chap1泥沙特性

1、韓智明韓智明錢寧錢寧:泥沙運動力學應該是內容更廣泛的泥沙運動力學應該是內容更廣泛的“泥沙學泥沙學”的一個組成部分。的一個組成部分。6 66 6可供直接飲用的河流和淡水湖泊可供直接飲用的河流和淡水湖泊10.17萬萬 3km圖中單位為圖中單位為地下地下海洋海洋冰川冰川沼澤沼澤湖泊湖泊山河山河大氣大氣自然界自然界中的水中的水1.0 河道水流基本特性河道水流基本特性u河道水流的流型河道水流的流型：河道水流的雷諾數一般都比較大，其流型一：河道水流的雷諾數一般都比較大，其流型一般居于阻力平方區(qū)。般居于阻力平方區(qū)。u河道水流的河道水流的主流主流與副流與副流：主流（又稱正流、元生流）主流（又稱正流、元生流）是

2、水流沿是水流沿著河槽總方向的流動著河槽總方向的流動 。u與主流相對應的有與主流相對應的有副流副流（又稱次生流）（又稱次生流）。如。如環(huán)流次生流環(huán)流次生流：在比：在比較順直的河段中，當流量隨時間變化劇烈時，常常產生微弱的環(huán)較順直的河段中，當流量隨時間變化劇烈時，常常產生微弱的環(huán)流。流。u分散流分散流：河流漲水時，兩岸水位低于斷面中間水位，產生河底：河流漲水時，兩岸水位低于斷面中間水位，產生河底水流向兩岸分散的兩個環(huán)流，兩岸淤積，中間沖刷。水流向兩岸分散的兩個環(huán)流，兩岸淤積，中間沖刷。u集合流集合流：河流退水時，產生的向河底集聚的兩個微弱環(huán)流，兩：河流退水時，產生的向河底集聚的兩個微弱環(huán)流，兩岸沖

3、刷，中間淤積。岸沖刷，中間淤積。u河灣水流河灣水流：是河道中常見的水流現象，一種三元流動。實際是：是河道中常見的水流現象，一種三元流動。實際是橫向運動與縱向運動結合的螺旋流。橫向運動與縱向運動結合的螺旋流。河道水流的流速分布河道水流的流速分布卡曼卡曼- -普蘭特爾（普蘭特爾（Th.von.Darman-L.PrandtlTh.von.Darman-L.Prandtl）對數流速分布）對數流速分布公式公式 對數及反三角函數流速分布對數及反三角函數流速分布 指數公式指數公式max11uuhnukymax12211212arctan1122aaaUunnarctanukaaaaa1muymUh水力侵蝕

4、類型水力侵蝕類型冰川侵蝕類型冰川侵蝕類型風力侵蝕類型風力侵蝕類型凍融侵蝕類型凍融侵蝕類型重力侵蝕類型重力侵蝕類型土土壤壤侵侵蝕蝕類類型型混合侵蝕類型混合侵蝕類型化學侵蝕類型化學侵蝕類型生物侵蝕類型生物侵蝕類型泥沙粒經分級法泥沙粒經分級法 2D常用：常用：- -分級法，由分級法，由Krumbein(Krumbein(克倫賓克倫賓) )提出；提出；公式：公式：原因：泥沙粒經分布大致呈現對數正態(tài)分布的特特性原因：泥沙粒經分布大致呈現對數正態(tài)分布的特特性特點：可用小的特點：可用小的f值變化表示相當大的粒經變化范圍值變化表示相當大的粒經變化范圍D2log 分類方式：依據顆粒大小分類方式：依據顆粒大小我國

5、水利工程界分類：我國水利工程界分類：l 球度系數球度系數32)()(cbabl 形狀系數形狀系數abcSP a, b, ca, b, c為泥沙的長、中、短三個軸為泥沙的長、中、短三個軸長 軸 a中 軸 b短 軸 c泥 沙 顆 粒 形 狀gWVl 等容粒徑等容粒徑l 算術平均粒徑算術平均粒徑)(31cbaD3abcDl 幾何平均粒徑幾何平均粒徑313166 sWVD D篩析法示意圖1D2151516161212D D5050=0.0073mm=0.0073mm平均粒徑平均粒徑：中值粒徑中值粒徑： 50d2575dd。25d，75d 1650508421DDDD niiniiimppDD11 式中

6、，式中， 為第為第i i組泥沙的代表粒徑。組泥沙的代表粒徑。 n n 為沙樣按粒徑大小的分組數。為沙樣按粒徑大小的分組數。 實質上是以各組泥沙的重量百分數為權重的加權平均值。實質上是以各組泥沙的重量百分數為權重的加權平均值。iD9 .151 .84lnDD均方差均方差s s ：表示泥沙組成的非均勻程度：表示泥沙組成的非均勻程度, ,0 0均勻，越大均勻，越大越不均勻越不均勻 。25750DDS 2exp250DDm均勻沙均勻沙 =0，DmD50；非均勻沙；非均勻沙 0，DmD50 。分選系數分選系數( (非均勻系數非均勻系數) )S S0 0：仍表示泥沙組成的非均勻程：仍表示泥沙組成的非均勻程

7、度，度，1 1均勻，越大越不均勻均勻，越大越不均勻 。D Dm m與與 D D5050的關系：的關系：2502 eDDm 為泥沙粒徑組成的均方差。為泥沙粒徑組成的均方差?？紫堵逝c孔隙比孔隙率與孔隙比孔隙率孔隙率n n：沙樣中孔隙的體積與沙樣總體積之比。：沙樣中孔隙的體積與沙樣總體積之比。 n n= =V V孔隙孔隙/ /V V總總 孔隙比孔隙比e e：沙樣中孔隙的體積與沙樣顆粒體積之比。：沙樣中孔隙的體積與沙樣顆粒體積之比。 e e= =V V孔隙孔隙/(/(V V總總- - V V孔隙孔隙) )u天然沙孔隙率的一般規(guī)律天然沙孔隙率的一般規(guī)律沙樣越粗，孔隙率越??；沙樣越粗，孔隙率越?。?粗砂：

8、粗砂：39394040；中沙：；中沙：41414848；細沙：；細沙：44-4944-49；粘土絮凝后可達；粘土絮凝后可達9090均勻沙的孔隙率大均勻沙的孔隙率大, ,不均勻沙的孔隙率小；不均勻沙的孔隙率??；形狀圓滑的、棱角不分明的沙樣孔隙率較??；形狀圓滑的、棱角不分明的沙樣孔隙率較小；沉積時間越長，孔隙率越小沉積時間越長，孔隙率越小；泥沙的孔隙率反映了顆粒與顆粒之間相互結構松緊的程度。泥沙的孔隙率反映了顆粒與顆粒之間相互結構松緊的程度。(5)(5)埋深越大，孔隙率越小。埋深越大，孔隙率越小。在分析計算中淤沙的穩(wěn)定孔隙率一般取在分析計算中淤沙的穩(wěn)定孔隙率一般取0.40.4。 最小孔隙率，雖然隨

9、粒徑的縮小也略有增最小孔隙率，雖然隨粒徑的縮小也略有增加，但比較穩(wěn)定，平均在加，但比較穩(wěn)定，平均在0.40.4附近。附近。 淤沙的最大孔隙率，淤沙的最大孔隙率，隨著粒徑的縮小而增隨著粒徑的縮小而增高，變化幅度較大；高，變化幅度較大；粒徑大小粒徑大小與孔隙率的關系與孔隙率的關系2366DDDl 泥沙的顆粒愈細，其比表面積愈大。泥沙的顆粒愈細，其比表面積愈大。l 力學意義：物理化學作用（表面積）與重力作用力學意義：物理化學作用（表面積）與重力作用（體積）之比（體積）之比膠核膠核硅酸根（負電）硅酸根（負電）氫離子（正電）氫離子（正電）外層內層22322ymSiO HO nSiOxHn x H（硅酸膠

10、體的膠團公式） （硅酸膠體的膠團公式） 膠核膠核 吸附層吸附層 擴散層擴散層（硅酸膠體的膠團公式） 三、水的電化學作用三、水的電化學作用顆粒間受力：均帶負電荷顆粒間受力：均帶負電荷相斥；分子引力相斥；分子引力相吸。一般情況：擴散相吸。一般情況：擴散層薄，粒間力凈引力；擴散層厚，粒間力凈斥力。層薄，粒間力凈引力；擴散層厚，粒間力凈斥力。兩粘土顆粒相互接近時，會形成兩粘土顆粒相互接近時，會形成公共公共的雙電層。的雙電層。絮團：分散細顆粒相互吸引，聚合成結構松散、類似棉花團的較大團絮團：分散細顆粒相互吸引，聚合成結構松散、類似棉花團的較大團?；驁F塊，稱為。?；驁F塊，稱為。絮凝：細顆粒泥沙在一定條件下

11、彼此聚合的過程絮凝：細顆粒泥沙在一定條件下彼此聚合的過程( (絮團的形成過程絮團的形成過程) )，叫。叫。絮團、絮凝絮團、絮凝絮凝與分散絮凝與分散(DLVO(DLVO理論）理論） 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，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，存在于顆粒之間的吸附水膜促使它們連接起來，同時也有排斥作用。相鄰存在于顆粒之間的吸附水膜促使它們連接起來，同時也有排斥作用。相鄰顆粒在一定條件下結合成集合體的作用為顆粒在一定條件下結合成集合體的作用為“凝聚作用凝聚作用”，擴散層很薄，凝，擴散層很薄，凝聚作用強，反之如果擴散層很厚，排斥力大于吸附力，

12、顆粒重新分離為聚作用強，反之如果擴散層很厚，排斥力大于吸附力，顆粒重新分離為“分散作用分散作用”。一、泥沙顆粒的重率一、泥沙顆粒的重率 s sl 天然沙的重率：天然沙的重率： 24.9924.9926.95KN/m26.95KN/m3 3，取，取 25.97KN/m25.97KN/m3 3l 在分析計算中，常出現相對數值在分析計算中，常出現相對數值（ s s-)/ -)/ 有效容重系數有效容重系數32650mkgs/ 泥沙密度一般取泥沙密度一般取65. 1ssa 容重由容重由泥沙的礦物組成決定。一般分為膠體分散礦物、輕礦泥沙的礦物組成決定。一般分為膠體分散礦物、輕礦物和重礦物。泥沙礦物成分物和

13、重礦物。泥沙礦物成分: :主要是石英和長石，影響泥沙硬度。主要是石英和長石，影響泥沙硬度。二、泥沙的干容重二、泥沙的干容重 （specific weight) 泥沙粒徑的影響泥沙粒徑的影響干容重變化范圍較大，約為干容重變化范圍較大，約為0.350.351.751.75之間之間沙樣經沙樣經100105溫度烘干后，其重量（或質量）與原狀沙樣整個體積的比值溫度烘干后，其重量（或質量）與原狀沙樣整個體積的比值u概念概念)1 ()1 (nnssss干容重干容重：單位松散體積的重重量， s 2.9416.66kN/m3干密度干密度：單位松散體積的質質量，s 0.31.7t/m3u干容重與孔隙率干容重與孔隙

14、率n的關系的關系u影響干容重的主要因素影響干容重的主要因素：泥沙顆粒大小的影響泥沙顆粒大小的影響：顆粒越大， s越大，變化范圍??； 顆粒越小， s越小，變化范圍大。 如：D0.04mm， s 0.551.25t/m3 D0.2mm， s 1.41.7 t/ m3)mm0 . 1(095. 0exp472. 089. 1)mm0 . 1(441. 11131DDDDDDDsu影響干容重的主要因素：影響干容重的主要因素：泥沙淤積厚度的影響：淤積越厚，泥沙淤積厚度的影響：淤積越厚， s越大，變化范圍越?。辉酱?，變化范圍越??； 淤積越淺，淤積越淺， s越小，變化范圍越大。越小，變化范圍越大。TKssT

15、lg0 如：官廳水庫淤厚如：官廳水庫淤厚10m處，處， s 1.471.55 t/ m3 1m處，處， s 0.731.30 t/ m3泥沙淤積歷時的影響：沉積越短，泥沙淤積歷時的影響：沉積越短， s越小；越??； 沉積越長，沉積越長， s越大，然后趨于穩(wěn)定值；越大，然后趨于穩(wěn)定值； 大顆粒穩(wěn)定歷時短，細顆粒穩(wěn)定歷時長。大顆粒穩(wěn)定歷時短，細顆粒穩(wěn)定歷時長。泥沙組成的影響：組成越均勻，孔隙率越大，泥沙組成的影響：組成越均勻，孔隙率越大， s越??；越小； 組成越不均勻，孔隙率越小，組成越不均勻，孔隙率越小， s越大。越大。lgsTsLKT 淤積厚度的影響淤積厚度的影響 淤積歷時的影響淤積歷時的影響干

16、容重與淤積深度和淤積歷時關系干容重與淤積深度和淤積歷時關系二、泥沙的水下休止角二、泥沙的水下休止角(泥沙在靜水下自然堆積的坡面傾角泥沙在靜水下自然堆積的坡面傾角)WW cosW sintgWWfcossin水下休止角與泥沙的水下摩擦系數的關系水下休止角與泥沙的水下摩擦系數的關系151532.5 1.27d天津大學研究天津大學研究二、球體的沉速二、球體的沉速WF重力d阻力gDCDgDCWFsDsD34624322沉速計算沉速計算泥沙在水流中的有效重力泥沙在水流中的有效重力泥沙沉降阻力泥沙沉降阻力C CD D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層流狀態(tài)：層流狀態(tài)：C

17、 CD D與與R Reded為直線關系，即為直線關系，即C CD D=24/=24/R Reded，則：，則： (平方關系平方關系) 紊流狀態(tài)：紊流狀態(tài)：C CD D與與R Reded為無關，基本為一常數，為無關，基本為一常數，C CD D0.450.45。則：。則： (平方根關平方根關系系) 過渡狀態(tài)：過渡狀態(tài)：C CD D與與R Reded成曲線關系，數學上難以描述。則：成曲線關系，數學上難以描述。則：公式中多了一個參數：公式中多了一個參數：C CD Df(f( ,D), 的計算式為隱函數。的計算式為隱函數。 DDF33 gDCDFD24322 DDDCRe2424 2181DgsgDs7

18、2. 1dRed沙粒雷諾數反映泥沙沉降形式的無量剛參數沙粒雷諾數反映泥沙沉降形式的無量剛參數物理意義：沙粒慣性力與水流粘滯力的對比物理意義：沙粒慣性力與水流粘滯力的對比 。eDeDDRRC163124eDDRC24三、繞流狀態(tài)及繞流阻力三、繞流狀態(tài)及繞流阻力泥沙運動泥沙運動狀態(tài)狀態(tài)示意圖示意圖 運動特點運動特點 （顆粒周圍水（顆粒周圍水體流態(tài)）體流態(tài)） 沙粒鉛直下沉， 周圍水體幾沙粒鉛直下沉， 周圍水體幾乎不發(fā)生紊動現象。乎不發(fā)生紊動現象。 顆粒擺動下沉， 顆粒后的水體顆粒擺動下沉， 顆粒后的水體開始發(fā)生擾動、產生漩渦。開始發(fā)生擾動、產生漩渦。 顆粒盤旋下沉，附近水體產生顆粒盤旋下沉，附近水體

19、產生強烈的擾動和渦動。強烈的擾動和渦動。 DRe 5 . 0Re D 10005 . 0Re D 1000Re D 運動狀態(tài)運動狀態(tài) （繞流流態(tài)）（繞流流態(tài)） 層流區(qū)層流區(qū) （滯流區(qū)滯流區(qū)，滯性區(qū)），滯性區(qū)） 過渡區(qū)（介流區(qū)）過渡區(qū)（介流區(qū)） 紊流區(qū)紊流區(qū)（紊動區(qū)紊動區(qū)） 四、泥沙沉速四、泥沙沉速（一）崗恰洛夫公式（一）崗恰洛夫公式1 1）層流區(qū)（）層流區(qū)（D0.15mmD1.5mmD1.5mm）17. 1 DCgDs 068. 1紊流區(qū)泥沙沉降阻力值大致在紊流區(qū)泥沙沉降阻力值大致在0.9-1.4之間崗恰洛夫取之間崗恰洛夫取gDCsD3417. 1 DC2/32/31/3()sgD3 3）過渡

20、區(qū)（）過渡區(qū)（0.15D1.5mm0.15D1.5mm）1 0.03703.70.08lg83()TDD 沉沉速速公公式式 沉沉速速與與各各變變量量的的關關系系 層層流流區(qū)區(qū) 2241gDs 與與2D， g g、 s（有有效效容容重重系系數數）的的一一次次方方及及1 成成正正比比 過過渡渡區(qū)區(qū) Dgs3/23/13/2 與與D、與與g g 和和 s的的2 2/ /3 3 次次方方、及及3/1 成成正正比比 紊紊流流區(qū)區(qū) gDs 068. 1 與與D、g g 和和 s（有有效效容容重重系系數數）的的1 1/ /2 2 次次方方及及0成成正正比比 備備注注 TDD037. 0107 . 383lg

21、081. 0 （二）沙玉清公式（二）沙玉清公式1 1）層流區(qū)（）層流區(qū)（D0.1mmD2mmD2mm）1.14sgD2124sDg沙玉清取紊流區(qū)泥沙沉降的阻力系數沙玉清取紊流區(qū)泥沙沉降的阻力系數02. 1 DC3 3）過渡區(qū)（）過渡區(qū)（0.15D1.5mm0.15D1.5mm） 14334Re32ssDDggDDCaS 343ReaDDSC 3/13/13/13/1Re34 DDsaCgS 、沉降判數、沉降判數 與粒徑判數與粒徑判數323131313131/Re DggDSssaD DffSa， 39777. 5lg790. 3lg22 aS39374. 5lg386. 3lg23/223/1

22、 D3/13/13/13/1Re34 DDsaCgS 沙玉清過渡區(qū)泥沙沉速的實用算式沙玉清過渡區(qū)泥沙沉速的實用算式 （三）張瑞瑾公式（三）張瑞瑾公式2232 DkDkF 31DkWs WF 31232121kkCkkC ，dCgDCdCs 1221 mmD41 . 0 09. 195.1321 CC，DgDDs 95.1309. 195.132 223 DkF DkF2 31DkWs gDs 044. 1 26 .251gDs mmD4 mmD1 . 0 （四）竇國仁公式（四）竇國仁公式gdCRdFded2sin4)cos1 (21)1631 (422263dWSgdRRseded212)si

23、n2 . 1)cos1 (21)1631 (32134(（四）我國原水利電力部規(guī)范推薦公式（四）我國原水利電力部規(guī)范推薦公式 作作者者 層層流流區(qū)區(qū) 過過渡渡區(qū)區(qū) 紊紊流流區(qū)區(qū) 各各區(qū)區(qū)統(tǒng)統(tǒng)一一式式 S St to ok ke es s 2181gDs （D D0 0. .1 1m mm m） 張張瑞瑞瑾瑾 26 .251gDs （D D0 0. .1 1m mm m） gDs 044.1 ( (D D4 4m mm m) ) DgDDs 95.1309. 195.132 岡岡恰恰洛洛夫夫 2241gDs （D D0 0. .1 15 5m mm m） Dgs3/23/13/2 gDs 068

24、.1 ( (D D1 1. .5 5m mm m) ) 沙沙玉玉清清 2241gDs （D D0 0. .1 1m mm m） 2790. 3lgaS 39777.5lg2 gDs 14.1 ( (D D2 2. .0 0m mm m) ) 一、一、泥沙顆粒形狀對沉速的影響泥沙顆粒形狀對沉速的影響gDabcabcCsD3/23/472. 145. 0紊流區(qū)對于球體：對于球體：a a= =b b= =c c, , C CD D=0.45,=0.45,與前面一樣；與前面一樣；對于偏平體：越偏平，沉速越小。對于偏平體：越偏平，沉速越小。泥沙難以量測形狀，但礫、卵、塊石等存在泥沙難以量測形狀，但礫、卵

25、、塊石等存在a a、b b、c c三軸三軸；方位不同，下沉受阻面積及阻力不一樣，自然方位不同，下沉受阻面積及阻力不一樣，自然w w不一樣；不一樣；但通常會自動調整到與短軸但通常會自動調整到與短軸c c方向一致，即阻力最大的方方向一致，即阻力最大的方向；向；目前有研究成果：目前有研究成果：影響沉速的其它因素影響沉速的其它因素水質對沉速的影響主要水質對沉速的影響主要體現在體現在D0.03mm的細顆粒的細顆粒泥沙；泥沙；水中雜質易使細顆粒形水中雜質易使細顆粒形成絮團而成為大顆粒，沉成絮團而成為大顆粒，沉速加大；速加大；在含鹽度在含鹽度10時，含鹽時，含鹽度越大，沉速越大。度越大，沉速越大。二、二、水質對沉速的影響水質對沉速的影響m 名