泥沙颗粒基本性质ppt.ppt

第一章 水流 泥沙的基本性质泥沙 指所有在流体中运动或受水流 风力 波浪 冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑 钱宁 1983 粒径大小可差数十 数万倍 粒径大小一般变化在0 001 100 0mm Pm2 5和Pm10本章主要内容 河道水流基本特性 单颗粒泥沙特性 群体泥沙颗粒特性 泥沙沉速 含沙水体 浑水 特性 1 河道水流的二相性 液相 水 连续介质 和固相 沙 非连续介质的颗粒群体 两相流理论 2 河道水流的三维性 河道断面不规则 顺直段很短 宽深比小 尤其是山区河流 3 河道水流的非恒定性 来水来沙随时间变化 河床处于不断的变化中 4 河道水流的非均匀性 5 不平衡输沙 1河道水流基本特性 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 physicalweathering 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 发生在风化初期 2 化学风化 chemicalweathering 指岩石在外界条件的影响下 引起化学成分的改变 产生新的物质的过程 1 溶解作用 solution 水是一种极性溶剂 岩石中的矿物都是无机盐 虽然占绝大部分的硅酸盐和铝硅酸盐矿物溶解度很小 但很长的地质年代中 水溶解的规模是相当大的 况且地表的水常常溶有CO2 NO2以及有机酸等 这样大大提高了水的溶解能力 风化作用 2 水化作用 hydration 指无水矿物与水结合成为含水矿物的作用 CaSO4 2H2OCaSO4 2H2O2Fe2O3 3H2O2Fe2O3 nH2O赤铁矿褐铁矿 水解 hyrolysis 和碳酸化作用水解2KAlSi3O8 3H2OAl2Si2O5 OH 4SiO2 2KOH钾长石高岭石碳酸化水解作用2KAlSi3O8 CO2 2H2OAlSi2O5 OH 4SiO2 K2CO3CO2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 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 7O2FeSO4 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 风化作用 3 生物风化 biologicalweathering指岩石中的矿物在生物及其分泌物或有机质分解产物的作用下 进行的机械性破碎和化学分解过程 生物风化的作用因素是生物及其代谢物发生的风化是物理和化学风化并存 微生物 植物根系 动物等 在岩石风化初期主要是低等生物如细菌 真菌 地衣等 根劈作用 rootwedging 风化作用阶段 1 碎屑残积 物理风化为主 化学成分基本不变 2 钙质残积类型 因为岩石矿物经化学风化生成的易溶性钾 钠 钙 镁的氯化物和硫酸盐 受流水作用逐渐淋溶流失 而碳酸钙相对积累 3 硅铝化类型 岩石中的矿物受长期风化 可溶性氯化物及硫酸盐遭到强烈淋失 甚至溶解度较小的碳酸钙也被淋溶 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 铝矿物和高岭石粘土矿物为主 如红土 土壤 残积层 基岩 风化壳 二 黄土成因 researchofloessgenesis 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 VonRichthofen 1882年 和奥勃鲁契夫在19世纪末叶提出的 低空理论 subaerialtheory 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 风成说依据 1 矿物成分粉粒为主符合风力搬运特点 2 结构特点 土质疏松 大孔隙 湿陷性 二 黄土成因 2 残积说 认为黄土是在干燥气候条件下 由下伏基岩经风化残积作用形成的 黄土的许多性质与风化壳的黄土化作用有关 3 黄土多成因说 认为黄土是由多种地质作用 如冲积作用 洪积作用 坡积作用 风积作用和冰川作用等 在相似的气候条件下逐渐堆积而成的 其物质来源主要是区内或邻近地区的早期堆积物和基岩风化碎屑物 4 洪积说 李明光多次赴黄土高原 青藏高原 西北等地考察 认为欧亚板块和印度板块相碰撞 释放出巨大能量 产生多次灾变性洪水 洪水从西北向东南方向漫滋 带来大量黄土物质 形成巨厚的黄土沉积并抬升 由于气候干燥黄土得以保存 黄土特性 1 矿物成分 主要以石英 长石等稳定矿物 粒度组分以粉粒为主 同层位的黄土连续分布在不同高度的坡地 高原 平川等地貌单元上 符合风力搬运特点 2 结构特点 土质疏松 多大孔隙 具湿陷等特性 多为块状结构 无节理 三 土壤 土壤是以风化产物和松散堆积物为母质 经生物和化学作用为主的成土改造作用 具有植物生长所需的有机质 腐殖层 和无机质 N P K 微量元素和水分与孔隙 土壤呈灰色 灰黑色 厚度0 5m 2 5m 一 土壤的结构 土壤剖面成层 表层为腐殖层A层 团粒 孔隙 中间是淋溶层B层 矿物 有机质淋溶 底层是沉淀层C层 二 土壤的可蚀性或抗侵蚀性国外 土壤的可蚀性分为可分离性 detachability 和可搬运性 transportability 国内常用抗侵蚀性 分为抗冲性和抗蚀性 土壤的抗蚀性系指土壤风 水对土壤的机械破坏 抗蚀性抵抗水对土粒的分散和径流悬浮的能力 土壤的抗蚀性常用分散率 侵蚀率和分散系数表示 土壤的抗蚀能力和土壤机械组成 化学特性 土壤被复等有关 经研究其与土壤结构的关系极为密切 土壤结构性愈好 则不是被水浸泡溃解 并能坚强地抵抗雨滴的打击和径流的冲刷 这是因为土壤结构最主要的特点是它的稳固性 即不易分裂为小团聚体和机械元素的能力 不稳定的结构 当其浸入水中或遭受雨打水冲时 很快就分裂为各自分开的颗粒 而稳定的结构 在水的作用下比较耐久 完全不被破坏或者仅部分地分裂成为小的团聚体 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 不同气候下土壤的形成分析 南方湿热风化强烈盐基淋失多土壤pH低原生矿物少 且粘土矿物以Ki值较低的高岭石为主南方湿热生物生长旺盛微生物活动强烈有机质积累少H F 胡敏酸与富里酸之比 0 5东北地区冷湿风化不强盐基淋失少 盐基饱和 pH高东北地区冷湿有机质分解慢 积累多 但品质较差 C N高H F低 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 3颗粒的个体特性 一 泥沙颗粒的大小 粒径1 等容粒径 nominaldiameter 体积相当的球体直径 适用于卵石以上的较大颗粒2 平均粒径 粗颗粒3 筛分粒径 seivediameter 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 4 沉降粒径 falldiameter 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 粒径小于0 1mm颗粒的分析方法比较复杂 原因有 1 细小颗粒由于盐类及水化膜中离子作用常常粘聚在一起 形成集合体 使粒径增大 细粒减少 2 不能直接分出所要区分的粒组 必须经过简单换算 D 2 或 美国地球物理学会中国水文漂石boulders 256mm 200mm卵石cobbles64 256mm20 200mm砾石gravel2 64mm2 20mm粗沙coarsesand0 5 2 0mm中沙mediumsand0 25 0 5mm0 05 2 0mm细沙finesand0 062 0 25mm粉沙silt0 004 0 062mm0 005 0 05mm粘土clay 0 004mm 0 005mm 二 颗粒形状 1 圆度 roundess 颗粒棱和角的尖锐程度 圆度相等的颗粒 形状可能不同 如图 圆度相等 形状不同 2 表面结构 显微镜下观测的颗粒表面细微形状 3 球度 sphericity wadell于1932年定义 与颗粒同体积的球体直径和颗粒外接球直径之比 1 a 6V 3 14 0 333 4 形状可用形状系数SF shapefactor 表示泥沙颗粒形状最初取决于岩石母质和风化作用 随后在输运过程中受物理 化学和生物作用不断改变形状 一般是其圆度增加的过程 5 卵石磨损 卵石在运动中经常与河床发生磨檫使卵石的体积 重量和粒径沿程减小 6 某种粒径的 短缺 现象 如瑞士莱茵河河床质中 有5 100mm的砾卵石 也有1mm的细沙 但很少存在1 5mm的颗粒 一种解释认为是岩石崩解作用产生的某一粒径短缺 另一种认为风化形成后 在输运过程中细化了 赣江下游河床质钻孔资料分析结果 10 20mm粒组缺乏 四 比表面积 1 1 1 定义 泥沙颗粒的表面积与其体积之比 2 比表面积的意义 颗粒越小 比表面积越大 反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对大小 其值越大 物化作用就越大 2 3泥沙的几何特性 三 颗粒的密度 容重 比重 容重 与泥沙的矿物组成决定 一般分为胶体分散矿物 轻矿物和重矿物 4泥沙颗粒群体特性 泥沙颗粒群体特性 bulkpropertiesofsediment 包括粒径分布 sizedistribution 干容重 specificweight 水下休止角 angleofrepose 床面上的颗粒排列 一 粒径分布及级配曲线 1 泥沙颗粒的粒径尺度 自然界中泥沙的粒径变化很大 从1m的漂石 到0 001mm的粘粒 Krumbein提出 值分级尺度 取以2为底的对数并乘以 1 2 泥沙颗粒的粒径分布 粒径频率直方图和粒径频率累积曲线 粒径频率直方图 粒径频率累积曲线 xe 2 3泥沙的几何特性 c组成不均匀 变化范围大 各组粒经含量接近 d组成很均匀 变化范围小 2020 3 17 37 可编辑 二 粒径分布特征值 1 代表粒径 平均粒径 meandiamnter dm 算术平均 dmg 几何平均 中值粒径 d50 mediansize 2 均方差 和几何标准偏差 g拣选系数 3 偏度 偏离对数正态分布的程度 4 峰度 粒径频率分布的集中或尖锐程度 三 泥沙集合体的命名 对于粒径组成分不同的混合体 采用沉积岩石中的命名方法 即二元命名和三元命名 国际制 ISSS 土壤质地分类三角图 四 泥沙淤积物干容重 1 泥沙淤积物干容重 specificweight 单位体积的淤积物沙样干燥后的重量 也称干密度 由于泥沙颗粒存在孔隙 干容重一般小于个体颗粒的容重 在分析河床冲淤变化时 泥沙冲淤的重量必须通过泥沙的干容重换算为泥沙冲淤体积 量纲 N m3 tf m3 kgf m3 影响干容重的主要因素有粒径组成 淤积历时 埋藏的深度和环境等 2 干容重计算方法 3 泥沙粒径对干容重的影响 4 干容重与淤积深度和淤积历时关系 泥沙的水下休止角 在静水中的泥沙 由于摩擦力的作用 可以堆积成一定角度的稳定倾斜面而不致塌落 此倾斜面与水平面的角度为泥沙的水下休止角 angleofrepose 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 五 常用模型沙的特性 1 常用模型沙及其特性指标 颗粒容重 干容重 粒径 起动流速 沉速 水下休止角等 2 模型沙的选择 是泥沙模型试验研究中的关键技术 如起动流速比尺大 糙率比尺小的 可选择容重小的轻质沙如木屑 另外能大量制备 通用性强 3 颗粒容重可调整的模型沙 BZY材料颗粒 容重可以调整 4 模型沙的水下休止角 张幸农 唐存本 新型BZY模型沙的研及其特性试验研究制 泥沙研究 1995 1 拟焦沙是由清华大学黄河研究中心同黄河水利科学研究院联合研发的一种新型模型沙材料 它是根据模型设计对容重及级配等方面的要求 采用容重小且热解效应强的焦煤为原料 首先通过水选降低原料灰分 然后脱水并粉碎成颗粒状 采取特殊工艺将煤粒部分脱去有机物及挥发分 经过脱硫 脱氮和脱灰等工序改变其化学键 进一步分选而成的 拟焦沙物理 化学性能比较稳定 容重为1 70 1 90t m3 任艳粉 姚棣 李远发等 拟焦沙阻力特性及水流挟沙能力试验研究 人民黄河 2009 11 六 细颗粒泥沙的物理化学特性 泥沙颗粒越细 颗粒比表面积越大 1 双电层及吸附水 2 双电层中电位 胶粒表面与液体界面上的电位为热力学电位 0 扩散层表面与自由溶液之间的电位差 称为电动电位 影响电动电位及扩散层厚度的因素 矿物成分 电解质浓度 溶液的PH值等 电位的大小 双电层的厚度 与离子的浓度和价数的关系电解质浓度越大或离子价数越高 扩散层越薄 电势越小 双电层的厚度越薄 7 电位的大小 双电层的厚度 与离子的浓度和价数的关系电解质浓度越小或离子价数越低 扩散层越厚 电势越大 双电层的厚度越厚 7 3 絮凝与分散 DLVO理论 泥沙颗粒越细 重力作用越弱 颗粒之间的相互作用则俞来俞重要 存在于颗粒之间的吸附水膜促使它们连接起来 同时也有排斥作用 相邻颗粒在一定条件下结合成集合体的作用为 凝聚作用 扩散层很薄 凝聚作用强 反之如果扩散层很厚 排斥力大于吸附力 颗粒重新分离为 分散作用 5泥沙颗粒的沉速 一 泥沙颗粒沉降沉速概念 单颗粒泥沙在无边界影响静止清水中均匀沉降的速度 fallvelocity 由于粒径越粗 沉速越大 也称水力粗度 沉降过程分析 实测资料表明 泥沙沉降的运动状态与颗粒雷诺数有关 过渡区 层流时 紊流 二 球体颗粒沉降1 从绕流分析阻力FD 阻力系数 CD 量纲分析 emprical2 力学分析层流时 STOKES公式过渡区紊流 oseen oseen 三 天然沙沉降代表性公式 1 张瑞瑾公式思路 从泥沙沉降的过渡区力学分析 2 窦国仁公式思路 从泥沙沉降的过渡区绕流分离区分析 相对而言 单颗泥沙在静水中的沉降特性已基本明确 而群体颗粒的沉降规律相当复杂 对其沉降规律还认识不透 四 影响沉速的主要因素 一 颗粒形状的影响 绕流阻力修正系数K 二 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 三 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 四 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 6含沙水体 浑水 性质 一浑水的容重 含沙量混合比含沙量 体积比含沙量 重量比含沙量 二 含沙水流的流型 表观粘度 Toms降阻效应 推移质与悬移质床沙质与冲泻质 推移质 bedload 在床面附近以滚动 滑动或跳跃方式运动的泥沙 也称