三峡库区细颗粒泥沙絮凝临界条件试验研究

发布时间：2020-05-08 16:25

【摘要】：三峡水库的泥沙淤积问题一直是被广泛关注的焦点和难点,国内现有研究认为,三峡蓄水后,在库区宽谷河段流速减缓和来沙变细的共同作用下,细颗粒泥沙发生絮凝淤积。絮凝的存在会使泥沙运动的规律发生较大的变化,尤其是在三峡水库中,细颗粒泥沙的絮凝会加快泥沙的沉速,从而加剧库区泥沙的淤积速度。因此,研究三峡库区中细颗粒泥沙产生絮凝的临界条件是河流动力学的基础问题,同时对水库合理调度和安全运行也具有非常重要的指导意义。本文开展现场试验与室内沉降试验研究,同时基于理论分析探讨库区泥沙絮团的形成原理,研究库区细颗粒泥沙发生絮凝的临界条件,主要工作及结论如下:(1)基于ADV同步测量瞬时流速与瞬时含沙量,采用小波分析法对声波强度信号进行去噪,核密度估计法进行去毛刺预处理,率定声波强度跟瞬时含沙量的关系,反演出现场瞬时含沙量;根据泥沙扩散理论间接获得现场泥沙的沉速;现场泥沙的粒径大小根据stokes沉速公式反算得到;将现场所有测点的沙洋带回实验室用激光粒度仪离散后进行级配分析,将现场粒径与离散后的泥沙中值粒径的比值定义为絮凝度,反映库区的絮凝程度;发现库区绝大多数细颗粒泥沙发生絮凝,且多为中轻度絮凝,絮凝主要发生在水体的中下层;分析絮凝度与含沙量、粒径、流速的关系,发现库区细颗粒泥沙絮凝的临界含沙量约为0.65kg/m3,临界粒径约为0.018mm,临界流速约为0.75m/s。(2)选取库区黄花城河段沙洋进行室内沉降试验,进行絮凝影响因素的分析:探索基于PTV技术的细颗粒泥沙粒径和沉速的同步测量方法,并验证了该套测量方法的准确性,提出适用于细颗粒泥沙粒径和沉速测量的PTV技术;证明了室内沉降试验中泥沙发生了絮凝,分析泥沙沉速随紊动强度的变化,发现存在临界紊动强度5(mm/s)2,当紊动强度小于该值时,紊动强度对泥沙絮凝起促进作用,当紊动强度超过该值时,紊动强度对泥沙絮凝起阻滞作用;分析泥沙沉速随含沙量的变化,得到泥沙絮凝的临界含沙量在0.5kg/m3左右,即小于该含沙量时,含沙量的增加促进泥沙的絮凝,大于该含沙量后,含沙量的增加阻碍絮凝的发展。(3)依据胶体稳定性理论推导出范德华引力与双电层斥力的表达公式,并计算了不同粒径情况下对应的范德华引力与双电层斥力,发现细颗粒泥沙相互接近的过程中,其范德华引力远大于双电层斥力,佐证了库区细颗粒泥沙易发生絮凝的现象;同时通过理论计算分析发现粒径在小于0.018mm时,库区絮凝作用明显,粒径大于0.018mm后,库区泥沙絮凝作用不明显。
【图文】：

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第一章绪论研究背景及意义三峡工程是目前世界上规模最大的水利工程，自 2003 年蓄水以来，水库问题更是被广泛关注的焦点和难点，库区泥沙的淤积对河床地貌演变、调度以及长江航运安全等方面具有重大影响。自三峡库区运行以来，长江上游水沙条件发生了变化，与论证阶段预测发生较大的变化，库区的泥沙淤积形态呈现新趋势[1-3]：（1）库区 2003-2013 年实测总淤积量为 15 亿吨，小于论证阶段的 30 亿积主要分布在宽谷河段，呈现“点”淤积，且不连续分布，见图 1.1。忠积主要淤积集中在航道左槽，对航道的安全运行造成严重隐患，致使左闭，改行右汊；而西陵峡峡谷河段却一直无累积性淤积[1]。

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改行右汊；而西陵峡峡谷河段却一直无累积性淤积[1]。图 1.1 三峡水库泥沙淤积沿程分布及典型断面淤积过程）常年回水区实测淤积物中值粒径普遍小于 0.01mm[3]，而一般将此类泥沙泻质不发生淤积[4]，，但李文杰[1-3]等通过现场测量发现了库区细颗粒泥沙现象，见图 1.2。00
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV145

【参考文献】