水利工程泥沙的危害及应对措施

2013-04-10苗广霖

河南科技 2013年5期

温馨苗广霖

（郑州大学水利与环境学院，河南郑州 450001）

我国有很多流域，如长江流域、黄河流域、淮河流域等，在这些流域中都或多或少的存在着泥沙问题。黄河流域是世界上含沙量最大的河流，因此泥沙带来的问题相对于其他河流更为显著，因为泥沙的淤积，黄河的河床不断的抬高，因此黄河被形象的成为“悬河”。在多沙的河流中，要考虑泥沙的沉积对水库库容的影响，也要考虑到泥沙对水轮机的磨损，还要考虑到泥沙对建筑物的危害作用。

1 泥沙的危害

河流中的泥沙按其运动方式可以分为悬移质、推移质和河床质三类。受水流作用而悬浮于水中并随水流移动的泥沙称为悬移质；受水流拖曳作用沿河床滚动、滑动、跳跃或层移的泥沙叫做推移质；组成河床活动层并处于相对静止而停留在河床上的泥沙叫做河床质。

1.1 对水库库容的影响

在天然的河流上修建水库之后，随着库区水位的抬高，过水断面的扩大，水力坡度的变缓，水流速度的减小，夹杂在河水中的悬移质就会慢慢的在库区中沉淀淤积。水流含沙量越大，在水库中的淤积程度也就会越高，如黄河三门峡水库，多年平均含沙量达37.8kg/m3,在1960-1970年，水库总淤积泥沙达55.5亿t，使水库的库容损失高达43%。水库淤积侵占了水库的调节库容，使水库的综合效益降低；另外，水库的回水末端的淤积上延，将增加水库周围的淹没损失，威胁上游重要城镇、工况和交通设施的安全。

1.2 对水轮机的危害

在多泥沙的河流中，泥沙的存在为泥沙水流气蚀的产生或提前发生创造了条件。在水电站中，泥沙使水轮机流道内的流场和压力场发生了畸形，并且对水轮机过流部件的表面产生反复的冲击和切削使水轮机的局部产生巨大的磨损。流速、含沙量、时间与材料磨蚀强度关系式W=KV2.6-3.5S0.954-1.1139t0.95-1.0式中，V为含沙液体相对于试件的流速，m/s；s为含沙量，kg/m3；t为磨蚀时间，h。从上面的两个式子中可以看出，水轮机的破坏与沙粒的粒径有关，粒径越大，材料损失的质量越大，相反粒径越小，材料损失的质量越小。水流中的含沙量也与材料的磨蚀强度有关，含沙量越小，材料的磨蚀强度越小。

1.3 对坝体的影响

1）随着泥沙在坝体前的淤积，泥沙的压力增大了坝体的压应力，尤其在坝踵处最为明显。另外，上游坝坡度增加的幅度较下游坝坡大，随着坝高的增加，上游坝坡压应力增加的幅度减小，但当坝高超过一定高度时，泥沙压力对下游坝坡的影响加剧。

2）泥沙压力使坝体的应力变得不均匀，破坏了应力状态，因此在多沙河流的坝体设计的过程中，应考虑到泥沙压力对坝体受力的影响。

2 泥沙危害的防治措施

泥沙的危害范围很广泛，它的破坏性不容忽视。因此，对于水利水电建设来说，一方面必须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减少泥沙进入引水渠道。

2.1 河流的泥沙特性

泥沙的特性分为泥沙颗粒的特性和泥沙群体的特性两种。其中泥沙颗粒的特性主要有重度、粒径、沉速和细粒泥沙表面的物理化学性质，而群体特性包括粒径分布、中值粒径和均匀沙的群体沉速等。下面针对泥沙颗粒的净水沉速和泥沙的群体沉速做简单介绍。

2.1.1 泥沙颗粒的净水沉速

泥沙的沉速一般是指单粒泥沙在静止、等温、广域清水中自由下降的平均速度。泥沙颗粒的净水沉速根据在水中的自由沉降可以分为层流、过渡和紊流三种状态。层流区的泥沙颗粒大多是扁平的盘状黏粒和由多面组成的杂角形粉粒，它们的沉速显著小于等容的球体。过渡区的泥沙是常见的各种粗细不同的沙子，沙子的形状变化较大，相同的等容粒径，因形状各异，其沉速大小之比可达1.5倍。紊流区的泥沙是自由可动的，颗粒运动的轨迹因其形状的不同而复杂多变。

2.1.2 泥沙的群体沉速

水利工程中常见的群体，大致分为两类：一类是由基本相同的颗粒组成的群体，通常称为均匀沙；它们在水中同步沉降，颗粒之间是无结构的。另一类则是含有一定数量细微颗粒的混合沙，由细微颗粒形成了有结构性的网络，再扶持着粗大的沙粒形成共同沉降。对于无粘性的均匀沙，里亚申柯提出了这样的公式：

wCw=（1-s）m

式中wC和w分别为群体与单粒的同温静水沉速，s为含沙量，m为一待定指数。

2.2 工程措施

1）上游拦截，就地处理。在水库上游采取拦沙措施，减少入库泥沙，是防止和减少水库泥沙淤积的最根本的方法。具体措施有：做好水土保持工作、在来沙较多的支流上修建拦沙坝库、修建旁引水库等。

2）水库排沙，保持库容。即将进入水库的泥沙尽可能多的排走，并将前期淤积下来的泥沙尽可能多的冲走。具体措施有：水库采取蓄清排浑的运用方式，在汛期降低水位运用，使大部分来沙淤积在死库容内，或排出库外；当水库不可能大量弃水时，可考虑异重流排沙；对于某些允许泄空的水库，可以在年中的特定时间内或是经过数年之后间歇性地泄空水库进行集中排沙。

3）清除淤沙，恢复库容。对于干旱缺水的地区，为确保水量而不容许利用水力排沙，或对于没有底孔设施的水库，不能采用水力排沙时，可以采用挖泥船、吸泥泵等挖泥机械，清除水库淤积的泥沙，也可用横向冲蚀方法清除水库淤积的泥沙。