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1、水力学研究所 张春财水力学研究所 张春财20122012年年8 8月月Chap_1 Chap_1 泥沙特性泥沙特性Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC泥沙是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泥沙是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、万兆惠，来的固体颗粒碎屑。（钱宁、万兆惠，1983）粒径大小可差数十）粒径大小可差数十数万倍。粒径大小一般数万倍。粒径大小一般变化在变化在0.001100.0mm。天然泥沙主要来自岩石的风化，土壤侵蚀，火山喷发产生的火山。天然泥沙主要来自岩石的风化，土壤侵蚀，火山喷发产生的火
2、山灰、生物骨骼、贝壳分解及人类各种生产活动的废弃物。灰、生物骨骼、贝壳分解及人类各种生产活动的废弃物。1.1 泥沙的来源泥沙的来源 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； 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； 从原河床沉积层冲刷起来的。 从原河床沉积层冲刷起来的。河流泥沙是在河流运动及组成河床的泥沙，所有在河流中运动及静止的粗细河流泥沙是在河流运动及组成河床的泥沙，所有在河流中运动及静止的粗细泥沙大小石砾都称为河流泥沙。其来源可以分为两类：泥沙大小石砾都称为河流泥沙。其来源可以分为两类：Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC1.1 泥沙的来源泥沙的来源影响土
3、壤侵蚀的自然因素影响土壤侵蚀的自然因素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、混合侵蚀、化学侵蚀和生物侵蚀等类型。蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀、冰川侵蚀、混合侵蚀、化学侵蚀和生物侵蚀等类型。水力侵蚀类型水力侵蚀类型冰川侵蚀类型冰川侵蚀类型风力侵蚀类型风力侵
4、蚀类型冻融侵蚀类型冻融侵蚀类型重力侵蚀类型重力侵蚀类型土土 壤壤 侵侵 蚀蚀 类类 型型混合侵蚀类型混合侵蚀类型化学侵蚀类型化学侵蚀类型生物侵蚀类型生物侵蚀类型Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC气候（降雨，暴雨对土壤侵蚀影响最大）气候（降雨，暴雨对土壤侵蚀影响最大）1.1 泥沙的来源泥沙的来源Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC土壤（结构松散、植物覆被差，水土流失就比较严重）土壤（结构松散、植物覆被差，水土流失就比较严重）1.1 泥沙的来源泥沙的来源Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC地形地貌（坡度大，则地面径流下渗量小，汇流速度大，侵蚀作用也随之增大；侵蚀量地形地貌（坡度大，则
5、地面径流下渗量小，汇流速度大，侵蚀作用也随之增大；侵蚀量 也随坡长的增加而增加）也随坡长的增加而增加）1.1 泥沙的来源泥沙的来源Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC1.1 泥沙的来源泥沙的来源黑土地为何会“遍体鳞伤”？ “既有天灾，也有人祸”黑土地为何会“遍体鳞伤”？ “既有天灾，也有人祸”Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC人类活动人类活动(坡面的盲目开垦会增加水土流失，而水土保持工程能减少水土流失坡面的盲目开垦会增加水土流失，而水土保持工程能减少水土流失)1.1 泥沙的来源泥沙的来源Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC从流域地表冲蚀下来的泥沙数量，通常是用每平方公里地面每年冲
6、蚀若干吨从流域地表冲蚀下来的泥沙数量，通常是用每平方公里地面每年冲蚀若干吨泥沙来衡量，称为泥沙来衡量，称为输输沙沙量模量模数数M。我国土壤侵蚀最严重的地区是黄河中游的黄土高原，永定河和西辽河流域，输沙量模数我国土壤侵蚀最严重的地区是黄河中游的黄土高原，永定河和西辽河流域，输沙量模数M1000t/(km2.a)，而陕北的黄甫川、窟野河、无定河、延河流域，输沙量模数达，而陕北的黄甫川、窟野河、无定河、延河流域，输沙量模数达1000020000 t/(km2.a)，相当于地面每年普遍冲刷，相当于地面每年普遍冲刷612mm的厚度。加上人类活动，如盲目开垦等，含沙量很高的的厚度。加上人类活动，如盲目开垦
7、等，含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流，年均含沙量高达正是黄河中游的一些干支流，年均含沙量高达300kg/m3以上。而南部一些省份，虽有暴雨，但土壤以上。而南部一些省份，虽有暴雨，但土壤结构密实，植物覆被较好，其输沙量模数多在结构密实，植物覆被较好，其输沙量模数多在1000 t/(km2.a)以下，年均含沙量不足以下，年均含沙量不足1kg/m3。1.1 泥沙的来源泥沙的来源甘甘肃陇东黄肃陇东黄土土高原高原的的梁峁状梁峁状地形地形张家口市永定河上游张家口市永定河上游水土流失严重，水土流失严重，局部局部地地区区 的土壤侵蚀的土壤侵蚀模数高达模数高达1万吨万吨/平方公里平方公里.年以上年以上Cha
8、p_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC1.2 泥沙的几何特性泥沙的几何特性1.2.1 泥沙的形状泥沙的形状 砾石 砾石、卵石外卵石外形比较形比较圆滑圆滑，有，有圆球状圆球状的、的、 椭球状椭球状的、的、片状片状的，的，无尖角和棱线无尖角和棱线； 沙类沙类和粉和粉土类泥沙土类泥沙外外 形形不规不规则，则，尖角和棱线尖角和棱线 都都比较比较明显明显； 粘 粘土类沙土土类沙土外外形形 复杂复杂，棱角峥嵘。棱角峥嵘。组成河床及随水流运动的泥沙，其特性直接影响着河流泥沙的冲刷、输移和组成河床及随水流运动的泥沙，其特性直接影响着河流泥沙的冲刷、输移和沉积过程，因此，在研究河流泥沙运动规律之前，有必要了解泥沙的
9、基本特性。沉积过程，因此，在研究河流泥沙运动规律之前，有必要了解泥沙的基本特性。Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC1.2 泥沙的几何特性泥沙的几何特性1.2.1 泥沙的形状泥沙的形状泥沙的形状可表达成球度系数泥沙的形状可表达成球度系数和形状系数和形状系数Sp。 球度系数 球度系数23( ) ( )bb ac = 形 形状系状系数数pcSab=泥沙的长泥沙的长轴轴a泥沙的泥沙的中轴中轴b泥沙的泥沙的短轴短轴c粒粒径的径的直接测直接测量量：三轴：三轴量量测测Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC1.2 泥沙的几何特性泥沙的几何特性1.2.2 泥沙的粒径泥沙的粒径（1）等容粒径：与泥沙颗粒体
10、积相等的球体直径。泥沙体积）等容粒径：与泥沙颗粒体积相等的球体直径。泥沙体积V可用称重、排水等方法可用称重、排水等方法测出。测出。1 36Vd=泥沙体泥沙体积积V，可可用用称称 重、重、排排水水等方法测出等方法测出（2）算术算术平平均均粒径粒径：用用长长、中、中、短轴短轴（a、b、c）的）的算算数数平平均值均值来来表表征征泥沙粒径 。泥沙粒径 。 1()3dabc=+（3）几何几何平平均均粒径粒径：假假定定把把泥沙泥沙看看成成椭球椭球体，体，因因椭球椭球体体的体积的体积为为abc/6，而而球球体的体积体的体积为为d3/6，令令两两者者相等相等，则则3dabc=图像处理图像处理的的方法直接方法直
11、接量量测粒测粒径径Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC1.2 泥沙的几何特性泥沙的几何特性1.2.2 泥沙的粒径泥沙的粒径（5）筛径）筛径(sieve diameter)：如果泥沙粒径较细：如果泥沙粒径较细(0.06232.0mm)，不能采用称重或求体，不能采用称重或求体积法确定等容粒径时，一般采用筛析法，采用公制标准筛。用筛分法得出的粒径应相当积法确定等容粒径时，一般采用筛析法，采用公制标准筛。用筛分法得出的粒径应相当于各粒径组界限沙粒的中轴长度，接近等容粒径，称为筛径。设粒径最有停留在孔径为于各粒径组界限沙粒的中轴长度，接近等容粒径，称为筛径。设粒径最有停留在孔径为d1的筛网上，此前通
12、过了孔径为的筛网上，此前通过了孔径为d2的筛网，则可确定的筛网，则可确定21ddd()212ddd=+则则可用可用算术算术平平均均、几何几何平平均给出筛均给出筛分粒径，分粒径，如如按算术按算术平平均均，则则（4）中）中轴长轴长度：对度：对较较粗粗天然沙粒天然沙粒量量测测成成果果的的统统计计分分析析表表明明，沙粒的中，沙粒的中轴长轴长度和其等度和其等容容粒径粒径接近接近相等而相等而略略大，可大，可通通过过量量测测沙粒的中沙粒的中轴长轴长度度来来代替代替等等容容粒径。粒径。Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC1.2 泥沙的几何特性泥沙的几何特性1.2.2 泥沙的粒径泥沙的粒径（6）沉径）沉径(
13、fall diameter)：对于粒径小于：对于粒径小于0.1mm的细沙，由于各种原因，难的细沙，由于各种原因，难以用筛析法确定其粒径，必须采用水析法，即通过测量沙粒在静水中的沉降速度以用筛析法确定其粒径，必须采用水析法，即通过测量沙粒在静水中的沉降速度，利用粒径，利用粒径d与沉速与沉速的关系式换算成粒径。所得粒径实际上为具有同样比重的关系式换算成粒径。所得粒径实际上为具有同样比重、同样沉速的球体直径称为沉降粒径，简称沉径。同样沉速的球体直径称为沉降粒径，简称沉径。泥沙粒径的定义、测量方法和计算方法有较大差异，在提及泥沙颗粒的粒径时，必泥沙粒径的定义、测量方法和计算方法有较大差异，在提及泥沙颗
14、粒的粒径时，必须同时说明该粒径的测量或计算方法，以保证概念的明确。粒径是一种十分重要的物理须同时说明该粒径的测量或计算方法，以保证概念的明确。粒径是一种十分重要的物理量，但是要通过测量得到精确的大小是困难的。因此在进行一项具体的泥沙研究之前，量，但是要通过测量得到精确的大小是困难的。因此在进行一项具体的泥沙研究之前，必须对泥沙粒径的量测精度如何有清楚的了解。必须对泥沙粒径的量测精度如何有清楚的了解。Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC1.2 泥沙的几何特性泥沙的几何特性泥沙颗粒的粒径分布可以用不同粒径的泥沙在泥沙总体中所占的重量比来表泥沙颗粒的粒径分布可以用不同粒径的泥沙在泥沙总体中所占的
15、重量比来表示。用筛析法得到的泥沙粒径示。用筛析法得到的泥沙粒径d常常是介于两个筛孔孔径常常是介于两个筛孔孔径d1和和d2之间的一个范围之间的一个范围(d150mddChap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC1.2 泥沙的几何特性泥沙的几何特性1.2.5 河流泥沙不同粒径的分类河流泥沙不同粒径的分类 不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性质。 不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性质。 不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成。 不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成。 不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性。 不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性。分类定名的原则：既要表示出不同的粒径泥沙某些
16、性质上的显著差异和性质变化的规律性，又分类定名的原则：既要表示出不同的粒径泥沙某些性质上的显著差异和性质变化的规律性，又能使各级分界粒径尺度成为一定的比例。我国泥沙粒径按大小分类如下所示：能使各级分界粒径尺度成为一定的比例。我国泥沙粒径按大小分类如下所示：分类分类d (mm)测量方法测量方法水析沉降法水析沉降法、筛析法筛析法筛析法、直接测量直接测量直接测量石石沙沙泥泥250河河流泥沙颗粒分流泥沙颗粒分析规程析规程(SL 42- 2010)土土工试验工试验规程规程（SL237- 1999）水水利利工工程界程界分类分类Chap_1 泥沙特性泥沙特性ZhChC1.2 泥沙的几何特性泥沙的几何特性1.2.6 沙样的孔隙率沙样的孔隙率泥沙堆积体积中，泥沙颗粒间空隙体积占总体积的百分比称为孔隙率。泥沙堆积体积中，泥沙颗粒间空隙体积占总体积的百分比称为孔隙率。 粗沙的孔隙率一般为 粗沙的孔隙率一般为39%40%，中沙为，中
