泥沙颗粒基本性质

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1、u第一章：水流、泥沙的基本性质第一章：水流、泥沙的基本性质u泥沙泥沙：指所有在流体中运动或受水流、风力、：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、体颗粒碎屑（钱宁、1983）。粒径大小可差）。粒径大小可差数十数十数万倍。粒径大小一般变化在数万倍。粒径大小一般变化在0.001100.0mm 。Pm2.5 和和Pm10u本章主要内容：河道水流基本特性、单颗粒本章主要内容：河道水流基本特性、单颗粒泥沙特性；群体泥沙颗粒特性；泥沙沉速；泥沙特性；群体泥沙颗粒特性；泥沙沉速；含沙水体（浑水）特性。含沙水体（浑水）特性

2、。u1、河道水流的二相性：液相、河道水流的二相性：液相-水（连续介质）水（连续介质）和固相和固相-沙（非连续介质的颗粒群体）。两相沙（非连续介质的颗粒群体）。两相流理论。流理论。u2、河道水流的三维性：河道断面不规则，、河道水流的三维性：河道断面不规则，顺直段很短，宽深比小，尤其是山区河流。顺直段很短，宽深比小，尤其是山区河流。u3、河道水流的非恒定性：来水来沙随时间、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。变化；河床处于不断的变化中。u4、河道水流的非均匀性：、河道水流的非均匀性：u5、不平衡输沙；、不平衡输沙；1 河道水流基本特性河道水流基本特性2 岩石岩石风化化u一

3、、风化作用一、风化作用(weathering)：岩石和矿物在地表环境中，岩石和矿物在地表环境中，受物理、化学和生物作用，发生体积破坏和化学成分受物理、化学和生物作用，发生体积破坏和化学成分变化的过程。变化的过程。u1、物理风化、物理风化(physical weathering )：指岩石在外力影响下，指岩石在外力影响下，机械地分裂成碎屑，只改变其大小与外形，而不改变机械地分裂成碎屑，只改变其大小与外形，而不改变成分的过程。成分的过程。u(1) 温度作用（热胀冷缩）温度作用（热胀冷缩） 引起岩石内外胀缩不一致，岩石是引起岩石内外胀缩不一致，岩石是热不良导体。热不良导体。u(2) 结冰作用结冰作用

4、（冰劈作用）（冰劈作用）u(3) 风和水的磨蚀作用风和水的磨蚀作用 风沙风沙u磨蚀岩石，使之表面裸露，磨蚀岩石，使之表面裸露，u加速物加速物 理风化。理风化。 发生在风化初期。发生在风化初期。2. 化学风化化学风化(chemical weathering)指指岩岩石石在在外外界界条条件件的的影影响响下下，引引起起化化学学成成分分的的改变，产生新的物质的过程。改变，产生新的物质的过程。（1）溶解作用溶解作用 (solution) 水是一种极性溶剂，岩石中的矿水是一种极性溶剂，岩石中的矿物都是无机盐，物都是无机盐， 虽然占绝大部分的硅酸盐和铝硅酸盐矿物虽然占绝大部分的硅酸盐和铝硅酸盐矿物溶解度很小

5、，溶解度很小， 但很长的地质年代中，水溶解的规模是相当但很长的地质年代中，水溶解的规模是相当大的，大的， 况且地表的水常常溶有况且地表的水常常溶有CO2、NO2以及有机酸等，以及有机酸等， 这样大大提高了水的溶解能力。这样大大提高了水的溶解能力。风化作用风化作用（2）水化作用）水化作用(hydration) 指无水矿物与水结合成为指无水矿物与水结合成为含水矿物的作用。含水矿物的作用。 CaSO42H2O CaSO4.2H2O2Fe2O33H2O 2Fe2O3.nH2O 赤铁矿赤铁矿 褐铁矿褐铁矿 （）水解（）水解(hyrolysis)和碳酸化作用和碳酸化作用水解水解2KAlSi3O83H2O

6、Al2Si2O5(OH) 4SiO22KOH 钾长石钾长石 高岭石高岭石碳酸化水解作用碳酸化水解作用2KAlSi3O8CO22H2O AlSi2O5(OH)4SiO2K2CO3 CO2溶于水时，对碳酸盐的溶解力，较纯水增强几十倍。溶于水时，对碳酸盐的溶解力，较纯水增强几十倍。 水解和碳酸化作用的实质，矿物中的盐基离子被氢离水解和碳酸化作用的实质，矿物中的盐基离子被氢离子取代。子取代。风化作用风化作用（）氧氧化化作作用用(oxidation)：空空气气中中的的氧氧在在有有水水的的条条件件下下，氧氧化能力很强。化能力很强。2FeS22H2O7O2 FeSO42H2SO4湿湿润润的的条条件件下下含含

7、铁铁、硫硫的的矿矿物物（含含变变价价元元素素）普普遍遍地地进进行行着着氧氧化过程。深色矿物（因含二价铁）容易风化。化过程。深色矿物（因含二价铁）容易风化。风化作用风化作用3. 生物风化生物风化( biological weathering指指岩岩石石中中的的矿矿物物在在生生物物及及其其分分泌泌物物或或有有机机质质分分解解产产物物的作用下，进行的机械性破碎和化学分解过程。的作用下，进行的机械性破碎和化学分解过程。 生生物物风风化化的的作作用用因因素素是是生生物物及及其其代代谢谢物物发发生生的的风风化化是是物理和化学风化并存。物理和化学风化并存。微生物、植物根系、动物等，在岩石风化初期主微生物、植

8、物根系、动物等，在岩石风化初期主要是低等生物如细菌要是低等生物如细菌、真菌真菌、 地衣等。地衣等。根劈作用根劈作用(root wedging)风化作用阶段风化作用阶段1)1)碎屑残积：碎屑残积：物理风化为主，化学成分基本不变。物理风化为主，化学成分基本不变。2 2）钙质残积类型：）钙质残积类型：因为岩石矿物经化学风化生成的易溶性钾、因为岩石矿物经化学风化生成的易溶性钾、钠、钙、镁的氯化物和硫酸盐，受流水作用逐渐淋溶流失，钠、钙、镁的氯化物和硫酸盐，受流水作用逐渐淋溶流失，而而碳酸钙碳酸钙相对积累相对积累。3 3）硅铝化类型）硅铝化类型 ：岩石中的矿物受长期风化，可溶性氯化物岩石中的矿物受长期风

9、化，可溶性氯化物及硫酸盐遭到强烈淋失，甚至溶解度较小的碳酸钙也被淋及硫酸盐遭到强烈淋失，甚至溶解度较小的碳酸钙也被淋溶，而溶，而铝、铁、硅铝、铁、硅等元素尚有残留。如高岭土等元素尚有残留。如高岭土4 4）铁铝化类型）铁铝化类型 硅酸盐矿物全部分解，转变为以次生铁、铝矿物和高岭硅酸盐矿物全部分解，转变为以次生铁、铝矿物和高岭石粘土矿物为主。如红土石粘土矿物为主。如红土u土土壤壤u残残积积层层u基基岩岩u风风化化壳壳u二、黄土成因二、黄土成因(research of loess genesis)及黄土演变及黄土演变u黄土（黄土（loess)为干寒气候环境的产物，是一种为干寒气候环境的产物，是一种“

10、母岩母岩”而并不是真正的而并不是真正的“土壤土壤”。u黄土物质来源：不是主要来自于沙漠环境，而是来黄土物质来源：不是主要来自于沙漠环境，而是来源青藏高原第四纪冰川和冰缘作用区。源青藏高原第四纪冰川和冰缘作用区。u 黄土成因有不同的假说黄土成因有不同的假说:u(1) 黄土风成说黄土风成说:是李希霍芬（是李希霍芬（Von Richthofen(1882年）年）和奥勃鲁契夫在）和奥勃鲁契夫在19世纪末叶提出的世纪末叶提出的“低空理论低空理论”（subaerial theory)，即，即“风成说风成说”，认为黄土分，认为黄土分布在干早沙漠区的外围，是盛行的西北风或北风刮布在干早沙漠区的外围，是盛行的西

11、北风或北风刮起地面的粉尘，并将它们搬出沙漠地带沉积下来，起地面的粉尘，并将它们搬出沙漠地带沉积下来，天长日久形成厚层的黄土。天长日久形成厚层的黄土。u风成说依据：风成说依据：（1）矿物成分粉粒为主符合风力搬运）矿物成分粉粒为主符合风力搬运特点；（特点；（2）结构特点：土质疏松，大孔隙，湿陷性）结构特点：土质疏松，大孔隙，湿陷性u二、黄土成因二、黄土成因u(2)残积说残积说：认为黄土是在干燥气候条件下，由：认为黄土是在干燥气候条件下，由下伏基岩经风化残积作用形成的，黄土的许多下伏基岩经风化残积作用形成的，黄土的许多性质与风化壳的黄土化作用有关。性质与风化壳的黄土化作用有关。u(3)黄土多成因说黄

12、土多成因说:认为黄土是由多种地质作用，认为黄土是由多种地质作用，如冲积作用、洪积作用、坡积作用、风积作用如冲积作用、洪积作用、坡积作用、风积作用和冰川作用等，在相似的气候条件下逐渐堆积和冰川作用等，在相似的气候条件下逐渐堆积而成的，其物质来源主要是区内或邻近地区的而成的，其物质来源主要是区内或邻近地区的早期堆积物和基岩风化碎屑物。早期堆积物和基岩风化碎屑物。u(4)洪积说洪积说： 李明光多次赴黄土高原、青藏高原、李明光多次赴黄土高原、青藏高原、西北等地考察。认为欧亚板块和印度板块相碰西北等地考察。认为欧亚板块和印度板块相碰撞，释放出巨大能量，产生多次灾变性洪水，撞，释放出巨大能量，产生多次灾变

13、性洪水，洪水从西北向东南方向漫滋，带来大量黄土物洪水从西北向东南方向漫滋，带来大量黄土物质，形成巨厚的黄土沉积并抬升，由于气候干质，形成巨厚的黄土沉积并抬升，由于气候干燥黄土得以保存。燥黄土得以保存。黄土特性黄土特性：u（1）矿物成分：主要以石英、长石等稳定矿）矿物成分：主要以石英、长石等稳定矿物，粒度组分以粉粒为主。同层位的黄土连物，粒度组分以粉粒为主。同层位的黄土连续分布在不同高度的坡地、高原、平川等地续分布在不同高度的坡地、高原、平川等地貌单元上，符合风力搬运特点。貌单元上，符合风力搬运特点。u（2）结构特点：土质疏松、多大孔隙、具湿）结构特点：土质疏松、多大孔隙、具湿陷等特性。多为块状

14、结构，无节理。陷等特性。多为块状结构，无节理。三、土壤三、土壤u土壤是以风化产物和松散堆积物为母质，土壤是以风化产物和松散堆积物为母质，经生物和化学作用为主的成土改造作用，经生物和化学作用为主的成土改造作用，具有植物生长所需的有机质（腐殖层）和具有植物生长所需的有机质（腐殖层）和无机质（无机质（N、P、K）、微量元素和水分与）、微量元素和水分与孔隙。土壤呈灰色、灰黑色，厚度孔隙。土壤呈灰色、灰黑色，厚度0.5m2.5m。u（一）、土壤的结构：（一）、土壤的结构：u土壤剖面成层：表层为腐殖层土壤剖面成层：表层为腐殖层A层，团粒，层，团粒，孔隙；中间是淋溶层孔隙；中间是淋溶层B层，矿物、有机层，矿

15、物、有机质淋溶；底层是沉淀层质淋溶；底层是沉淀层C层。层。u（二）、土壤的可蚀性或抗侵蚀性（二）、土壤的可蚀性或抗侵蚀性u 国外：土壤的可蚀性分为可分离性（国外：土壤的可蚀性分为可分离性（detachability)和可和可搬运性（搬运性（transportability)。u 国内常用抗侵蚀性：分为抗冲性和抗蚀性。土壤的抗蚀国内常用抗侵蚀性：分为抗冲性和抗蚀性。土壤的抗蚀性系指土壤风、水对土壤的机械破坏。抗蚀性抵抗水对土性系指土壤风、水对土壤的机械破坏。抗蚀性抵抗水对土粒的分散和径流悬浮的能力。土壤的抗蚀性常用分散率，粒的分散和径流悬浮的能力。土壤的抗蚀性常用分散率，侵蚀率和分散系数表示。侵

16、蚀率和分散系数表示。u 土壤的抗蚀能力和土壤机械组成、化学特性、土壤被复土壤的抗蚀能力和土壤机械组成、化学特性、土壤被复等有关，经研究其与土壤结构的关系极为密切。土壤结构等有关，经研究其与土壤结构的关系极为密切。土壤结构性愈好，则不是被水浸泡溃解，并能坚强地抵抗雨滴的打性愈好，则不是被水浸泡溃解，并能坚强地抵抗雨滴的打击和径流的冲刷。这是因为土壤结构最主要的特点是它的击和径流的冲刷。这是因为土壤结构最主要的特点是它的稳固性，即不易分裂为小团聚体和机械元素的能力。不稳稳固性，即不易分裂为小团聚体和机械元素的能力。不稳定的结构，当其浸入水中或遭受雨打水冲时，很快就分裂定的结构，当其浸入水中或遭受雨

17、打水冲时，很快就分裂为各自分开的颗粒，而稳定的结构，在水的作用下比较耐为各自分开的颗粒，而稳定的结构，在水的作用下比较耐久，完全不被破坏或者仅部分地分裂成为小的团聚体。久，完全不被破坏或者仅部分地分裂成为小的团聚体。（三）（三） 气候与土壤气候与土壤（主要决定着成土过程中水热条（主要决定着成土过程中水热条件）件）水热水热 ： 一方面一方面影响母质风化过程速度及物质的淋溶；影响母质风化过程速度及物质的淋溶； 另另 一一 方方 面面 控控 制制 了了 植植 物物 和和 微微 生生 物物 的的 生生 长长 决决 定了有机质的积累和分解。定了有机质的积累和分解。气候对土壤性质的影响气候对土壤性质的影响

18、(1)对土壤矿物的风化及其组成的影响对土壤矿物的风化及其组成的影响(2)对土壤有机质含量和腐殖质组成的影响对土壤有机质含量和腐殖质组成的影响(3)对土壤胶体性质的影响对土壤胶体性质的影响(4)强烈地影响土壤风化和淋溶度。强烈地影响土壤风化和淋溶度。 不同气候下土壤的形成分析不同气候下土壤的形成分析南南 方方 湿湿 热热 风风 化化 强强 烈烈 盐盐 基基 淋淋 失失 多多 土土 壤壤 pH低低 原原生生矿矿物物少少，且且粘粘土土矿矿物物以以Ki值值较较低低 的高岭石为主的高岭石为主南方湿热南方湿热 生物生长旺盛生物生长旺盛 微生物活动强烈微生物活动强烈 有机质积累少有机质积累少H/F（胡敏酸与

19、富里酸之比）（胡敏酸与富里酸之比）0.5 东东北北地地区区冷冷湿湿 风风化化不不强强 盐盐基基淋淋失失少少（盐盐基基饱饱和和） pH高高 东东北北地地区区冷冷湿湿 有有机机质质分分解解慢慢，积积累累多多，但但品品质质较较差差，C/N 高高 H/F低低 u（四）土壤类型：决定于气候和植被（四）土壤类型：决定于气候和植被五：泥沙资源五：泥沙资源u传统的观点是认为泥沙是有害的；传统的观点是认为泥沙是有害的；u泥沙迁移造就了广袤富庶的大平原。长江泥沙迁移造就了广袤富庶的大平原。长江三角洲、珠江三角洲；三角洲、珠江三角洲；u河道有序采砂；河道有序采砂；采砂量多大合适？采砂量多大合适？u三峡引航道年淤积砂

20、量三峡引航道年淤积砂量200万万1000万方，万方，如何利用该泥沙资源；如何利用该泥沙资源；u高含沙水流输送、流化床充分燃烧；高含沙水流输送、流化床充分燃烧；u黄河下游泥沙淤背工程；黄河下游泥沙淤背工程；u黄河口泥沙淤积使海上采油变为陆上开采。黄河口泥沙淤积使海上采油变为陆上开采。3 颗粒的个体特性颗粒的个体特性u一、泥沙颗粒的大小一、泥沙颗粒的大小粒径粒径u1 1、等容粒径（、等容粒径（nominal diameter)nominal diameter)：体积相当的球体：体积相当的球体直径。直径。适用于卵石以上的较大颗粒适用于卵石以上的较大颗粒u2 2、平均粒径：、平均粒径：粗颗粒粗颗粒u3

21、 3、筛分粒径、筛分粒径(seive diameter)(seive diameter)：停留在：停留在D1D1，通过，通过D2D2的平均粒径。的平均粒径。相当于等容粒径相当于等容粒径适用于砾石、沙粒适用于砾石、沙粒u4 4、沉降粒径、沉降粒径(fall diameter )(fall diameter )：粒径小于：粒径小于0.1mm0.1mm。0.1mm0.1mm的细沙的细沙适用于粉沙、粘土适用于粉沙、粘土.u如：如：比重计法、粒径计法、吸管法比重计法、粒径计法、吸管法等。等。u泥沙颗粒分类：方法很多，结果有差别。泥沙颗粒分类：方法很多，结果有差别。u粒径小于粒径小于0.1mm0.1mm颗

22、粒的分析方法比较复杂，颗粒的分析方法比较复杂，原因有（原因有（1 1）细小颗粒由于盐类及水化膜中）细小颗粒由于盐类及水化膜中离子作用常常粘聚在一起，形成集合体，离子作用常常粘聚在一起，形成集合体，使粒径增大，细粒减少；（使粒径增大，细粒减少；（2 2）不能直接分）不能直接分出所要区分的粒组，必须经过简单换算。出所要区分的粒组，必须经过简单换算。u D D2 2 或或 u美国地球物理学会美国地球物理学会 中国中国 水文水文 u漂石漂石 boulders 256mm 200mmu卵石卵石 cobbles 64256mm 20200mmu砾石砾石 gravel 264mm 220mmu粗沙粗沙 co

23、arse sand 0.52.0mm u中沙中沙 medium sand 0.250.5mm 0.052.0mmu细沙细沙 fine sand 0.0620.25mmu粉沙粉沙 silt 0.0040.062mm 0.0050.05mmu粘土粘土 clay 0.004mm 0.005mm二、颗粒形状u（1）圆度）圆度(roundess) 。颗。颗粒棱和角的尖锐粒棱和角的尖锐程度。圆度相等程度。圆度相等的颗粒，形状可的颗粒，形状可能不同。如图。能不同。如图。圆度相等，形状圆度相等，形状不同。不同。u（2 2）表面结构：）表面结构：显微镜下观测的颗显微镜下观测的颗粒表面细微形状。粒表面细微形状。u

24、（3 3）球度球度（sphericity)wadellsphericity)wadell于于19321932年年定义：与颗粒同体积的球体直径和颗粒外定义：与颗粒同体积的球体直径和颗粒外接球直径之比。接球直径之比。=1/a*(6V/3.14)=1/a*(6V/3.14)0.3330.333u(4)(4)形状形状可用形状系数可用形状系数SF(shape factor)SF(shape factor)表示表示u泥沙颗粒形状最初取决于岩石母质和风化泥沙颗粒形状最初取决于岩石母质和风化作用，随后在输运过程中受物理、化学和作用，随后在输运过程中受物理、化学和生物作用不断改变形状，一般是其圆度增生物作用不断

25、改变形状，一般是其圆度增加的过程。加的过程。u（5 5）卵石磨损卵石磨损。卵石在运动中经常与河。卵石在运动中经常与河床发生磨檫使卵石的体积、重量和粒径沿床发生磨檫使卵石的体积、重量和粒径沿程减小。程减小。u（6 6）某种粒径的某种粒径的“短缺短缺”现象现象。如瑞士。如瑞士莱茵河河床质中，有莱茵河河床质中，有5 5100mm100mm的砾卵石，的砾卵石，也有也有1mm1mm的细沙，但很少存在的细沙，但很少存在1 15mm5mm的颗的颗粒。一种解释认为是岩石崩解作用产生的粒。一种解释认为是岩石崩解作用产生的某一粒径短缺；另一种认为风化形成后，某一粒径短缺；另一种认为风化形成后，在输运过程中细化了。

26、在输运过程中细化了。u赣江下游河床质钻孔资料分析结果：赣江下游河床质钻孔资料分析结果：10-20mm粒组缺乏粒组缺乏 u四、比表面积四、比表面积u1.11.1（1 1）定义）定义泥沙颗粒的表面积与其体积之比。泥沙颗粒的表面积与其体积之比。（2 2）比表面积的意义）比表面积的意义颗粒越小，比表面积越大；颗粒越小，比表面积越大；反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对大小，其值反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对大小，其值 越大，物化越大，物化作用就越大。作用就越大。u 2-3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性三、颗粒的密度、容重、比重三、颗粒的密度、容重、比重u容重：与泥沙的矿物组成决定。一般分为胶

27、体分容重：与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。散矿物、轻矿物和重矿物。 4 4 泥沙颗粒群体特性泥沙颗粒群体特性u泥沙颗粒群体特性（泥沙颗粒群体特性（bulk properties of sediment):包括粒径分布（包括粒径分布（size distribution) 、干容重、干容重(specific weight)、水下休止角、水下休止角(angle of repose)、床面上的颗粒排列。、床面上的颗粒排列。 u一、一、粒径分布及级配曲线粒径分布及级配曲线u（1 1）泥沙颗粒的粒径尺度：自然界中泥沙的）泥沙颗粒的粒径尺度：自然界中泥沙的粒径变化很大，从粒径变化

28、很大，从1m1m的漂石，到的漂石，到0.001mm0.001mm的粘的粘粒。粒。KrumbeinKrumbein提出提出值分级尺度。取以值分级尺度。取以2 2为底为底的对数并乘以（的对数并乘以（-1-1）。）。u（2）泥沙颗粒的粒径分布：粒径频率直）泥沙颗粒的粒径分布：粒径频率直方图和粒径频率累积曲线。方图和粒径频率累积曲线。u粒径频率直方图粒径频率直方图u粒径频率累积曲线粒径频率累积曲线uxexeua、b组成较均匀，变化范围窄，组成较均匀，变化范围窄，但但a 较粗，较粗，b较细。较细。u2-3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性uc组成不均匀，变化范围组成不均匀，变化范围大，各组粒经含量接近。大，

29、各组粒经含量接近。ud组成很均匀，组成很均匀，变化范围小。变化范围小。二、粒径分布特征值u(1)(1)代表粒径代表粒径：平均粒径（：平均粒径（mean mean diamnter): ddiamnter): dm m（算术平均），（算术平均），d dmg mg （几何平均），（几何平均），u中值粒径中值粒径:d:d5050(median(median sizesize）u（2 2）均方差）均方差和和几何标准偏差几何标准偏差g gu拣选系数拣选系数u（3 3）偏度：偏离对数正态分布的）偏度：偏离对数正态分布的程度。程度。u（4 4）峰度：粒径频率分布的集中）峰度：粒径频率分布的集中或尖锐程度。或

30、尖锐程度。 三、泥沙集合体的命名三、泥沙集合体的命名对于粒径组成分不同的混合体，采用沉积岩石中的对于粒径组成分不同的混合体，采用沉积岩石中的命名方法，即二元命名和三元命名命名方法，即二元命名和三元命名国际制国际制(ISSS)土壤质地分类三角图土壤质地分类三角图四、泥沙淤积物干容重四、泥沙淤积物干容重u（1）泥沙淤积物干容重（）泥沙淤积物干容重（specific weight)u单位体积的淤积物沙样干燥后的重量单位体积的淤积物沙样干燥后的重量,也称干密度。由于也称干密度。由于泥沙颗粒存在孔隙，干容重一般小于个体颗粒的容重。泥沙颗粒存在孔隙，干容重一般小于个体颗粒的容重。在分析河床冲淤变化时，泥沙

31、冲淤的重量必须通过泥沙在分析河床冲淤变化时，泥沙冲淤的重量必须通过泥沙的干容重换算为泥沙冲淤体积。的干容重换算为泥沙冲淤体积。u量纲：量纲：N/m3 ，tf/m3，kgf/m3；u影响干容重的主要因素有粒径组成，淤积历时，埋藏的深影响干容重的主要因素有粒径组成，淤积历时，埋藏的深度和环境等。度和环境等。u（2）干容重计算方法）干容重计算方法u（3 3）泥沙粒径对干容重的影响；）泥沙粒径对干容重的影响；u（4 4）干容重与淤积深度和淤积历时关系；）干容重与淤积深度和淤积历时关系；泥沙的水下休止角泥沙的水下休止角u在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以堆积成一在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以

32、堆积成一定角度的稳定倾斜面而不致塌落，此倾斜面与水平面定角度的稳定倾斜面而不致塌落，此倾斜面与水平面的角度为泥沙的水下休止角的角度为泥沙的水下休止角（angle of reposeangle of repose)u泥沙的水下休止角与粒径、状、和表面光滑度、不均泥沙的水下休止角与粒径、状、和表面光滑度、不均匀系数均有关系。匀系数均有关系。五：常用模型沙的特性五：常用模型沙的特性u（1）常用模型沙及其特性指标：颗粒容重（干容）常用模型沙及其特性指标：颗粒容重（干容重）、粒径、起动流速、沉速、水下休止角等。重）、粒径、起动流速、沉速、水下休止角等。u（2）模型沙的选择：是泥沙模型试验研究中的关键技）

33、模型沙的选择：是泥沙模型试验研究中的关键技术。如起动流速比尺大、糙率比尺小的，可选择容重术。如起动流速比尺大、糙率比尺小的，可选择容重小的轻质沙如木屑。另外能大量制备、通用性强。小的轻质沙如木屑。另外能大量制备、通用性强。u（3）颗粒容重可调整的模型沙。）颗粒容重可调整的模型沙。BZY材料颗粒、容重材料颗粒、容重可以调整。可以调整。u (4)模型沙的水下休止角。模型沙的水下休止角。u张幸农，唐存本，新型张幸农，唐存本，新型BZY模型沙的研及其特性试验研究制，模型沙的研及其特性试验研究制，泥沙研究，泥沙研究，1995（1）。）。株洲精煤水下休止角株洲精煤水下休止角中值粒径（mm)0.020.07

34、0.4干沙休止角（）493745水下休止角（）383238u 拟焦沙是由清华大学黄河研究中心同黄河水拟焦沙是由清华大学黄河研究中心同黄河水利科学研究院联合研发的一种新型模型沙材料利科学研究院联合研发的一种新型模型沙材料,它是根据模型设计对容重及级配等方面的要求它是根据模型设计对容重及级配等方面的要求,采用容重小且热解效应强的焦煤为原料采用容重小且热解效应强的焦煤为原料,首先通首先通过水选降低原料灰分过水选降低原料灰分,然后脱水并粉碎成颗粒状然后脱水并粉碎成颗粒状,采取特殊工艺将煤粒部分脱去有机物及挥发分采取特殊工艺将煤粒部分脱去有机物及挥发分,经过脱硫、脱氮和脱灰等工序改变其化学键经过脱硫、脱

35、氮和脱灰等工序改变其化学键,进一步分选而成的。拟焦沙物理、化学性能比进一步分选而成的。拟焦沙物理、化学性能比较稳定较稳定,容重为容重为1. 701. 90 t/m3。u 任艳粉，姚棣，李远发等，拟焦沙阻力特性及水流任艳粉，姚棣，李远发等，拟焦沙阻力特性及水流挟沙能力试验研究，人民黄河，挟沙能力试验研究，人民黄河，2009（11）六、细颗粒泥沙的物理化学特性六、细颗粒泥沙的物理化学特性u泥沙颗粒越细，颗粒比表面积越大。泥沙颗粒越细，颗粒比表面积越大。u1、双电层及吸附水、双电层及吸附水u2、双电层中电位：胶粒表面与液体界面上的电位、双电层中电位：胶粒表面与液体界面上的电位为热力学电位为热力学电位

36、0 0；扩散层表面与自由溶液之间的；扩散层表面与自由溶液之间的电位差，称为电动电位电位差，称为电动电位。影响电动电位及扩散。影响电动电位及扩散层厚度的因素层厚度的因素:矿物成分，电解质浓度，溶液的矿物成分，电解质浓度，溶液的PH值等。值等。、电位的大小电位的大小( (双电层的厚度双电层的厚度) )与离子的浓度与离子的浓度和价数的关系和价数的关系 电解质浓度越大或离子价数越高，扩散层越薄，电解质浓度越大或离子价数越高，扩散层越薄， 电势越小，双电层的厚度越薄。电势越小，双电层的厚度越薄。u7 7、电位的大小电位的大小( (双电层的厚度双电层的厚度) )与离子的浓度与离子的浓度和价数的关系和价数的

37、关系 电解质浓度越小或离子价数越低，扩散层越厚，电解质浓度越小或离子价数越低，扩散层越厚， 电势越大，双电层的厚度越厚。电势越大，双电层的厚度越厚。 u7 7u3、絮凝与分散、絮凝与分散(DLVO理论）理论）u泥沙颗粒越细，重力作用越弱，颗粒之间的相互作用则泥沙颗粒越细，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成集合体的作用为“凝聚作用凝聚作用”，扩散层很薄，凝聚作，扩散层很薄，凝聚作用强，反之

38、如果扩散层很厚，排斥力大于吸附力，颗粒用强，反之如果扩散层很厚，排斥力大于吸附力，颗粒重新分离为重新分离为“分散作用分散作用”。5 5 泥沙颗粒的沉速泥沙颗粒的沉速u一、泥沙颗粒沉降一、泥沙颗粒沉降u沉速概念：沉速概念：单颗粒单颗粒泥沙在无边界影响静止清泥沙在无边界影响静止清水中均匀沉降的速度水中均匀沉降的速度（fall velocity)，由于，由于粒径越粗，沉速越大，也称水力粗度。粒径越粗，沉速越大，也称水力粗度。u沉降过程分析：沉降过程分析：u实测资料表明，泥沙沉降的运动状态与颗粒实测资料表明，泥沙沉降的运动状态与颗粒雷诺数雷诺数 有关。有关。u过渡区过渡区u层流时层流时u紊流紊流u二、

39、球体颗粒沉降二、球体颗粒沉降u1)从绕流分析从绕流分析u阻力阻力FD：u阻力系数：阻力系数：CD（量纲（量纲分析）分析）uempricalu2)力学分析力学分析 u层流时，层流时，STOKES 公式公式u过渡区过渡区u紊流紊流oseenoseenu三、天然沙沉降三、天然沙沉降u代表性公式代表性公式u（1）张瑞瑾公式思路）张瑞瑾公式思路:从泥沙沉降的过渡区力从泥沙沉降的过渡区力学分析。学分析。u（2）窦国仁公式思路：从泥沙沉降的过渡区）窦国仁公式思路：从泥沙沉降的过渡区绕流分离区分析绕流分离区分析u相对而言相对而言, ,单颗泥沙在静水中的沉降特单颗泥沙在静水中的沉降特性已基本明确性已基本明确,

40、,而群体颗粒的沉降规律相而群体颗粒的沉降规律相当复杂当复杂, ,对其沉降规律还认识不透。对其沉降规律还认识不透。u四、影响沉速的主要因素四、影响沉速的主要因素u（一）颗粒形状的影响，绕流阻力修正系数（一）颗粒形状的影响，绕流阻力修正系数Ku（二）含沙浓度的影响（二）含沙浓度的影响u1、非均匀粗颗粒泥沙的群体沉速非均匀粗颗粒泥沙的群体沉速u2、粘性细颗粒泥沙的群体沉速粘性细颗粒泥沙的群体沉速u当颗粒浓度较低时，絮团之间不搭接，单个絮当颗粒浓度较低时，絮团之间不搭接，单个絮团的沉速大于细颗粒个体沉速，浓度增加，絮团的沉速大于细颗粒个体沉速，浓度增加，絮团搭接联成絮网，沉速大幅度下降，整体缓慢团搭接

41、联成絮网，沉速大幅度下降，整体缓慢下沉。下沉。u（三）含盐度影响（三）含盐度影响u一方面增加水的容重和粘性，减小颗粒沉速，一方面增加水的容重和粘性，减小颗粒沉速，另一方面使细颗粒絮凝成团，增大沉速。试验另一方面使细颗粒絮凝成团，增大沉速。试验表明盐度在表明盐度在04.0，沉速达到一个稳定值。，沉速达到一个稳定值。u（四）水流紊动（四）水流紊动u单粒受紊动影响小，但絮团受的影响大。影响单粒受紊动影响小，但絮团受的影响大。影响（1）增加颗粒碰撞，增强絮凝，（）增加颗粒碰撞，增强絮凝，（2）局部剪）局部剪切力加大，引起絮凝的破碎。提出切力加大，引起絮凝的破碎。提出“动水沉速动水沉速”6 6 含沙水体

42、（浑水）性质含沙水体（浑水）性质u一浑水的容重、含沙量一浑水的容重、含沙量u混合比含沙量、体积比含沙量，重量比含沙量，混合比含沙量、体积比含沙量，重量比含沙量，u二、含沙水流的流型二、含沙水流的流型表观粘度；Toms降阻效应推移质与悬移质 床沙质与冲泻质u推移质（推移质（bed load) 在床面附近以滚动、滑动在床面附近以滚动、滑动或跳跃方式运动的泥沙。也称：或跳跃方式运动的泥沙。也称：“底沙底沙”u悬移质（悬移质（suspend load)悬浮在水流中随水流一悬浮在水流中随水流一起运动的泥沙。也称：起运动的泥沙。也称：“悬沙悬沙”u床沙（床沙（bed material):静止在床面上的泥沙

43、。静止在床面上的泥沙。u推移质与悬移质的区别推移质与悬移质的区别：u（1）运动规律不同：输沙率与水流的切力关）运动规律不同：输沙率与水流的切力关系不同，输沙量不同。如宜昌卵石推移质系不同，输沙量不同。如宜昌卵石推移质76万万吨，沙质推移质吨，沙质推移质878万吨，悬沙输沙万吨，悬沙输沙5亿吨。亿吨。u（2）能量来源不同：推移质消耗水流的时均）能量来源不同：推移质消耗水流的时均势能，增大阻力；悬沙来自紊动动能。对阻力势能，增大阻力；悬沙来自紊动动能。对阻力是间接的。是间接的。u（3）对河床作用不同。悬沙通过容重增大静）对河床作用不同。悬沙通过容重增大静水压力；推移质通过颗粒间离散力与河床作用。水

44、压力；推移质通过颗粒间离散力与河床作用。床床沙沙质质和和冲冲泻泻质质床床沙沙质质和和冲冲泻泻质质u床沙质与冲泻质：床沙质与冲泻质：按造床作用按造床作用u床沙质床沙质(bed material load):悬沙中较粗的部分悬沙中较粗的部分在床沙中大量存在，即参与造床的泥沙。在床沙中大量存在，即参与造床的泥沙。u冲泻质（冲泻质（wash load)u床沙质与冲泻质的划分方法床沙质与冲泻质的划分方法:u对床沙质与冲泻质认识。分界粒径随水力条件对床沙质与冲泻质认识。分界粒径随水力条件的变化而变化的变化而变化u（1）悬沙级配曲线中的）悬沙级配曲线中的D5或或D10u用悬浮指标用悬浮指标u床沙质与冲泻质的

45、判别：床沙质与冲泻质的判别：u（1）取床沙级配曲线的）取床沙级配曲线的D5作为分界粒径。作为分界粒径。u（2）以悬浮指标）以悬浮指标Z=/（uu* *），以），以Z=0.06Z=0.06（0.050.05）区分床沙）区分床沙质质与冲泻与冲泻质质的的临临界粒界粒径。径。Z=4Z=4为为推移推移质质与与悬悬移移质质的分界粒径。的分界粒径。u主要参考文献：主要参考文献：u1、侯辉昌：河流动力学基本问题，水利电力出版、侯辉昌：河流动力学基本问题，水利电力出版社，社，1982。u2、倪晋仁，王光谦，固液两相流研究的两种基本、倪晋仁，王光谦，固液两相流研究的两种基本方法之比较，泥沙研究，方法之比较，泥沙研究，1992（3）。）。u3、藏启运等，黄河三角洲近岸泥沙，北京，海洋、藏启运等，黄河三角洲近岸泥沙，北京，海洋出版社，出版社，1996。u4、费祥俊，高含沙水流的颗粒组成及流动特性，、费祥俊，高含沙水流的颗粒组成及流动特性，1983,2nd ISRS。u5、Bagnold,R.A.,Auto-suspension of transported sediment;turbidity currents,Proc.of royal society,seriese A,vol 265,1332. uu结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！