第三节 河流泥沙的基本特性
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Chap1 泥沙特性本章知识要点：泥沙粒径表达形式泥沙的组成与粒配曲线比表面积的意义双电层与结合水泥沙干容重及其影响因素泥沙沉速与层流、紊流、过渡区絮凝现象●泥沙来源：①流域地表冲蚀而来；②从原河床上冲起的。
●土壤侵蚀最严重的黄河中游的黄土高原永定河和西辽河流域，相当于地表每年普遍冲掉0.6毫米的厚度，加上人类活动，如盲目开垦等，含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流，年均含沙量高达300公斤/m 2以上，而南部一些省份，年均含沙量不足1公斤/m 2。
§1－1 泥沙的几何特性一、泥沙的粒径●泥沙的不同形状与它们在水流中的运动状态有关，较粗的沿河底推移前进，碰撞机会多，动量较大易磨损；反之不易磨损而保持棱角峥嵘的外貌。
为比较不同泥沙颗粒的形状、大小的异同，必须有某些指标对它们进行对比。
泥沙的形状的表达方式●球度系数：（因为泥沙接近于球体，所以以球体作参照物）与沙粒等体积的球体的表面积与泥沙的实际表面积之比（与球接近的程度）。
研究表明，球度系数相等的两颗泥沙，在水中的流体动力特性大致相同。
由于球度系数难以测定（V 可用排水、称重法确定，但表面积难以测定），常用泥沙的长、中、短三个轴a, b, c，按下式近似表示：Φ=（1942年克来拜因提出）●形状系数：ab c S P =1、等容粒径：泥沙颗粒的大小通常用泥沙颗粒直径来表示，泥沙颗粒形状不规则，难以确定泥沙的粒径，实际中采用等容粒径来表示。
即：与泥沙颗粒体积相等的球体直径。
（泥沙体积可用称重、排水等方法测出：W V g ρ=）——对比水力学中表面粗糙度∆的确定136V d π⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中：V 为泥沙颗粒的体积。
2、算术平均粒径：用长、中、短轴（a 、b 、c ）的算数平均值来表征泥沙粒径1()3d a b c =++3、几何平均粒径：d = 当泥沙形状为椭球体时，等容粒径与几何平均粒径相同（V=лabc/6=лd 3/6）4、中轴长度：接近而偏大于几何平均粒径（较粗天然沙测量的结果）5、筛径：仅对于单颗的卵石、砾石等可以通过称重，再除以泥沙的重率，得到体积而后求其等容粒径，或直接量测其三轴长度，再求其平均值。
泥沙颗粒基本性质
（四）土壤类型：决定于气候和植被
五：泥沙资源 传统的观点是认为泥沙是有害的； 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； 河道有序采砂；采砂量多大合适？ 三峡引航道年淤积砂量200万～1000万方， 如何利用该泥沙资源； 高含沙水流输送、流化床充分燃烧； 黄河下游泥沙淤背工程； 黄河口泥沙淤积使海上采油变为陆上开采 。
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。
风化作用
（４）氧化作用 (oxidation) ：空气中的氧在有水的条件下，氧 化能力很强。 2FeS2＋2H2O＋7O2 FeSO4＋2H2SO4
湿润的条件下含铁、硫的矿物（含变价元素）普遍地进行着氧
化过程。深色矿物（因含二价铁）容易风化。
diameter)：停留在D1，通过D2 的平均粒径。相当于等容粒径适用于砾石、沙粒
D a b c / 3
D 3 abc
4、沉降粒径(fall
diameter )：粒径小于 0.1mm。<0.1mm的细沙适用于粉沙、粘土. 如：比重计法、粒径计法、吸管法等。
泥沙颗粒分类：方法很多，结果有差别。
§2 岩石风化
一、风化作用(weathering)：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 变化的过程。 1、物理风化(physical weathering )：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 变成分的过程。
(1) 温度作用（热胀冷缩） 引起岩石内外胀缩不一致，岩石是 热不良导体。 (2) 结冰作用（冰劈作用） (3) 风和水的磨蚀作用 风沙 磨蚀岩石，使之表面裸露， 加速物 理风化。
河流动力学第三章 泥沙特性
三、泥沙的水下休止角
– 定义：静水中、不致塌落的倾角 – 影响因素：泥沙粒径、级配及形状 – 变化范围：32º－39 º
三、泥沙的水下休止角 f tgφ
• 根据天津大学研究成果，泥沙水下休止角(°)与粒径D(mm)
有如下关系： 32.5 1.27d
抛石
➢ 0.5 ＜Red＜1000时，由于Cd 为ω及d的函数，目 前无合适的计算公式，只能借助实验资料来计算
ω及Red。
21
22
三、泥沙的沉速
– 天然泥沙不是球体，需要考虑差异 – 基本原理、基本方法大同小异 – 相关研究较多，但所得公式结构相近 – 过渡区复杂，各家公式百花齐放 – 水电部规范综合了多家公式
– 特点
♥ 包含孔隙在内： s ＝ s (1－e) ♥ 变幅较大：最大1.7t/m3，最小0.3t/m3 ♥ 原因：孔隙变化较大
二、泥沙的干容重与干密度
– 影响因素
♥ 泥沙粒径 ➢ 颗粒越细其值越小：
D<0.005mm0.56t/m3 ➢ 颗粒越细变幅越大：0.56－1.35t/m3 ♥ 泥沙淤积厚度 ➢ 淤积深度越深干容重越大，变幅越小
1.72 s gd 0.41 m / s
Red= D/ =0.41×3.5/1000/10-6=1432.1>1000，假定符合，
属紊流
泥沙的水力特性
四、其他影响因素
– 泥沙形状
♥ 细颗粒不重要 ♥ 砾石、卵石、块石应考虑（越扁平，沉速越小）
– 水质
♥ 絮凝的影响 ♥ 出现絮凝后，沉速增加，一般0.4－0.5mm/s
D
(
6V
)1/
3
泥沙颗粒基本性质ppt课件
碳酸化水解作用
2KAlSi3O8＋CO2＋2H2O
AlSi2O5(OH)＋4SiO2＋K2CO3
CO2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 子取代。
风化作用
（４）氧化作用(oxidation)：空气中的氧在有水的条件下，氧 化能力很强。
2FeS2＋2H2O＋7O2
（三） 气候与土壤（主要决定着成土过程中水热条 件）
水热 ： 一方面影响母质风化过程速度及物质的淋溶； 另一方面控制了植物和微生物的生长决
定了有机质的积累和分解。 气候对土壤性质的影响
(1)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 (3)对土壤胶体性质的影响 (4)强烈地影响土壤风化和淋溶度。
溶，而铝、铁、硅等元素尚有残留。如高岭土
4）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 基
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
石粘土矿物为主。如红土
岩
二、黄土成因(research of loess genesis)及黄土演变
黄土（loess)为干寒气候环境的产物，是一种“母岩 ”而并不是真正的“土壤”。 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。
黄土成因有不同的假说:
(1) 黄土风成说:是李希霍芬（Von Richthofen(1882年
））和奥勃鲁契夫在19世纪末叶提出的“低空理论 ”（subaerial theory)，即“风成说”，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 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。
根劈作用(root wedging)
第三节 河流泥沙的基本特性
第三节河流泥沙的基本特性一、几何特性泥沙的几何特性指泥沙颗粒的形状、粒径及其组成。
泥沙的形状棱角峥嵘、极不规则，常可近似地视为球体或椭球体。
泥沙粒径的求法：对于较大颗粒的卵石、砾石，可以通过称重求其等容粒径。
所谓等容粒径，就是体积V与泥沙颗粒体积相等的球体的直径，即d=(6V/π)1/3。
或者，通过量出颗粒的长轴a、中轴b、短轴c，算其几何平均粒径 d=abc，这实际上是将泥沙颗粒视为椭球体而求得的椭球体的等容粒径。
对于较细颗粒的泥沙，实际工作中，通常采取筛分析法或沉降分析法求其粒径。
筛析法的作法是，将孔径不同的公制标准筛，按孔径上大下小原则叠置在一起，放在振动机上，将沙样倒在最上一级筛上，把经振动后恰通过的筛孔孔径作为该颗粒的粒径，并称此粒径为筛径。
采用沉降法求其粒径并称为沉降Array粒径，其原理是，通过测量沙粒在静水中的沉降速度，按照粒径与沉速的关系式((3-2))反算出粒径。
泥沙的组成常用粒配曲线表示。
即通过沙样颗粒分析，求出其中各粒径级泥沙的重量及小于某粒径泥沙的总重量，算出小于某粒径的泥沙占总沙样的重量百分数，在半对数纸上图3-3 半对数纸上的泥沙粒配曲线绘制如图3-3 所示的泥沙粒配曲线。
据此粒配曲线，可反映沙样粒径的粗细及其组成的均匀性。
如图3-3 所示，Ⅰ、Ⅱ两组沙样相比较，沙样Ⅰ的组成要粗些、均匀些；沙样Ⅱ的组成要细些、不均匀些。
根据图3-2示粒配曲线，易于确知沙样的中值粒径d50。
它的意义是，沙样中大于和小于这一粒径的泥沙重量各占50％。
在实际工作中，通常可以中值粒径d50作为沙样的代表粒径。
二、重力特性1．泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥沙的容重γS，单位为N／m3。
泥沙颗粒实有质量与实有体积的比值，称为泥沙的密度ρs，单位为t／m3或kg ／m3。
泥沙的容重γS 与密度ρs 的关系：γS =ρs .g 。
这里g 为重力加速度。
工程上，泥沙密度常取ρs =2.65t/m 3 = 2650 kg ／m 3由于河流泥沙处在水中运动，其实际容重应为（γS -γ），因此在工作中，常采用有效容重系数a 表示其重力特性。
第三章 泥沙特性
泥沙颗粒）的双电层。
+
+ +
+
+吸
++ + +
附
层
扩散层
内 泥沙颗粒 层 外层 中性水
双电层
32
1、泥沙颗粒周围的双电层
2、双电层的外层 ①、吸附层 ②、扩散层
①、吸附层（固定 层，不活动层）
紧靠内层的反离子， 由于受静电引力大， 便与颗粒表面牢固 地结合在一起，称 吸附层。
++ + +
+
+
+ ++
c很缓，粒径变 化范围大，各组 粒径含量接近， 组成不均匀，级 配良好
请想想:砼搅拌中要求组成沙级配良好，对应均匀沙或非均匀沙？
第三章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
(二)沙样组成与粒配曲线
第三章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
(二)沙样组成与粒配曲线
1.1.2
第三章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
+ +
+ +
+ +
+
+ +
+
+吸
++ + +
附
层
内 泥沙颗粒 层 外层
双电层
扩散层 中性水
33
1、泥沙颗粒周围的双电层 2、双电层的外层 ①、吸附层 ②、扩散层
②、扩散层（活动层）
扩散层：距内层较远的 反离子与颗粒表面结合 的就不牢固，具有一定 的活动性，这一层叫做 扩散层。
++ + +
CH1河道水流、泥沙特性
• 河湾水流：是河道中常见的水流现象，一种三元流动。实 际是横向运动与纵向运动结合的螺旋流。
不同情况下的环流结果
河道水流的流速分布
卡曼-普兰特尔（Th.von.Darman-L.Prandtl）对数流速分布公式
umax u 1 1n h
• 水土流失（soil Loss) 包括水和土的流失两个方 面。它与土壤侵蚀概念不同。从侵蚀作用 力来看， 为水力侵蚀，水土流失量是指离开某一范围的地 表物质总和，一般土壤侵蚀量大于水土流失量。
• 土壤侵蚀与产沙（sediment yield)
• 也是两个不同的概念，产沙是指侵蚀的土壤量能 够到达流域出口的泥沙量。因此，产沙小于侵蚀 量，两者之间用泥沙输移比表示。如以长江上游 宜昌，20世纪80年代平均侵蚀量为15.7亿吨，同 期宜昌站输出沙量5.49亿吨
通常采用实测的方法来确定Ks，即测出河槽的流速分布和 U*，再用槽壁流速公式反推粗糙高。
也有人用床沙情况来初估Ks，如对于均匀床沙，采用 Ks=0.7d，d为床沙粒径；如对于非均匀床沙，采用 Ks=d65，d65为床沙组成中出现概率是65%的粒径；不同 实验条件不同，仅供参考。
槽壁流速公式:
8.5
几个概念简析
0.5
3.30 15.3 41.1 71.9 93.5 98.8 100
• 习题3
• 用规范公式和张瑞谨公式分别计算水温24 ℃ （相应ν ＝0.0091cm2/s)，粒径d分别为0.01、 0.05、0.1、0.5、1.0、2.0、10.0、20.0mm的 沙粒的沉降速度，取 s 2.65 g / cm3
摩阻流速U*：
τ U*= gRJ =
治河及工程泥沙第3讲
20
5、泥沙起动流速公式应用 （１）U＜Uc （２） U＞Uc （３） U＝Uc 泥沙不起动，河床稳定 泥沙起动，河床冲刷 河床冲刷终止
21
谢 谢！
14
（４）含沙量对沉速的影响 当水中含沙量达一定值后，沙粒在沉降过程 中相互影响，这时泥沙颗粒不再是自由沉降，而 是形成群体沉降。含沙量对沉速的影响随粒径粗 细的不同也会有一些差异。 不论泥沙粗细，颗粒下沉时都会引起向上的 水流运动和激发紊流；同时浑水容重的增大会使 颗粒有效容重减小，这些都使得含沙量增加时泥 沙沉速减小。
２、泥沙起动 床面上的泥沙在一定水流条件作用下，受力平衡 状态被破坏，由原来的静止状态转变为运动状态的力 学过程。
19
３、泥沙起动条件 泥沙起动时的临界水流条件，称为临界水力指 标。 （１）水流垂线平均流速（起动流速） （２）床面水流切应力(起动拖曳力) ４、泥沙起动流速公式 沙莫夫公式 Uc=4.6h1/6d1/3 d>0.2mm
5
三、泥沙的水力特性
1、沉降速度的概念 ①定义 单位颗粒泥沙在静止的无限大清水中等速下 沉的速度叫沉降速度也叫沉速。
符号ω表示 单位cm/s
6
泥沙雷诺数Ｒed=d/
泥沙颗粒沉降运动状态 (a)Ｒed<0.5层流区沉降；(b)0.5<Ｒed<1000过渡区沉降； (c)Ｒed<1000紊流区沉降
2
（二）泥沙的干密度 1、定义： 从淤积体中取出的沙样经过100℃~105℃的恒温 烘干后，其质量与原状沙样的体积之比。 用ρs ＇ 表示单位 kg/m3
泥沙干密度不仅与构成它的岩石成分有关，而 且与泥沙沉降过程中的所形成的孔隙有关。而孔隙 大小又与泥沙粗细程度、埋藏深浅、淤积历时长短 有关。 ρs ＇最大=1700kg/m3 ρs ＇最小=300kg/m3
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第三节河流泥沙的基本特性
一、几何特性
泥沙的几何特性指泥沙颗粒的形状、粒径及其组成。
泥沙的形状棱角峥嵘、极不规则，常可近似地视为球体或椭球体。
泥沙粒径的求法：对于较大颗粒的卵石、砾石，可以通过称重求其等容粒径。
所谓等容粒径，就是体积V与泥沙颗粒体积相等的球体的直径，即d=(6V/π)1/3。
或者，通过量出颗粒的长轴a、中轴b、短轴c，算其几何平均粒径 d=abc，这实际上是将泥沙颗粒视为椭球体而求得的椭球体的等容粒径。
对于较细颗粒的泥沙，实际工作中，通常采取筛分析法或沉降分析法求其粒径。
筛析法的作法是，将孔径不同的公制标准筛，按孔径上大下小原则叠置在一起，放在振动机上，将沙样倒在最上一级筛上，把经振动后恰通过的筛孔孔径作为该颗粒的粒径，并称此粒径为筛
径。
采用沉降法求其粒径并称为沉降Array粒径，其原理是，通过测量沙粒在静
水中的沉降速度，按照粒径与沉速的
关系式((3-2))反算出粒径。
泥沙的组成常用粒配曲线表示。
即通过沙样颗粒分析，求出其中各粒
径级泥沙的重量及小于某粒径泥沙
的总重量，算出小于某粒径的泥沙占
总沙样的重量百分数，在半对数纸上
图3-3 半对数纸上的泥沙粒配曲线
绘制如图3-3 所示的泥沙粒配曲线。
据此粒配曲线，可反映沙样粒径的粗
细及其组成的均匀性。
如图3-3 所示，Ⅰ、Ⅱ两组沙样相比较，沙样Ⅰ的组成要粗些、均匀些；沙样Ⅱ的组成要细些、不均匀些。
根据图3-2示粒配曲线，易于确知沙样的中值粒径d50。
它的意义是，沙样中大于和小于这一粒径的泥沙重量各占50％。
在实际工作中，通常可以中值粒径d50作为沙样的代表粒径。
二、重力特性
1．泥沙的容重与密度
泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥沙的容重γS，单位为N／m3。
泥沙颗粒实有质量与实有体积的比值，称为泥沙的密度ρs，单位为t／m3或kg ／m3。
泥沙的容重γS 与密度ρs 的关系：γS =ρs .g 。
这里g 为重力加速度。
工程上，泥沙密度常取ρs =2.65t/m 3 = 2650 kg ／m 3
由于河流泥沙处在水中运动，其实际容重应为（γS -γ），因此在工作中，常采用有效容重系数a 表示其重力特性。
a= γγ
γ-s =ρρ
ρ-s (3-1)
其中γ、ρ分别为水的容重和密度。
2．泥沙的干容重与干密度
沙样经100～105℃温度烘干后，其重量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙的干容重γ，，单位为N ／m 3。
其质量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙
的干密度ρ, ，单位为t ／m 3或kg ／m 3。
，干密度ρ,与干容重γ，的关系：ρ=γ，
/g 。
研究泥沙干容重的理论意义在于，在河床冲淤变化分析中，冲淤泥沙的重量G 与体积V 的关系，需通过干容重γ
，换算，即G =γ，V 。
三、沉降特性
泥沙因其容重较水为大，在水中必然往下沉降。
泥沙的沉降特性是指，泥沙在水中下沉时的状态及其沉降速度。
泥沙沉速的定义为，泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度。
泥沙沉速常用符号ω表示，单位cm/s 。
研究得知，球体沉速一般公式为
ω = d C 34
gd s γγγ- (3-2)
式中，C d 为阻力系数，与沙粒雷诺数R ed 有关，R ed =ωd/ν，其中ν为水的运动粘滞性系数，ω、d 分别为泥沙的沉速和粒径。
C d 由试验确定。
对于泥沙来说，虽然其颗粒形状与球体不同，但其沉降的物理特性理应一致。
因此，上面球体的沉速公式应该同样适用于泥沙。
只是由于泥沙的形状不规则，阻力系数C d 应该较球体略大。
泥沙沉速是河流泥沙的重要特性之一。
在许多情况下，它反映着泥沙在与水流相互作用时对运动的抗拒能力。
在同样水流条件下，水流中的泥沙沉速越大，则泥沙发生沉降的倾向越大；河床上的泥沙沉速越大，则泥沙参与运动的倾向越小。
因此，在河流泥沙研究与河道演变分析中，与泥沙沉速无关的课题是很少的。