泥沙運動理論第一章.ppt

第一章 泥沙特性,泥沙的幾何特性泥沙顆粒的形狀、大小以及群體泥沙的組合特性。,泥沙的定義：是指在流體中運動或受水流、風力、波浪及重力作用移動后沉積下來的固體顆粒碎屑。,11 泥沙的幾何特性,一、泥沙的粒徑,泥沙的顆粒大小，通常用泥沙的直徑來表示。,等容粒徑：與泥沙顆粒體積相等的球體的直徑。（簡稱為粒徑，常用單位：mm。）,算術平均粒徑：,一、泥沙的粒徑,幾何平均粒徑：,-分級法表示泥沙的粒徑,一、泥沙的粒徑,式中：D為粒徑（）； 為指數(shù)。,值與粒徑D的關系,一、泥沙的粒徑,泥沙顆粒分級標準,一、泥沙的粒徑,二、沙樣組成與粒配曲線,下一頁,返回,上一頁,粒配曲線： 小于粒徑D泥沙重量占總數(shù)的百分比 曲線越平緩粒徑越不均勻 粒徑的大小 中值粒徑D50 平均粒徑Dm，常大于D50 沙樣的均勻程度 分選系數(shù)（非均勻系數(shù)）：S0=(D75/D25)1/2 S0=1 沙樣均勻；越大越不均勻,二、沙樣組成與粒配曲線,從圖中可以反映兩個方面的問題：,二、沙樣組成與粒配曲線,每一組沙樣中的泥沙粒徑大小及其變化范圍。,每一組沙樣組成的均勻程度。,如：顆粒曲線a組成較粗，曲線b組成較細；,曲線d組成較均勻，曲線c組成不均勻。,三、特征粒徑,表示某一沙樣中泥沙粒徑的大小，一般采用兩種表示方法：,中值粒徑d50 ，它表示大于、小于該粒徑的泥沙重量各占整個沙樣的一半，P=50% 。,平均粒徑dm ，它是各檔泥沙粒徑的加權平均值。,三、特征粒徑,公式：,n劃分的組次,Di各組泥沙的平均粒徑，它是將粒配曲線的縱坐標（p）按變化情況分成若干組，在橫坐標（D）上定出各組泥沙粒徑的上、下限粒徑Dmax 和Dmin。 Di= (Dmax +Dmin ),pi各組泥沙在整個沙樣中所占重量的百分比。,非均勻系數(shù),三、特征粒徑,=1，均勻；愈大愈不均勻。,或, 值愈小，組成愈均勻。,泥沙中孔隙的容積占沙樣總?cè)莘e的百分比稱為孔隙率。泥沙孔隙率因沙粒的大小及均勻度、沙粒的形狀、沉積的情況以及沉積后受力大小及歷時長短而有不同。,四、 泥沙的孔隙率,五、細顆粒泥沙的物理化學特性,物理化學作用的強弱與顆粒比表面積的大小有關，所謂比表面積就是顆粒表面積與其體積之比，對于球體其比表面積的表達式為：,這樣D=1m與D=1mm的沙粒相比，前者為后者的一千倍，最主要的是細顆粒泥沙有絮凝現(xiàn)象產(chǎn)生。,泥沙顆粒的重率 泥沙的干容重 泥沙的水下休止角,12 泥沙的重力特性,一、泥沙顆粒的容重,泥沙的容重泥沙顆粒單位體積的重量（無空隙）常用符號s。,工程單位噸力/米3或公斤力/米3（國際單位：牛頓/米3 ）。,根據(jù)資料，天然河流中泥沙容重變化范圍一般均在2.552.75噸力/米3之間，實際工作中常用其平均值s =2.65噸力/米3 。,分析計算中常出現(xiàn),一、泥沙顆粒的容重,a 為無因次數(shù)，有效容重系數(shù)（有效密度系數(shù)），通常取 a=1.65。,二、泥沙的干容重,定義：單位體積的沙樣干燥后泥沙的重量叫“干容重”，用c表示，一般c s 。,獲得干容重的方法：取原狀沙樣量出它的體積（含有孔隙、水、空氣等），然后放進烘箱里烘干，稱出它的重量，求出重量與原狀沙樣體積的比值，這樣得到泥沙的干容重。,工程單位仍是噸力/米3或公斤力/米3 ，所不同是，干容重的變化范圍較大，其數(shù)值在0.31.7噸力/米3之間。,影響的主要因素是：泥沙顆粒的大小、組成的均勻程度、淤積的深度、淤積的歷時等。此外，泥沙的化學成分、淤積環(huán)境、水文條件等。,二、泥沙的干容重,泥沙粒徑較粗的泥沙干容重大，變化 范圍小；反之，粒徑較細的泥沙干容重小，變化范圍大。主要是孔隙率的影響。,二、泥沙的干容重,泥沙淤積深度愈深，其干容重愈大，變 化范圍愈?。环粗?，淤積深度愈淺，其干容重愈小，且變化幅度愈大。主要是受壓影響。,干容重隨淤積歷時的增加而趨向于一個穩(wěn)定值。,三、泥沙的水下休止角,定義：泥沙在水中，由于顆粒之間的阻力作用，在靜止時自成一定的坡面，坡面與水平面所成的角度叫做“水下休止角”。,f0=tg ， f0 稱休止阻力系數(shù)。,f 0對于散顆粒一般隨粒徑的減小而減小，如礫石f0 =0.6；沙f0 =0.5；粉沙f0 =0.3。 空隙率 0.7時，就近于渾水f0 0。,上一頁,基本概念 繞流阻力 沉速公式,13 泥沙的水力特性（泥沙的沉速）,一、基本概念,1.沉降速度基本概念,如果取W泥沙顆粒的有效重量；F泥沙顆粒受到的阻力。,寫成方程：W=F,定義：泥沙單顆粒在靜止的清水中作勻速下沉時的速度，稱為泥沙的沉降速度，簡稱沉速。符號，常用單位cm/s。,一般說來，泥沙的顆粒粗，相應的沉速大，泥沙顆粒細，相應的沉速小，所以可以根據(jù)沉速的大小來反映泥沙顆粒的大小，又稱沉速為水力粗度。,一、基本概念,用電影攝影機拍攝的泥沙下沉的過程以及從理論分析可知，泥沙下沉時，處于加速運動的時間是很短的。一般石英質(zhì)泥沙，重率s =2.65噸力/米3,在D=3時，這個時間常不到1/10秒；在D=1時，不到1/20秒。粒徑越細，加速過程所經(jīng)過的時間越短。,一、基本概念,一、基本概念,1.泥沙沉降的不同形式 沙粒雷諾數(shù) ReD= D/ 判斷三種沉降形式的主要指標 三種沉降形式 層流區(qū)： ReD 1000 過渡區(qū)： ReD 0.51000,上一頁,2.沉速的基本公式,一、基本概念,CD 為阻力系數(shù)，與泥沙形狀、方位、表面粗糙、水流紊動強度、沙粒雷諾數(shù)（ReD=D/）有關。,對于單顆粒球體在無限水體中勻速下沉時，其沉降機理可視為對稱繞流運動，其繞流阻力為：,有效重量（力）,一、基本概念,勻速下沉時，阻力F應與球體在水中受到的有效重力W相等。F=W,一、基本概念,D; /s; 2/s,這樣解出沉速,這是確定沉速的基本公式，這里的難點是CD是一個未知數(shù)，所以關鍵是找出阻力系數(shù)CD的規(guī)律，且CD ReD有關， ReD=D/ 。,二、繞流阻力,由于水流跟泥沙顆粒表面之間產(chǎn)生摩擦，要形成阻力這部分阻力稱為表面阻力，又稱粘滯阻力。,當泥沙顆粒下降時，在尾部會出現(xiàn)一些空隙，由于液體的連續(xù)性，周圍水體將流過來填補，從而形成小的漩渦，引起副壓力，它和泥沙前端的正壓力合并起來形成的阻力，稱為形狀阻力，又稱慣性阻力。,歸納起來，泥沙在水中下沉的時候，由于水流跟泥沙顆粒之間發(fā)生相互作用所產(chǎn)生的阻力，我們統(tǒng)稱為繞流阻力，它由表面阻力和形狀阻力兩部分組成。,二、繞流阻力,CD 與ReD的關系：根據(jù)理論是實驗表明，繞流阻力規(guī)律主要與繞流流態(tài)有關，而流態(tài)與沙粒雷諾數(shù)有關ReD=D/,二、繞流阻力,上一頁,1.當ReD 0.5,二、繞流阻力,泥沙顆粒直線下沉，四周水體緊貼泥沙顆粒，背后不發(fā)生分離現(xiàn)象，繞流呈層流狀態(tài)，此時，繞流阻力主要是表面阻力在1851年G.G.Stokes以粘滯性流體的一般運動方程作基礎，忽略因水質(zhì)點的加速度，從理論上推導出球體在層流區(qū)內(nèi)所受阻力。,F=3D (/m3m2/sm/sm = m/s2),二、繞流阻力,改寫,這樣,Stokes導出了在層流狀態(tài)下的繞流阻力系數(shù)。,當F=W，Stokes導出球體層流區(qū)公式，Stokes公式。,二、繞流阻力,長期以來，有些人認為泥沙形狀不是球體，而是近似于橢球體，所以阻力系數(shù)應大些，建議乘以4/3，這樣就得到,2.當ReD 1000時,二、繞流阻力,泥沙顆粒呈盤旋下沉，周圍水體發(fā)生強烈的擾動，顆粒背后有明顯的分離現(xiàn)象，繞流呈紊流狀態(tài)，此時繞流阻力主要是形狀阻力。根據(jù)實驗，這時的繞流阻力系數(shù)CD接近一個常數(shù)0.45。,在球體情況下，CD 0.45,二、繞流阻力,對于天然泥沙, CD= 1.2 （由于形狀不規(guī)則，阻力系數(shù)大一些）,對于球體,對于泥沙,3.當0.5 ReD 1000,二、繞流阻力,泥沙顆粒呈擺動下沉，這時繞流屬過渡狀態(tài)，其繞流阻力既有表面阻力，又有形狀阻力，關系比較復雜。1910年，奧辛部分地考慮了慣性項（忽略高階無窮?。┣蟪霰容^精確的計算公式,這就是過渡狀態(tài)的繞流阻力系數(shù)，這一結(jié)果與實驗資料不太符合，且隨著雷諾數(shù)增大，偏差也大。,二、繞流阻力,對于層流區(qū)，紊流區(qū)的繞流阻力問題，結(jié)果都比較可靠，基本上得到了滿意的解答，但對于過渡區(qū)的繞流阻力問題，在目前來講仍處于一個不很清楚的問題。因此，在計算沉速時，就不得不借助于實驗來求沉速的公式。先用實驗資料來確定ReD與CD的關系，再計算沉速。,二、繞流阻力,二、繞流阻力,很多方法都是從球體出發(fā)，但天然泥沙并非球體，它在下沉時受到的阻力比球體大，其阻力系數(shù)通常根據(jù)實驗確定，關于泥沙的沉速，中外學者提出不少。 基本原理、基本方法大同小異 所得公式結(jié)構(gòu)相近 過渡區(qū)復雜，各家公式百花齊放,崗恰洛夫公式,三、沉速公式,層流區(qū) ( D 0.15 )：,紊流區(qū) ( D 1.5 )：,三、沉速公式,過渡區(qū) ( 0.15 D 1.5 )：考慮層流區(qū)和紊流區(qū)沉速公式的結(jié)構(gòu)形式，認為在過渡區(qū)來說，幾個主要變量的次方，應該介于層流區(qū)與紊流區(qū)之間?？紤]量綱法則得到過渡區(qū)沉速公式,三、沉速公式,反映粒徑和溫度變化改變粘滯性影響的一個附加因素。,沙玉清公式,三、沉速公式,層流區(qū) ( D 0.1 )：,紊流區(qū) ( D 2 )：,三、沉速公式,過渡區(qū) ( 0.1 D 2 ) ：引進兩個無因次判數(shù)，一個名為沉速判數(shù)Sa，是沙粒雷諾數(shù)D/及阻力系數(shù)CD的函數(shù)。,三、沉速公式,另一個名為粒徑判數(shù)，是沙粒雷諾數(shù)與沉速判數(shù)的函數(shù) 。,三、沉速公式,張瑞瑾公式,三、沉速公式,泥沙下沉時的有效重力,K1為泥沙體積系數(shù),泥沙下沉時顆粒所受阻力,K2和K3都是無因次系數(shù),由W=F 得到,三、沉速公式,并通過大量的泥沙實測資料得出: C1= 13.95 , C2= 1.09,則,三、沉速公式,此公式可滿足層流區(qū)、紊流區(qū)和過渡區(qū)的要求。,層流區(qū),紊流區(qū),竇國仁公式,三、沉速公式,既然在過渡區(qū)，繞流阻力有表面阻力和形狀阻力兩部分組成，所以過渡區(qū)總阻力F總=F表+F形 。,繞流屬層流狀態(tài)時，因為泥沙顆粒背后不發(fā)生分離現(xiàn)象，在泥沙的表面全部處于滯性狀態(tài)，泥沙所受的阻力是F表 。當進入過渡狀態(tài)時，泥沙表面一部分面積仍然受到表面阻力F表，而剩下的那一部分的面積由于水流的分離現(xiàn)象，產(chǎn)生了形狀阻力。根據(jù)實驗觀察，這個分離區(qū)域的大小，可以用分離角來表示。所以F表、F形有關。,三、沉速公式,三 沉速公式,上一頁,雷諾數(shù)ReD 表示慣性力與粘滯阻力的對比關系，而過渡區(qū)繞流阻力的變化過程正是粘滯阻力和慣性阻力的互相消長過程，因此這個分離角應該與雷諾數(shù)有關= f(ReD )。,三、沉速公式, 隨著ReD的增大而增大，但增長率隨ReD的增大而減小。用微分方程表示即,三、沉速公式,（A比例系數(shù)常數(shù)）,積分后,（C積分常數(shù)）,=lg4 ReD,當ReD0.25時，泥沙周圍沒有分離現(xiàn)象，這時=0，繞流呈層流狀態(tài)。,三、沉速公式,當ReD350時，泥沙周圍布滿著渦體， 此時=，繞流呈紊流狀態(tài)。,把這兩個邊界條件代入得到：C=0.25；A=0.434 。,（ 以弧度計）,這就是過渡狀態(tài)分離角隨ReD的變化規(guī)律。,三、沉速公式,適用條件： ReD = 0.25350; =0 。,當T=15，相應泥沙直徑D=0.22.0 。 但規(guī)定ReD 350，取= 。,建立F表、F形之間的關系,三、沉速公式,表面阻力,K顆粒形狀的修正系數(shù)。 球體K=1；泥沙K=4/3 。 關于泥沙表面受粘滯阻力作用的修正系數(shù)，實際上是分離區(qū)外的球冠面積與整個球面積的比值。,（可見當=0，1=1，層流； = ，1=0，紊流）,三、沉速公式,0,形狀阻力,三、沉速公式,完全紊流CD = 1.2,2關于泥沙受形狀阻力作用的修正系數(shù)。,過渡狀態(tài)時，形狀阻力應相應減小，減小后的紊流阻力仍遵循牛頓阻力定律：,（A分離角范圍內(nèi)球冠的水平投影面積）,據(jù)圓,三、沉速公式,修正系數(shù),這樣總阻力：,三、沉速公式,F總=F表+F形,過渡區(qū)阻力系數(shù),三、沉速公式,泥沙在水中的有效重力,令W=F總，解出：,三、沉速公式,資料范圍： ReD =0.25350 , 當T=15時，D=0.22.0 。,如果根據(jù)上述，當ReD 350，取= 。,三、沉速公式,這公式實際上適用整個層流、過渡和紊流三種流態(tài)，是一個帶普遍性的公式。,公式的應用，由于等式右邊分母中ReD含有，所以必須試算。,方法：假定，算ReD和，代入公式中計算，檢驗與假設是否相符，如相符則計算成立，否則重新計算。,邊界條件對沉速的影響 含沙濃度對沉速的影響 動水對沉速的影響 絮凝對沉速的影響,14 影響沉降速度的因素,在沉速公式中，推導時一般都假定水體范圍為無窮大，不考慮邊界條件的影響。這在實際工作中是不可能的，特別是在試驗室研究沉速規(guī)律時，所采用的儀器尺寸都比較小，有必要考慮邊界條件的影響問題，一般有四種。,一、邊界條件對沉速的影響,a) 泥沙顆粒在圓柱形的量筒中下沉,一、邊界條件對沉速的影響,認為在圓柱形邊界的存在將使球體沉速減小。,0標準沉速（無限水體中） 受邊界條件影響下的沉速 D0 量筒直徑,b) 圓球靠近一垂直邊壁下沉 S 至邊壁的距離,一、邊界條件對沉速的影響,c) 圓球在兩個垂直邊壁之間下沉,一、邊界條件對沉速的影響,中央位置下沉,靠近一邊L/4處下沉,d) 圓球下沉時接近水平底面 S 至底邊的距離,一、邊界條件對沉速的影響,四種情況以a) 、b) 、d)三種情況邊界影響為最大，c)種情況邊界影響較小（系數(shù)比較）但總的情況都使沉速減小。,一、邊界條件對沉速的影響,實際工作中，在層流沉降范圍，只要離容器或水體邊壁的距離大于23，就可以不考慮邊壁的影響。,如果水流中同時存在許多的泥沙顆粒，則對于任何一顆泥沙來講，其它的沙粒存在都會對它的沉速產(chǎn)生影響，這主要表現(xiàn)在以下三個方面。,二、含沙濃度對沉速的影響,當單顆粒泥沙在下沉時，必然會引起周圍水體也發(fā)生運動，在同時存在許多顆粒時，由于這些沙粒與液體比較起來是堅實而不易變形的。因此，在它們附近的水流就會受到阻尼而不能自由運動，這樣就等于增加了液體的粘滯性，從而使泥沙的沉速降低。,二、含沙濃度對沉速的影響,泥沙在沉降的過程中同時也帶動了周圍的水體、液體也伴隨著向下運動。如果液體延伸到較遠（不受邊界影響）則任何一顆泥沙都會因其它沙粒的運動而增加下沉速度。另一方面，如液體受到邊界約束，根據(jù)水流的連續(xù)定律，一部分水流的下降必然會同時引起相同體積的水流上升。此時，在沙粒附近的水流運動方向向下，而在遠離沙粒的地方水流運動方向向上。這樣根據(jù)不同泥沙的相對位置，它們的沉降速度就有一部分因此而加快，也有一部分會因此而減慢。,二、含沙濃度對沉速的影響,含沙量的存在將使得渾水的比重較清水的加大，從而使液體中的每一顆泥沙所受到的浮力加大，進而影響到泥沙的沉速。,二、含沙濃度對沉速的影響,由于含沙量影響沉速的問題比較復雜，含沙量的高低對沉速的影響又有所不同。,二、含沙濃度對沉速的影響,(A)低含沙量濃度時對均勻沙沉速的影響 (B)高含沙量濃度時對均勻沙沉速的影響 (C)混合沙的沉降規(guī)律,具體表現(xiàn)為：,三、動水對沉速的影響,由于水流脈動，使作用在沙粒上的外力不能經(jīng)常保持平衡，再加以渦體的旋轉(zhuǎn)作用，顆粒在下沉時不斷打轉(zhuǎn)，不能以最穩(wěn)定的方位下沉，故使泥沙沉速減小。,由于脈動流速的大小和方向都不斷因時、因地而改變，使沙粒在沉降中有時受到加速運動，有時受到減速運動。這時，作用在沙粒上的阻力除了水流的正常阻力以外，還要加上因為加（減）速運動而產(chǎn)生的額外阻力，也使泥沙沉速減小。,三、動水對沉速的影響,水流中存在紊動，將使顆粒頂部的分離點位置以及顆粒表面的壓力分布發(fā)生變化，從而使顆粒所承受的阻力減小或增大。,三、動水對沉速的影響,（一）細顆粒泥沙的絮凝現(xiàn)象,四、絮凝對沉速的影響,泥沙顆粒越細，單位體積的泥沙顆粒所具有的表面面積（比表面積）越大。這時在顆粒表面的物理、化學作用也就越顯著，使得細顆粒之間相互吸引，形成絮團下沉。當泥沙顆粒越細時，它的重力作用就愈越弱，而顆粒之間的相互作用則愈強烈重要。,四、絮凝對沉速的影響,雙電層現(xiàn)象（電解質(zhì)） 水中存在電解質(zhì)泥沙顆粒表面帶負電荷 靜電引力吸附層+擴散層（熱運動擴散） 表面離子層+（吸附層+擴散層）雙電層 雙電層外為中性水,四、絮凝對沉速的影響,束縛水（水分子） 泥沙顆粒表面帶負電荷，泥沙顆粒引力 水分子具有極性氫氧原子分端分布 形成束縛水粘結(jié)水+粘滯水（厚0.1-2m） 粘結(jié)水：引力大（1萬個大氣壓），密度高（1.2-2.4g/），如混凝土，不能傳遞靜水壓力 粘滯水：密度高（1.3-1.7g/），具較大粘滯性和抗剪強度，不能傳遞靜水壓力,四、絮凝對沉速的影響,產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象 泥沙顆粒間分子引力相互吸引 顆粒表面帶同號電荷相互排斥 分散的泥沙顆粒相互吸引，聚合成結(jié)構(gòu)松散的絮團,相鄰顆粒在一定條件下結(jié)合成集合體的現(xiàn)象叫做“絮凝”現(xiàn)象。,四、絮凝對沉速的影響,泥沙顆粒絮凝后，形成較大的團粒（空隙大、水份多），稱為“絮團”。在一般情況下，它會因重力作用而加大沉速，但當含沙量增大到超過某一程度，絮團在整個容器內(nèi)形成聯(lián)結(jié)的蜂窩結(jié)構(gòu)，沉降的趨勢反而受阻礙，使沉速降低。,（二）產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象的泥沙粒徑范圍,四、絮凝對沉速的影響,顆粒越細，絮凝越強 密尼奧根據(jù)長期從事海岸泥沙研究