现了设计的防洪、发电、航运等综合目标。随着水库使用时间的延长，库区泥沙淤积和坝下游冲刷逐步发展，同时长江上游建库排沙的作用会不断显现，这种新的形势将对三峡水库运用和泥沙应对措施提出新的要求。

三峡水库泥沙细颗粒所占比例的较大，大约占1/3以上，而是否会出现絮凝，对水库淤积量影响较大。泥沙絮凝现象主要以细颗粒泥沙为主。细颗粒泥沙絮凝的实质是泥沙颗粒通过彼此之间的引力相互连接在一起，形成外形多样、尺寸明显变大的絮凝体。室内试验表明，泥沙含量越高，细颗粒泥沙絮凝沉降的平均速率越快。

一般认为，悬浮泥沙发生絮凝现象，仅仅以粒径小于0.032mm的泥沙颗粒为主，而大于0.032mm的泥沙颗粒则不会发生絮凝。三峡水库入库泥沙中，粒径小于0.032mm的泥沙颗粒所占比例较大。水流也是泥沙絮凝的重要因素，水流能加强细颗粒泥沙之间的碰撞，促进絮凝。室内试验研究表明，随着水流流速的减小，细颗粒泥沙絮凝沉降强度逐渐增大，流速大于40cm/s时，细颗粒基本不发生絮凝沉降。由此，可以综合判断三峡水库究竟会在何时发生絮凝现象。

2.2 泥沙颗粒对水力机械的影响

随着更多水电站的兴建，水轮机的磨损问题，日益突出。为了合理的选定机型和制造水轮机的材料，需要了解过机泥沙的级配和泥沙的成分，同时，为了防止水轮机磨损需要了解和研究泥沙的磨蚀机理，以及泥沙对水力机械的影响因素。

泥沙颗粒对水力机械过流部件磨损破坏主要有两种方式：一种是泥沙对过流部件的垂直撞击。具有一定动能的泥沙颗粒冲击材料表面时，材料在接触处首先形成弹性变形，继而在接触面中心处最大应力位置，开始进入塑性流变状态，并伴随着泥沙动能的损耗，塑性变形区进一步扩大，直到在沙粒动能转化为材料弹塑性功的过程中，沙粒停止运动为止。以后，材料的表面弹性变形部分将恢复，而塑性变形部分将保留，形成冲击坑。弹性部分在恢复过程中又对金属材料的亚表层产生残余拉应力，与塑性部分耦合，弹性变形在恢复以后再次挤压金属表层，这样反复好多次，在加上其他泥沙颗粒的再次冲击，作用更加加剧。在凹坑边缘有塑性变形挤出的材料堆积，并为局部微观空蚀提供了条件。另一种是泥沙颗粒对过流部件的切削。具有一定动能的硬度较高，外表嶙峋的较大泥沙颗粒以一定的角度冲击切削金属的表面，一方面直接将表层金属切削掉，另一方面使得沿着金属表面的拉压与冲击，造成金属冲击切削部位的局部受拉，局部受压，产生弹塑性变形，受拉部分将产生微小裂纹与周围金属产生冷凝硬化，受压部分与周围金属产生残余压应力，从而形成一个切削冷凝坑，也为局部空蚀提供了条件。还有一种较为普遍的磨损为泥沙与气泡相耦合的磨损作用，这两者共同作用加剧了水轮机的磨蚀。我国河流含泥沙严重，在水流中有大量的固体颗粒存在，这些固体颗粒的表面一般不平整，在微观、亚微观缝隙有不溶解于水的气体，所以多泥沙水流的气核数比相应条件下的清水量大，使得空化气蚀容易提前发生。在气泡溃灭的过程中，位于气泡附近的泥沙颗粒受到溃灭过程的冲击力影响，而获得加速度，对金属表面进行冲击切割，加大了对过流部件的破坏。空化气蚀破坏与泥沙磨损的耦合作用，使得破坏力加剧。根据三门峡磨损空蚀试验装置的测验成果，若以清水空蚀量为基数，当含沙量为40kg/m3时，磨损量是清水空蚀的3.4倍，磨损与空蚀联合作用时，为清水空蚀的16倍。美国密执安大学的实验室内，进行振动型的空蚀试验，其结果表明，浑水空蚀率比清水增加约50%。

泥沙组成成分也是影响水力机械磨蚀的重要因素。运用电子显微镜和X-射线衍射对三峡水轮机的泥沙颗粒进行分析研究，发现这些泥沙颗粒的棱角明显，且部分泥沙颗粒的外观峥嵘。对其泥沙组成成分进行分析，石英和长石的含量达到了总量的35%到40%，而随着上游水流来沙量的不断变化，其含量也不断变化。而对泥沙的物理指标的分析，石英和长石的硬度远远大于水轮机的材料，由此可以说明泥沙组成成分对水力机械的磨损起重要作用。

3 结束语

综上所述，为防止和解决水利工程泥沙问题，泥沙颗粒分析都是不可缺少的因素。可见，对泥沙颗粒进行表征，深入研究泥沙危害机理，了解其特性和研究其以后的发生、发展变化规律，无论在理论上还是实际应用中都具有重要的意义。

参考文献

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