水利工程中泥沙顆粒泥研究的重要意義論文
水利工程中泥沙顆粒泥研究的重要意義論文
引言
自然界的河流，常常挾帶著泥沙。針對河流泥沙的研究不僅有時間長、範圍廣的特點，還與人類的活動息息相關。河流中的泥沙對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所需要的建築材料，細顆粒能夠用來淤灌農田，提高農田肥力；另一方面泥沙又具有危害性，如河流泥沙造成河道、水庫淤積，阻塞下游引航道至通航困難，影響港池航運和交通，磨蝕水力機械和水工建築物，較大的泥沙顆粒還會造成農田毀壞，這些都給工農業生產帶來了較大的危害。事實證明，只要河流中含有一定數量的泥沙，任何水利工程的修建和執行，都要解決泥沙問題對其產生的影響。對水利工程來說，主要的問題有兩個方面，一是研究泥沙在水流中的運動規律，達到了解自然的問題；二是運用這些規律，預測河道在自然情況下或在興建了水利工程後的發展趨勢，合理處理水利工程建設和應用中所遇到的各種泥沙問題，達到興利除害、與自然和諧相處的目的。
1泥沙顆粒分析方法簡介
1.1泥沙含量
河流泥沙的含量是一個重要引數。對泥沙含量的檢測，應按照《河流懸移質泥沙測驗規範》進行，測量儀器應滿足檢測要求，並具備國家計量部門的檢測認證。測量採用沉澱乾燥稱量法，透過烘乾稱量處泥沙的質量，該質量與所取得樣品水樣的體積的比值，得到河水的泥沙含量。現在較多運用超聲波測量河流泥沙含量。
1.2泥沙顆粒級配
泥沙顆粒級配分佈是指泥沙顆粒在不同粒徑範圍所佔的比例。泥沙級配分析一般採用鐳射粒度分佈儀。鐳射粒度分佈儀是基於鐳射散射原理測量粒度分佈的一種新型粒度儀，不同於傳統的實驗室所採用的移液管法，測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透過特定的儀器和方法進行分析，可以得到泥沙中所含的礦物組分，以及在泥沙中所佔的比例。
2泥沙顆粒分析成果對水利工程的重要意義
2.1泥沙分析資料對水庫淤積的重要作用
進行水庫規劃設計時，不僅要準確計算進入水庫的沙量，還要搞清進入水庫泥沙粒徑級配的組成。因為泥沙的顆粒級配不同，其淤積部位和淤積形態也不相同，較細的泥沙，在水庫內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，產生所謂的“翹尾巴”現象，使水庫淤積上延，回水上升，抬高上游水位，威脅兩岸城鎮和農田的安全。下面以三峽工程為例，闡述泥沙資料對水庫淤積的重要意義。
三峽工程從開始建設以來，其泥沙問題已經經過了長期的研究，自2003年6月蓄水執行後，基本上實現了設計的防洪、發電、航運等綜合目標。隨著水庫使用時間的延長，庫區泥沙淤積和壩下游沖刷逐步發展，同時長江上游建庫排沙的作用會不斷顯現，這種新的形勢將對三峽水庫運用和泥沙應對措施提出新的.要求。
三峽水庫泥沙細顆粒所佔比例的較大，大約佔1/3以上，而是否會出現絮凝，對水庫淤積量影響較大。泥沙絮凝現象主要以細顆粒泥沙為主。細顆粒泥沙絮凝的實質是泥沙顆粒透過彼此之間的引力相互連線在一起，形成外形多樣、尺寸明顯變大的絮凝體。室內試驗表明，泥沙含量越高，細顆粒泥沙絮凝沉降的平均速率越快。
一般認為，懸浮泥沙發生絮凝現象，僅僅以粒徑小於0.032mm的泥沙顆粒為主，而大於0.032mm的泥沙顆粒則不會發生絮凝。三峽水庫入庫泥沙中，粒徑小於0.032mm的泥沙顆粒所佔比例較大。
水流也是泥沙絮凝的重要因素，水流能加強細顆粒泥沙之間的碰撞，促進絮凝。室內試驗研究表明，隨著水流流速的減小，細顆粒泥沙絮凝沉降強度逐漸增大，流速大於40cm/s時，細顆粒基本不發生絮凝沉降。由此，可以綜合判斷三峽水庫究竟會在何時發生絮凝現象。
2.2泥沙顆粒對水力機械的影響
隨著更多水電站的興建，水輪機的磨損問題，日益突出。為了合理的選定機型和製造水輪機的材料，需要了解過機泥沙的級配和泥沙的成分，同時，為了防止水輪機磨損需要了解和研究泥沙的磨蝕機理，以及泥沙對水力機械的影響因素。
泥沙顆粒對水力機械過流部件磨損破壞主要有兩種方式：一種是泥沙對過流部件的垂直撞擊。具有一定動能的泥沙顆粒衝擊材料表面時，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力位置，開始進入塑性流變狀態，並伴隨著泥沙動能的損耗，塑性變形區進一步擴大，直到在沙粒動能轉化為材料彈塑性功的過程中，沙粒停止運動為止。以後，材料的表面彈性變形部分將恢復，而塑性變形部分將保留，形成衝擊坑。彈性部分在恢復過程中又對金屬材料的亞表層產生殘餘拉應力，與塑性部分耦合，彈性變形在恢復以後再次擠壓金屬表層，這樣反覆好多次，在加上其他泥沙顆粒的再次衝擊，作用更加加劇。在凹坑邊緣有塑性變形擠出的材料堆積，併為區域性微觀空蝕提供了條件。另一種是泥沙顆粒對過流部件的切削。具有一定動能的硬度較高，外表嶙峋的較大泥沙顆粒以一定的角度衝擊切削金屬的表面，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衝擊，造成金屬衝擊切削部位的區域性受拉，區域性受壓，產生彈塑性變形，受拉部分將產生微小裂紋與周圍金屬產生冷凝硬化，受壓部分與周圍金屬產生殘餘壓應力，從而形成一個切削冷凝坑，也為區域性空蝕提供了條件。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的磨蝕。我國河流含泥沙嚴重，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於水的氣體，所以多泥沙水流的氣核數比相應條件下的清水量大，使得空化氣蝕容易提前發生。在氣泡潰滅的過程中，位於氣泡附近的泥沙顆粒受到潰滅過程的衝擊力影響，而獲得加速度，對金屬表面進行衝擊切割，加大了對過流部件的破壞。空化氣蝕破壞與泥沙磨損的耦合作用，使得破壞力加劇。根據三門峽磨損空蝕試驗裝置的測驗成果，若以清水空蝕量為基數，當含沙量為40kg/m3時，磨損量是清水空蝕的3.4倍，磨損與空蝕聯合作用時，為清水空蝕的16倍。美國密執安大學的實驗室內，進行振動型的空蝕試驗，其結果表明，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械磨蝕的重要因素。運用電子顯微鏡和X-射線衍射對三峽水輪機的泥沙顆粒進行分析研究，發現這些泥沙顆粒的稜角明顯，且部分泥沙顆粒的外觀崢嶸。對其泥沙組成成分進行分析，石英和長石的含量達到了總量的35%到40%,而隨著上游水流來沙量的不斷變化，其含量也不斷變化。而對泥沙的物理指標的分析，石英和長石的硬度遠遠大於水輪機的材料，由此可以說明泥沙組成成分對水力機械的磨損起重要作用。
3結束語
綜上所述，為防止和解決水利工程泥沙問題，泥沙顆粒分析都是不可缺少的因素。可見，對泥沙顆粒進行表徵，深入研究泥沙危害機理，瞭解其特性和研究其以後的發生、發展變化規律，無論在理論上還是實際應用中都具有重要的意義。
參考文獻
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