泥沙的一般特性.ppt

河流動(dòng)力學(xué)概論,第2章 泥沙的一般特性,主要內(nèi)容,1 泥沙的來源，風(fēng)化，土壤侵蝕； 2 泥沙的一般礦物組成及礦物特性 3 泥沙的幾何特性，粒徑、圓度、球度、粒徑級(jí)配曲線等 4 泥沙的重力特性，容重、比重、干容重、渾水容重、水下休止角、泥沙的沉降速度及計(jì)算公式等。 5 泥沙的物理化學(xué)特性，比表面積、絮凝和分散等,2-1 泥沙的來源,一、巖石風(fēng)化 河流泥沙的最根本來源是巖石的風(fēng)化。 風(fēng)化巖石和礦物在地表環(huán)境中，受各種物理、化學(xué)和生物作用，巖石發(fā)生體積破壞和化學(xué)成份發(fā)生改變的過程。 風(fēng)化種類： 物理風(fēng)化：巖石在原地發(fā)生的崩解 化學(xué)風(fēng)化：巖石發(fā)生的蝕變（溶解、水解、碳酸鹽化） 生物風(fēng)化： 風(fēng)化影響因素：氣候、巖石成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、植被、地形、時(shí)間 氣候是影響風(fēng)化的主要因素；風(fēng)化作用作為侵蝕和搬運(yùn)的前提條件,2-1 泥沙的來源,二、 泥沙來源分類 （1）流域來沙。即流域地表的沖蝕； 土壤侵蝕 狹義指地面土壤在外營(yíng)力下被分離、搬運(yùn)以及沉積的整個(gè)過程 廣義內(nèi)外營(yíng)力作用下，地表物質(zhì)（包括土坡、母質(zhì)、風(fēng)化物和巖石）的分離、搬運(yùn)以及沉積的整個(gè)過程,2-1 泥沙的來源 三、土壤侵蝕,侵蝕模數(shù)（輸沙量模數(shù)） 每平方公里地面每年沖蝕泥沙量（單位：t/km2.a） 含沙量 每單位體積河水中的泥沙重量表示河流的含沙量。（單位：kgf/m3）,2-1 泥沙的來源 三、土壤侵蝕,表2-1 常用的含沙量表達(dá)方式,2-1 泥沙的來源 三、 土壤侵蝕,我國(guó)北方土壤侵蝕比南方嚴(yán)重，最嚴(yán)重的是黃河中游的黃土高原、永定河和西河流域。輸沙模數(shù)000t/(km2.a)。 陜北的皇甫川、窟野河、無定河、延河流域，輸沙模數(shù)達(dá)到0,00020,000t/(km2.a)，相當(dāng)于地面每年普遍沖刷612mm的厚度。,2-1 泥沙的來源 三、土壤侵蝕,水土流失（soil Loss) 包括水和土的流失兩個(gè)方面。它與土壤侵蝕概念不同。從侵蝕作用 力來看，為水力侵蝕，水土流失量是指離開某一范圍的地表物質(zhì)總和，一般土壤侵蝕量大于水土流失量。 土壤侵蝕與產(chǎn)沙（sediment yield) 也是兩個(gè)不同的概念，產(chǎn)沙是指侵蝕的土壤量能夠到達(dá)流域出口的泥沙量。因此，產(chǎn)沙小于侵蝕量，兩者之間用泥沙輸移比表示。如以長(zhǎng)江上游宜昌，20世紀(jì)80年代平均侵蝕量為15.7億噸，同期宜昌站輸出沙量5.49億噸,2-1 泥沙的來源 三、土壤侵蝕,土壤侵蝕的危害表現(xiàn)為： （1）水資源和土壤資源惡化。年流失耕地表層土壤1cm，流失的養(yǎng)分相當(dāng)于4000萬t的化肥量。 （2）農(nóng)田、耕地水沙為害。溝壑縱橫切割造成耕地大面積破壞。 （3）對(duì)下游水系的危害。河床抬高，防洪能力下降，湖泊面積縮小，調(diào)蓄能力減小。 （4）流域內(nèi)水庫(kù)淤積、庫(kù)容減少、水利設(shè)施效率降低。,2-1 泥沙的來源,二、 泥沙來源分類。 （1）流域來沙。即流域地表的沖蝕； （2）河床上沖起的沙。即河床的沖刷； 在運(yùn)動(dòng)過程中，二者存在著置換作用。 （3）風(fēng)沙（一般不考慮）,2-2 泥沙的礦物組成,一、礦物成份 泥沙來源于巖石風(fēng)化，則風(fēng)化巖石的礦物成分決定泥沙的礦物成分；不同的風(fēng)化方式對(duì)巖石礦物成分的影響程度不同，因此風(fēng)化方式也影響泥沙的礦物成分。 （1）物理風(fēng)化原生礦物 如：石英、長(zhǎng)石、云母等。 （2）化學(xué)風(fēng)化次生礦物 如：次生二氧化硅，蒙脫石，高嶺土等,2-2 泥沙的礦物組成,二、礦物的物理特性 （1） 比重 礦物容重與水容重之比。 泥沙的比重一般都在2.602.70之間，通常取用2.65 （2） 硬度 硬度是表示礦物抵抗外界機(jī)械作用的能力。 綜合統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)江懸沙中硬度5的礦物平均約達(dá)80%，而水輪機(jī)過流部件金屬材料硬度一般5，這是過流金屬部件受磨損的基本原因。,14,11,泥沙的形狀總的來說，顆粒越大，形狀越圓滑；顆粒越小，形狀越復(fù)雜。常見的礫石、卵石外形一般呈橢球體。,泥沙的幾何特征指泥沙的形狀和粒徑。,2-3 泥沙的幾何特性,2-3 泥沙的幾何特性,一、泥沙的粒徑 泥沙顆粒的大小一般用粒徑（size）來表示，（或：粒度）。常用的粒徑表示定義和計(jì)算方法有三種： （1）等容粒徑 （2）篩分粒徑 （3）沉降粒徑,16,12,沉降粒徑,（沉降法，適用于粉沙、粘土）,水析法,篩分粒徑,（適用于礫石、沙粒）,篩析法,等容粒徑,（稱重法，適用于卵石以上的較大顆粒）,尺量法,泥沙粒徑測(cè)量和計(jì)算方法有三種：,泥沙顆粒的大小，通常以顆粒直徑來表示，簡(jiǎn)稱粒徑，其符號(hào)為D（或d），單位mm。,一、泥沙的粒徑,17,13, 測(cè)定泥沙顆粒的重量（或體積）, 計(jì)算測(cè)量方法,等容粒徑是指體積與泥沙顆粒相等的球體直徑。, 定義,、等容粒徑,(2-1),18,14,、等容粒徑,(2-3),用幾何平均值表示粒徑,(2-2),用其算術(shù)平均值表示粒徑, 將泥沙看成橢球體，直接測(cè)量其長(zhǎng)軸a、中軸b、短軸c, 計(jì)算測(cè)量方法,19,15,兩篩之間泥沙顆粒的粒徑可以用兩篩網(wǎng)孔徑的算術(shù)平均值或幾何平均值計(jì)算。,沙粒的中軸長(zhǎng)度是比較接近等容粒徑的，因此篩析法所測(cè)的粒徑可近似地看成等容粒徑。,、篩分粒徑（篩徑）,表2-1 篩號(hào)與孔徑之間的關(guān)系,21,26,22,16,這樣所求出的粒徑實(shí)質(zhì)上是與泥沙顆粒密度相同、沉速相等的球體直徑。,對(duì)于粒徑在0.062mm以下粉粒和粘粒，已不可能進(jìn)一步篩分，只能采用沉降法，如：比重計(jì)法、粒徑計(jì)法、吸管法等。 這些方法的基本原理是，通過測(cè)量沙粒在靜水中的沉降速度，按照粒徑與沉速的關(guān)系式換算成粒徑。所得粒徑實(shí)際上為具有簡(jiǎn)樣比重同樣沉速的球體直徑。也叫沉降粒徑，或簡(jiǎn)稱沉徑。,、沉降粒徑（沉徑）,23, 泥沙按粒徑大小分類 1、分類原則 表示出不同粒徑級(jí)泥沙性質(zhì)上的顯著差異和性質(zhì)變化的規(guī)律性； 各級(jí)分界粒徑尺度成一定的比例。 2、值分級(jí)尺度 把以mm為單位的粒徑取以2為底的對(duì)數(shù)并乘以 “1”，從而使得都是整數(shù)值。 每一分級(jí)粒徑D可表示為 D2 或 （1-4） （ 為整數(shù)，D的單位為mm）,17,24,運(yùn)用該方法，可以把變化相當(dāng)大的粒徑范圍用變化不大的整數(shù)來表示，值越大表示粒徑越細(xì)。,18,25,3、水利工程界分類 表2-2 泥沙顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),19,2-3 泥沙的幾何特性,二、圓度 指顆粒棱和角的尖銳程度。 文特沃斯（wentworth）定義：顆粒最尖銳棱角的曲率半徑除以顆粒最大內(nèi)切圓的半徑 （2-3） r顆粒最尖銳棱角的曲率半徑，R顆粒最大內(nèi)切圓的半徑。 （2-4） ri顆粒的平面投影圖像上各角曲率半徑,沃德爾（wadell),2-3 泥沙的幾何特性,三、球度 反映沙粒形狀的特征系數(shù) 沃德爾(wadell)定義：與顆粒體積的球體直徑（等容粒徑）和顆粒外接球直徑之比。用表示 （2-5）,1.1.4,四、比表面積,1.1,（1）定義泥沙顆粒的表面積與其體積之比。,（2）比表面積的意義,顆粒越小，比表面積越大；,反映泥沙顆粒的物化作用與重力作用的相對(duì)大小，其值 越大，物化作用就越大。,2-3 泥沙的幾何特性,泥沙顆粒的形狀及其成因,泥沙顆粒的最初形狀取決于巖石母質(zhì)和風(fēng)化作用，隨后在輸運(yùn)過程中因繼續(xù)受到物理、化學(xué)及生物作用而不斷改變其形狀，改變的程度或最終形成的形狀取決于搬運(yùn)介質(zhì)（水、空氣和冰川運(yùn)動(dòng)）和搬運(yùn)方式（滑動(dòng)、滾動(dòng)、跳動(dòng)、懸浮或顆粒流等） 圓度在流水搬運(yùn)初期迅速增加，然后增加速度變緩，直至完全變圓為止。 球度則以一個(gè)緩慢而穩(wěn)定的速度增加。,2-3 泥沙的幾何特性,四、泥沙的群體特性（級(jí)配曲線） 河流泥沙具有群體性，顆粒大小不一，含量多少不等，我們?nèi)绾稳コ浞直硎酒涮匦?，于是提出了粒配曲線(級(jí)配曲線)。 粒配曲線：表示天然沙顆粒組成的曲線。,32,33,28,D84.1,D15.9,1.1.2,粒配曲線的繪制方法和過程,取樣篩分，獲取各粒經(jīng)組 Di 泥沙的重量；,統(tǒng)計(jì)出小于和等于各粒經(jīng)Di 的沙重，并算出其占總重的百分比pi；,準(zhǔn)備半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙(橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)分格，縱坐標(biāo)是普通分格)；,以粒經(jīng)Di 為橫坐標(biāo)(對(duì)數(shù)坐標(biāo)，從大到小)，小于和等于粒經(jīng)Di 的沙重百分比pi 為縱坐標(biāo)(普通坐標(biāo))繪制Dp粒配曲線。,2-3 泥沙的幾何特性,35,、粒配曲線的意義 表征泥沙顆粒的粗細(xì)和沙樣的均勻程度。 可直接查出小于某粒徑的泥沙在總沙樣中所占的重量百分?jǐn)?shù)；也可查出總沙樣中某重量百分?jǐn)?shù)泥沙的上限粒徑。,21,D50=0.0073mm,1.1.2,xe,2-3 泥沙的幾何特性,c組成不均勻，變化范圍大，各組粒經(jīng)含量接近。,d組成很均勻，變化范圍小。,2-3 泥沙的幾何特性 四、泥沙的粒配曲線（級(jí)配曲線）,（2）粒徑分布的特征值 上限粒徑在總沙樣中占某重量百分?jǐn)?shù)的泥沙的上限粒徑。如D5,D10,D50等等。 D50中值粒徑，小于該粒徑和大于該粒徑的泥沙顆粒各占50%。 Dm平均粒徑，即各粒徑組平均粒徑的重量百分比的加權(quán)平均值。 （2-6）,2-3 泥沙的幾何特性 四、泥沙的粒配曲線（級(jí)配曲線）,Dmg幾何平均粒徑，即粒徑取對(duì)數(shù)后進(jìn)行平均運(yùn)算，最終求得的平均粒徑值稱為幾何平均粒徑。反映沙樣的代表粒徑 因： （2-7） 均方差s ：表示泥沙組成的非均勻程度,0均勻，越大越不均勻，反映沙樣粒徑的變化范圍大小。,1.1.2,二,均勻沙s =0，DmD50；非均勻沙s 0，DmD50 。,分選系數(shù)(非均勻系數(shù))S0：仍表示泥沙組成的非均勻程度，1均勻，越大越不均勻 。,Dm與 D50的關(guān)系：,2-3 泥沙的幾何特性 四、泥沙的粒配曲線（級(jí)配曲線）,雖然泥沙中值粒徑與幾何平均粒徑并不完全相等，但其差別一般 不大，所以可以用泥沙中值粒徑近似代替幾何平均粒徑。,1.1.3,五、孔隙率與孔隙比,孔隙率n：沙樣中孔隙的體積與沙樣總體積之比。 n=V孔隙/V總 。,孔隙比e：沙樣中孔隙的體積與沙樣顆粒體積之比。 e=V孔隙/(V總- V孔隙),2-3 泥沙的幾何特性,1.1.3,天然沙孔隙率的一般規(guī)律,三,沙樣越粗，孔隙率越??； 粗砂：3940；中沙：4148；細(xì)沙：44-49；粘土絮凝后可達(dá)90,均勻沙的孔隙率最大；,形狀圓滑的、棱角不分明的沙樣孔隙率較??；,沉積時(shí)間越長(zhǎng)，孔隙率越小。,2-3 泥沙的幾何特性 四、泥沙的粒配曲線（級(jí)配曲線）,2-4 泥沙的重力特性,一、泥沙的一般重力特性 （1）密度 密度顆粒單位體積內(nèi)所含的質(zhì)量。 國(guó)際單位：千克/米3 kg/m3 ；克/米3 g/m3 ； 工程單位：噸/米3 t/m3，公斤/米3 kg/m3； 一般泥沙密度：=2650 kg/m3; （2）容重（重度） 容重（重度）泥沙顆粒實(shí)有重量與實(shí)有體積的比值。 國(guó)際單位：牛/米3 N/m3 ； 工程單位：噸力/米3 tf/m3，公斤力/米3 kgf/m3； 一般泥沙容重：=25970N/m3=26 kN/m3=2650 kgf/m3;,2-4 泥沙的重力特性 一、泥沙的一般重力特性,（3）比重 比重固體泥沙顆粒重量與同體積4水的重量之比。 無量綱，一般泥沙比重：=2.65 （4）有效容重系數(shù)（有效密度系數(shù)） 泥沙在水中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，既與泥沙容重有關(guān)，又與水的容重有關(guān)，在分析計(jì)算時(shí)，常出現(xiàn)相對(duì)數(shù)值，為簡(jiǎn)便起見，令 或 常取a=1.65.,2-4 泥沙的重力特性 一、泥沙的一般重力特性,（5）干容重 單位體積沙樣經(jīng)過100105溫度烘干后，其重量與原狀沙樣整個(gè)體積的比值，稱為泥沙的干容重。 符號(hào)： ，單位： N/m3 ，tf/m3，kgf/m3；,干容重：?jiǎn)挝凰缮Ⅲw積的重量， gs 2.9416.66kN/m3 干密度：?jiǎn)挝凰缮Ⅲw積的質(zhì)量， rs 0.31.7t/m3,1.3.2,ye,干容重與孔隙率n的關(guān)系,影響干容重的主要因素：,泥沙顆粒大小的影響：顆粒越大， gs越大，變化范圍??； 顆粒越小， gs越小，變化范圍大。 如：D0.04mm， gs 0.551.25t/m3 D0.2mm， gs 1.41.7 t/ m3,1.3.2,影響干容重的主要因素： 泥沙淤積厚度的影響：淤積越厚， gs越大，變化范圍越小； 淤積越淺， gs越小，變化范圍越大。,如：官?gòu)d水庫(kù)淤厚10m處，gs 1.471.55 t/ m3 ,1m處，gs 0.731.30 t/ m3,泥沙淤積歷時(shí)的影響：沉積越短， gs越??； 沉積越長(zhǎng)， gs越大，然后趨于穩(wěn)定值； 大顆粒穩(wěn)定歷時(shí)短，細(xì)顆粒穩(wěn)定歷時(shí)長(zhǎng)。,泥沙組成的影響：組成越均勻，孔隙率越大， gs越??； 組成越不均勻，孔隙率越小， gs越大。,2-4 泥沙的重力特性 一、泥沙的一般重力特性,（6）渾水容重 單位體積渾水的重量，單位： N/m3 ，tf/m3，kgf/m3； （7）含沙量單位體積渾水中固體泥沙顆粒所占比例， 重量含沙量 體積比含沙量,2-4 泥沙的重力特性 一、泥沙的一般重力特性,（8）水下休止角 在靜水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的穩(wěn)定的傾斜面，此面與水平面的交角稱為泥沙的水下休止角 水下休止角：泥沙在靜水下自然堆積的坡面傾角， 。 水下休止角與泥沙粒徑、級(jí)配、形狀有關(guān)。對(duì)于淤泥來說，還與其密實(shí)程度（含泥濃度）有關(guān)。無粘性顆粒的棱角越尖利，則越大。,天津大學(xué)研究， ()與D(mm)有如下關(guān)系：,2-4 泥沙的重力特性 一、泥沙的一般重力特性,（9）水下摩擦系數(shù) 泥沙的水下休止角的正切值。 （2-11） 泥沙的水下摩擦系數(shù)對(duì)于分散顆粒一般隨粒徑的減少而減小。,2-4 泥沙的重力特性,二、泥沙的沉降速度 靜水中的泥沙沉速是泥沙顆粒的重要基本特性 （1）定義： 所謂泥沙的沉降速度，一般都是指達(dá)到等速運(yùn)動(dòng)以后的下沉速度。 由于粒徑愈粗，沉降速度愈大，因此，又稱水力粗度 它反映泥沙在與水流相互作用時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)的抗拒能力。組成河床的泥沙沉速越大，則泥沙參與運(yùn)動(dòng)的傾向越小。,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,（2）泥沙沉速 設(shè)粒徑為D的圓形粒徑泥沙在水體中作等速沉降運(yùn)動(dòng)，其重力作用與阻力相等。 重力（下沉力）：,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,（2）泥沙沉速 設(shè)粒徑為D的圓形粒徑泥沙在水體中作等速沉降運(yùn)動(dòng)，其重力作用與阻力相等。 阻力：,55,(2) 泥沙的沉速 球體沉降阻力 牛頓繞流阻力的一般表達(dá)式 圓球沉降時(shí)，水體對(duì)球體施加的阻力為 (1-14),2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,重力： 阻力： CD泥沙阻力系數(shù)； 阻力系數(shù)CD的計(jì)算方法與繞流流態(tài)有關(guān)，在層流和紊流的不同情況下量值差別很大。,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,實(shí)踐證明，泥沙顆粒在靜水中下沉?xí)r的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與沙粒雷諾數(shù)有關(guān)。,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,60,泥沙沉降的運(yùn)動(dòng)形式,61,（3）球體沉降的阻力系數(shù)（求解圓球沉降的關(guān)鍵參數(shù)?。?球體的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖（CDReD曲線）,62,試驗(yàn)結(jié)果分析： 、球體沉降時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于滯流區(qū)，沉降阻力主要為粘滯力，阻力系數(shù)與沙粒雷諾數(shù)成線性關(guān)系；,63,球體層流區(qū)阻力系數(shù)的理論解 Stokes從理論上求得，圓球在層流區(qū)所受的阻力為 由牛頓繞流阻力所得的圓球繞流阻力的一般表達(dá)式 于是，得,64,試驗(yàn)結(jié)果分析： 、球體沉降時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于紊流區(qū)，沉降阻力主要為紊動(dòng)阻力，粘滯阻力可以忽略不計(jì)。阻力系數(shù)與沙粒雷諾數(shù)無關(guān)，接近于常數(shù) ；,65,試驗(yàn)結(jié)果分析： 、球體下沉處于過渡區(qū)，沉降阻力中粘滯阻力和紊動(dòng)阻力都不能忽略。由CDReD圖可知，阻力系數(shù)與沙粒雷諾數(shù)之間呈曲線關(guān)系。,66,（5）球體沉速的一般表達(dá)式 列出圓球沉降時(shí)力的平衡方程 可得球體在靜水中沉速的一般表達(dá)式,67,（6）層流區(qū)、紊流區(qū)和過渡區(qū)圓球沉速公式 、層流區(qū)圓球沉速公式（ ） 將 代入球體在靜水中沉速的一般表達(dá)式 此式即為層流區(qū)的球體沉速公式，又稱Stokes公式。,68,、紊流區(qū)圓球沉速公式 球體沉降處于紊流區(qū)，由試驗(yàn)曲線圖知， 代入球體在靜水中沉速的一般表達(dá)式,69,過渡區(qū)球體沉速 過渡區(qū)，阻力系數(shù)與沙粒雷諾數(shù)之間呈曲線關(guān)系。,70,過渡區(qū)沉速公式（ ） 張瑞瑾各區(qū)統(tǒng)一沉速公式（武大公式） 過渡區(qū)的阻力 泥沙的有效重力 取 其中，k1,k2 為過渡區(qū)系數(shù)，經(jīng)簡(jiǎn)單換算，得 利用實(shí)測(cè)資料，確定 得，,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,（7）球體沉速計(jì)算公式 1、 沉降滯流區(qū) 2、 沉降紊動(dòng)區(qū) 3、 沉降過渡區(qū),1.4.2,實(shí)例計(jì)算1,xe,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,1.4.2,實(shí)例計(jì)算2 (Fig),二,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,Fig1-y6,75,、崗恰洛夫公式 層流區(qū)沉速公式（ ） 球體層流區(qū)沉速公式（Stokes公式） 泥沙沉降阻力大于球體沉降阻力，天然泥沙沉速應(yīng)較球體沉速小，所以應(yīng)該乘以一個(gè)小于1的系數(shù)。 泥沙在層流區(qū)的崗恰洛夫沉速公式為,泥沙并非球體，沉速應(yīng)有所不同，目前存在多家公式。,76, 紊流區(qū)沉速公式（ ） 紊流區(qū)泥沙沉降阻力值大致在0.9-1.4之間 崗恰洛夫取 泥沙沉降阻力為 泥沙在水流中的有效重力為 將阻力系數(shù)帶入 ，并令 便得泥沙在紊流區(qū)的沉速公式,77, 過渡區(qū)沉速公式（ ）,T為水溫，D01.5mm，計(jì)算時(shí)D與D0的單位應(yīng)該一致。,78,、沙玉清沉速公式 層流區(qū)沉速公式（ ） 與崗恰洛夫的考慮相同，得出與崗恰洛夫完全一致的公式 紊流區(qū)沉速公式（ ） 沙玉清取紊流區(qū)泥沙沉降的阻力系數(shù) 得，,79, 過渡區(qū)沉速公式（ ） 、沉降判數(shù) 與粒徑判數(shù) 令,80,令 沙玉清過渡區(qū)泥沙沉速的實(shí)用算式,1.4.3,1.4.3,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,層流區(qū)，采用Stokes公式； 過渡區(qū)，采用沙玉清的過渡區(qū)公式； 紊流區(qū)，采用崗恰洛夫紊流區(qū)公式； 在實(shí)際工作中，常采用張瑞瑾各區(qū)統(tǒng)一公式計(jì)算沉速。,1.4.4,前述理想沉速：,xe,單顆粒、靜水、均勻、無限體、清水等，自然界不存在。,實(shí)際河流情況：,群體、動(dòng)水、非勻速、有界、渾水、含雜質(zhì)、紊動(dòng)等。,因此需要一定修正。,目前有一定研究成果，主要研究形狀、水質(zhì)、含水量對(duì)沉速的影響，但不很成熟。,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,（7）影響泥沙沉速其它因素,1.4.4,泥沙顆粒形狀對(duì)沉速的影響,對(duì)于球體：a=b=c, CD=0.45,與前面一樣； 對(duì)于偏平體：越偏平，沉速越小。,泥沙難以量測(cè)形狀，但礫、卵、塊石等存在a、b、c三軸；,方位不同，下沉受阻面積及阻力不一樣，自然w不一樣；但通常會(huì)自動(dòng)調(diào)整到與短軸c方向一致，即阻力最大的方向；,目前有研究成果：,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,（7）影響泥沙沉速其它因素,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,（7）影響泥沙沉速其它因素,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,（7）影響泥沙沉速其它因素,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,（7）影響泥沙沉速其它因素,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,（5）天然沙（靜水）沉速計(jì)算公式,2-4 泥沙的重力特性 二、泥沙的沉降速度,（6）（天然沙）群體沉速 對(duì)渾水來說，對(duì)其中任一顆泥沙來說，其他顆粒的存在將對(duì)它的沉降產(chǎn)生影響。 可以分四種情況來考慮： 非粘性粗顆粒泥沙的群體沉速，粘性顆粒泥沙的群體沉速，粗顆粒泥沙在粘性顆粒漿液中沉速，非均勻顆?；旌仙车娜后w沉速。 非粘性均勻粗顆粒泥沙的群體沉速。 低含沙量： 高含沙量：,2-5 細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)性質(zhì),泥沙的物理化學(xué)性質(zhì)主要指細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)性質(zhì)。 由于細(xì)顆粒泥沙的比表面積很大，有較強(qiáng)的吸附作用，故細(xì)顆粒泥沙表面的物理化學(xué)作用顯得特別突出，從而對(duì)細(xì)顆粒泥沙的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要的影響。 細(xì)顆粒泥沙因物理化學(xué)作用而具有粘性，又稱為粘性泥沙，簡(jiǎn)稱粘粒。 細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)作用的大小與顆粒的比表面積有關(guān)。,96,一、電化學(xué)性質(zhì) 1、泥沙顆粒周圍的雙電層 泥沙顆粒表面一般帶有負(fù)電荷 (1)、雙電層的內(nèi)層,2,泥沙顆粒比表面積很大，具有較強(qiáng)的吸附作用，吸附負(fù)離子后與其牢固結(jié)合，組成“負(fù)離子層” 即為雙電層的內(nèi)層。,97,1、泥沙顆粒周圍的雙電層,2,2、雙電層的外層 、吸附層 、擴(kuò)散層,表面帶負(fù)電荷的細(xì)顆粒泥沙在含電解質(zhì)的水中，由于靜電引力作用下吸引反離子（陽(yáng)離子），從而在顆粒周圍形成一個(gè)帶相反電荷的離子層，稱反離子層或外層。,98,1、泥沙顆粒周圍的雙電層,2,2、雙電層的外層 、吸附層 、擴(kuò)散層,泥沙顆粒表面（所帶）的離子層（負(fù)電荷）及其（所吸引）周圍的反離子層構(gòu)成（了泥沙顆粒）的雙電層。,99,1、泥沙顆粒周圍的雙電層,2,2、雙電層的外層 、吸附層 、擴(kuò)散層,、吸附層（固定層，不活動(dòng)層） 緊靠?jī)?nèi)層的反離子，由于受靜電引力大，便與顆粒表面牢固地結(jié)合在一起，稱吸附層。,100,1、泥沙顆粒周圍的雙電層,2,2、雙電層的外層 、吸附層 、擴(kuò)散層,、擴(kuò)散層（活動(dòng)層） 擴(kuò)散層：距內(nèi)層較遠(yuǎn)的反離子與顆粒表面結(jié)合的就不牢固，具有一定的活動(dòng)性，這一層叫做擴(kuò)散層。,102,（1）粘結(jié)水（結(jié)合水） 、粘結(jié)水的含義： 在泥沙顆粒表面負(fù)電荷的作用下，靠近顆粒表面，在吸附層范圍的水分子失去了自由活動(dòng)的能力，而整齊地、緊密地排列起來，這被稱為粘結(jié)水。,3,2、泥沙顆粒周圍的吸附水膜 顆粒表面不僅吸附反離子，也吸引水分子。,103,2、泥沙顆粒周圍的吸附水膜 、粘結(jié)水的特征 顆粒表面的負(fù)電荷對(duì)吸附層范圍內(nèi)的粘結(jié)水的吸引力約一萬個(gè)大氣壓。在這樣大的壓力下，粘結(jié)水的密度達(dá)到1.2-2.4g/cm3，平均為2.0g/cm3。粘結(jié)水在力學(xué)性質(zhì)上與固體物質(zhì)完全相同，具有極大的粘滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度。它沒有傳遞靜水壓力的能力。,3,104,（2）粘滯水 、粘滯水的含義 ： 圍繞在粘結(jié)水外面的水分子雖然也受到靜電引力場(chǎng)的作用，但距顆粒表面距離愈遠(yuǎn)，受到的靜電引力場(chǎng)的強(qiáng)度愈小，水分子所失去的自由活動(dòng)的能力也愈少，而且排列得比較疏松，不整齊，僅有輕微的定向。這部分水被稱為粘滯水。,4,105,（2）粘滯水 、粘滯水的特征 粘滯水的密度雖沒有粘結(jié)水那么大，但仍比普通液態(tài)水的要大，為1.3-1.74g/cm3，也具有較高的粘滯性和抗剪強(qiáng)度，不能傳遞靜水壓力。,4,106,（3）束縛水與自由水 粘結(jié)水和粘滯水統(tǒng)稱束縛水。 束縛水外面的水分子幾乎不再受靜電引力的作用，保持著原有自由活動(dòng)的能力，稱為自由水。,4,107,（4）吸附水膜 對(duì)于粘結(jié)水和粘滯水（束縛水），其水分子部分地或完全地失去自由活動(dòng)能力，在顆粒周圍形成了一個(gè)水膜，此膜稱為吸附水膜。 吸附水膜是泥沙顆粒與水相互作用的產(chǎn)物，從力學(xué)角度上看，是固態(tài)相與液態(tài)相的過渡類型。 束縛水 吸附水膜,5,108,（4）吸附水膜 吸附水膜的厚度 雙電層的厚度就是束縛水的厚度，也就是吸附水膜的厚度。吸附水膜與反離子層大體上是一致的東西。 吸附水膜的厚度主要取決于顆粒的礦物成分和水的化學(xué)成分（水的pH值，離子的種類和濃度），其厚度一般為0.1m數(shù)量級(jí)。,5,109,（4）吸附水膜 吸附水膜的厚度 粗顆粒泥沙，水膜所占容積遠(yuǎn)較泥沙的體積為小，作用不大；因此粗顆粒泥沙的性質(zhì)完全取決于泥沙本身的性質(zhì)。 細(xì)顆粒泥沙，水膜不但和泥沙顆粒不可分離，而且重要性超過了泥沙顆粒，這就是極細(xì)的泥沙顆粒的性質(zhì)常因礦物組成和水中電解質(zhì)的改變而有很大不同的緣故。,5,111,3、雙電層中的電位 、熱力學(xué)電位（0電位） 泥沙顆粒表面帶負(fù)電荷后所產(chǎn)生的電位值與擴(kuò)散層外自由電位之差，稱為熱力學(xué)電位（或稱為0電位、表面電位）。 其值大小取決于泥沙顆粒表面的離子總數(shù)，是固體顆粒與自由溶液之間的電位差。,112,、雙電層中的電位 、電動(dòng)電位（電位 ） 在吸附層內(nèi)電位線性降落，所剩余的電位差，即吸附層與擴(kuò)散層交界面的電位與擴(kuò)散層外自由電位之差稱為電動(dòng)電位（電位）。 它表示吸附層表面與自由溶液之間的電位差，也就是粘粒上的負(fù)電荷經(jīng)吸附層中的陽(yáng)離子抵消后，所剩余的電位差。,113,、雙電層中的電位 、電動(dòng)電位（電位 ）與擴(kuò)散層厚度 電位在擴(kuò)散層內(nèi)按指數(shù)規(guī)律衰減，它直接決定了擴(kuò)散層的厚度，因此，擴(kuò)散層的厚度往往用電位來代表。 電位的大小取決于顆粒表面的離子總數(shù)（及泥沙顆粒所帶的負(fù)電荷）與吸附層內(nèi)反離子數(shù)的差值。,114,、電位的大小(雙電層的厚度)與離子的濃度和價(jià)數(shù)的關(guān)系 電位的大小及雙電層的厚度與水中電解質(zhì)離子的濃度和離子的價(jià)數(shù)有關(guān)。,7,115,、電位的大小(雙電層的厚度)與離子的濃度和價(jià)數(shù)的關(guān)系 電解質(zhì)濃度越大或離子價(jià)數(shù)越高，擴(kuò)散層越薄， 電勢(shì)越小，雙電層的厚度越薄。,7,116,、電位的大小(雙電層的厚度)與離子的濃度和價(jià)數(shù)的關(guān)系 電解質(zhì)濃度越小或離子價(jià)數(shù)越低，擴(kuò)散層越厚， 電勢(shì)越大，雙電層的厚度越厚。,7,117,4、絮凝和分散現(xiàn)象 （雙電層及吸附水膜對(duì)細(xì)顆粒泥沙性質(zhì)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響） 泥沙顆粒愈細(xì)，重力對(duì)它的作用就越微弱，而顆粒之間的相互作用則愈來愈重要。 當(dāng)帶有吸附水膜的兩顆泥沙相互靠近時(shí)，會(huì)形成公共的吸附水膜與公共的擴(kuò)散層。 細(xì)顆粒泥沙的公共吸附水膜,8,118,、絮凝和分散現(xiàn)象 1、細(xì)顆粒泥沙間的斥力與引力 相鄰的顆粒表面雖然帶同號(hào)的電荷，應(yīng)該互相排斥，但由于顆粒間的分子引力，即范德華力的作用，相鄰的泥沙顆粒又能互相吸引。 細(xì)顆粒泥沙的公共吸附水膜,8,119,2、雙電層及吸附水