河道水流和泥沙的一般特性
河流动力学复习整理
（0）河流动力学概念:研究冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后河道水流、泥沙运动规律和河床演变规律及其应用的学科。
主要研究内容: 水流结构：研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;泥沙运动：研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理; 河床演变：研究河流的河床形态、演变规律以及人为干扰引起的再造床过程; 河床变形预测：研究预测水流、泥沙运动及河床冲淤演变的方法.研究方法: 理论分析, 室内试验,现场观测，数值计算（1）河道水流的基本特性：河道水流的二相特性；河道水流的三维性；河道水流的不恒定性；河道水流的不均匀性河道水流的水流结构：主流，副流，环流二维明渠流速的分布规律：1.直线层，也成粘滞底层，切应力只有粘滞切力，流速按直线分布2.过渡层，粘滞切力与紊动切力同时存在，流动是层流和紊流的过渡区，该层没有统一的流速分布公式，近似按直线层或对数层公式计算3.对数层，切应力主要是紊动切应力，流速按对数分布4外层区.在对数层以上到水面的区间，切力主要是紊动力，流速分布常以缺速公式表示，故也称缺速区。
流速分布要受上部边界影响，与边壁糙率也有一定关系。
河道水流阻力分解图：见ppt1 76页明渠二维流的阻力损失表达方式：见ppt1 77页（3）按运动状态分，泥沙的运动形式有：（床沙），推移质、悬移质泥沙交换现象：推移质泥沙运动特点：间歇性、置换性、速度小、跳跃性、数量少、消耗时均能量 悬移质泥沙运动特点：速度大、悬浮性、置换性、数量多、消耗紊动能冲泄质：河流挟带的泥沙中粒径较细的部分，且在河床中数量很少或基本不存在的泥沙。
床沙质：河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分，且在河床中大量存在的泥沙。
两者主要区别：1.前者是非造床质泥沙，后者是造床质。
2.前者粒径较小，后者粒径较大3.前者在水流中的含量不仅取决于水流条件，还与河段上游流域供沙条件有关。
推移质~悬移质与床沙质~冲泄质命名的区别：前者按运动方式分；后者按造床作用、颗粒大小和泥沙来源分。
6潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变_08版
第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变◆第一节潮汐河口的分段和分类◆第二节潮汐河口区的水流特性◆第三节潮汐河口区的泥沙运动特点◆第四节潮汐河口区的河床演变6.0 概述-基本概念第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变➢河口区：河流与受水水体(河流、湖泊、水库、海洋)的接合地段➢入海河口(潮汐河口):水流流态多变、泥沙构成多样、河床演变复杂①主要影响因素：径流(山水)、潮汐入侵、波浪、密度流(盐淡水)支流入汇河口入海河口入湖河口入库河口◆(一)潮汐河口的分段➢图6-1(分界点)：口外海滨段→河口口门→潮流界→潮区界•潮区界→口门：感潮河段•潮区界以上：河水运动不受潮汐影响•潮流界、潮区界的位置随外海潮差大小、河流径流量大小而变化(一)潮汐河口的分段①河口口门(河流动力因素消失之地):河口段多年平均中潮位水面坡降线与平均海平面的交点处；或者三角洲海岸、岛岸、沙坎的临海端入口处②潮流界：上溯潮波潮流与下泄径流的叠加、以及沿程河床阻力耗能，使得潮汐能量逐渐消耗，潮差减小，流速降低，当涨潮流速与径流下泄流速相等时，潮水停止倒灌，此处称为~③潮区界：潮流界以上，潮波继续上溯(波动形态的传递)，河水受阻壅高，但潮差急剧减小，直至等于零的位置，此处称为~◆一、河口区的潮波及潮流✧影响因素✧主要：✧水深；河口的平面形态；底摩阻；浅滩和河口端部的反射或全反射；河流径流✧其它：✧盐淡水混合：盐水楔异重流加剧了潮汐不对称现象✧科氏力：使潮差向潮波传播方向的右侧(北半球)递增◆(一)河口区的潮波及潮流✧潮汐周期的四个阶段：潮位涨落+潮流方向①涨潮落潮流：海水开始涨潮，但潮位上升尚未改变水面向下游倾斜和水流向下游流动②涨潮涨潮流：海水继续涨潮，河口水面壅高使得水面坡降转向上游，水流向上游流动③落潮涨潮流：海水开始落潮，河口水面开始下降，但潮位下降尚未改变水面坡降向上游倾斜和水流向上游的流动④落潮落潮流：海水继续落潮，河口水面下降使得水面坡降转向下游，水流向下游流动(1)波动类型的变化主要影响因素：河口平面形态、水深、浅滩和河口端部反射外海潮波河口潮波☆外海潮波：简单前进波，潮流速与潮位同相→高低潮位时潮流速度达到最大值，在中潮位(平均水面)流速为零(憩流、转流)☆河口潮波：取决于河口平面形态及水深变化，介于前进波和驻波之间，潮流速与潮位不同相。
各河流输沙特征分析
各河流输沙特征分析河流输沙是指在河流中悬浮着的、受水流力作用的沙粒随着河流的流动而被输送到下游。
不同大小、不同流速、不同流量的河流都会呈现出不同的输沙特征。
本文将从河流输沙的基本概念、分类、特征、影响因素等方面入手，对各河流输沙特征进行分析。
一、河流输沙的基本概念河流输沙主要指河流的泥沙颗粒在水流中运动和输移的行为。
在坡降比较大、河床比较崎岖时，水流比较急，容易卷起河床和岸边的物质，形成漩涡、涡流和漂移等。
这些水力作用会引起泥沙颗粒的分离、捆绑和承载，随着水流的白水、泥水、涌浪等形式承载向下游输送。
二、河流输沙的分类根据输沙的颗粒直径、输沙过程中的谷底流量、河水的流速和泥沙含量等因素对河流进行分类，一般可分为以下几类：1、颗粒级、粗沙级和细沙级:颗粒级输沙通常指颗粒直径达0.5毫米以上的粗颗粒分选，或者粒径比较大的沙土颗粒分选。
粗沙级输沙包括0.5毫米以下，50微米左右的沙粒级输沙，一般呈上升趋势。
细沙级输沙就是0.05毫米左右的细粒级输沙，一般呈下降趋势。
2、谷底流量级:河流的谷底流量称为河流的涨水最小流量或以前河流流量。
水流的水位和流量都与谷底流量有很大的关系，它参与了决定输沙量的摆脱能力，进而导致输沙的变化。
3、水流速度级:河流的水流速度是河流的物理性质之一，也是决定河流输沙能力的重要参数之一。
水流的速度越快，沙子就越容易被卷起来输送，产生高浪波，进而搬运大量泥沙。
不同速度下河流输沙有不同的规律。
4、泥沙含量级:泥沙含量是河流输沙的重要指标之一。
其含量的大小会影响到河流输沙的作用和能力，早在1929年，Laurie已经指出河流中含有的砂、泥、石是河流形成的基本原因之一。
三、河流输沙的特征1、高峰期和低谷期的输沙特征不同:一般来说，河流的荷载量会随着天气条件变化而有所变化，如强雨天气会使河流的荷载量快速增加。
在水文年度中，低谷时期易出现零散小产量减少且不连续，在高峰期河流的荷载量变化大，且平均流量较大。
第十章 河流泥沙及河川过程.
流域侵蚀
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
降雨形成的地表径流
2.
河槽冲刷
河底冲刷
河岸冲刷
二、河流泥沙的特性
1.
几何特性：形状、粒径及其组成
重力特性：容重和密度（干、湿）
2.
3.
沉降特性：在水中下沉的状态及其速度
三、河流泥沙的分类和表示方法
1、按照泥沙粒径大小分
1994年，水利部颁发的《河流泥沙颗粒分 析规程》，规定河流泥沙按下表分类。
并汇入河流的泥沙重量，单位为t／（km2·a）
四、河流泥沙的运动
1、泥沙的水力特性
河流泥沙的运动不仅与水力条件、水流结构有关，而 且也与泥沙特性有关。泥沙特性包括颗粒的大小、形 状、容重及泥沙的水力特性。
当下沉速度达某一极限值时,阻力与重力恰好相等,则
泥沙以均匀速度下沉,这时泥沙的运动速度称为泥沙的 沉降速度(ω,cm/s)。沉降速度可表达泥沙直径的大小， 故沉降速度也称泥沙的水力粗度。影响因素有泥沙颗 粒直径d,泥沙容重rs,水流的紊动强度等。
五、河流的总输沙量
2、多年平均年推移质输沙量的估算
系数法：考虑推移质输沙量与悬移质输沙量之间具有 一定的比例关系，在一定的地区和河道水文地理条件
下相当稳定，可用系数法计算：
五、河流的总输沙量
3、河流总输沙量的估算
某断面的多年平均年输沙总量，等于多年平均
悬移质年输沙量与多年平均推移质年输沙量之
输沙率的规律，判断河槽的冲淤。
3、悬移质运动
悬移质是泥沙运动的主要方式之一。冲积平原河 流所挟带的泥沙中,悬移质占绝大部分,有些山区 河流悬移质也可占很大比重.紊动和重力作用是主 要因素。
泥沙的特性
泥沙（Sediment）的特性泥沙几何特性细颗粒泥沙的物理化学特性电化学性质悬浮在水中的细颗粒泥沙表面会发生各种物理化学作用，物理化学作用的强弱与颗粒比表面积的大小有关。
比表面积：颗粒表面积与其体积之比。
间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重力的相对大小。
双电层颗粒表面离子层及其周围的反离子层（吸附层及扩散层）构成颗粒的双电层，双电层外属中性水。
絮凝和分散现象分散的颗粒互相吸引，聚合成结构疏松、类似棉花团的较大团粒或团块（中间有很大的孔隙，包围密封了大量水分），称为絮团。
细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程叫做絮凝。
泥沙的重力特性泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量（或质量）与实有体积之比称为泥沙的容重（或密度）平均值平均值有效容重系数（有效密度系数）泥沙的干容重与干密度泥沙的干容重（或干密度）是指除水分后的沙样重量（或质量）与沙样体积之比。
泥沙的干容重与泥沙的容重不同，它的变化幅度较大，这是由于泥沙颗粒间空隙变化较大的缘故泥沙淤积深度愈深，其干容重愈大，变化范围愈小；反之，淤积深度愈浅，其干容重愈小，且变化幅度愈大。
泥沙的水下休止角在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的倾斜面而不致塌落，此倾斜面的角度φ称为泥沙的水下远休止角，其正切函数即为泥沙的水下摩擦系数f。
泥沙的水力特性泥沙沉降的不同形式单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度，简称沉速（cm／s）沙粒雷诺数泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉，附近的水体几乎不发生紊乱现象，这时的绕流状态属于层流。
泥沙沿摆动的轨迹下沉；颗粒首部为层流，尾部为紊流，绕流属于过渡状态。
泥沙颗粒脱离铅垂线，沿螺旋形轨迹下沉，其周围的水体布满漩涡，这时的绕流状态属于紊流。
其他因素对沉速的影响泥沙的形状对沉速的影响对于几何平均粒径D相同的不同石块，形状越扁平，其阻力系数越大，沉速越小水质对沉速的影响含沙量对沉速的影响粗颗粒泥沙颗粒下沉时引起的向上水流。
治河及工程泥沙第1讲
（2）平面形态
山
a、宽窄相间（由地质构造构成）
区
河 流
b、走向有急弯
c、有许多巨石突出。 d、溪口滩。 （3）纵向 总体看河床较陡，锯齿状。
9
３、水文泥沙特点 山
（1）水文： 洪水猛涨猛落，年内Qmax与Qmin 相差 达几百倍。 （2）水流： a、流速：v大， 最大6~7m/s，变化幅度大。 b、比降J ：一般在1‰以上，局部1%，且变 化也大。 c、流态：紊乱、有回流、旋涡、跌水、水跃 、泡水、横流、流向险恶。 （3）泥沙 ： a、 悬移质都是冲泻质 b、 推移质较多
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水沙不 平衡性
谢 谢！
19
一、基本特性
三维性
对于天然河道，其过流断面为不规则的形 状，流速和泥沙含量不但沿纵向流程改变，在 过流断面上分布也不均匀。如弯道水流受离心 惯性力和重力的共同作用，水面形成横比降。 水流在横断面上形成环流运动，结合河流纵向 运动，构成螺旋流，在螺旋流的作用下，还会 引起泥沙横向输移，使凹岸受到冲刷，凸岸产 生淤积，水流、泥沙运动均呈十分明显的三维 运动特性。
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一、基本特性
非均 匀性
由于河道断面形状不规则，因此 河道水流往往不满足均匀流条件。同 时沿河床运动的泥沙，一般会在床面 呈起伏不平的沙波形态。沿沙波不同 部位，泥沙运动的数量不同，沙波附 近的流速也不同。因此，河道水流是 运动要素沿流程变化的非均匀流．
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一、基本特性
水流中的泥沙与床面上的泥沙不断地 进行交换，挟沙水流在河床表面的各个 部分保持不冲不淤平衡状态。 河道中经常由于自然或人为的原因， 使水流中的水沙平衡关系遭到破坏。这 种改变必将引起水、沙逐渐向新的相对 平衡发展。与此同时不断产生的新干扰， 又会破坏新的平衡，再向更新的平衡发 展。因此平衡是相对的，而水沙不平衡 是绝对的。
第4章 河流泥沙运动规律
第一节 河流泥沙特性
河流泥沙运动规律与泥沙的特性密切相关。因此，在研究河流泥沙运动规律之前，首先
要了解泥沙的特性。
（一）河流泥沙的分类
河流泥沙分类方法有多种，如按泥沙粒径的大小进行分类，按泥沙在河流中的运动状态
分类等，这里主要介绍这两种分类的方法。
1．按泥沙粒径的大小分类
河流泥沙粒径，大至 1～2m 的漂石，小至 0.004mm 以下黏粒，大小相差可达数百万倍。
2．泥沙颗粒级配特性 河流中的泥沙是由许许多多粒径不同的泥沙颗粒组成。从这些泥沙中取出一部分有代表 性的沙样进行颗粒分析，沙样中各种粒径的泥沙相对含量（以百分比计），称为泥沙的颗粒 级配。泥沙的颗粒级配常用粒配曲线表示，这种粒配曲线通常都画在半对数坐标纸上，其横 坐标为粒径，纵坐标为小于此粒径的泥沙占沙样总重量或质量的百分比，如图 4-1 所示。泥 沙的颗粒级配特性是影响泥沙运动的主要因素。 在解决实际问题时，为了便于分析，常将床沙、推移质和悬移质 3 种泥沙的颗粒级配曲 线绘在同一张图上，如图 4-1 所示。从图中可以看出，悬移质的沙样颗粒较推移质的为小， 而推移质的沙样较床沙的均匀。推移质、床沙和悬移质 3 者比较起来悬移质最细，床沙最粗， 曲线亦相应自右至左分布。
漂石
＜0.004 0.004～0.062 0.062～2.0 2.0～16.0 16.0～250.0 ＞250.0
2．按泥沙在河流中的运动状态分类 按照泥沙的运动状态，可将泥沙分为床沙(亦称河床质)、推移质及悬移质 3 大类。床沙 是组成河床表面静止的泥沙。推移质是沿河床床面滚动、滑动或跳跃前进的泥沙，一般粒径 比较粗。它们是由近底水流对床面颗粒在绕流运动过程中所产生的水流作用力推动的结果， 它们的运动范围都在床面附近的区域。推移质运动呈明显的间歇性，往往运动一阵，停止一 阵。运动时为推移质，静止时为床沙，推移质与床沙经常彼此交换。当河床上有一定数量的 推移质向前运动的时候，河床表面往往形成起伏的沙波。推移质前进的速度远较水流速度为 小，但它在水流作用下，有一个增速过程，即运动速度由小到大。这种增速过程，要消耗水 流的能量。悬移质是随水流浮游前进的泥沙，一般粒径较小。悬移质运动的速度基本上与水 流运动速度相同，浮游的位置时上时下，较细的泥沙能上升至接近水面，较粗的泥沙有时甚 至回到河床上与床沙发生置换。维持泥沙悬浮的能量，来自水流的紊动动能。在靠近床面附 近，各种泥沙在不断地交换，推移质与床沙之间，悬移质和推移质之间都在交换，很难把它 们截然分开。就同一种粒径的泥沙来说，在某一河段可能是停止不动的床沙，在另一河段可 能作推移质或悬移质运动。在同一断面上亦因流速不同，会出现不同的运动状态，因此泥沙 运动状态除取决于泥沙本身的粒径外还取决于水流条件。 （二）泥沙的几何特性 1．泥沙颗粒的形状和大小 河流泥沙形状极不规则。常见的卵石、砾石，外形比较圆滑，有圆球状的，有椭球状的 也有片状的，但均无尖角和棱线。沙类和粉土类泥沙外形多有尖角和棱线。黏土类泥沙一般 呈扁平状或针状。泥沙颗粒的形状，常用球度系数表示，它是指泥沙颗粒的实际表面积与之 等体积的球体的表面积之比，其表达式如下：
水文学7第七章 河流泥沙
• 推移质泥沙尽管其相对数量不多，但因其 颗粒较粗，对水利工程的危害极大。如在 解决水库淤积问题中，处理推移质泥沙的 难度往往要比处理悬移质大得多。因此对 于推移质运动的观测与研究，同样是需要 重视的。
二、河流泥沙的表示
含沙量：河水中泥沙的含量，单位为 • （一）含沙量：河水中泥沙的含量，单位为 （一）含沙量 kg／m3。 kg／m3。 • （二）输沙率：指单位时间内通过一定过水 （二）输沙率 输沙率：指单位时间内通过一定过水 断面的泥沙总量。单位为kg／ 断面的泥沙总量。单位为kg／s 或 t／s 。 • （三）输沙量：指在一定时段内通过一定过 （三）输沙量 输沙量：指在一定时段内通过一定过 水断面的泥沙总量。单位为 t 或万t 。 或万t • （四）侵蚀模数：是指每km2流域面积上，每 （四）侵蚀模数 侵蚀模数：是指每km2流域面积上，每 年被侵蚀并汇入河流的泥沙重量，单位为t 年被侵蚀并汇入河流的泥沙重量，单位为t／ （km2·a） km2·a）
2.群体泥沙的推移运动 2.群体泥沙的推移运动 河流推移质运动达到一定规模时， 河流推移质运动达到一定规模时， 河床表面便逐渐形成外形与风成 沙丘类似的起伏的水下沙波， 沙丘类似的起伏的水下沙波，称 沙波运动。 沙波运动。沙波运动是推移质群 体运动的一种主要形式， 体运动的一种主要形式，也是构 成河床地形的基本单位。 成河床地形的基本单位。
3.推移质输沙率 3.推移质输沙率 天然河道的推移质输沙能力用推移 质输沙率表示。 质输沙率表示。推移质输沙率是指单 位时间内通过河槽单宽的推移质数量， 位时间内通过河槽单宽的推移质数量， 其单位为kg/m·s kg/m·s或 /m·s。 其单位为kg/m·s或m3/m·s。如果上 游推移质来量小于本河段推移质输沙 率，就形成冲刷；反之，则发生淤积。 就形成冲刷；反之，则发生淤积。 研究输沙率的规律，判断河槽的冲淤。 研究输沙率的规律，判断河槽的冲淤。
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河流动力学
• 河道水流的流速分布
河流动力学
河流动力学
河道水流中环流结构
• 因产生原因的不同，环流可以分为因离心 力产生的弯道环流、因柯里奥里（G． Criorid)力而产生的环流、因水流与固体周 界分离而产生的环流等等。
• 水流在弯道内作曲线运动的时候，必然产 生指向凹岸的离心力。水流为了平衡这个 力。通过调整，使得凹岸的水面升高，凸 岸方向的水面降低，从而形成横比降
吨泥沙来衡量，称为侵蚀模数，也称 输沙量模数。下图为我国输沙量模数
分布情况
河流动力学
河流动力学
• 泥沙随水流汇集到河流之中，加上河 床上泥沙被水流冲刷起来，使得河道 水流中含有一定数量的泥沙，常以每 单位体积河水中的泥沙重量表示河流 的含沙量。一般来说，我国北方，特 别是黄河中游的一些干支流，年平均 含沙量有些高达300 kg／m3以上；而 在南方一些省份，年平均含沙量不足 1kg／m3，这样的分布状况，是与我 国各地区的水土流失程度紧密相关的 。下表是我国及国外一些主要河流水 沙特征值的统计资料。附表
筛分粒径：通过筛分法获得的粒径近似值
河流动力学
泥沙的粒径（续）
• 对较粗的天然沙粒测量成果的统计分析表 明，沙粒的中轴长度，和其长、中、短三 轴的几何乎均值(即等容粒径)接近相等且 略大
• 对于粒径在0.062~32.0mm之间的沙粒， 一般采用筛析法
• 用筛析法量得的粒径应相当于各粒径组界 限沙粒的中轴长度。可以近似地看成等容 粒径，或者直接称为筛径
•黄河的河漫滩沉积物就因 孔隙率的不同而有“铁板 抄”与“晃滩沙”的区别。
河流动力学
• 通常泥沙的平均粒径与中值粒径直并不相等。二 者之间的关系应为
2
d pj d50e 2
• 关于沙样的均匀程度，常采用如下形式的非均匀 系数或称拣选系数
– 非均匀系数等于1，则沙样均匀；愈大于1，则越不均
匀
– 不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成 – 不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性
河流动力学
河流泥沙的几何特性
河流动力学
泥沙的粒径
• 泥沙的几何特性系指泥沙颗粒的形状和大小， 或者说泥沙颗粒的形状与粒径
• 泥沙的粒径
– 泥沙的粒径是泥沙颗粒大小的量度
– 所谓等容粒径，就是体积与泥沙颗粒相等的球体的 直径。设某一颗沙的体积为v，则其等容粒径为，
十分短暂的：3mm，1/10s；1mm，1/20s
河流动力学
• 泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数
有关
Red
d
式中d和ω分别为泥沙的粒径及沉速。υ为水的运动粘滞性系 数
• 当沙R颗e粒d较基小本时上（沿约铅小垂于线0下.5沉），运附动近状的态水属体于几滞乎性不状发态生，紊泥 乱现象
• 当大R的e紊d较动大状时态(约下大沉于，1附0近00的)，水泥体沙产颗生粒强脱烈离的铅绕垂动线和．涡以动极 ，这时的运动状态属于紊动状态
• 当态R为e过d介渡于状0态.5到1000之间时，泥沙颗粒下沉时的运动状
河流动力学
河流动力学
• 球体的沉速
– 单颗粒圆球在无限水体中等速下沉时，其沉降可 看做对称绕流运动，则绕流阻力的一般表达式为 ，
泥沙的一般重力特性
• 泥沙的容重与密度
– 泥沙各个颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥 沙的容重或重度 s ，采用国际单位为牛/米3(N/m3)
– 由于构成泥沙的岩石成分不同．泥沙的容重 s也不相 同，常以26kN／m3(国际单位)或2650kgf／m3(工程 单位)为代表值
– α有效容重系数或有效密度系数
• 有多家过渡区泥沙沉降时的阻力规律和沉降速度公式， 本课程介绍张瑞瑾公式
河流动力学
• 从粒配曲线上，可以查出
– 小于某粒径的泥沙在总沙样中占的重量百分数 – 在总沙样中占某重量百分数的泥沙的上限粒径 – 后者通常以重量百分数为脚标，附注在粒径的
右下角，表示该上限粒径如d5、d20、d50、d90等 – d50称为中值粒径，它表示在全部沙样中，大于
和小于这一粒径的泥沙重量刚好相等
• 对于粒径在0.062mm以下粉粒和粘粒，已 不可能进一步筛分，只能采用沉降法
河流动力学
泥沙的粒配曲线
• 通过对沙样颗粒组成 的分析，得出其中各 粒径级的重量百分比 或者小于某粒径的重 量百分比，并据以绘 制如右图所示的泥沙 粒配曲线
• 粒配曲线可直接表现 泥沙沙样粒径的大小 和沙样的均匀程度
– Ⅱ代表较细的沙样 – Ⅰ代表较均匀的沙样
• 泥沙的水下休止角
– 在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定 的倾斜面而不致塌落，此倾斜面与水平面的交角φ称 为泥沙的水下休止角，其正切值即为泥沙的水下摩擦 系数f，即
河流动力学
泥沙的沉阵速度
• 沉降形式
– 泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度，称为泥沙的 沉降速度，简称沉速
– 反映着泥沙在与水流相互作用时对运动的抗拒能力。 组成河床的泥沙沉速越大，则泥沙参与运动的倾向越 小
河流动力学
泥沙的矿物成分与分类
• 泥沙的矿物成分
– 既然泥沙来源于岩石风化，则风化岩石的矿物 成分决定泥沙的矿物成分；不同的风化方式对 岩石矿物成分的影响程度不同，因此风化方式 也影响泥沙的矿物成分
– 物理风化、化学风化以及生物过程
• 矿物的物理性质
– 比重或密度：2.65 – 硬度：≧5，水轮机过流部件硬度一般≦5
– 泥沙重度＞水的重度，在水中的泥沙颗粒将受重力作 用而下沉。→→初始速度为零，抗拒下沉的阻力也为 零，有效重力起作用，泥沙颗粒的下沉具有加速度。 →→随着下沉速度的增大，阻力增大，终于使下沉速 度达到某一极限值。→→此时，泥沙所受的有效重力 和阻力恰恰相等，泥沙颗粒的继续下沉便以等速方式 进行
– 泥沙在静水中下沉时，沙的干容重与干密度
– 沙样经100~l05℃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 '，单位为N/m3
– 泥沙干容重与粒径的大小、埋藏的深浅，以及淤积 历时的长短有关，其变化幅度是相当大的
• 实际观测资料中，曾经得到的淤积泥沙干容量的变化幅度约 在2.94~21.56kN/m3
D75 D25
河流动力学
细颗粒泥沙的物理化学特性
河流动力学
电化学性质
1、比表面积 ：泥沙颗粒表面积与其体积之比
4 D2 / 4 6 D3 / 6 D
（颗粒越细，该值越大） •比表面积的意义：反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对
大小， 越大，物化作用就越大
河流动力学
电化学性质
河流动力学
• 河道水流的主流与副流
– 副流与主流不同是由于纵比降以外的其它因素 所促成的
– 副流实际是在水流内部产生的一种大规模的水 流旋转运动。它可以因重力作用而引起，也可 在其它的力(内力或外力)作用下产生。
– 在副流中，有的具有复归性，或者基本上与主 流脱离，在一个区域内呈循环式的封闭流动； 或者与主流或其它副流结合在一起。呈螺旋式 的非封闭的复归性流动。具有复归性的次生流 ，我们称之为环流
2、双电层及吸附水膜的特性 （1）细泥沙颗粒在含有电解质的水中，
颗粒周围会形成双电层、吸附水膜。
• 细泥沙颗粒表面带有负电荷，吸引反 离子，形成吸附层（固定层）＋扩散层
• 细泥沙颗粒表面带有负电荷，同时也吸引水
分子形成粘结水＋粘滞水＝束缚水
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（2）双电层的电位变化
•泥沙颗粒表面带负电荷后，就有一定的电位值，此电位值 与扩散层外的自由电位之差称为热力学电位，或ψ0电位。 •在吸附层内，电位线性降落，所剩余的电位差，即吸附层 与扩散层交界面的电位与扩散层外自由电位之差称为电动
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• 从流域地表侵蚀下来的泥沙，经过河 流的搬运作用，大部分汇流大海，但 也有不少沉积在低洼湖泊地带
– 我国几条大河的河口地区和洞庭湖、都 阳湖等大湖泊，都属于这样的堆积区
• 从流域地表冲蚀而来的泥沙数量，通 常是用每平方公里地面每年冲蚀若干
单位mm
d
( 6V
1
)3
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等容粒径：与泥沙颗粒容积相当的球体直径
D
6V
1/
3
几何平均粒径：相当于椭球体的等容粒径
D abc1/3 (椭球体的体积abc / 6 ＝球体的体积D3 / 6)
算术平均粒径：长、中、短轴的算术平均值
D a b c 3
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• 弯道环流图
– 图中，a为平面，b为 横剖面
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河流泥沙的来源和组成
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泥沙的来源
• 河流泥沙的最根本来源是岩石的风化 • 河流中运动着的泥沙，其来源主要包括流域地表的冲蚀和
河床的冲刷
– 风沙运动给河流带来的泥沙首先在规模上不如前二者；其次，从 广义的角度也可以归入流域地表的冲蚀；再者，风沙运动带来的 泥沙绝大部分属于冲泻质，对河流的冲淤影响较小
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三、泥沙的空隙率
孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称为孔隙率
• 泥沙孔隙率因沙粒的大小及均 匀度、沙粒的形状、沉积的情 况以及沉积后受力大小及历时
长短而有不同。 • 对各类泥沙孔隙率一般为
粗 沙 ： 的 孔 隙 率 39 ％ ～ 40 ％ ， 中沙：41％-48％， 细沙：44％—49％。
– 明槽主要是粗糙边壁附近小尺度的紊动，由大、中、 小尺度构成的紊动结构虽不能完全排除，但不占主导 地位
– 河道水流，根据张瑞理的研究，紊源除了普通意义的 粗糙边壁外，还包括河势、河相、成型淤积体、河底 或河岸的大凸大凹、沙纹及沙波等，这些紊源的尺度 是边壁粗糙完全不能比拟的