河流动力学-C1泥沙特性

1,第一章泥沙特性,本章内容简介,2,泥沙的几何特性细颗粒泥沙的物化特性泥沙的重力特性泥沙的水力特性以上各特性的计算方法,1.1.0,1.1泥沙的几何特性,几何特性：形状、大小、群体性、,xe,第一章泥沙特性,1.1.1,1.1泥沙的几何特性一、泥沙的粒径,泥沙颗粒的大小通常采样粒径D来表示。,xe,第一章泥沙特性,等容粒径,定义：体积与泥沙颗粒容积相等的球体直径。,公式：,常用单位：mm,算术平均粒径,定义：长、中、短轴的算术平均值。,公式：,1.1.1,1.1泥沙的几何特性一、泥沙的粒径,几何平均粒径,xe,第一章泥沙特性,定义：长、中、短轴的几何平均值，相当于椭球体的等容粒径。,公式：(椭球体的体积球体的体积),筛分粒径,定义：通过筛分法获得的粒径近似值,1.1.1,1.1泥沙的几何特性一、泥沙的粒径,泥沙粒径分级法,xe,第一章泥沙特性,常用：f-分级法，由Krumbein(克伦宾)提出；,公式：,原因：泥沙粒经分布大致呈现对数正态分布的特特性,特点：可用小的f值变化表示相当大的粒径变化范围,1.1.1,1.1泥沙的几何特性一、泥沙的粒径,泥沙分类分类方式：依据颗粒大小我国水利工程界分类：,一,第一章泥沙特性,1.1.2,1.1泥沙的几何特性二、沙样组成与粒配曲线,河流泥沙具有群体性，颗粒大小不一，含量多少不等，我们如何去充分表示其特性，于是提出了粒配曲线(级配曲线)。,xe,第一章泥沙特性,粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。,1.1.2,1.1泥沙的几何特性二、沙样组成与粒配曲线,粒配曲线的绘制方法和过程,第一章泥沙特性,取样筛分，获取各粒径组Di泥沙的重量；,统计出小于和等于各粒径Di的沙重，并算出其占总重的百分比pi；,准备半对数坐标纸(横坐标为对数分格，纵坐标是普通分格)；,以粒径Di为横坐标(对数坐标，从大到小)，小于和等于粒径Di的沙重百分比pi为纵坐标(普通坐标)绘制Dp粒配曲线。,实例(粒配曲线实例随PPt.xls),1.1.2,1.1泥沙的几何特性二、沙样组成与粒配曲线,粒配曲线反映的特性可反映沙样颗粒的大小和范围；可反映沙样组成的均匀程度。,xe,第一章泥沙特性,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。,1.1.2,1.1泥沙的几何特性二、沙样组成与粒配曲线,粒配曲线反映的定量特征值,xe,第一章泥沙特性,中值粒径D50：表示大于和小于该粒径的泥沙重量各占一半(图)。,平均粒径Dm：按粒经组所占重量百分比的加权平均值粒径(例)。,均方差s：表示泥沙组成的非均匀程度,0均匀，越大越不均匀。,1.1.2,1.1泥沙的几何特性二、沙样组成与粒配曲线,粒配曲线反映的定量特征值,二,第一章泥沙特性,均匀沙s=0，DmD50；非均匀沙s0，DmD50。,分选系数(非均匀系数)S0：仍表示泥沙组成的非均匀程度，1均匀，越大越不均匀。,Dm与D50的关系：,1.1.3,1.1泥沙的几何特性三、泥沙的孔隙率,孔隙率与孔隙比,第一章泥沙特性,孔隙率n：沙样中孔隙的体积与沙样总体积之比。n=V孔隙/V总。,孔隙比e：沙样中孔隙的体积与沙样颗粒体积之比。e=V孔隙/(V总-V孔隙),1.1.3,1.1泥沙的几何特性三、泥沙的孔隙率,天然沙孔隙率的一般规律,三,第一章泥沙特性,沙样越粗，孔隙率越小；粗砂：3940；中沙：4148；细沙：44-49；粘土絮凝后可达90,均匀沙的孔隙率最大；,形状圆滑的、棱角不分明的沙样孔隙率较小；,沉积时间越长，孔隙率越小。,1.1.4,1.1泥沙的几何特性四、泥沙的比表面积,比表面积的定义,1.1,第一章泥沙特性,泥沙颗粒的表面积与其体积之比。,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。,1.2.1,1.2细颗粒泥沙的物理化学特性一、电化学性质,颗粒吸附结构,ye,第一章泥沙特性,细颗粒泥沙在含有电解质的水中，周围会形成双电层。,吸附层：细颗粒主要成分为粘土矿物，其表面常带有负离子，吸引不纯净水中的正离子，这种牢固吸附在颗粒表面周围的反离子层，称为。,扩散层：吸附层离子电荷不足以平衡颗粒表面的全部电荷，因此在吸附层外还有一层反离子层，即。,双电层：吸附层扩散层。,1.2.1,1.2细颗粒泥沙的物理化学特性一、电化学性质,颗粒吸附结构,第一章泥沙特性,粘结水的引力可达到1万个大气压，密度可达1.22.4g/cm3，平均2.0g/cm3。粘滞水的密度可达1.31.7/cm3。束缚水的厚度一般0.1mm，最厚可达2mm。,粘结水：水分子具有极性，因静电引力作用，吸附层内水分子失去自由活动的能力而整齐、紧密地排列在一起，这层水称为。,粘滞水：扩散层内的水分子所受引力较小，水分子排列较稀松，仅有轻微的定向，这层水叫。,束缚水：粘结水粘滞水。,细颗粒泥沙表面负电荷吸引水分子，周围会形成束缚水。,1.2.1,1.2细颗粒泥沙的物理化学特性一、电化学性质,絮团、絮凝,一,第一章泥沙特性,颗粒间受力：均带负电荷相斥；分子引力相吸。一般情况：扩散层薄，粒间力净引力；扩散层厚，粒间力净斥力。,两粘土颗粒相互接近时，会形成公共的双电层。,絮团：分散细颗粒相互吸引，聚合成结构松散、类似棉花团的较大团粒或团块，称为。,絮凝：细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程(絮团的形成过程)，叫。,1.2.2,1.2细颗粒泥沙的物理化学特性二、絮团的压密特性,1.2,第一章泥沙特性,1.3.1,1.3泥沙的重力特性一、泥沙的容重和密度,密度：单位密实体积的质量rs=2.552.75t/m3,平均2.65t/m3容重：单位密实体积的重量gs=rsg平均2.65*9.8=26kN/m3有效容重(密度)系数：水下相对有效重量(质量),一,第一章泥沙特性,1.3.2,1.3泥沙的重力特性二、泥沙的干容重和干密度,概念,ye,第一章泥沙特性,干容重：单位松散体积的重量，gs2.9416.66kN/m3干密度：单位松散体积的质量，rs0.31.7t/m3,干容重与孔隙率n的关系,影响干容重的主要因素：,泥沙颗粒大小的影响：颗粒越大，gs越大，变化范围小；颗粒越小，gs越小，变化范围大。如：D0.04mm，gs0.551.25t/m3D0.2mm，gs1.41.7t/m3,1.3.2,1.3泥沙的重力特性二、泥沙的干容重和干密度,影响干容重的主要因素：泥沙淤积厚度的影响：淤积越厚，gs越大，变化范围越小；淤积越浅，gs越小，变化范围越大。,二,第一章泥沙特性,如：官厅水库淤厚10m处，gs1.471.55t/m31m处，gs0.731.30t/m3,泥沙淤积历时的影响：沉积越短，gs越小；沉积越长，gs越大，然后趋于稳定值；大颗粒稳定历时短，细颗粒稳定历时长。,泥沙组成的影响：组成越均匀，孔隙率越大，gs越小；组成越不均匀，孔隙率越小，gs越大。,1.3.3,1.3泥沙的重力特性三、泥沙的水下休止角,概念,1.3,第一章泥沙特性,水下休止角：泥沙在静水下自然堆积的坡面倾角，f，ftgf,水下休止角f与粒径D的关系,天津大学研究，f()与D(mm)有如下关系(图)：,水下休止角的其它影响因素：,泥沙的粒配泥沙颗粒的形状,1.4.1,1.4泥沙的水力特性一、泥沙沉降的不同形式,水力特性主要指沉速，用于悬沙输移理论、沉沙池设计等。,xe,第一章泥沙特性,沉降的过程,gsg，初始，重力阻力，加速下沉；,沉速增加阻力逐渐增大，而重力恒定，加速度减小；,最后，重力阻力，加速度0，泥沙匀速下沉，沉速趋于稳定。,沉速的定义,单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度，w，cm/s,沙粒雷诺数,定义：反映泥沙沉降形式的无量刚参数,物理意义：沙粒惯性力与水流粘滞力的对比。,1.4.1,1.4泥沙的水力特性一、泥沙沉降的不同形式,沉降的形式,一,第一章泥沙特性,层流状态下降Red1000,左摇右摆下沉，颗粒本身也转动，周围水体也紊动。,过渡状态下降Red=0.51000,泥沙沉降状态处于二者之间。,泥沙沉降形式主要与什么参数有关？,1.4.2,1.4泥沙的水力特性二、球体的沉速,绕流阻力计算,xe,第一章泥沙特性,阻力系数,采用对称绕流阻力公式：,1.4.2,1.4泥沙的水力特性二、球体的沉速,水下重力计算,xe,第一章泥沙特性,沉速的计算演变为CD的计算！,沉速计算,1.4.2,1.4泥沙的水力特性二、球体的沉速,CD和不同形式的沉速计算已有的研究成果(图1-6)：,xe,第一章泥沙特性,1.4.2,1.4泥沙的水力特性二、球体的沉速,实例计算1,xe,第一章泥沙特性,1.4.2,1.4泥沙的水力特性二、球体的沉速,实例计算2(Fig),二,第一章泥沙特性,1.4.3,1.4泥沙的水力特性三、泥沙的沉速,泥沙并非球体，沉速应有所不同，目前存在多家公式。,xe,第一章泥沙特性,1.4.3,1.4泥沙的水力特性三、泥沙的沉速,xe,第一章泥沙特性,(,D,8,),(,9,),1.4.3,1.4泥沙的水力特性三、泥沙的沉速,xe,第一章泥沙特性,1.4.3,1.4泥沙的水力特性三、泥沙的沉速,三,第一章泥沙特性,1.4.4,1.4泥沙的水力特性四、影响沉速的其它因素,前述理想沉速：,xe,第一章泥沙特性,单颗粒、静水、均匀、无限体、清水等，自然界不存在。,实际河流情况：,群体、动水、非匀速、有界、浑水、含杂质、紊动等。,因此需要一定修正。,目前有一定研究成果，主要研究形状、水质、含水量对沉速的影响，但不很成熟。,1.4.4,1.4泥沙的水力特性四、影响沉速的其它因素,泥沙颗粒形状对沉速的影响,xe,第一章泥沙特性,对于球体：a=b=c,CD=0.45,与前面一样；对于偏平体：越偏平，沉速越小。,请问：什么形状的泥沙颗粒沉速最大？,泥沙难以量测形状，但砾、卵、块石等存在a、b、c三轴；,方位不同，下沉受阻面积及阻力不一样，自然w不一样；但通常会自动调整到与短轴c方向一致，即阻力最大的方向；,目前有研究成果：,1.4.4,1.4泥沙的水力特性四、影响沉速的其它因素,水质对沉速的影响,xe,第一章泥沙特性,水质对沉速的影响主要体现在D0.03mm的细颗粒泥沙；,水中杂质易使细颗粒形成絮团而成为大颗粒，沉速加大；,在含盐度10时，含盐度越大，沉速越大。,1.4.4,1.4泥沙的水力特性四、影响沉速的其它因素,含沙量对沉速的影响,xe,第一章泥沙特性,粗颗粒：泥沙存在水流粘性增大沉速减小；附近其它泥沙下沉本水体上升沉速减小；含沙浓度增大水体比重增大浮力增大沉速减小。,钱宁研究：,Batchelor研究：,细颗粒：因与其附近细颗粒泥沙产生絮凝而使沉速增大，但仅限制在含沙量15kg/m3。,1.4.4,1.4泥沙的水力特性四、影响沉速的其它因素,边界对沉速的影响近壁沉速远壁沉速；近底沉速远底沉速；D/B越小，沉速越大有界沉速无界沉速,xe,第一章泥沙特性,1.4.4,1.4泥沙的水力特性四、影响沉速的其它因素,紊动对沉速的影响,四,第一章泥沙特性,影响原因,紊动脉动外力不稳定涡流沉降打转影响沉速脉动方向和大小不定时而加速、时而减速增加额外阻力紊动表面压力分布变化阻力增大或减小,试验研究成果,多数研究：wS/w1少数研究：wS/w1，如塞耶研究得：wS/w1.05,1.4.5,1.4泥沙的水力特性五、泥沙粒经与沉速的关系,沙玉清根据实测资料列出了沉速与粒经、温度的关系，应用十分方便,C1,第一章泥沙特性,习题,第一章泥沙特性,要求掌握的内容,ye,1、泥沙主要有哪些特性？2、泥沙粒径的表示方法有哪四种？其中等容粒径如何计算？2、何为粒配曲线、中值粒径和平均粒径？并掌握绘制方法。3、何为干容重？影响干容重的四个主要因素是什么？4、沉速是如何定义的？5、泥沙一般分哪三种沉降状态？采用什么方法判断？并掌握球体层流、紊流状态的沉降公式。6、天然泥沙的沉降速