第四章---泥沙测验

第四章泥沙测验河流中挟带不同数量的泥沙，泥沙淤积河道。使河床逐年抬高，容易造成河流的泛滥和游荡，给河道治理带来很大的困难。黄河因含沙量大，下游泥沙的长期沉积形成了举世闻名的“悬河”；这正是水中含沙量大所制，水库的淤积缩短了工程寿命，降低了工程的防洪、灌溉、发电能力；泥沙还可以加剧水力机械和水工建筑物的磨损，增加维修和工程造价的费用等。泥沙也有其有利的一面，粗颗粒是良好的建筑材料；细颗粒泥沙进行灌溉，可以改良土壤，使盐碱沙荒变为良田；抽水放淤可以加固大堤，从而增强抗洪能力等。对一个流域或一个地区，为了达到兴利除害的目的，就要了解泥沙的特性、来源、数量及其时空变化，为流域的开发和国民经济建设，提供可靠的依据。为此，必须开展泥沙测验工作，系统地搜集泥沙资料。河流泥沙按其运动形式可分为悬移质、推移质、河床质：悬移质是指悬浮于水中，随水流一起运动的泥沙；推移质是指在河底床表面，以滑动、滚动或跳跃形式前进的泥沙；河床质是组成河床活动层处于相对静止的泥沙。河流泥沙按在河床中的位置可分为冲泻质和床沙质：冲泻质是悬移质泥沙的一部分，它由更小的泥沙颗粒组成，能长期的悬浮于水中而不沉淀，它在水中的数量多少，与水流的挟沙能力无关，只与流域内的来沙条件有关；床沙质是河床质的一部分，与水力条件有关；当流速大时，可以成为推移质和悬移质，当流速小时，沉积不动成为河床质。因为泥沙运动受到本身特性和水力条件的影响，各种泥沙之间没有严格的界限。当流速小时，悬移质中一部分粗颗粒可能沉积下来成为推移质或河床质。反之，推移质或河床质中的一部分在水流的作用下悬浮起来起成为悬移质。随着水力条件的不同，它们之间可以相互转化，这也是泥沙治理困难的关键所在。河流泥沙测验的内容包括悬移质、推移质的数量和颗粒级配，以及河床质的颗粒级配。与流速脉动一样，泥沙也存在着脉动现象，而且脉动的强度更大。在水流稳定的情况下，断面内某一点的含沙量是随时在变化的，它不仅受流速脉动的影响，而且还与泥沙特性等因素有关。图中是黄河上水文站进行悬移质泥沙采样器比较试验时的实测资料，可见用横式（属于瞬时式）采样器测得的含沙量有明显的脉动现象，变化过程呈锯齿形。而真空抽气式（属积时式）采样器，变动不太大，长时间的平均值却稳定在某一数值上，即时均值是一个定值。据研究，河流泥沙脉动强度与流速脉动强度及泥沙特性等因素有关，且大于流速脉动强度。泥沙脉动是影响泥沙测验资料精度的一个重要因素，在进行泥沙测验及其仪器的设计和制造时，必须充分考虑。悬移质含沙量在垂线上的分布，一般是从水面向河底呈递增趋势。含沙量的变化梯度还随泥沙颗粒粗细的不同而不同。颗粒越粗，变化越大。颗粒越细其梯度变化越小，这是细颗泥沙属冲泻质，不受水力条件影响，能较长时间漂浮在水中不下沉所致。由于垂线上的含沙量包含所有粒径的泥沙，故含沙量在垂线上的分布呈上小下大的曲线形态。悬移质含沙量沿断面的横向分布，随河道情势、横断面形状和泥沙特性而变。如河道顺直的单式断面，水深较大时，含沙量横向分布比较均匀。在复式断面上，或有分流漫滩、水深较浅、冲淤频繁的断面上，含沙量的横向分布将随流速及水深的横向变化而变。一般情况下，含沙量的横向变化较流速横向分布变化小，如岸边流速趋近于零，而含沙量却不趋近于零。这是由于流速等水力条件主要影响悬移质中的粗颗粒泥沙及床沙质的变化，而对悬移质中的细颗粒（冲泻质）泥沙影响不大。因此，河流的悬移质泥沙颗粒越细，含沙量的横向分布就越均匀，否则相反。悬移质泥沙测验的目的在于测得通过河流测验断面悬移质输沙率及变化过程。由于输沙率随时间变化，要直接测获连续变化过程无疑是困难的。通常是利用输沙率（或断面平均含沙量）和其它水文要素建立相关关系，有其它水文要素变化过程的资料通过相关关系求得输沙率变化过程。我国绝大部分测站的实测资料分析表明，一般断面平均含沙量与断面上有代表性的某垂线或测点含沙量（即单位含沙量，简称单沙）存在着较好的相关关系。测断面输沙率的工作量大，测单沙简单。可用施测单沙以控制河流的含沙量随时间的变化过程。以较精确的方法，在全年施测一定数量的断面输沙率，建立相应的单沙断沙关系，然后通过相关关系由单沙过程资料推求断沙过程资料，进而计算悬移质的各种统计特征值。因此，悬移质测验的主要内容除了测定流量外，还必须测定水流含沙量。悬移质泥沙测验包括断面输沙率测验和单沙测验。1．横式采样器横式采样器属于瞬时采样器，器身为一园管制成，容积为500～3000ml，两端有筒盖，筒盖关闭后，仪器密封。取样时张开两盖，将采样器下放至测点位置，水样自然的从筒内流过，操纵开关，开关形式有拉索、锤击和电磁吸闭三种。２.普通瓶式采样器普通瓶式采样器的结构，使用容积为500～2000毫升的玻璃瓶制成，瓶口加有橡皮塞，塞上装有进水管和出水管，调整进水管和出水管出口的高差ΔH，和选用粗细不同进水管和出水管，可以调整进口流速。采样器最好设置有开关装置，否则不适于逐点法取样。瓶式采样器结构简单，操作方便，属于积时式的范畴，可以减少含沙量的脉动影响。该仪器适用于缆道上同时进行测流、取沙。在一次行车过程中，测量断面内每个预定测点的流速，同时用全断面混合法一次完成悬移质泥沙的断面平均含沙量测验。仪器的结构如图所示，设置调压系统，有开关控制，主要有头仓、铅鱼体、调压舱、取样舱、排气管、控制舱和尾翼等部分组成。调压系统包括调压孔、调压仓、水样仓和排气管等。直接测量法：在一个测点上，用一个仪器直接测得时段平均悬移质输沙率。要求水流不受扰动，仪器进口流速等于或接近天然流速。单位面积上的时段平均悬移质输沙率由下式表示：t0sisidtqt1q断面输沙率为：m0isisAqQ间接测量法：在一个测点上，分别用两个仪器几乎同时进行时段平均含沙量和时段平均流速的测量，两者乘积得测点输沙率。m0iisisAVCQ一、推移质泥沙测验的目的、工作内容（一）推移质泥沙测验的目的推移质泥沙运动是河流输送泥沙的另一种基本形式，泥沙的推移质数量一般比悬移质少，但在一些上游山区河流，其推移量往往很大。由于推移质泥沙颗粒较粗，常常淤塞水库、灌渠及河道，不易冲走，对水利工程的管理运用、防洪航运等影响很大。为了研究和掌握推移质运动规律，为修建港口、保护河道、兴建水利工程、大型水库闸坝设计、管理等提供依据，为验证水工物理模型与推移质理论公式提供分析资料，因此，开展推移质测验具有重要意义。第三节推移质和河床质泥沙测验（二）推移质输沙率测验工作内容1．在各垂线上采取推移质沙样。2．确定推移质移运地带的边界。3．采取单位推移质水样。4．进行各项附属项目的观测，包括取样垂线的平均流速，取样处的底速、比降、水位及水深，当样品兼作颗粒分析时，加测水温。5．推移质水样的处理，当推移质测验与流量、悬移质输沙率测验同时进行时，上述大多数附属项目可以从流量成果中获得。（三）推移质测验中存在的问题目前，国内外对推移质测验普遍存在着测验仪器不完善、测验方法不成熟的问题。同时由于推移质运动形式极为复杂，它的泥沙脉动现象远比悬移质大得多，在不同的水力条件下，推移质颗粒变化范围很大，小至0.01毫米的细沙，大至数十公斤的卵石，运动形式随着流速的大小不同也不断地变化，当流速小时，停顿下来成为河床质，流速较大时，又可以悬浮起来变为悬移质，所有这一切都给推移质测验带来很大困难。二、推移质泥沙测验仪器及测验方法（一）推移质泥沙测验仪器及测验方法1.对推移质采样器的性能要求（1）仪器进口流速应与测点位置河底流速接近（2）采样器口门要伏贴河床，对附近床面不产生淘刷或淤积。（3）取样效率高，效率系数稳定，进入器内泥沙堆沙部位合理。（4）外形合理、有足够的取样容积，并有一定的自重以保持取样位置不因水流冲击改变。（5）结构简单、牢固、操作方便灵活。2．采样器种类推移质采样器按用途分为卵石采样器和沙质采样器两类：（1）卵石推移质采样器1）64型卵石推移质采样器。仪器底网用钢丝编织而成，尾翼为双直向尾翼，可控制仪器正对水流方向，加重铅块附在仪器两侧，形成封闭式。2）80型卵石推移质采样器，该仪器是在64型采样器的基础上作了某些改进，如仪器口门改成向外倾斜，骨架迎水面为唇刀形，加重铅块成流线形，网底改用许多小钢板连接而成并适当加重底网重量，减少底网表面的粗糙度等。3）大卵石推移质采样器，适用于粒径较大的卵石推移质测验。根据采样器口门形状不同，又可分成矩形、倾口形、梯形等三种。现常用的是矩形采样器。仪器口门宽60cm，高50cm，长120cm，器身上部两侧和尾部由3～5cm孔径的金属链编成柔度较大的软底，能较好地与河底相吻合，同时器顶无盖，减少了采样器对水流的阻力，加载铅块固定在器顶两侧。取样效率系数为30%。（2）沙质推移质采样器（压差式采样器）压差式采样器的设计原理：在采样器的出口处制造一个压力差，来抵消仪器进口处因阻力引起的能量损失。具体作法是将采样器的器身制造成向下游方向扩散的形式，使仪器尾门所承受的压力比进口处低，形成压力差．1）黄河59型推移质采样器。采样器的器身是一个向后方扩散的方匣，水流进入器内后，流速减小，有利于泥沙的沉积。该仪器存在问题是口门不易吻贴河床，致使附近河床产生局部冲刷。2）长江大型沙质推移质采样器（Y78-1型）。该仪器的特点是有合理的外型、阻水较小，器内集沙稳定，仪器前半身装有加重铅块，尾部装有浮筒，在口门底部装有托板可防止因仪器头部加重而下陷，托板前沿作成向前倾斜的刀口形（简称唇刀），使口门较好吻贴河床，仪器出口面积比进口面积大30%，由此所形成的压力差可调节仪器近口流速接近于天然流速。该仪器目前被国内外一致认为是一种较理想性能良好的沙质推移质采样器。（二）推移质泥沙测验的其它方法除了用采样器施测推移质外，还有其它一些方法，简述如下：1．坑测法在天然河道河床上设置测坑以测定推移质。这是目前直接测定推移质输沙率最准确的方法，主要用来率定推移质采样器的效率系数。坑测法有以下几种型式：（1）在卵石河床断面上设置若干测坑，坑沿与河床高度齐平。洪水后，测量坑内推移质淤积体积，计算推移质量。（2）在沙质河床断面上埋设测坑，用抽泥泵连续吸取落入坑内的推移质。此法可施测到推移质输沙率的变化过程。（3）沿整个河槽横断面设置集沙槽，槽内分成若干小格，利用皮带输送装置，把槽内的推移质泥沙输送到岸上进行处理。坑测法效率高，准确可靠，但投资大，维修困难，适用于洪峰历时短，推移量不大的小河。2．沙波观测法沙质河床的推移质，常以轮廓分明的沙波形式运动，可用超声波测深仪连续观测断面各垂线位置高度的变化，可以测定沙波的平均移动速度和平均高度，推算单位宽度移质输沙率。（三）推移质输沙率测验方法用采样器施测推移质，因仪器不够完善，测验工作还确乏可靠的基础，而且，测沙垂线的布设、取样历时，测次等尚无成熟经验。现只能根据少数站开展推移质测验的情况，提出一些基本要求。1.测次与取样垂线推移质输沙率的测次主要布设在汛期，应能控制洪峰过程的转折变化，并尽可能与悬移质、流量、河床质测验同时进行，以便于资料的整理、比较和分析。取样垂线应布设在有推移质的范围内，以能控制推移质输沙率横向变化，准确计算断面推移质输沙率为原则。推移质取样垂线最好与悬移质输沙率取样垂线相重合。2.取样历时与重复取样次数为消除推移质脉动影响，需要有足够的取样历时并应重复取样。对沙质推移质，每条垂线需重复取样三次以上，每次取样历时少于3～5分钟，推移量甚很大时，也不应少于30秒。对卵石推移质强烈推移带，每条垂线重复取样2～5次，累积取样历时不少于10分钟，其余垂线可只取样一次，历时3～5分钟。每次取样数量以不装满采样器最大容积的三分之二为宜。3．推移质运动边界的确定一般用试深法确定推移质运动的边界。作法将采样器置于靠近垂线的位置，若10分钟以上仍未取到泥沙时，则认为该垂线无推移质泥沙，然后继续向河心移动试探，直至查明推移持泥沙移动地带的边界。对卵石推移质，还可用空心钢管插入河中，俯耳听声，判明卵石推移质移边界，该法适用于水深较浅，流速较小的河流。4．采取单位推移输沙率为建立单位推移质输沙率与