Ch1 河道水流、泥沙特性2014021

1、 本章內(nèi)容：本章內(nèi)容： 1、天然河道水流特性；、天然河道水流特性； 2、河流泥沙的來源及幾何特性；、河流泥沙的來源及幾何特性； 3、細顆粒泥沙的物理化學特性；、細顆粒泥沙的物理化學特性； 4、泥沙的重力特性；、泥沙的重力特性； 5、泥沙沉速；、泥沙沉速； 6、泥沙分類。、泥沙分類。第一章：河道水流、泥沙基本特性第一章：河道水流、泥沙基本特性 河流是河床和水流兩部分相互作用下的水流泥沙河流是河床和水流兩部分相互作用下的水流泥沙運動。河道由泥土、沙礫、卵石和頑石等組成。運動。河道由泥土、沙礫、卵石和頑石等組成。 1、河道水流的兩相性：水（連續(xù)介質(zhì)）和沙（非連、河道水流的兩相性：水（連續(xù)介質(zhì)）和沙（

2、非連續(xù)介質(zhì)的顆粒群體）。（續(xù)介質(zhì)的顆粒群體）。（two phase flow-兩相流兩相流) （1）重力、（）重力、（2）慣性力、（）慣性力、（3）阻力）阻力 2、河道水流的三維性：河道斷面不規(guī)則，順直段很、河道水流的三維性：河道斷面不規(guī)則，順直段很短，寬深比小，尤其是彎曲河流。短，寬深比小，尤其是彎曲河流。 3、河道水流的非恒定性：來水來沙隨時間變化；河、河道水流的非恒定性：來水來沙隨時間變化；河床處于不斷的變化中。床處于不斷的變化中。 4、河道水流的非均勻性：、河道水流的非均勻性： 5、不平衡輸沙；、不平衡輸沙；1.1 河道水流基本特性河道水流基本特性第一章：河道水流、泥沙基本特性第一章：

3、河道水流、泥沙基本特性 河道水流的流型河道水流的流型：河道水流的雷諾數(shù)一般都比較大，：河道水流的雷諾數(shù)一般都比較大，其流型一般居于阻力平方區(qū)。其流型一般居于阻力平方區(qū)。 河道水流的主流與副流：河道水流的主流與副流：主流（又稱正流、元生流）主流（又稱正流、元生流）是水流沿著河槽總方向的流動是水流沿著河槽總方向的流動 。 與主流相對應(yīng)的有副流（又稱次生流）。與主流相對應(yīng)的有副流（又稱次生流）。 如如環(huán)流次生流環(huán)流次生流：在比較順直在比較順直 的河段中，當流量隨時間變的河段中，當流量隨時間變 化劇烈時，常常產(chǎn)生微弱的化劇烈時，常常產(chǎn)生微弱的 環(huán)流。環(huán)流。 河灣水流河灣水流：是河道中常見的是河道中常見

4、的 水流現(xiàn)象，一種三元流動。水流現(xiàn)象，一種三元流動。 實際是橫向運動與縱向運動實際是橫向運動與縱向運動 結(jié)合的螺旋流。結(jié)合的螺旋流。 不同情況下的環(huán)流結(jié)果不同情況下的環(huán)流結(jié)果河道水流的垂線流速分布河道水流的垂線流速分布卡曼卡曼-普蘭特爾（普蘭特爾（Th.von.Darman-L.Prandtl）對數(shù)流速分布公式）對數(shù)流速分布公式 對數(shù)及反三角函數(shù)流速分布對數(shù)及反三角函數(shù)流速分布 指數(shù)公式指數(shù)公式 max11uuhnuky max12211212arctan1122aaaUunnarctanukaaaaa1muymUh1.2 泥沙特性泥沙特性 泥沙概念泥沙概念泥沙泥沙：指所有在流體中運動或受水流

5、、風力、波浪、：指所有在流體中運動或受水流、風力、波浪、冰川及重力作用移動后沉積下來的固體顆粒碎屑冰川及重力作用移動后沉積下來的固體顆粒碎屑（錢寧、（錢寧、1983）。粒徑大小可差數(shù)十）。粒徑大小可差數(shù)十數(shù)萬倍。粒徑數(shù)萬倍。粒徑大小一般變化在大小一般變化在0.001100.0mm 。 泥沙來源泥沙來源：主要：主要來自巖石的風化，來自巖石的風化，土壤侵蝕，火山土壤侵蝕，火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰、生物骨骼、貝殼分解及人類各噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰、生物骨骼、貝殼分解及人類各種生產(chǎn)活動的廢棄物。種生產(chǎn)活動的廢棄物。 河流泥沙的來源河流泥沙的來源可以分為兩類：一類是來自流域降可以分為兩類：一類是來自流域降雨形成的

6、地面徑流對地表的沖蝕，通常稱為雨形成的地面徑流對地表的沖蝕，通常稱為水土流水土流失失；另一類是從原河床沉積層；另一類是從原河床沉積層沖刷沖刷起來的。河流泥起來的。河流泥沙在運動過程中與床沙相互交換，塑造了不斷變化沙在運動過程中與床沙相互交換，塑造了不斷變化的河床形態(tài)。的河床形態(tài)。 要研究泥沙運動規(guī)律，首先應(yīng)了解泥沙的要研究泥沙運動規(guī)律，首先應(yīng)了解泥沙的基本特性，它包括：基本特性，它包括： 1）幾何特性：泥沙顆粒的形狀、大小及群）幾何特性：泥沙顆粒的形狀、大小及群體泥沙的組合特性體泥沙的組合特性 2）重力特性：泥沙顆粒的容重與淤積泥沙）重力特性：泥沙顆粒的容重與淤積泥沙的干容重的干容重 3）水力

7、特性：泥沙顆粒的沉降速度）水力特性：泥沙顆粒的沉降速度本節(jié)介紹泥沙的主要特性及其計算方法。 一、單個泥沙顆粒的大小一、單個泥沙顆粒的大小粒徑粒徑 1 1、等容粒徑、等容粒徑（nominal diameter) ：體積相當：體積相當?shù)那蝮w直徑；粗顆粒的球體直徑；粗顆粒 2 2、平均粒徑：算術(shù)平均和幾何平均；粗顆、平均粒徑：算術(shù)平均和幾何平均；粗顆粒粒 2 2、篩分粒徑、篩分粒徑(seive diameter)(seive diameter) ：剛好能通過：剛好能通過篩孔的粒徑；停留在篩孔的粒徑；停留在D1D1，通過，通過D2D2的平均粒徑；的平均粒徑；細顆粒細顆粒 3 3、沉降粒徑（、沉降粒徑（

8、fall diameter)fall diameter)：粒徑小于：粒徑小于0.1mm0.1mm。0.1mm0.1mm的細沙的細沙 克倫賓提出的克倫賓提出的分級表示泥沙的粒徑。分級表示泥沙的粒徑。u泥沙分類泥沙分類分類方式：依據(jù)顆粒大小分類方式：依據(jù)顆粒大小我國水利工程界分類：我國水利工程界分類：泥沙顆粒分類標準泥沙顆粒分類標準(我國水利工程界我國水利工程界) (5級級6類類)粘粒粉沙沙粒礫石卵石漂石粒經(jīng)(mm) 0.005 0.05 2 20 200 | | | | | 1/200 1/20 2 20 200 泥泥 沙沙 石石二、沙樣組成與粒配曲線二、沙樣組成與粒配曲線(群體性群體性)1、粒

9、配曲線：表示天然沙組成特性的、粒配曲線：表示天然沙組成特性的曲線曲線.繪制過程：取樣繪制過程：取樣烘干烘干篩分篩分稱稱重重點線點線求各種特征值求各種特征值.曲線坐標：半對數(shù)坐標曲線坐標：半對數(shù)坐標1.1.2u粒配曲線的繪制方法和過程粒配曲線的繪制方法和過程取樣篩分，獲取各粒經(jīng)組取樣篩分，獲取各粒經(jīng)組 Di 泥沙的重量；泥沙的重量；統(tǒng)計出小于和等于各粒經(jīng)統(tǒng)計出小于和等于各粒經(jīng)Di 的沙重，并算的沙重，并算出其占總重的百分比出其占總重的百分比pi；準備半對數(shù)坐標紙準備半對數(shù)坐標紙(橫坐標為對數(shù)分格，橫坐標為對數(shù)分格，縱坐標是普通分格縱坐標是普通分格)；以粒經(jīng)以粒經(jīng)Di 為橫坐標為橫坐標(對數(shù)坐標，

10、對數(shù)坐標，從大到小從大到小)，小于和等于粒經(jīng)小于和等于粒經(jīng)Di 的沙重百分比的沙重百分比pi 為縱坐標為縱坐標(普普通坐標通坐標)繪制繪制Dp粒配曲線。粒配曲線。 （2）泥沙顆粒的粒徑分布：粒徑頻率直）泥沙顆粒的粒徑分布：粒徑頻率直方圖和粒徑頻率累積曲線。方圖和粒徑頻率累積曲線。三、泥沙的群體特性三、泥沙的群體特性u粒配曲線反映的特性粒配曲線反映的特性可反映沙樣可反映沙樣 顆粒的大小顆粒的大小 和范圍；和范圍；可反映沙樣可反映沙樣組成的均勻程度。組成的均勻程度。a、b組成較均勻，變化范組成較均勻，變化范圍窄，但圍窄，但a 較粗，較粗，b較細。較細。c組成不均勻，變化范組成不均勻，變化范圍大，各

11、組粒經(jīng)含量圍大，各組粒經(jīng)含量接近。接近。d組成很均勻，變化組成很均勻，變化范圍小。范圍小。三、沙樣組成三、沙樣組成(群體性群體性) （3）泥沙顆粒形狀）泥沙顆粒形狀SF:(1)代表粒徑：代表粒徑：中值粒徑中值粒徑:d50(median size)：級配曲線中：級配曲線中p=50%對應(yīng)對應(yīng)的粒徑。的粒徑。算術(shù)平均粒徑（算術(shù)平均粒徑（mean diamnter): Dm，幾何平均粒徑，幾何平均粒徑dmg（2）非均勻特性：揀選系數(shù)）非均勻特性：揀選系數(shù)和均方差和均方差（幾何標準（幾何標準偏差）偏差）1001niiimmPDD2575DD1650508421DDDD一、電化學性質(zhì)一、電化學性質(zhì)第三節(jié)細

12、顆粒泥沙的物理化學特性第三節(jié)細顆粒泥沙的物理化學特性1、比表面積、比表面積：泥沙顆粒表面積與其體積之比泥沙顆粒表面積與其體積之比.DDD66/4/432比表面積的意義：反映泥沙顆粒的物化作用與重比表面積的意義：反映泥沙顆粒的物化作用與重力作用的相對大小。力作用的相對大小。越大，物化作用就越大。越大，物化作用就越大。（顆粒越細，該值越大）（顆粒越細，該值越大）一、電化學性質(zhì)一、電化學性質(zhì)2、雙電層及吸附水膜雙電層及吸附水膜的特性的特性 （1）細泥沙顆粒在含有電解質(zhì)的）細泥沙顆粒在含有電解質(zhì)的水中，顆粒周圍會形成雙電層、水中，顆粒周圍會形成雙電層、吸附水膜吸附水膜。 細泥沙細泥沙顆粒表面帶有負電荷

13、顆粒表面帶有負電荷，吸引，吸引反離子，形成反離子，形成吸附層（固定層）吸附層（固定層）擴散層擴散層 細泥沙顆粒表面帶有負電荷，同細泥沙顆粒表面帶有負電荷，同時也吸引水分子，形成時也吸引水分子，形成粘結(jié)水粘結(jié)水粘滯水束縛水粘滯水束縛水 +-+粘 滯 水擴 散 層吸附層水結(jié)粘雙 電 層束 縛 水吸 附 水 膜自 由 水泥 沙 顆 粒中 性 水層內(nèi)外 層水合結(jié)（）192 2、泥沙顆粒周圍的吸附水、泥沙顆粒周圍的吸附水膜膜、粘結(jié)水的特征、粘結(jié)水的特征 顆粒表面的負電荷對吸附顆粒表面的負電荷對吸附層范圍內(nèi)的粘結(jié)水的吸引層范圍內(nèi)的粘結(jié)水的吸引力約一萬個大氣壓。在這力約一萬個大氣壓。在這樣大的壓力下，粘結(jié)水

14、的樣大的壓力下，粘結(jié)水的密度達到密度達到1.2-2.4g/cm1.2-2.4g/cm3 3，平均為平均為2.0g/cm2.0g/cm3 3。粘結(jié)水。粘結(jié)水在力學性質(zhì)上與固體物質(zhì)在力學性質(zhì)上與固體物質(zhì)完全相同，具有極大的粘完全相同，具有極大的粘滯性、彈性和抗剪強度。滯性、彈性和抗剪強度。它沒有傳遞靜水壓力的能它沒有傳遞靜水壓力的能力。力。+- - -+ + +粘滯水水結(jié)粘束縛水吸附水膜自由水水合結(jié)（）擴散層吸附層雙電層泥沙顆粒中性水層內(nèi)外層3 320（2 2）粘滯水）粘滯水、粘滯水的含義、粘滯水的含義 ： 圍繞在粘結(jié)水外面的水圍繞在粘結(jié)水外面的水分子雖然也受到靜電引分子雖然也受到靜電引力場的作用

15、，但距顆粒力場的作用，但距顆粒表面距離愈遠，受到的表面距離愈遠，受到的靜電引力場的強度愈小靜電引力場的強度愈小，水分子所失去的自由，水分子所失去的自由活動的能力也愈少，而活動的能力也愈少，而且排列得比較疏松，不且排列得比較疏松，不整齊，僅有輕微的定向整齊，僅有輕微的定向。這部分水被稱為粘滯。這部分水被稱為粘滯水。水。+- - -+ + +粘滯水擴散層吸附層水結(jié)粘雙電層束縛水吸附水膜自由水泥沙顆粒中性水層內(nèi)外層水合結(jié)（）4 421（2 2）粘滯水）粘滯水、粘滯水的特征、粘滯水的特征 粘滯水的密度雖沒有粘粘滯水的密度雖沒有粘結(jié)水那么大，但仍比普結(jié)水那么大，但仍比普通液態(tài)水的要大，為通液態(tài)水的要大，

16、為1.3-1.74g/cm1.3-1.74g/cm3 3，也具，也具有較高的粘滯性和抗剪有較高的粘滯性和抗剪強度，不能傳遞靜水壓強度，不能傳遞靜水壓力。力。+- - -+ + +粘滯水擴散層吸附層水結(jié)粘雙電層束縛水吸附水膜自由水泥沙顆粒中性水層內(nèi)外層水合結(jié)（）4 422（3 3）束縛水與自由水）束縛水與自由水 粘結(jié)水和粘滯水統(tǒng)稱粘結(jié)水和粘滯水統(tǒng)稱束縛水。束縛水。 束縛水外面的水分子束縛水外面的水分子幾乎不再受靜電引力幾乎不再受靜電引力的作用，保持著原有的作用，保持著原有自由活動的能力，稱自由活動的能力，稱為自由水。為自由水。+- - -+ + +粘滯水擴散層吸附層水結(jié)粘雙電層束縛水吸附水膜自由

17、水泥沙顆粒中性水層內(nèi)外層水合結(jié)（）4 423 （4 4）吸附水膜）吸附水膜 對于粘結(jié)水和粘滯水（束對于粘結(jié)水和粘滯水（束縛水），其水分子部分地或縛水），其水分子部分地或完全地失去自由活動能力，完全地失去自由活動能力，在顆粒周圍形成了一個水膜在顆粒周圍形成了一個水膜，此膜稱為吸附水膜。，此膜稱為吸附水膜。 吸附水膜是泥沙顆粒與水吸附水膜是泥沙顆粒與水相互作用的產(chǎn)物，從力學角相互作用的產(chǎn)物，從力學角度上看，是固態(tài)相與液態(tài)相度上看，是固態(tài)相與液態(tài)相的過渡類型。的過渡類型。 束縛水束縛水 吸附水膜吸附水膜5 5+- - -+ + +粘滯水擴散層吸附層水結(jié)粘雙電層束縛水吸附水膜自由水泥沙顆粒中性水層內(nèi)外

18、層水合結(jié)（）24（4 4）吸附水膜）吸附水膜 吸附水膜的厚度吸附水膜的厚度 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附水膜的厚度。吸附水膜與反離子層大體上是一致的東西。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吸附水膜的厚度主要取決于顆粒的礦物成分和水的化學成分（水的和水的化學成分（水的pHpH值，離子的種類和值，離子的種類和濃度），其厚度一般為濃度），其厚度一般為0.1m0.1m數(shù)量級。數(shù)量級。5 525（4 4）吸附水膜）吸附水膜 吸附水膜的厚度吸附水膜的厚度 粗顆粒泥沙，水膜所占容積遠較泥沙的體積為小粗

19、顆粒泥沙，水膜所占容積遠較泥沙的體積為小，作用不大；因此粗顆粒泥沙的性質(zhì)完全取決于泥，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)。沙本身的性質(zhì)。 細顆粒泥沙，水膜不但和泥沙顆粒不可分離，而細顆粒泥沙，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，這就是極細的泥沙顆粒且重要性超過了泥沙顆粒，這就是極細的泥沙顆粒的性質(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。不同的緣故。5 5 泥沙顆粒表面帶負電荷后，就有一定的電位值，泥沙顆粒表面帶負電荷后，就有一定的電位值，此電位值與擴散層外的自由電位之差稱為此電位值與擴散層外的自由電位之

20、差稱為熱力熱力學電位，或?qū)W電位，或0電位電位。 在吸附層內(nèi)，電位線性降落，所剩余的電位差在吸附層內(nèi)，電位線性降落，所剩余的電位差，即吸附層與擴散層交界面的電位與擴散層外，即吸附層與擴散層交界面的電位與擴散層外自由電位之差稱為自由電位之差稱為電動電位，或電動電位，或電位電位。 電位的數(shù)值電位的數(shù)值及及雙電層的厚度雙電層的厚度與水中電解質(zhì)的與水中電解質(zhì)的離離子濃度子濃度及及價數(shù)價數(shù)有關(guān)。有關(guān)。 （2）雙電層的電位變化）雙電層的電位變化 274 4、絮凝和分散現(xiàn)象、絮凝和分散現(xiàn)象（雙電層及吸附水膜對細顆粒泥沙性質(zhì)及運動規(guī)律的（雙電層及吸附水膜對細顆粒泥沙性質(zhì)及運動規(guī)律的影響）影響） 泥沙顆粒愈細，重

21、力對它的作用就越微弱，而顆粒之間的相泥沙顆粒愈細，重力對它的作用就越微弱，而顆粒之間的相互作用則愈來愈重要?；プ饔脛t愈來愈重要。 當帶有吸附水膜的兩顆泥沙相互靠近時，會形成公共的吸附當帶有吸附水膜的兩顆泥沙相互靠近時，會形成公共的吸附水膜與公共的擴散層。水膜與公共的擴散層。 細顆粒泥沙的公共吸附水膜細顆粒泥沙的公共吸附水膜+-+- - -+ + +8 828、絮凝和分散現(xiàn)象、絮凝和分散現(xiàn)象1 1、細顆粒泥沙間的斥力與引力、細顆粒泥沙間的斥力與引力 相相鄰的顆粒表面雖然帶同號的電荷，應(yīng)該互相排斥鄰的顆粒表面雖然帶同號的電荷，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，但由于顆粒間的分

22、子引力，即范德華力的作用，相鄰的泥沙顆粒又能互相吸引。相鄰的泥沙顆粒又能互相吸引。細顆粒泥沙的公共吸附水膜細顆粒泥沙的公共吸附水膜+-+- - -+ + +8 8292 2、雙電層及吸附水膜對細顆粒泥沙的運動狀態(tài)的影響、雙電層及吸附水膜對細顆粒泥沙的運動狀態(tài)的影響 研究表明當擴散層薄，顆粒間距較小時，細顆粒間的電研究表明當擴散層薄，顆粒間距較小時，細顆粒間的電化學作用表現(xiàn)為凈引力，相鄰的細顆粒泥沙能夠彼此吸化學作用表現(xiàn)為凈引力，相鄰的細顆粒泥沙能夠彼此吸引而聚集在一起；當擴散層厚，顆粒間距較大時，細顆引而聚集在一起；當擴散層厚，顆粒間距較大時，細顆粒間的電化學作用表現(xiàn)為凈斥力，相鄰的細顆粒泥沙

23、保粒間的電化學作用表現(xiàn)為凈斥力，相鄰的細顆粒泥沙保持分散狀態(tài)。持分散狀態(tài)。細顆粒泥沙的公共吸附水膜細顆粒泥沙的公共吸附水膜9 9+-+- - -+ + +303 3、絮團與絮凝（絮凝作用）、絮團與絮凝（絮凝作用） 分散的細顆粒泥沙互相吸引，聚合成結(jié)構(gòu)疏松、分散的細顆粒泥沙互相吸引，聚合成結(jié)構(gòu)疏松、類似棉花團的較大團?；驁F塊（中間有很大的空類似棉花團的較大團?；驁F塊（中間有很大的空隙，包圍密封了大量水分），稱為絮團。隙，包圍密封了大量水分），稱為絮團。 細顆粒泥沙在一定條件（水質(zhì)中含有較多的細細顆粒泥沙在一定條件（水質(zhì)中含有較多的細顆粒泥沙，特別是再含有復(fù)雜的化學成分時）下顆粒泥沙，特別是再含有

24、復(fù)雜的化學成分時）下彼此聚合的過程稱為絮凝或絮凝作用。彼此聚合的過程稱為絮凝或絮凝作用。4 4、分散作用、分散作用 如果擴散層厚，那么擴散層中的離子非但沒有如果擴散層厚，那么擴散層中的離子非但沒有受到較大的吸引力，反而由于這種離子具有較大受到較大的吸引力，反而由于這種離子具有較大的活動性，使土?；ハ喾蛛x。的活動性，使土?；ハ喾蛛x。9 9315 5、絮凝作用與分散作用在實際中的運用、絮凝作用與分散作用在實際中的運用 如要加速泥沙顆粒的沉淀，如要加速泥沙顆粒的沉淀，就應(yīng)減小顆粒表面的就應(yīng)減小顆粒表面的電位，使擴散層變薄，促使顆粒聚凝，這時可以電位，使擴散層變薄，促使顆粒聚凝，這時可以加入一些含有高

25、價離子的絮凝劑，如明礬、綠礬、加入一些含有高價離子的絮凝劑，如明礬、綠礬、氯化鈣等。氯化鈣等。 增加高價離子的效果與增加電解質(zhì)濃度所產(chǎn)生的增加高價離子的效果與增加電解質(zhì)濃度所產(chǎn)生的效果是相同的。效果是相同的。 另一方面，如要破壞泥沙的絮凝作用，阻撓泥沙另一方面，如要破壞泥沙的絮凝作用，阻撓泥沙的沉淀，的沉淀，就應(yīng)加入含有低價離子離子的反凝劑，如就應(yīng)加入含有低價離子離子的反凝劑，如碳酸鈉，氫氧化銨等。碳酸鈉，氫氧化銨等。1010 3、絮凝與分散、絮凝與分散(DLVO理論）理論） 泥沙顆粒越細，重力作用越弱，顆粒之間的泥沙顆粒越細，重力作用越弱，顆粒之間的相互作用則俞來俞重要，存在于顆粒之間的相互

26、作用則俞來俞重要，存在于顆粒之間的吸附水膜促使它們連接起來，同時也有排斥吸附水膜促使它們連接起來，同時也有排斥作用。相鄰顆粒在一定條件下結(jié)合成集合體作用。相鄰顆粒在一定條件下結(jié)合成集合體的作用為的作用為“凝聚作用凝聚作用”， 擴散層很薄，凝聚擴散層很薄，凝聚 作用強，反之如果作用強，反之如果 擴散層很厚，排斥擴散層很厚，排斥 力大于吸附力，顆粒力大于吸附力，顆粒 重新分離為重新分離為“分散作用分散作用”。一、泥沙的容重與密度一、泥沙的容重與密度第四節(jié)泥沙的重力特性第四節(jié)泥沙的重力特性一、泥沙的容重一、泥沙的容重 泥沙礦物成分泥沙礦物成分:主要是石英和長石，影響泥沙容重。主要是石英和長石，影響泥

27、沙容重。ss二、泥沙淤積物干容重二、泥沙淤積物干容重 （1）泥沙淤積物干容重）泥沙淤積物干容重 （specific weight) 沙樣烘干后（沙樣烘干后（100-105的重量與原狀沙樣體的重量與原狀沙樣體積的比值。也稱干密度積的比值。也稱干密度 。由于泥沙顆粒存在。由于泥沙顆粒存在孔隙，干容重一般小于個體顆粒的容重。在分孔隙，干容重一般小于個體顆粒的容重。在分析河床沖淤變化時，泥沙沖淤的重量必須通過析河床沖淤變化時，泥沙沖淤的重量必須通過泥沙的干容重換算為泥沙沖淤體積。泥沙的干容重換算為泥沙沖淤體積。 干容重變化為干容重變化為3001700kg/ m3，變化范圍較，變化范圍較大。大。 影響干

28、容重的主要因素有：粒徑，淤積歷時，影響干容重的主要因素有：粒徑，淤積歷時，埋藏的深度和環(huán)境等。埋藏的深度和環(huán)境等。s四、泥沙的孔隙率四、泥沙的孔隙率孔隙率：泥沙中孔隙的容積占沙樣總?cè)莘e的百分比稱為孔隙率：泥沙中孔隙的容積占沙樣總?cè)莘e的百分比稱為孔隙率孔隙率 。 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。的情況以及沉積后受力大小及歷時長短而有不同。 對各類泥沙孔隙率：對各類泥沙孔隙率：粗沙：粗沙：3940，中沙：中沙：41 48，細沙：細沙：44 49。影響孔隙率的因素：影響孔隙率的因素：1）顆粒大

29、??；）顆粒大??；2）顆）顆粒組成；粒組成；3）顆粒形；）顆粒形；4）泥沙沉積方式。泥沙沉積方式。 u（1 1）泥沙粒徑對干容重的影響；）泥沙粒徑對干容重的影響；u（2 2）干容重與淤積深度和淤積歷時關(guān)系；）干容重與淤積深度和淤積歷時關(guān)系；u（3 3）泥沙的水下休止角：靜水中的泥沙由于摩擦力泥沙的水下休止角：靜水中的泥沙由于摩擦力作用，堆積成一定角度的穩(wěn)定傾斜面。作用，堆積成一定角度的穩(wěn)定傾斜面。u（4 4）干容重與淤積深度和淤積歷時關(guān)系；）干容重與淤積深度和淤積歷時關(guān)系；例題 某河段長某河段長10km，平均河寬，平均河寬800m，一次高，一次高含沙洪水過后的淤積物總重量為含沙洪水過后的淤積物總

30、重量為1000萬萬t，若淤積泥沙的平均粒徑為若淤積泥沙的平均粒徑為0.1mm，求該河，求該河段平均淤積厚度。段平均淤積厚度。 =1200kg/m31)、沉速概念：、沉速概念： 單顆粒單顆粒泥沙在泥沙在無邊界影響無邊界影響的的靜止靜止的的清水清水中勻速中勻速下沉的速度。符號：下沉的速度。符號：，又稱為又稱為 水力粗度水力粗度。2)、沙粒雷諾數(shù)概念、沙粒雷諾數(shù)概念 Red= (沙粒慣性力與水流粘滯力的對比沙粒慣性力與水流粘滯力的對比) d一、泥沙沉降的不同形式一、泥沙沉降的不同形式第五節(jié)泥沙的沉速（水力粗度）第五節(jié)泥沙的沉速（水力粗度）(settling velocity)實測資料表明，泥沙實測資

31、料表明，泥沙沉降的運動狀態(tài)沉降的運動狀態(tài)與顆粒雷諾與顆粒雷諾數(shù)有關(guān)。數(shù)有關(guān)。層流（滯性）狀態(tài)下降層流（滯性）狀態(tài)下降Red1000, 左搖右擺下沉，顆左搖右擺下沉，顆粒本身也轉(zhuǎn)動，周圍水體也紊動。粒本身也轉(zhuǎn)動，周圍水體也紊動。泥沙沉降的力學分析泥沙沉降的力學分析泥沙沉降狀態(tài)主要泥沙沉降狀態(tài)主要與什么參數(shù)有關(guān)？與什么參數(shù)有關(guān)？有效重力是重力與浮力的差有效重力是重力與浮力的差1、繞流阻力計算、繞流阻力計算gDCFD2422)(edDRfC度、水流紊動強度、形狀、方位、表面粗糙繞流阻力系數(shù)繞流阻力系數(shù) 采用對稱繞流阻力公式：采用對稱繞流阻力公式：球體沉降為對稱繞流，球體沉降為對稱繞流，其阻力其阻力F

32、 F與與 2 2成正比：成正比：二、球體的沉速二、球體的沉速二、球體的沉速二、球體的沉速CD與Red關(guān)系 曲線 層流時：層流時：CD與與Red為直線關(guān)系，斯托克斯為直線關(guān)系，斯托克斯(stokes)導出：導出： 紊流時：紊流時：CD與與Red為無關(guān)，基本為一常數(shù)，為無關(guān)，基本為一常數(shù)，CDconst.。過渡狀態(tài)時：過渡狀態(tài)時：CD與與Red成曲線關(guān)系，數(shù)學上難以描述。成曲線關(guān)系，數(shù)學上難以描述。edDRCDF/243，其中eDeDDRRC163124eDDRC24CD與與Red的關(guān)系的關(guān)系2、水下重力計算水下重力計算36DWsgDCDgDCWFsDsD34624322沉速的計算演變?yōu)槌了俚挠嬎?/p>

33、演變?yōu)镃D的計算！的計算！3、沉速計算、沉速計算二、球體的沉速二、球體的沉速4、CD和不同形式的沉速計算和不同形式的沉速計算已有的研究成果已有的研究成果(圖圖2-2)：二、球體的沉速二、球體的沉速二、球體的沉速二、球體的沉速計算實例計算實例2：三、泥沙的沉速三、泥沙的沉速 天然泥沙為非球體，下沉阻力對于球體，阻力系數(shù)多通過試驗天然泥沙為非球體，下沉阻力對于球體，阻力系數(shù)多通過試驗確定。確定。 相同體積，泥沙阻力相同體積，泥沙阻力球體阻力，泥沙沉速球體阻力，泥沙沉速球體沉速球體沉速三、泥沙的沉速三、泥沙的沉速阻力疊加原理要掌握！三、泥沙的沉速三、泥沙的沉速(1.31)(1.30)(1.32)二、

34、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度層流區(qū)，采用岡恰洛夫?qū)恿鞴?；層流區(qū)，采用岡恰洛夫?qū)恿鞴?；過渡區(qū)，采用沙玉清的過渡區(qū)公式；過渡區(qū)，采用沙玉清的過渡區(qū)公式；紊流區(qū)，采用沙玉清紊流區(qū)公式；紊流區(qū)，采用沙玉清紊流區(qū)公式；在實際工作中，常采用張瑞瑾各區(qū)統(tǒng)一公式計算沉速。在實際工作中，常采用張瑞瑾各區(qū)統(tǒng)一公式計算沉速。 規(guī)范推薦公式規(guī)范推薦公式1.4.4前述理想沉速：前述理想沉速：單顆粒、靜水、均勻、無限體、清水等，自然界不存在。實際河流情況：實際河流情況：群體、動水、非勻速、有界、渾水、含雜質(zhì)、紊動等。因此需要一定修正。因此需要一定修正。目前有一定研究成果，主要研究目前有一定研究成果，主要研究形狀形狀、水質(zhì)水質(zhì)、含水量含水量對對沉速的影響，但不很成熟。沉速的影響，但不很成熟。 2-4 泥沙的重力特性泥沙的重力特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度二、含沙濃度對二、含沙濃度對沉降速度沉降速度影響影響（6）（天然沙）群體沉速）（天然沙）群體沉速對渾水來說，對其中任一顆泥沙來說，其他顆