泥沙基本特性及国内外研究现状

研究课题对泥沙的基本特性的认识及国内外研究现状

我国河流众多，流域面积大于100km2的有5万多条，流域面积在1000km2以上的河流有1500多条。全国水利资源丰富，正常年迁流量达27115亿m3，水能蕴藏量为5.8亿千瓦。

在我国江河治理中，一个十分突出的问题就是泥沙问题，大江大河流域内水土流失严重，造成大量泥沙输入河道，加剧了江河整治的复杂性，并带来危害。根据80年代初期统计，全国水土流失面积为120余万平方公里，占全国国土面积960万平方公里的12.5%，其中七大江河(即黄河、长江、海滦河、淮河、辽河、松花江、珠江)水土流失面积占总流失面积的85.8%。黄河是世界上泥沙最多的大河，多年平均年输沙量达16亿吨之多。黄河中游的黄土高原丘陵沟壑区，平均每年侵蚀和沟蚀模数可达10000t/(km20°a)。长江宜昌站平均年输沙量为5.3亿吨，仅次于黄河而居我国河流输沙的第二位。所以，如果能够解决掉河流的泥沙问题，我国的水资源将会得到极大地利用，这将使我国综合国力得到进一步提升。河流泥沙研究包括泥沙运动力学、河床演变学及以此为基础的河流模拟，是水利、地学及生态环境等学科的重要基础之一。本文主要就河流泥沙的基本特性以及国内外的研究为主题，进行系列性的阐述。目录一河流泥沙的定义、来源、分类二河流泥沙的几何特性三河流泥沙的重力特性四河流泥沙的浑水特性泥沙的定义：

泥沙通常指在流体运动中受到水流、风力、波浪、冰川及重力作用冲刷、搬移或沉积下来的固体颗粒。以上只是对泥沙的概括性定义。

我们水利工程专业研究的泥沙是河渠中随水流运动所挟带、冲刷和淤积的泥沙。泥沙的来源：

一类是来自流域内降雨形成的地面径流对地表的冲蚀，通常称其为水土流失。如，我国的母亲河黄河所挟带的泥沙大多来自黄土高原的水土流失，其中游的一些干支流的年平均含沙量高达300㎏/m3以上,汛期实测最大含沙量可达1500㎏/m3

另一类来源则是由于河床本身的冲刷，包括河岸的崩塌及河床的冲刷。河流泥沙的分类：河流泥沙的分类可以根据颗粒的大小、泥沙的运动状态、冲淤情况和补给条件进行，下面介绍两种分类方法。按颗粒大小：此方法我国目前还没有一个统一的标准，可以参考我国水文界的分类表，如下：按运动状态分类：按泥沙运动状态的不同，可将泥沙分为床沙、推移质及悬移质。床沙是组成河床表面静止的泥沙，又称为河床质。推移质是沿河床滑动、滚动及跳动前进的泥沙。悬移质是指被水流挟带，远离床面，悬浮于水中，随水流向前运动的泥沙。三者之间可以进行转换：推移质的的运动具有间歇性，其静止时可以转化为床沙；推移质和悬移质之间没有明显的界限，两者之间也可以相互转换；悬移质和床沙可以通过推移质进行间接地转换。二、泥沙的几何性质（泥沙颗粒的形状以及泥沙颗粒的粒径）泥沙颗粒的形状是各式各样的，有大有小，有尖有棱，为了描述泥沙的形状，通常采用球度系数以及形状系数。球度系数的大小可以反映泥沙颗粒偏离球体的程度：ψ=A‘/AA’表示与沙粒同体积球体的表面积；A是沙粒的表面积。形状系数的大小可以反映泥沙颗粒的扁平程度：SF=c/（a+b）^(1/2)a、b、c分别是颗粒长、宽、厚三个相互垂直方向上的尺度。

泥沙的粒径是用颗粒的概化直径表示，主要分为等容粒径、算术平均粒径、几何平均粒径、筛孔粒径以及沉降粒径。等容粒径：用体积与泥沙颗粒相等的球体的直径作为泥沙的粒径。V=（6V/π）^(1/3)算术平均粒径：把泥沙看成椭球体。泥沙颗粒的长中短轴分别为a、b、c。d=(a+b+c)/3几何平均粒径：d=（abc）^(1/3)以上三种是主要用于粗沙的形状。

筛孔粒径（筛径）：主要用于测定较细的泥沙颗粒。以泥沙颗粒刚能通过的筛孔边长作为泥沙的粒径。

沉降粒径（沉径）：采用水析法测定泥沙在静水中的沉降速度，再根据粒径与沉速的股有关系换算成对应的粒径。泥沙颗粒级配曲线沙在采集的代表样沙中，小于某种粒径的泥沙累积重量百分数与该粒径在半对数纸上的关系曲线，称为泥沙的级配曲线三、泥沙的重力特性3—1泥沙的容重

泥沙颗粒的质量和其实际体积的比值，称为泥沙的容重γs,也称为重率，常用单位为kg/m3.由于构成泥沙的岩石成分不同，容重一般在

2550kg/m3~2750kg/m3之间，通常取γs=2650kg/m3,进行分析计算。由于泥沙在水中运动受到浮力作用，它在水中的有效容重为（γs-γ)，为水的容重。泥沙在水中的重力作用常以有效容重系数α表示α=(γs-γ)/γ=(ρs-ρ)/ρ（1-1）其中，

ρs 和

ρ

分别表示泥沙颗粒和水的密度，一般α=1.653—2泥沙的干容重

沙洋颗粒之间的空隙存在空气和水，取一定体积未经扰动原样沙样，在100℃~105℃的烘箱内烘干后，其重量和原沙样体积之比，称为泥沙干容重γ’。干容重的大小实际上反映了泥沙颗粒间空隙的大小，若用单位体积原状沙洋中空隙所占体积百分数定义为泥沙的空隙率ε,则泥沙干容重γ’可表示γ’=γs*（1-ε）3-3影响干容重的影响因素

当河床发生冲於变化时，泥沙干容重是确定冲於泥沙重量和体积的一个重要物理量。

影响泥沙干容重大小的因素主要有泥沙颗粒的大小，埋藏深度，淤积历时，此外还与淤积环境和水文条件有关。

实测资料表明，受泥沙空隙率的影响，细颗粒泥沙的干容重变幅较大，初时淤积的干容重较小，随淤积深度的增加和历时的延长，最终趋于

一个稳定值，稳定的淤积沙最小空隙率约等于0.4.粗颗粒泥沙相反，

其空隙率小，压缩性小，干容重大而变幅较小。3-4泥沙的水下休止角

在静水中的泥沙由于颗粒间摩擦力的作用，可以形成一定的倾斜面而不塌落，这个倾斜面的角度称为泥沙的水下休止角，其正切等于泥沙的水下摩擦系数ƒ即

（1-3）泥沙的水下休止角与粒径、状、和表面光滑度、不均匀系数均有关系。四、泥沙的浑水特性浑

水 定

义

：

含有泥沙的水体称为浑水，浑水和清水性质和运动规律都不相同，特别是高含沙量的浑水，这种差异更为显著，具体表现在浑水的泥沙含量、容量、流动形式和流变特性。浑水中含有泥沙的多少用含沙量表示，三种表现方式：含沙量【1】体积含沙量Sv,表示单位体积浑水中的泥沙体积，即Sv=【2】重量含沙量Sw,表示单位重量浑水中泥沙的重量，即Sw=【3】混合含沙量S,表示单位体积浑水中泥沙的重量，即S=混合含沙量S应用更为广泛，通常又称为含沙量，单位多采用kg/m3三种含沙量之间关系:S=γs*Sv

；Sw=γs*Sv/(γ+(γs-γ)*Sv)=S/γ+（(1-γ/γs)/S)；浑水容重单位体积浑水重量称为浑水的容重，用γm表示。它与含沙量的关系为：γm=γ+(γs-γ)*Sv=γ+(1-γ/γs)/S式中γ为清水容重，若取：γs=2650kg/m3,则γm=γ+0.623S浑水流变特性清水是牛顿流体，粘滞性符合牛顿内摩擦定律：τ=μ*含沙浑水在流动过程中，流线在泥沙颗粒周围发生形变，改变了流速梯度，不对称绕流使沙粒在流场内产生旋转；颗粒絮凝也会增加水流阻力，这些因素使粘性系数增大，从而改变浑水流变特性，即流动与变形的关系。含沙量较低的浑水，流变关系与清水相同，可以当做牛顿流体，只是粘滞系数不同。黄委会研究黄河干支流采用浑水粘滞系数：μ=μ0*Exp(4.75Sv)式中μ0是清水粘滞系数；Sv是体积的百分比含沙量。当浑水含沙量较高、特别是含有较多细颗粒泥沙（d<0.01~0.02mm)时，成为宾汉流体。其流变特性可表示为：τ=τB+ητB是宾汉极限切应力。当τ<τB时，浑水能承受一定的切力而不流动，呈刚体的特性，η为刚性系数。河流泥沙的水力特性（沉速）泥沙的水力特性是指泥沙在静水中的沉降规律，一般以泥沙的沉降速度来表示。通常规定单颗粒泥沙在静止的无限大清水水体中匀速下沉的速度为泥沙的沉降速度，简称沉速，用ω表示。泥沙沉速的大小主要与泥沙的粒径有关，粒径越粗，沉速越大，因此泥沙的沉速也称为水力粗度。根据实际观测，泥沙颗粒在静水中下降的运动状态与沙粒雷诺数Red有关，Red=ωd/v当Red较小（约小于0.5）时，泥沙颗粒基本沿铅垂线下沉，周围水体几乎不发生紊乱现象，这属于层流运动状态。当Red较大（约大于1000）时，沙粒脱离铅垂线，以极大的紊动状态下沉，周围水体产生强烈的扰动和涡体，这时属于紊流运动状态。当Red在0.5~1之间时，沙粒的下沉形式介于前两者之间，为过渡状态。球体的沉速球体在不同的运动状态下有不同的沉速表达式：层流沉降中粘滞力起主要作用。1.层流沉降（Red<0.5)所用公式为斯托克斯公式:2.紊流沉降（Red>1000)作紊流沉降的沙粒比较粗，其绕流阻力以紊动形态阻力为主。实测资料表明，这时阻力系数Cd与沙粒雷诺数无关，接近常数0.45。公式为：3.过渡区沉降（0.5<Red<1000)过渡区时，粘滞阻力和形状阻力同时存在，根据实验和实测资料建立经验性的关系曲线和计算公式得到公式：泥沙的沉速

以上求得球体的沉速公式和阻力规律反映了颗粒沉降的一般特征，对于泥沙来说可以借用。只是泥沙形状不规则，它在沉降时比球体受到的阻力大，其阻力系数要根据实验来确定。各种常见代表性公式汇总如下：影响沉速的主要原因

1.泥沙颗粒形状对沉速的影响主要表现在粒径较大的砾石和卵石，根据罗曼诺夫斯基在紊流区的实测沉速资料，用几何平均直径表示粒径，求得阻力系数Cd与形状系数SF=

的经验关系式为代入得到沉速公式则由上式可知，对几何平均粒径相同的石块，形状愈扁平，SF愈小，阻力愈大，沉速愈小。泥沙沉降中的絮凝现象：

产生絮凝现象的第一个因素是细颗粒的吸附作用。悬浮在水中的细颗粒泥沙相互间或与周围介质之间存在吸附作用，吸附作用的大小与沙粒比表面积有关。直径越小，比表面积越大，其吸附作用越强。

产生絮凝的第二个因素是沙粒的电化学性质。天然河流中细颗粒泥沙散布在水体中呈悬浮体，其表面一般带负电，由于静电引力作用，吸引水中带正电的反离子形成双电层。即牢固吸附在颗粒表明周围的吸附层和吸附层外补偿平衡沙粒表明电荷的扩散层。扩散层受静电引力弱，并存在热运动，呈扩散分布状态。当颗粒间扩散层越小，斥力减小反而转成引力，一些颗粒便结合成整体形成絮团，产生絮凝现象

产生絮凝现象的第三个因素是水的电化学性质。当水中反离子浓度越小，扩散层厚度大，离子距离固体表面越远，沙粒分散状态比较稳定，反之，水中反离子浓度越大，扩撒层较薄，沙粒易结合形成絮凝。3.含沙浓度的影响

(1)非均匀粗颗粒泥沙的群体沉速

(2)粘性细颗粒泥沙的群体沉速

当颗粒浓度较低时，絮团之间不搭接，单个絮团的沉速大于细颗粒个体沉速，浓度增加，絮团搭接联成絮网，沉速大幅度下降，整体缓慢下沉。4.含盐度影响

一方面增加水的容重和粘性，减小颗粒沉速，另一方面使细颗粒絮凝成团，增大沉速。试验表明盐度在0~4.0‰，沉速达到一个稳定值。5.水流紊动

单粒受紊动影响小，但絮团受的影响大。影响（1）增加颗粒碰撞，增强絮凝，（2）局部剪切力加大，引起絮凝的破碎。提出“动水沉速”河流泥沙研究国内外现状我国泥沙研究取得的重大进展

经过政府的大力支持以及水利前辈们的辛勤付出，使得我国在泥沙研究领域保持着世界领先地位。下面我举出几个具体事例来证明我国泥沙研究的现状。

长江三峡工程，是治理与开发长江的主体。工程规模宏大，效益显著，举世瞩目。泥沙问题是三峡工程的关键问题之一，主要研究的问题有:水库长期保留防洪库容和调节库容问题;水库变动回水区航道和港区的泥沙淤积问题;水库淤积引起重庆市洪水抬高问题;坝区泥沙淤积问题;水库运用对下游河床演变和河口的可能影响问题等。我国泥沙研究工作者，通过三峡枢纽不同正常蓄水位方案的工程泥沙问题的研究。无论在原型观测研究、泥沙数学模型计算和泥沙物理模型试验研究等

方面，均取得了大量研究成果。圆满地完成了国家科技攻关任务，为

三峡工程的可行性论证，工程设计作出了重要贡献。

通过重大攻关课题的研究进一步提高了我国一维不平衡输沙的泥沙数学模型计算和泥沙河工模型试验技术，我们在长系列预报方法的验证、水库异重流的计算方法，间断试验的方法，时间比尺的影响及其改善

和控制措施，全动床推移质模型和长河段全沙模型的设计与试验技术等方面已处于国际领先的地位。

黄河小浪底枢纽工程位于三门峡下游130km的黄河干流最后一段峡谷处，控制着黄河流域面积的92.2%，水量的95.5%，沙量的98.1%，它

具有防洪、减淤、发电、灌溉和防凌等综合效益的大型水利工程。小浪底水库的建成将为我国国民经济的发展作出重大贡献。小浪底水库建成后将与三门峡水库及上游干流的大型水库联合调度运用，将对黄河下游的防洪、减淤起到积极作用。泥沙问题是关系到小浪底工程成败

的关键，也是能否保证充分发挥其

效益的关键所在。如何能长期保持

其防洪的有效库容问题，如何能防

止水利枢纽泄水和排沙建筑物不被

淤堵的问题，小浪底水库修建后的

运用方式对黄河下游防洪减淤的影

响如何，这些均必须认真作出答复。

利用1：100的枢纽悬沙模型试验，进行了两种类型七种布置方案的对比试验，得到的枢纽优化布置方案是:泄流建筑物采用一字型排列，进水口集中布置，并在进水塔右侧设置导墙，进水塔架尽量靠近沟口。同时，电站进水口布置在进水塔中层，排沙洞、孔板泄洪洞布置在进水塔下层，明流泄洪洞布置在进水塔上层，有利于电站防沙和泄洪洞防淤堵，还有利于排漂浮物。这样的泄水和排沙建筑物的布置，可使风雨沟内，形成单一逆时针回流，水流流态基本规顺，在正常运用条件下，闸门淤堵现象不复存在。

由于地质等条件的限制，右侧是土坝，而所有泄洪排沙建筑物，只能布置在水流左拐进入左侧狭窄的风雨沟内，使水流状态和泥沙运动状态极为复杂，

要保证所有泄流排沙建筑物前有一个窄深的漏斗，闸门前上游面的漏斗边坡

不会因水位的骤降而坍塌使闸门淤堵，影响泄洪排沙建筑物不能正常运行，

危及大坝的安全。经十多年的泥沙模型试验研究，优化了枢纽的平面布置和

立面布置，进水塔呈一字形排列，不互相错开，而且集中布置，可以保证泄

流排沙建筑物前形成一个单一的逆时针方向的回流，能做到各种泄流条件下，泄流排沙建筑物前有一个窄深的漏斗，闸门不被淤堵。这些研究的成果达到

了国际先进水平，部分成果处于国际领先地位。泥沙模型试验成果获得了水

利部科技进步一等奖。

我国的泥沙问题是非常突出的，我国泥沙工作者在解决国家经济建设中的工程泥沙问题方面，作出了贡献。但是我们也要看到前进道路上还存在一些不可忽视的问题:

利用高含沙水流治理黄河的问题，曾经是一个热点的问题，泥沙界有不同的意见和看法。学术上的分歧意见和不同看法，是正常的，允许的。存在分歧的根源是由于我们对高含沙水流长距离输送的机理研究不够。为什么黄河下游河南部分是宽浅的，游荡的，而山东部分是窄深的、弯曲的?为什么永定河下游金门闸以上是宽浅的，游荡的，而金门闸以下是窄深的，弯曲的?这些问题要弄清楚，不弄清楚，将黄河下游的河道都整治成山东那样的窄深断面行不行?

另外，黄河现在的水资源利用率只有50%左右，最严重的水土流失问题仍然没有得到有效的解决；再譬如，三门峡水库的修建对于黄河泥沙问题的治理到底是弊大于利还是利大于弊，到