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1、第一章 泥沙特性,韩智明,本章知识要点： 泥沙的几何特性 泥沙的组成与粒配曲线 细颗粒泥沙的物理化学特性 泥沙的重力特性 泥沙的水下休止角 泥沙的沉降速度,钱宁:泥沙运动力学应该是内容更广泛的“泥沙学”的一个组成部分。,黄河泥沙,水土流失,泥沙运动力学的不成熟性的原因 1、现象本身的复杂性 泥沙运动一般属于两相流的范畴，泥沙在水流作用下发生运动，又反过来影响水流，二者互相制约，互相影响，构成一些不同于一般水流的性质。 如果水流中含有小于0.01mm的颗粒，颗粒表面的物化性质起着重要作用，这是水流已不属于牛顿流体。 泥沙运动一般又属于动床水流的范畴，组成边界的就是可动的泥沙颗粒，边界在水流作用下
2、发生变形，又反过来影响水流，形成了的第二套反馈系统。对动床水流，其糙率、水流结构、泥沙运动的强度及分布，均与床面形态息息相关，而后者又随着水流强度的变化而变化。,6,2、量测中存在不少实际问题。 水流携带泥沙以后，大大增加了水流的浑浊度，使得直接观测泥沙运动比较困难。 在泥沙运动中，最重要的是靠近床面附近的一个区域，这里的流速梯度和含沙量梯度都比较大，水流的势能在此集中转化为紊动的动能，床沙和推移质之间以及推移质和悬移质之间的交换也在此进行。 由于床面层的厚度不是很大，远远不到水深的十分之一，现有的测流取沙仪器往往不能深入到这个区域。对于动床来说，当量测仪器靠近床面还会引起局部的扰动，会使该处
3、的边界条件及水流情况发生变化。 在浑水中紊动特性的测量技术迄今为止尚未完全过关。 在天然河道中，由于水流的多变及具有三维性的特点，量测中的困难更大。,6,学习特点 在研究中不得不对问题做出某些假定，进行一些简化，广泛使用半经验的或经验的方法。 同一问题得到的公式各不相同。 弄清物理概念，分析影响因素，注意建立条件和适用范围。 选定公式后进行计算时，要留意有关变量的量纲及其相互关系，不可随心所欲地取用单位。 在解决实际问题时，要从实际出发，重视和掌握第一手资料。,可供直接饮用的河流和淡水湖泊 10.17万,图中单位为,河流是河道和水流两部分相互作用下的水流泥沙运动。河道由泥土、沙砾、卵石和顽石等
4、组成，统称为泥沙。 1、河道水流的两相性：水（连续介质）和沙（非连续介质的颗粒群体）。 （1）重力、（2）惯性力、（3）阻力 2、河道水流的三维性：河道断面不规则，顺直段很短，宽深比小，尤其是弯曲河流。 3、河道水流的非恒定性：来水来沙随时间变化；河床处于不断的变化中。 4、河道水流的非均匀性： 5、不平衡输沙；,1.0 河道水流基本特性,河道水流的流型：河道水流的雷诺数一般都比较大，其流型一般居于阻力平方区。 河道水流的主流与副流：主流（又称正流、元生流）是水流沿着河槽总方向的流动 。 与主流相对应的有副流（又称次生流）。如环流次生流：在比较顺直的河段中，当流量随时间变化剧烈时，常常产生微弱
5、的环流。 分散流：河流涨水时，两岸水位低于断面中间水位，产生河底水流向两岸分散的两个环流，两岸淤积，中间冲刷。 集合流：河流退水时，产生的向河底集聚的两个微弱环流，两岸冲刷，中间淤积。 河湾水流：是河道中常见的水流现象，一种三元流动。实际是横向运动与纵向运动结合的螺旋流。,不同情况下的环流结果,河道水流的流速分布 卡曼-普兰特尔（Th.von.Darman-L.Prandtl）对数流速分布公式 对数及反三角函数流速分布 指数公式,河流泥沙的来源与几何特性,泥沙的来源 泥沙：指所有在流体中运动或受水流、风力、波浪、冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑（钱宁、1983）。粒径大小可差数十数万
6、倍。粒径大小一般变化在0.001100.0mm 。 泥沙来源：主要来自岩石的风化，土壤侵蚀，火山喷发产生的火山灰、生物骨骼、贝壳分解及人类各种生产活动的废弃物。 河流泥沙的来源可以分为两类：一类是来自流域降雨形成的地面径流对地表的冲蚀，通常称为水土流失；另一类是从原河床沉积层冲刷起来的。河流泥沙在运动过程中与床沙相互交换，塑造了不断变化的河床形态。,按导致土壤侵蚀的外营力种类划分,在我国引起土壤侵蚀的外营力种类主要有水力、风力、重力、水力和重力的综合作用力、温度(由冻融作用而产生的作用力)作用力、冰川作用力、化学作用力等，因此土壤侵蚀类型就有水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀、冰川侵蚀、混
7、合侵蚀、化学侵蚀和生物侵蚀等类型。,流域地表水土流失的严重程度是用侵蚀模数M来表示的，它表示流域上每平方公里地面每年冲蚀的泥沙量。黄土高原的M大于1000t/(km2.a)。相当于地面每年普遍被冲走0.6mm以上厚的土层。陕北个别地区M高达10000t/(km2.a)。我国南方流域M一般100t/(km2.a)左右。 河流中泥沙的含量随区域水土流失情况的不同差异很大。黄河干支流河道实测最大含沙量达到1500kg/m3，平均为300kg/m3。 土壤侵蚀计算（USLE)： 影响土壤侵蚀的因素：分为自然因素和人类活动。,土壤侵蚀的危害,（1）水资源和土壤资源恶化。年流失耕地表层土壤1cm，流失的养
8、分相当于4000万t的化肥量。 （2）农田、耕地水沙为害。沟壑纵横切割造成耕地大面积破坏。 （3）对下游水系的危害。河床抬高，防洪能力下降，湖泊面积缩小，调蓄能力减小。 （4）流域内水库淤积、库容减少、水利设施效率降低。,11 泥沙的几何特性,一、河流泥沙的分类,泥沙粒经分级法,常用：-分级法，由Krumbein(克伦宾)提出；,公式：,原因：泥沙粒经分布大致呈现对数正态分布的特特性,特点：可用小的f值变化表示相当大的粒经变化范围,分类方式：依据颗粒大小 我国水利工程界分类：,二、泥沙的几何特性,1. 泥沙的形状,球度系数,形状系数,a, b, c为泥沙的长、中、短三个轴,2. 泥沙的粒径表达
9、方式,等容粒径,算术平均粒径,几何平均粒径,筛分粒径（筛径） 沙粒的中轴长度是比较接近等容粒径的，因此筛析法所测的粒径可近似地看成等容粒径。 两筛之间泥沙颗粒的粒径可以用两筛网孔径的算术平均值或几何平均值计算。,15,沉降粒径（沉径） 粉沙和粘粒，难以用筛析法确定其粒径，而必须通过测量颗粒在静水中的沉速，然后按照粒径与沉速的关系，反求出与泥沙粒径。 这样所求出的粒径实质上是与泥沙颗粒密度相同、沉速相等的球体直径。,16,泥沙粒径测量和计算方法 尺量法（称重法，适用于卵石以上的较大颗粒） 等容粒径 筛析法（适用于砾石、沙粒） 筛分粒径 水析法 （沉降法，适用于粉沙、粘土） 沉降粒径,12,3、泥
10、沙的组成与粒配曲线,D50=0.0073mm,平均粒径： 中值粒径：,特征值,拣选系数： 标准偏差：,式中， 为第i组泥沙的代表粒径。 n 为沙样按粒径大小的分组数。 实质上是以各组泥沙的重量百分数为权重的加权平均值。,均方差s ：表示泥沙组成的非均匀程度,0均匀，越大越不均匀 。,均匀沙s =0，DmD50；非均匀沙s 0，DmD50 。,分选系数(非均匀系数)S0：仍表示泥沙组成的非均匀程度，1均匀，越大越不均匀 。,Dm与 D50的关系：,为泥沙粒径组成的均方差。,孔隙率与孔隙比,孔隙率n：沙样中孔隙的体积与沙样总体积之比。 n=V孔隙/V总,孔隙比e：沙样中孔隙的体积与沙样颗粒体积之比
11、。 e=V孔隙/(V总- V孔隙),天然沙孔隙率的一般规律,沙样越粗，孔隙率越小； 粗砂：3940；中沙：4148；细沙：44-49；粘土絮凝后可达90,均匀沙的孔隙率大,不均匀沙的孔隙率小；,形状圆滑的、棱角不分明的沙样孔隙率较小；,沉积时间越长，孔隙率越小；,泥沙的孔隙率反映了颗粒与颗粒之间相互结构松紧的程度。,(5)埋深越大，孔隙率越小。,在分析计算中淤沙的稳定孔隙率一般取0.4。,最小孔隙率，虽然随粒径的缩小也略有增加，但比较稳定，平均在0.4附近。,淤沙的最大孔隙率，随着粒径的缩小而增高，变化幅度较大；,粒径大小与孔隙率的关系,12 细颗粒泥沙的物理化学特性,一、泥沙的比表面积,泥沙
12、的颗粒愈细，其比表面积愈大。,力学意义：物理化学作用（表面积）与重力作用（体积）之比,二、沙粒的电化学性质（以硅酸胶体的胶团为例）,胶核,硅酸根（负电）,氢离子（正电）,外层,内层,（硅酸胶体的胶团公式）,（硅酸胶体的胶团公式）,胶核 吸附层 扩散层,（硅酸胶体的胶团公式）,三、水的电化学作用,双电层及吸附水膜的特性对细颗粒泥沙的性质及运动规律有重要影响。 水中的颗粒之间有两种作用：分子吸引力（范德华力）和同号电荷的排斥力。 当扩散层薄，颗粒间距离小，作用和为吸引力，颗粒容易聚合；反之亦然。,四、压密过程与物理性质的变化,颗粒间受力：均带负电荷相斥；分子引力相吸。一般情况：扩散层薄，粒间力净引
13、力；扩散层厚，粒间力净斥力。,两粘土颗粒相互接近时，会形成公共的双电层。,絮团：分散细颗粒相互吸引，聚合成结构松散、类似棉花团的较大团粒或团块，称为。,絮凝：细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程(絮团的形成过程)，叫。,絮团、絮凝,絮凝与分散(DLVO理论） 泥沙颗粒越细，重力作用越弱，颗粒之间的相互作用则俞来俞重要，存在于颗粒之间的吸附水膜促使它们连接起来，同时也有排斥作用。相邻颗粒在一定条件下结合成集合体的作用为“凝聚作用”，扩散层很薄，凝聚作用强，反之如果扩散层很厚，排斥力大于吸附力，颗粒重新分离为“分散作用”。,13 泥沙的重力特性,一、泥沙颗粒的重率s,天然沙的重率： 24.9926
14、.95KN/m3，取 25.97KN/m3,在分析计算中，常出现相对数值（s-)/ ,有效容重系数,泥沙密度一般取,容重由泥沙的矿物组成决定。一般分为胶体分散矿物、轻矿物和重矿物。泥沙矿物成分:主要是石英和长石，影响泥沙硬度。,二、泥沙的干容重（specific weight),泥沙粒径的影响,干容重变化范围较大，约为0.351.75之间,沙样经100105温度烘干后，其重量（或质量）与原状沙样整个体积的比值,概念,干容重：单位松散体积的重量， gs 2.9416.66kN/m3 干密度：单位松散体积的质量，rs 0.31.7t/m3,干容重与孔隙率n的关系,影响干容重的主要因素：,泥沙颗粒大
15、小的影响：颗粒越大， gs越大，变化范围小； 颗粒越小， gs越小，变化范围大。 如：D0.04mm， gs 0.551.25t/m3 D0.2mm， gs 1.41.7 t/ m3,影响干容重的主要因素： 泥沙淤积厚度的影响：淤积越厚， gs越大，变化范围越小； 淤积越浅， gs越小，变化范围越大。,如：官厅水库淤厚10m处，gs 1.471.55 t/ m3 1m处，gs 0.731.30 t/ m3,泥沙淤积历时的影响：沉积越短， gs越小； 沉积越长， gs越大，然后趋于稳定值； 大颗粒稳定历时短，细颗粒稳定历时长。,泥沙组成的影响：组成越均匀，孔隙率越大， gs越小； 组成越不均匀，
16、孔隙率越小， gs越大。,淤积厚度的影响,淤积历时的影响,干容重与淤积深度和淤积历时关系,二、泥沙的水下休止角,(泥沙在静水下自然堆积的坡面倾角),水下休止角与泥沙的水下摩擦系数的关系,影响因素：泥沙的水下休止角一般随粒径的减小而减小。 水下休止角不仅于粒径、级配有关，而且与颗粒形状、表面光滑度有关；对淤泥来说还与其密实程度有关。,15,天津大学研究,14 泥沙的水力特性,一、基本概念 单颗粒泥沙在静止、无限大的清水中、匀速下沉的速度称为泥沙的沉降速度。简称沉速（水力粗度）。用 表示，单位为 /s。,二、球体的沉速,沉速计算,泥沙在水流中的有效重力,泥沙沉降阻力,CD和不同形式的沉速计算 已有的研究成果,层流状态：CD与Red为直线关系，即CD=24/Red，则： (平方关系),紊流状态：CD与
