第2章泥沙的一般特性.ppt

河流动力学概论,第2章泥沙的一般特性,主要内容,1泥沙的来源，风化，土壤侵蚀；2泥沙的一般矿物组成及矿物特性3泥沙的几何特性，粒径、圆度、球度、粒径级配曲线等4泥沙的重力特性，容重、比重、干容重、浑水容重、水下休止角、泥沙的沉降速度及计算公式等。5泥沙的物理化学特性，比表面积、絮凝和分散等,2-1泥沙的来源,一、岩石风化河流泥沙的最根本来源是岩石的风化。风化岩石和矿物在地表环境中，受各种物理、化学和生物作用，岩石发生体积破坏和化学成份发生改变的过程。风化种类：物理风化：岩石在原地发生的崩解化学风化：岩石发生的蚀变（溶解、水解、碳酸盐化）生物风化：风化影响因素：气候、岩石成分、结构构造、植被、地形、时间气候是影响风化的主要因素；风化作用作为侵蚀和搬运的前提条件,2-1泥沙的来源,二、泥沙来源分类（1）流域来沙。即流域地表的冲蚀；土壤侵蚀狭义指地面土壤在外营力下被分离、搬运以及沉积的整个过程广义内外营力作用下，地表物质（包括土坡、母质、风化物和岩石）的分离、搬运以及沉积的整个过程,2-1泥沙的来源三、土壤侵蚀,侵蚀模数（输沙量模数）每平方公里地面每年冲蚀泥沙量（单位：t/km2.a）含沙量每单位体积河水中的泥沙重量表示河流的含沙量。（单位：kgf/m3）,2-1泥沙的来源三、土壤侵蚀,表2-1常用的含沙量表达方式,2-1泥沙的来源三、土壤侵蚀,我国北方土壤侵蚀比南方严重，最严重的是黄河中游的黄土高原、永定河和西河流域。输沙模数000t/(km2.a)。陕北的皇甫川、窟野河、无定河、延河流域，输沙模数达到0,00020,000t/(km2.a)，相当于地面每年普遍冲刷612mm的厚度。,2-1泥沙的来源三、土壤侵蚀,水土流失（soilLoss)包括水和土的流失两个方面。它与土壤侵蚀概念不同。从侵蚀作用力来看，为水力侵蚀，水土流失量是指离开某一范围的地表物质总和，一般土壤侵蚀量大于水土流失量。土壤侵蚀与产沙（sedimentyield)也是两个不同的概念，产沙是指侵蚀的土壤量能够到达流域出口的泥沙量。因此，产沙小于侵蚀量，两者之间用泥沙输移比表示。如以长江上游宜昌，20世纪80年代平均侵蚀量为15.7亿吨，同期宜昌站输出沙量5.49亿吨,2-1泥沙的来源三、土壤侵蚀,土壤侵蚀的危害表现为：（1）水资源和土壤资源恶化。年流失耕地表层土壤1cm，流失的养分相当于4000万t的化肥量。（2）农田、耕地水沙为害。沟壑纵横切割造成耕地大面积破坏。（3）对下游水系的危害。河床抬高，防洪能力下降，湖泊面积缩小，调蓄能力减小。（4）流域内水库淤积、库容减少、水利设施效率降低。,2-1泥沙的来源,二、泥沙来源分类。（1）流域来沙。即流域地表的冲蚀；（2）河床上冲起的沙。即河床的冲刷；在运动过程中，二者存在着置换作用。（3）风沙（一般不考虑）,2-2泥沙的矿物组成,一、矿物成份泥沙来源于岩石风化，则风化岩石的矿物成分决定泥沙的矿物成分；不同的风化方式对岩石矿物成分的影响程度不同，因此风化方式也影响泥沙的矿物成分。（1）物理风化原生矿物如：石英、长石、云母等。（2）化学风化次生矿物如：次生二氧化硅，蒙脱石，高岭土等,2-2泥沙的矿物组成,二、矿物的物理特性（1）比重矿物容重与水容重之比。泥沙的比重一般都在2.602.70之间，通常取用2.65（2）硬度硬度是表示矿物抵抗外界机械作用的能力。综合统计，长江悬沙中硬度5的矿物平均约达80%，而水轮机过流部件金属材料硬度一般0，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：,2-3泥沙的几何特性四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）,虽然泥沙中值粒径与几何平均粒径并不完全相等，但其差别一般不大，所以可以用泥沙中值粒径近似代替几何平均粒径。,1.1.3,五、孔隙率与孔隙比,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),2-3泥沙的几何特性,1.1.3,天然沙孔隙率的一般规律,三,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。,2-3泥沙的几何特性四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）,2-4泥沙的重力特性,一、泥沙的一般重力特性（1）密度密度颗粒单位体积内所含的质量。国际单位：千克/米3kg/m3；克/米3g/m3；工程单位：吨/米3t/m3，公斤/米3kg/m3；一般泥沙密度：=2650kg/m3;（2）容重（重度）容重（重度）泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值。国际单位：牛/米3N/m3；工程单位：吨力/米3tf/m3，公斤力/米3kgf/m3；一般泥沙容重：=25970N/m3=26kN/m3=2650kgf/m3;,2-4泥沙的重力特性一、泥沙的一般重力特性,（3）比重比重固体泥沙颗粒重量与同体积4水的重量之比。无量纲，一般泥沙比重：=2.65（4）有效容重系数（有效密度系数）泥沙在水中运动状态，既与泥沙容重有关，又与水的容重有关，在分析计算时，常出现相对数值，为简便起见，令或常取a=1.65.,2-4泥沙的重力特性一、泥沙的一般重力特性,（5）干容重单位体积沙样经过100105温度烘干后，其重量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙的干容重。符号：，单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；,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/m3,1.3.2,ye,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,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。,如：官厅水库淤厚10m处，gs1.471.55t/m3,1m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。,2-4泥沙的重力特性一、泥沙的一般重力特性,（6）浑水容重单位体积浑水的重量，单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；（7）含沙量单位体积浑水中固体泥沙颗粒所占比例，重量含沙量体积比含沙量,2-4泥沙的重力特性一、泥沙的一般重力特性,（8）水下休止角在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的稳定的倾斜面，此面与水平面的交角称为泥沙的水下休止角水下休止角：泥沙在静水下自然堆积的坡面倾角，。水下休止角与泥沙粒径、级配、形状有关。对于淤泥来说，还与其密实程度（含泥浓度）有关。无粘性颗粒的棱角越尖利，则越大。,天津大学研究，()与D(mm)有如下关系：,2-4泥沙的重力特性一、泥沙的一般重力特性,（9）水下摩擦系数泥沙的水下休止角的正切值。（2-11）泥沙的水下摩擦系数对于分散颗粒一般随粒径的减少而减小。,2-4泥沙的重力特性,二、泥沙的沉降速度静水中的泥沙沉速是泥沙颗粒的重要基本特性（1）定义：所谓泥沙的沉降速度，一般都是指达到等速运动以后的下沉速度。由于粒径愈粗，沉降速度愈大，因此，又称水力粗度它反映泥沙在与水流相互作用时对运动的抗拒能力。组成河床的泥沙沉速越大，则泥沙参与运动的倾向越小。,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,（2）泥沙沉速设粒径为D的圆形粒径泥沙在水体中作等速沉降运动，其重力作用与阻力相等。重力（下沉力）：,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,（2）泥沙沉速设粒径为D的圆形粒径泥沙在水体中作等速沉降运动，其重力作用与阻力相等。阻力：,55,(2)泥沙的沉速球体沉降阻力牛顿绕流阻力的一般表达式圆球沉降时，水体对球体施加的阻力为(1-14),2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,重力：阻力：CD泥沙阻力系数；阻力系数CD的计算方法与绕流流态有关，在层流和紊流的不同情况下量值差别很大。,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,实践证明，泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数有关。,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,60,泥沙沉降的运动形式,61,（3）球体沉降的阻力系数（求解圆球沉降的关键参数！）,球体的阻力系数与雷诺数的关系图（CDReD曲线）,62,试验结果分析：、球体沉降时的运动状态处于滞流区，沉降阻力主要为粘滞力，阻力系数与沙粒雷诺数成线性关系；,63,球体层流区阻力系数的理论解Stokes从理论上求得，圆球在层流区所受的阻力为由牛顿绕流阻力所得的圆球绕流阻力的一般表达式于是，得,64,试验结果分析：、球体沉降时的运动状态处于紊流区，沉降阻力主要为紊动阻力，粘滞阻力可以忽略不计。阻力系数与沙粒雷诺数无关，接近于常数；,65,试验结果分析：、球体下沉处于过渡区，沉降阻力中粘滞阻力和紊动阻力都不能忽略。由CDReD图可知，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系。,66,（5）球体沉速的一般表达式列出圆球沉降时力的平衡方程可得球体在静水中沉速的一般表达式,67,（6）层流区、紊流区和过渡区圆球沉速公式、层流区圆球沉速公式（）将代入球体在静水中沉速的一般表达式此式即为层流区的球体沉速公式，又称Stokes公式。,68,、紊流区圆球沉速公式球体沉降处于紊流区，由试验曲线图知，代入球体在静水中沉速的一般表达式,69,过渡区球体沉速过渡区，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系。,70,过渡区沉速公式（）张瑞瑾各区统一沉速公式（武大公式）过渡区的阻力泥沙的有效重力取其中，k1,k2为过渡区系数，经简单换算，得利用实测资料，确定得，,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,（7）球体沉速计算公式1、沉降滞流区2、沉降紊动区3、沉降过渡区,1.4.2,实例计算1,xe,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,1.4.2,实例计算2(Fig),二,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,Fig1-y6,75,、岗恰洛夫公式层流区沉速公式（）球体层流区沉速公式（Stokes公式）泥沙沉降阻力大于球体沉降阻力，天然泥沙沉速应较球体沉速小，所以应该乘以一个小于1的系数。泥沙在层流区的岗恰洛夫沉速公式为,泥沙并非球体，沉速应有所不同，目前存在多家公式。,76,紊流区沉速公式（）紊流区泥沙沉降阻力值大致在0.9-1.4之间岗恰洛夫取泥沙沉降阻力为泥沙在水流中的有效重力为将阻力系数带入，并令便得泥沙在紊流区的沉速公式,77,过渡区沉速公式（）,T为水温，D01.5mm，计算时D与D0的单位应该一致。,78,、沙玉清沉速公式层流区沉速公式（）与岗恰洛夫的考虑相同，得出与岗恰洛夫完全一致的公式紊流区沉速公式（）沙玉清取紊流区泥沙沉降的阻力系数得，,79,过渡区沉速公式（）、沉降判数与粒径判数令,80,令沙玉清过渡区泥沙沉速的实用算式,1.4.3,1.4.3,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,层流区，采用Stokes公式；过渡区，采用沙玉清的过渡区公式；紊流区，采用岗恰洛夫紊流区公式；在实际工作中，常采用张瑞瑾各区统一公式计算沉速。,1.4.4,前述理想沉速：,xe,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。,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,（7）影响泥沙沉速其它因素,1.4.4,泥沙颗粒形状对沉速的影响,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。,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：,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,（7）影响泥沙沉速其它因素,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,（7）影响泥沙沉速其它因素,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,（7）影响泥沙沉速其它因素,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,（7）影响泥沙沉速其它因素,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,（5）天然沙（静水）沉速计算公式,2-4泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,（6）（天然沙）群体沉速对浑水来说，对其中任一颗泥沙来说，其他颗粒的存在将对它的沉降产生影响。可以分四种情况来考虑：非粘性粗颗粒泥沙的群体沉速，粘性颗粒泥沙的群体沉速，粗颗粒泥沙在粘性颗粒浆液中沉速，非均匀颗粒混合沙的群体沉速。非粘性均匀粗颗粒泥沙的群体沉速。低含沙量：高含沙量：,2-5细颗粒泥沙的物理化学性质,泥沙的物理化学性质主要指细颗粒泥沙的物理化学性质。由于细颗粒泥沙的比表面积很大，有较强的吸附作用，故细颗粒泥沙表面的物理化学作用显得特别突出，从而对细颗粒泥沙的运动产生重要的影响。细颗粒泥沙因物理化学作用而具有粘性，又称为粘性泥沙，简称粘粒。细颗粒泥沙的物理化学作用的大小与颗粒的比表面积有关。,96,一、电化学性质1、泥沙颗粒周围的双电层泥沙颗粒表面一般带有负电荷(1)、双电层的内层,2,泥沙颗粒比表面积很大，具有较强的吸附作用，吸附负离子后与其牢固结合，组成“负离子层”即为双电层的内层。,97,1、泥沙颗粒周围的双电层,2,2、双电层的外层、吸附层、扩散层,表面带负电荷的细颗粒泥沙在含电解质的水中，由于静电引力作用下吸引反离子（阳离子），从而在颗粒周围形成一个带相反电荷的离子层，称反离子层或外层。,98,1、泥沙颗粒周围的双电层,2,2、双电层的外层、吸附层、扩散层,泥沙颗粒表面（所带）的离子层（负电荷）及其（所吸引）周围的反离子层构成（了泥沙颗粒）的双电层。,99,1、泥沙颗粒周围的双电层,2,2、双电层的外层、吸附层、扩散层,、吸附层（固定层，不活动层）紧靠内层的反离子，由于受静电引力大，便与颗粒表面牢固地结合在一起，称吸附层。,100,1、泥沙颗粒周围的双电层,2,2、双电层的外层、吸附层、扩散层,、扩散层（活动层）扩散层：距内层较远的反离子与颗粒表面结合的就不牢固，具有一定的活动性，这一层叫做扩散层。,102,（1）粘结水（结合水）、粘结水的含义：在泥沙颗粒表面负电荷的作用下，靠近颗粒表面，在吸附层范围的水分子失去了自由活动的能力，而整齐地、紧密地排列起来，这被称为粘结水。,3,2、泥沙颗粒周围的吸附水膜颗粒表面不仅吸附反离子，也吸引水分子。,103,2、泥沙颗粒周围的吸附水膜、粘结水的特征颗粒表面的负电荷对吸附层范围内的粘结水的吸引力约一万个大气压。在这样大的压力下，粘结水的密度达到1.2-2.4g/cm3，平均为2.0g/cm3。粘结水在力学性质上与固体物质完全相同，具有极大的粘滞性、弹性和抗剪强度。它没有传递静水压力的能力。,3,104,（2）粘滞水、粘滞水的含义：围绕在粘结水外面的水分子虽然也受到静电引力场的作用，但距颗粒表面距离愈远，受到的静电引力场的强度愈小，水分子所失去的自由活动的能力也愈少，而且排列得比较疏松，不整齐，仅有轻微的定向。这部分水被称为粘滞水。,4,105,（2）粘滞水、粘滞水的特征粘滞水的密度虽没有粘结水那么大，但仍比普通液态水的要大，为1.3-1.74g/cm3，也具有较高的粘滞性和抗剪强度，不能传递静水压力。,4,106,（3）束缚水与自由水粘结水和粘滞水统称束缚水。束缚水外面的水分子几乎不再受静电引力的作用，保持着原有自由活动的能力，称为自由水。,4,107,（4）吸附水膜对于粘结水和粘滞水（束缚水），其水分子部分地或完全地失去自由活动能力，在颗粒周围形成了一个水膜，此膜称为吸附水膜。吸附水膜是泥沙颗粒与水相互作用的产物，从力学角度上看，是固态相与液态相的过渡类型。束缚水吸附水膜,5,108,（4）吸附水膜吸附水膜的厚度双电层的厚度就是束缚水的厚度，也就是吸附水膜的厚度。吸附水膜与反离子层大体上是一致的东西。吸附水膜的厚度主要取决于颗粒的矿物成分和水的化学成分（水的pH值，离子的种类和浓度），其厚度一般为0.1m数量级。,5,109,（4）吸附水膜吸附水膜的厚度粗颗粒泥沙，水膜所占容积远较泥沙的体积为小，作用不大；因此粗颗粒泥沙的性质完全取决于泥沙本身的性质。细颗粒泥沙，水膜不但和泥沙颗粒不可分离，而且重要性超过了泥沙颗粒，这就是极细的泥沙颗粒的性质常因矿物组成和水中电解质的改变而有很大不同的缘故。,5,111,3、双电层中的电位、热力学电位（0电位）泥沙颗粒表面带负电荷后所产生的电位值与扩散层外自由电位之差，称为热力学电位（或称为0电位、表面电位）。其值大小取决于泥沙颗粒表面的离子总数，是固体颗粒与自由溶液之间的电位差。,112,、双电层中的电位、电动电位（电位）在吸附层内电位线性降落，所剩余的电位差，即吸附层与扩散层交界面的电位与扩散层外自由电位之差称为电动电位（电位）。它表示吸附层表面与自由溶液之间的电位差，也就是粘粒上的负电荷经吸附层中的阳离子抵消后，所剩余的电位差。,113,、双电层中的电位、电动电位（电位）与扩散层厚度电位在扩散层内按指数规律衰减，它直接决定了扩散层的厚度，因此，扩散层的厚度往往用电位来代表。电位的大小取决于颗粒表面的离子总数（及泥沙颗粒所带的负电荷）与吸附层内反离子数的差值。,114,、电位的大小(双电层的厚度)与离子的浓度和价数的关系电位的大小及双电层的厚度与水中电解质离子的浓度和离子的价数有关。,7,115,、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。,7,116,、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。,7,117,4、絮凝和分散现象（双电层及吸附水膜对细颗粒泥沙性质及运动规律的影响）泥沙颗粒愈细，重力对它的作用就越微弱，而颗粒之间的相互作用则愈来愈重要。当带有吸附水膜的两颗泥沙相互靠近时，会形成公共的吸附水膜与公共的扩散层。细颗粒泥沙的公共吸附水膜,8,118,、絮凝和分散现象1、细颗粒泥沙间的斥力与引力相邻的颗粒表面虽然带同号的电荷，应该互相排斥，但由于颗粒间的分子引力，即范德华力的作用，相邻的泥沙颗粒又能互相吸引。细颗粒泥沙的公共吸附水膜,8,119,2、双电层及吸附水膜对细颗粒泥沙的运动状态的影响研究表明当扩散层薄，颗粒间距较小时，细颗粒间的电化学作用表现为净引力，相邻的细颗粒泥沙能够彼此吸引而聚集在一起；当扩散层厚，颗粒间距较大时，细颗粒间的电化学作用表现为净斥力，相邻的细颗粒泥沙保持分散状态。细颗粒泥沙的公共吸附水膜,9,120,3、絮团与絮凝（絮凝作用）分散的细颗粒泥沙互相吸引，聚合成结构疏松、类似棉花团的较大团粒或团块（中间有很大的空隙，包围密封了大量水