河流动力学第二章

河流动力学概论第二章泥沙颗粒的基本特性2.1 风化过程风化、土壤2.2 单个颗粒的特性泥沙颗粒的粒径、形状、密度、容重和比重2.3 颗粒的群体特性粒径分布和级配曲线、粒径分布的特征值、颗粒的空间排列与干容重、泥沙的水下休止角、细颗粒泥沙的物理化学性质2.4 泥沙颗粒的沉速圆球在静止流体中的重力沉降、天然沙的沉速公式、群体沉速2.5 含沙水体（浑水）的性质浑水的容重及含沙量、含沙水体(悬液浑水)的流型、泥沙运动形式的分类§2.1 风化过程泥沙——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，1983)。

泥沙颗粒的来源粗颗粒泥沙：岩石和矿物风化而成的碎屑细颗粒泥沙：地表土的流失泥沙颗粒的根本来源岩石的风化破碎, 是岩石圈演变的一个链节。

大理石喀斯特地貌（玄武岩）花岗岩（石灰岩）风化作用：指岩石和矿物在地表（或接近地表）环境中，受物理、化学和生物作用，发生体积破坏和化学成分变化的过程。

影响因素：气候、岩石成分、结构构造、植被、地形和时间物理风化作用：地表岩石发生机械破碎而不改变其化学作用，也不形成新矿物的作用。

在风化作用的初期，以物理风化作用为主。

化学风化作用：岩石发生化学成分改变和分解的作用。

是在物理风化作用的基础上进一步发生的,包括溶解、水解、碳酸盐化等。

物理风化作用：冰劈开裂后的岩块进一步风化形成圆石坚硬的岩石经长期风化, 变成浑圆的形状化学风化作用：溶解岩石从缝隙部分开始溶解，易溶部分很快消失巴黎圣母院的石制滴水逐渐溶解风化风化深度与降雨和气温的关系降雨多植被密气温高新疆吐鲁番火焰山风化深度大风化深度小几种不同的风化阶段碎屑残积阶段:物理风化为主，使岩石在当地发生崩解，形成残留于原地的岩石碎屑(>0.02mm)，岩石化学成分基本不变。

钙质残积阶段:化学风化的早期阶段，卤族元素(I 、F、Cl、Br)和氯化物(KCl、NaCl)容易随水流失而碳酸盐和硫酸盐难于溶解，Ca 相对富集(极化水分子溶液)。

硅铝残积阶段:化学风化深入进行，使硅酸盐矿物晶体破坏，铝硅酸盐分解形成各种粘土矿物。

铁铝残积阶段:化学风化作用的最后阶段，硅酸盐全部分解，风化产物中铁铝相对富集，形成富含高价铁的粘土即红土(红土形成阶段)。

土壤土壤——是以各种风化产物或松散堆积物为母质层，经过生物化学作用为主的成土作用改造而成的。

土壤具有植物生长所需有机质组分(腐殖质)和无机组分(N、P、K的化合物)、微量元素和水分与孔隙。

这是土壤与风化残积物、松散堆积物的主要区别。

土壤位于残积物顶部，呈灰色－灰黑色，一般厚度0.5~2.5m。

土壤形成时间大约只需200~500年。

土壤类型◆土壤类型主要取决于气候(决定水热条件)和植被(有机质来源)。

而植被的发育程度又受气候控制，因此当气候条件发生变化时，土壤也会为适应新的气候条件而改变土壤类型。

故土壤呈现可逆性变化，这是它与风化壳的重要区别。

◆气候分布具有地带性，所以土壤的类型也呈地带性分布。

我国热带和亚热带地区分布的土壤大多可归为红壤系列或富铝化土壤，而黄土地区黄土性土壤的主要类型为黑垆土、褐土、黄绵土、黑壮土、栗钙土和黑钙土等。

不同湿热条件下化学风化形成不同土壤类型气候类型与土壤类型及中国的土壤分布表自然带气候类型土壤类型中国分布特征热带热带雨林气候砖红壤华南南部和南海诸岛热带季风气候砖红壤型红壤热带草原气候燥红壤（热带草原土）热带沙漠气候荒漠土内蒙古和西北内陆区亚热带地中海式气候褐土长江以北各省丘陵山地亚热带季风性湿润气候红壤、黄壤长江以南各省区温带温带季风气候棕壤、褐土华东东部、华北区、江淮地区、秦岭山地温带海洋气候温带大陆性气候黑钙土、黑土东北区北部温带大陆性气候荒漠土、盐碱土西北区寒带亚寒带气候灰化土大兴安岭以北寒带苔原气候冰沿土寒带冰原气候未发育土壤全球土壤类型分布图土壤结构土壤剖面呈现成层结构，自上而下分别为： A 层(腐殖层) 位于土壤顶部，颜色较深。

植物分解产生大量腐殖质，在有机酸作用下矿物被分解，以富含有机质(含量为6~12% ，最表层可达25%)为本层特征。

具有团粒孔隙和细小裂隙等土壤结构。

B 层(淋溶层) 位于A 层之下，颜色较浅。

被分解物、微粒矿物和有机质在淋滤和淋溶作用(细小颗粒被下渗水流悬移过程)下，从本层往下移动，故本层几乎没有腐殖质。

C 层(淀积层) 位于土壤下部，由母质组成，颜色和下部成土母质相近。

但淀积从上部淋滤下来的成分(CaCO 3、SiO 2等) ，故称淀积层，本层以下为成土母岩。

黄土物质的来源黄土主要成分为粉沙(以SiO 2为主) 粒径为0.05~0.005mm 的粉尘占50~ 80%，不是常规物理风化的产物。

研究表明：这些粉沙石英颗粒是由冰川研磨作用产生或沙漠作用(温差的强烈变化)使粗粒石英破碎成粉沙状而形成的。

因此黄土在分布上与沙漠和戈壁的分布有密切关系(如中国、中亚、北美Nebraska 、Kansas 地区的黄土) ，或与第四纪冰川尤其是大陆冰川分布区存在联系(如西欧东欧及北美部分地区的黄土)。

注意：“黄土” 一种“母岩”而不是真正的“土壤”。

中国黄土在分布上与沙漠和戈壁的分布有密切关系西欧黄土与大陆冰川分布区存在联系(比利时)土壤可蚀性土壤可蚀性(Erodibility)是定量计算土壤流失的重要指标，是土壤侵蚀预报模型中的必要参数。

国外学术界将土壤可蚀性进一步分为可分离性(Detachability)和可搬运性(Transportability)，认为沙土的抗分离性差，而抗搬运性强；粘土反之。

国内一般称为土壤抗侵蚀特性，常用抗冲抗蚀性一词，并将其进一步分为抗冲性和抗蚀性。

抗冲性主要指土壤抵抗风水等对土壤的机械破坏作用和推移的能力，而抗蚀性主要指土壤抵抗水对土粒的分散和悬浮作用的能力。

从实验角度看，目前尚无法将抗冲性和抗蚀性分开。

可蚀性是指土壤对侵蚀作用的敏感性，抗侵蚀性是指土壤对侵蚀作用的抵抗能力，二者都反映了土壤特性与土壤侵蚀的关系。

我国典型地区地表物质的侵蚀特性(1)红壤区主要在湿热的南方。

红壤抗蚀性和抗冲性的大小与土壤中胶结物质的类型有关。

以有机物质胶结的土壤具有较大的抗蚀性；而粘粒胶结的土壤则具有较大的抗冲性。

由抗冲指数和水稳性指数综合指标确定的土壤耐蚀冲性表明，发育于变质岩的红壤及黄壤耐蚀冲性最强，而发育于花岗岩的红壤耐蚀冲性最小。

江西红土丘陵(2) 黄土高原主要在干冷的北方黄土的粒径组成以粉沙为主，孔隙大，富含碳酸盐。

吸水后易崩解，并被水流搬运，抗侵蚀能力差，在各种营力作用下侵蚀强烈。

黄土组成较为单一，垂直节理发育，易形成陡壁，既有保护边坡的一面，也有崩塌不利的一面。

黄土沟谷的崩塌、滑坡显示了黄土的不稳定性，它不仅与黄土的松散特性有关，也与黄土常含有砂层、砂质黄土层以及黄土和古土壤岩性特征不同所导致的含水量与透水性能差异有关。

§2.2 单个颗粒的特性泥沙颗粒(或称“ 碎屑沉积物颗粒”, clastic sedimentparticles)粒径变化范围较大(一般为0.001~100.0mm) ，研究其运动时一般不能概化为连续介质，因此需要对单个泥沙颗粒的性质进行定量、精确的描述，后面还要对单个泥沙颗粒的运动过程(滚动跃移等)进行详细的研究。

1.颗粒的大小(size) — 粒径粒径的直接测量——三轴量测粒径的测量方法一览三轴直径投影直径 薄片直径 等容粒径 筛分粒径沉降粒径 沉降粒径沉降粒径沉降粒径等容粒径(nominal diameter,公称直径)： 与泥沙颗粒体积相同的球体直径。

如果泥沙颗粒的重量W 和容重γs (或体积V)可以测定，则其等容粒径可按下式计算：[例2-2]:某山区河道一椭球状大漂石的三轴直径分别为0.9m 、1.2m 、 1.5m ，分析样品知其密度为2.8g/cm 3=2800kg/m 3，求其等容粒径和总重量。

解：椭球状漂石体积为=π⨯0.9⨯1.2⨯1.5÷6=0.848m 3, 等容粒径为=（6V/π）1/3= (0.9⨯1.2⨯1.5)1/3=1.174m, 总重量的单位在m-kg-s 制中为牛顿(N)，但在工程上又常用千克力(kgf)和吨力(tf)，因此 W=γsV=2800kg/m 3⨯9.8⨯0.848m 3=23226N=2370kgf=2.37tf 。

3131)6()6(sn WVD πγπ==测量方法：称重或求体积法泥沙分样筛◆筛分粒径(sieve diameter):◆筛分粒径(sieve diameter):设颗粒最后停留在孔径为D 1的筛网上，此前通过了孔径为D 2的筛网，则可以确定颗粒的粒径范围为可用算术平均、几何平均等给出筛分粒径。

如按算术平均则 如按几何平均则21D D D <<2/)(21D D D +=21D D D =测量方法：筛分法（筛析法）求证：筛析法量得的颗粒粒径相当于等容粒径证明：对形状不规则的泥沙颗粒，可以量测出其互相垂直的长中短三轴，分别以a 、b 、c 表示。

可以设想颗粒是以中轴通过筛孔的，因此筛析所得的是颗粒的中轴长度b 。

对粒径较粗的天然泥沙的几何形状作统计分析结果表明：即中轴长度b 接近(实测结果为略大于)三轴的几何平均值。

如果把颗粒视为椭球体, 则其体积为：等容粒径为： 因此，如果上述各假设成立，则筛析法所得到的泥沙颗粒粒径(颗粒恰好通过的孔径)接近于它的等容粒径。

31)(abc b =abc V 6π=)()6(abc VD ==π◆沉降粒径(fall diameter)：对于粒径小于0.1mm 的细砂，由于各种原因难以用筛析法确定其粒径，而必须用水析法测量颗粒在静水中的沉速，然后按照球体粒径与沉速的关系式, 求出与泥沙颗粒密度相同、沉速相等的球体直径, 作为泥沙颗粒的沉降粒径。

颗粒沉速及由沉速反算沉降粒径的计算方法将在后面讨论。

由于上述三种粒径的定义测量方法和计算方法有较大差异，因此在提及泥沙颗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。

泥沙颗粒按粒径的分类研究表明，泥沙粒径的大小与泥沙的水力学特性和物理化学特性密切相关：1、不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性质（如毛细力和粘结性）。

2、不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成。

3、不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性（如比重、容重等）。

粒径/mm ≤0.004 0.004~0.062 0.062~2.0 2.0~16.0 16~250≥250分类粘粒 (clay)粉沙 (silt)沙粒(sand)砾石(gravel)卵石(cobble) 漂石(bouider)2.颗粒的形状泥沙颗粒的最初形状取决于岩石母质和风化作用，随后在输运过程中因继续受到物理、化学及生物作用而不断改变其形状，改变的程度或最终形成的形状取决于搬运介质(水、空气、冰川运动)和搬运方式(滑动、滚动、跳动、悬浮或颗粒流等)。