河流动力学2泥沙特性Word文档下载推荐.docx

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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：

乐Jb2b

:

：

J=3（）（）

'

ac（1942年克来拜因提出）

形状系数:

1、等容粒径：

Sp

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

（泥沙

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。

V』

1

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

d（abc）

3_

3、几何平均粒径：

粒d=芋赢

当泥沙形状为椭球体时，等容粒径与几何平均粒径相同（V=^abc/6=jid3/6）

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。

对于较细的泥沙，例如：

一般沙土，更不用说粉土和粘土，在通常情况下不可用上述方法，通常用筛分法和水析法。

沙土：

筛分法。

采用公制标准筛，不难设想，用筛分法得出的粒径应相当于各粒径组界限沙粒的中轴长度，接近等容粒径，称为筛径。

6、沉径：

3〜D

对于粉土与粘土，已不可能进一步筛分，只能用水析法，如：

比重计、粒径计、移液管

法等，这些方法的基本原理：

通过测量沙粒在静水中的沉降速度，按照本书阐明的粒径D

与沉速3的关系式换算成粒径。

该粒径与筛径一样接近等容粒径但并不全等，称为沉降粒径，

简称沉径。

泥沙粒径是泥沙十分重要的物理量，但要通过测量得到精确的大小是困难的，因此我们在进行一项具体的泥沙研究之前，必须对泥沙粒径的量测精度如何有清楚的了解，做到“胸中有数”。

二、泥沙的组成与粒配曲线

1研究意义：

天然河流中的泥沙并非均匀的，不同组成的泥沙特点不一。

通常采用泥沙的粒配曲线来描述泥沙的集合特性。

三、河流泥沙的分类

不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性质。

分类定名的原则：

既要表示出不

同泥沙性质上的显著差异和变化的规律性，又要能使各分界粒径尺度成为一定比例。

我国

水利工程界分类情况见表1一2。

此外表1一1所示克伦宾的e—分类法被海洋部门广泛使用。

不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成（高岭土——粘土，石英——沙），不同粒径级

的颗粒具有不同的物理化学特性。

分类情况见表1一2。

一一与日常生活接近

0-005O.CB32Q；

00軸径（nwO

报剧泥抄曲料的人小，可对泥沙进和分炎、务类泥沙的粒徒可参号应1-2.由衣可见，各类泥沙的分界散字曲1/200—"

20—2—20—200。

泥松又可分为滉於、石三大类「耳屮粘粒、粉沙属馄；

沙粒聘沙■砾石、卵冇，濃石岡石©

据沙赖粒分筑标准（我国出利.T.捏界分張｝

衣1-2

提问：

上述分级标准有何特点？

四、沙样的空隙率

泥沙中孔隙的容积占总容积的百分比称为孔隙率。

泥沙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。

粗沙的孔隙率一般为39%^40%中沙为41%-48%细沙则为44%-49%泥沙孔隙率的下限比较稳定，平均在0.40左右。

粒径均匀的泥沙的孔隙率最大。

形状对孔隙率有较大的影响。

沉积的方式对泥沙孔隙率也有很大影响。

1-2细颗粒泥沙的物理化学特性

悬浮在水中的泥沙能与水发生物理化学作用。

如：

粗沙子不能捏成形（一盘散沙），不

管干湿，但粘土加水后则能捏成形，说明加水后会产生某些作用，使颗粒间会有粘结力。

一、泥沙的比表面积

泥沙的比表面积：

就是泥沙颗粒的表面积与其体积之比。

对球体而言，比表面积定义为：

"

骼3=%

其力学意义：

物理化学作用（表面积）与重力作用（体积）之比

泥沙的颗粒愈细，其比表面积愈大，细颗粒所受的物理化学作用相对（重力）大大突出。

如：

直径1卩m与直径1mm粗沙，前者的比表面积是后者的1000倍，故物理化学作用大大增加，对泥沙的运动产生影响（絮凝，难于起动（粘结力））。

二、沙粒的电化学性质

当泥沙粒径小于0.01mm时，水中的泥沙会发生物理化学作用。

物理化学作用的强弱与颗粒的比表面积的大小有关。

这是由于物理化学作用是在泥沙粒径的表面发生的，同样重力的泥沙，表面积愈大，物

理化学作用愈强。

天然河流的泥沙，粒径一般在0.001mm以上，受重力作用的制约，散布在水体中时，属于悬浮体（粒径在0.0001m以下的称为胶体）。

细颗粒泥沙的比表面积很大，颗粒表面的物理化学作用特别突出，对泥沙运动产生重要

影响。

细颗粒悬浮体与胶体的电化学性质近似，即一般颗粒表面均带负电荷。

可以以硅酸胶体的胶团加以说明：

胶核是胶团的核心，由包含有一定水分子的二氧化硅构成。

胶核表面分子离解成硅酸根和氢离子，带负电的硅酸

根离子吸附在胶核表面上，形成决定电位的离子层，即双电

层的内层，使胶核表面带负电。

带正电的氢离子（反离子）

则围绕于它的周围，形成补偿离子层，即双电层的外层。

SiO2yH2OmnSiO3--2xH2n-xH胶核吸附层扩散层

（硅酸胶体的胶团公式）

补偿层的内层受静电引力较强，牢固地吸附在胶核表面，与决定电位离子层形成吸附层，它与胶核一起构成胶粒。

补偿层的外层受静电引力较弱，并由于热运动的缘故，呈扩散

分布状态，称为扩散层。

扩散层所带的正电荷与吸附层中的负电荷（等于其中负电荷与正电荷的差值）刚好相

等，因而整个胶团呈中性状态。

当沙粒在水中作相对运动时，随胶核而动的吸附层与扩散层产生电位差，称为电动电位，通常以E表示。

扩散层厚度愈大，电动电位愈大，胶核所带电荷也愈大。

这样，胶粒间斥力增大，胶核就比较稳定，而保持一定的分散状态。

反之，扩散层厚度愈小，电动电位愈小，颗粒间斥力愈小，当小至一定程度时，粒子产生合并，就出现絮凝现象。

悬浮在水中的细颗粒泥沙相互之间或与周围介质之间吸附作用的强弱，与颗粒比表面

积的大小成正变，与颗粒间的距离成反比。

因为细颗粒泥沙比表面积十分大，所以具有较强的吸附作用。

在细颗粒泥沙表面吸附着一层水膜，称为分子水或束缚水，分子水又包括外层的胶（粘）

滞水和内层的胶（粘）结水，沙粒表面与胶结水相互吸引力极大。

胶滞水仍呈液体状态，但也

受很大的吸引力。

三、水的电化学作用

水的电化学性质主要表现在水中反离子的浓度及价数上。

如果水中反离子的浓度较小，扩散层的厚度就较大，离子离开固体表面较远，部分离子

从吸附层转入扩散层，引起电位增大，胶粒的分散状态就比较稳定。

反之亦然，胶粒就容易聚沉。

水的电化学性质与水中溶解的电解质有关。

它们的含量不仅在不同的河流很不相同，即

使在同一河流中，不同的点，不同时期也有变化。

这首先与水源所在地区的地质条件有关；

其次与水源性质（是地表水或地下水）有关。

总的规律是，汛期离子含量小，枯季离子含量大；

大河离子含量变化小，小河离子含量变化大；

各条河流存在一定的规律性。

双电层及吸附水膜的特性对细颗粒泥沙的性质及运动规律有重要影响。

水中的颗粒之间有两种作用：

分子吸引力（范德华力）和同号电荷的排斥力。

当扩散层薄，颗粒间距离小，作用和为吸引力，颗粒容易聚合；

反之亦然。

沙、砾石、卵石类粗颗粒泥沙一旦沉积到河底，就不会再压密了。

而细颗粒泥沙，特别是粘土颗粒则不是这样。

由于絮凝作用，细颗粒在沉积时会连结成絮团，絮团与絮团会连结成集合体，集合

体还会搭接而形成网架。

絮凝的新沉积物是一个高度蜂窝状的结构，含水量很高，密度

很低，如图1-3中的a）所示。

这样的淤积物具有很低的抗剪强度或粘结力。

在自重或其他外力的作用下，最脆弱的

集合体与集合体之间的连结将首先破坏，并

。

这样的淤积物具有较大的密度和粘结力。

团重叠排列成层，如图1-3中的c）所示。

进一步增加压力则絮团将发生变形，使絮团间孔

隙消失，淤积物成为颗粒密集排列的均匀结构，如图1-3中的d）所示。

1—3泥沙的重力特性

、泥沙颗粒的重率

泥沙颗粒单位体积的重力称为泥沙颗粒的重率。

s-

■-二

—&

RT=E‘L+KlgT©

=32.5+1.27dco

二、泥沙的干容重（重率）

河床上的泥沙之间有空隙。

取未经扰动的原状沙样，量出它的体积，在1000-1050的

温度下烘干，其重力与原状沙样的体积之比，称为泥沙的干重率丫’。

为研究河床冲淤变化

时，它是确定泥沙重力与体积关系的一个重要物理量。

影响泥沙干容重大小的物理量的因素有：

泥沙颗粒的大小，组成的均匀程度，淤积物的

深度，淤积历时等。

此外，泥沙的矿物成分，淤积环境及水文条件等。

三、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

角度称为泥沙的水下休止角。

其正切函数即为泥沙的水下摩擦系数f。

根据天津大学的研究，泥沙的水下休止角与泥沙的粒径有关，关系式见（式1--13）。

©

=32.5+1.27d（1--13）

1—4泥沙沉降速度

一、基本概念

1.定义：

单颗粒泥沙在静止、无限大的清水中、匀速下沉的速度称为泥沙的沉降速度。

简称

沉速，又称为水力粗度。

用表示'

单位为cm/s。

静水中，泥沙颗粒受到有效重力W作用而下沉，在开始自然下沉的一瞬间，U初=0,水

流阻力F=0,只有W起作用，存在加速度a，随着3增大，F增大，使F=W这时，3达到一极值，泥沙匀速下沉。

这一过程十分短暂（d=3mm时，不到1/10s;

d=1mm寸，不到1/20s），所以，研究泥沙在静水中沉降时，可不考虑a的问题。

研究3的意义：

3是综合反映泥沙颗粒的比重、形状大小以及水的阻力的一个物理量，是泥沙的重要特性。

在研究水流与泥沙相互运动时，由于3反映了泥沙在与水流的交互作用时对机械运动

的一种抵抗能力，组成河床的泥沙3越大，泥沙沉淀的倾向就越强，也就是越容易淤积，因

此在实际工程中与河床演变分析中，经常使用到这一参数。

2•泥沙沉降的不同型式

实践表明，泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数有关。

与水力学类似，用

雷诺数表征绕流流态，雷诺数中的几何尺度用泥沙的粒径，称为沙粒雷诺数