黃河中的泥沙與泥沙對水庫的影響

黃河中的泥沙與泥沙對水庫的影響

中國有許多流域，如長江流域、流域和淮河流域。這些盆地很少存在沉積物問題。黃河流域是世界上含沙量最大的河流,因此泥沙帶來的問題相對于其他河流更為顯著,因?yàn)槟嗌车挠俜e,黃河的河床不斷的抬高,因此黃河被形象的成為“懸河”。在多沙的河流中,要考慮泥沙的沉積對水庫庫容的影響,也要考慮到泥沙對水輪機(jī)的磨損,還要考慮到泥沙對建筑物的危害作用。1懸移質(zhì)的測定河流中的泥沙按其運(yùn)動方式可以分為懸移質(zhì)、推移質(zhì)和河床質(zhì)三類。受水流作用而懸浮于水中并隨水流移動的泥沙稱為懸移質(zhì);受水流拖曳作用沿河床滾動、滑動、跳躍或?qū)右频哪嗌辰凶鐾埔瀑|(zhì);組成河床活動層并處于相對靜止而停留在河床上的泥沙叫做河床質(zhì)。1.1沉淀的部位在天然的河流上修建水庫之后,隨著庫區(qū)水位的抬高,過水?dāng)嗝娴臄U(kuò)大,水力坡度的變緩,水流速度的減小,夾雜在河水中的懸移質(zhì)就會慢慢的在庫區(qū)中沉淀淤積。水流含沙量越大,在水庫中的淤積程度也就會越高,如黃河三門峽水庫,多年平均含沙量達(dá)37.8kg/m3,在1960-1970年,水庫總淤積泥沙達(dá)55.5億t,使水庫的庫容損失高達(dá)43%。水庫淤積侵占了水庫的調(diào)節(jié)庫容,使水庫的綜合效益降低;另外,水庫的回水末端的淤積上延,將增加水庫周圍的淹沒損失,威脅上游重要城鎮(zhèn)、工況和交通設(shè)施的安全。1.2材料磨蝕強(qiáng)度的測量在多泥沙的河流中,泥沙的存在為泥沙水流氣蝕的產(chǎn)生或提前發(fā)生創(chuàng)造了條件。在水電站中,泥沙使水輪機(jī)流道內(nèi)的流場和壓力場發(fā)生了畸形,并且對水輪機(jī)過流部件的表面產(chǎn)生反復(fù)的沖擊和切削使水輪機(jī)的局部產(chǎn)生巨大的磨損。流速、含沙量、時間與材料磨蝕強(qiáng)度關(guān)系式W=KV2.6-3.5S0.954-1.1139t0.95-1.0式中,V為含沙液體相對于試件的流速,m/s;s為含沙量,kg/m3;t為磨蝕時間,h。從上面的兩個式子中可以看出,水輪機(jī)的破壞與沙粒的粒徑有關(guān),粒徑越大,材料損失的質(zhì)量越大,相反粒徑越小,材料損失的質(zhì)量越小。水流中的含沙量也與材料的磨蝕強(qiáng)度有關(guān),含沙量越小,材料的磨蝕強(qiáng)度越小。1.3壩高、壩坡度對壩坡變形的影響1)隨著泥沙在壩體前的淤積,泥沙的壓力增大了壩體的壓應(yīng)力,尤其在壩踵處最為明顯。另外,上游壩坡度增加的幅度較下游壩坡大,隨著壩高的增加,上游壩坡壓應(yīng)力增加的幅度減小,但當(dāng)壩高超過一定高度時,泥沙壓力對下游壩坡的影響加劇。2)泥沙壓力使壩體的應(yīng)力變得不均勻,破壞了應(yīng)力狀態(tài),因此在多沙河流的壩體設(shè)計(jì)的過程中,應(yīng)考慮到泥沙壓力對壩體受力的影響。2河流泥沙特性分析泥沙的危害范圍很廣泛,它的破壞性不容忽視。因此,對于水利水電建設(shè)來說,一方面必須了解河流的泥沙特性;另一方面,要采取合理的工程措施防止或減少泥沙進(jìn)入引水渠道。2.1沙粒特性與沙粒沉速的關(guān)系泥沙的特性分為泥沙顆粒的特性和泥沙群體的特性兩種。其中泥沙顆粒的特性主要有重度、粒徑、沉速和細(xì)粒泥沙表面的物理化學(xué)性質(zhì),而群體特性包括粒徑分布、中值粒徑和均勻沙的群體沉速等。下面針對泥沙顆粒的凈水沉速和泥沙的群體沉速做簡單介紹。2.1.1沉速高沙園泥沙的沉速一般是指單粒泥沙在靜止、等溫、廣域清水中自由下降的平均速度。泥沙顆粒的凈水沉速根據(jù)在水中的自由沉降可以分為層流、過渡和紊流三種狀態(tài)。層流區(qū)的泥沙顆粒大多是扁平的盤狀黏粒和由多面組成的雜角形粉粒,它們的沉速顯著小于等容的球體。過渡區(qū)的泥沙是常見的各種粗細(xì)不同的沙子,沙子的形狀變化較大,相同的等容粒徑,因形狀各異,其沉速大小之比可達(dá)1.5倍。紊流區(qū)的泥沙是自由可動的,顆粒運(yùn)動的軌跡因其形狀的不同而復(fù)雜多變。2.1.2由顆粒變化成球水利工程中常見的群體,大致分為兩類:一類是由基本相同的顆粒組成的群體,通常稱為均勻沙;它們在水中同步沉降,顆粒之間是無結(jié)構(gòu)的。另一類則是含有一定數(shù)量細(xì)微顆粒的混合沙,由細(xì)微顆粒形成了有結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)絡(luò),再扶持著粗大的沙粒形成共同沉降。對于無粘性的均勻沙,里亞申柯提出了這樣的公式:wCw=(1-s)m式中wC和w分別為群體與單粒的同溫靜水沉速,s為含沙量,m為一待定指數(shù)。2.2水庫排沙治理1)上游攔截,就地處理。在水庫上游采取攔沙措施,減少入庫泥沙,是防止和減少水庫泥沙淤積的最根本的方法。具體措施有:做好水土保持工作、在來沙較多的支流上修建攔沙壩庫、修建旁引水庫等。2)水庫排沙,保持庫容。即將進(jìn)入水庫的泥沙盡可能多的排走,并將前期淤積下來的泥沙盡可能多的沖走。具體措施有:水庫采取蓄清排渾的運(yùn)用方式,在汛期降低水位運(yùn)用,使大部分來沙淤積在死庫容內(nèi),或排出庫外;當(dāng)水庫不可能大量棄水時,可考慮異重流排沙;對于某些允許泄空的水庫,可以在年中的特定時間內(nèi)或是經(jīng)過數(shù)年之后間歇性地泄空水庫進(jìn)行集中排沙。3)清除淤沙,恢復(fù)庫容。對于干旱缺水的地區(qū),為確保水量而不容許利用水力排沙,或?qū)τ跊]有底孔設(shè)施的水庫,不能采用水力排沙時,可以采用挖泥船、吸泥泵等挖泥機(jī)械,清除水庫淤積的泥沙