泥沙的一般特性-文档资料

1、1河流动力学概论河流动力学概论第第2章章 泥沙的一般特性泥沙的一般特性2主要内容主要内容1 1 泥沙的来源泥沙的来源，风化，土壤侵蚀；，风化，土壤侵蚀；2 2 泥沙的一般矿物组成泥沙的一般矿物组成及矿物特性及矿物特性3 3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性，粒径粒径、圆度、球度、圆度、球度、粒径级配曲线粒径级配曲线等等4 4 泥沙的重力特性泥沙的重力特性，容重容重、比重、比重、干容重干容重、浑水容重、水下休止角、泥沙的浑水容重、水下休止角、泥沙的沉降速度沉降速度及计算公式等。及计算公式等。5 5 泥沙的物理化学特性泥沙的物理化学特性，比表面积、絮凝，比表面积、絮凝和分散等和分散等32-1 2-1

2、泥沙的来源泥沙的来源 一、岩石风化一、岩石风化 河流泥沙的最根本来源是岩石的风化河流泥沙的最根本来源是岩石的风化。 风化风化岩石和矿物在地表环境中，受各种物理、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。变的过程。 风化种类：风化种类： 物理风化物理风化：岩石在原地发生的崩解岩石在原地发生的崩解 化学风化：化学风化：岩石发生的岩石发生的蚀变蚀变（溶解、水解、碳酸盐化）（溶解、水解、碳酸盐化） 生物风化：生物风化： 风化影响因素：气候、岩石成分、结构构造、植被、风化影响因素：气候、岩石成分、结构构造

3、、植被、地形、时间地形、时间 气候是影响风化的主要因素气候是影响风化的主要因素；风化作用作为侵蚀和搬风化作用作为侵蚀和搬运的前提条件运的前提条件452-1 2-1 泥沙的来源泥沙的来源二、二、 泥沙来源分类泥沙来源分类（1 1）流域来沙流域来沙。即流域地表的冲蚀；。即流域地表的冲蚀；u土壤侵蚀土壤侵蚀 狭义狭义指地面土壤在外营力下被分离、指地面土壤在外营力下被分离、搬运以及沉积的搬运以及沉积的整整个过程个过程 广义广义内外营力作用下，地表物质（包内外营力作用下，地表物质（包括土坡、母质、风化物和岩石）的分离、括土坡、母质、风化物和岩石）的分离、搬运以及沉积的搬运以及沉积的整整个过程个过程6 2

4、-1 2-1 泥沙泥沙的来源的来源三、三、土壤侵蚀土壤侵蚀 侵蚀模数侵蚀模数（输沙量模数）（输沙量模数） 每平方公里地面每年冲蚀泥沙量每平方公里地面每年冲蚀泥沙量（单位：（单位：t/kmt/km2 2.a.a） 含沙量含沙量 每单位体积河水中的泥沙重量表每单位体积河水中的泥沙重量表示河流的含沙量。（单位：示河流的含沙量。（单位：kgf/mkgf/m3 3）7 2-1 2-1 泥沙的泥沙的来源来源三、三、土壤侵蚀土壤侵蚀名称名称量纲量纲记号记号表达式表达式单位单位体积含沙量体积含沙量无无Sv无量纲无量纲重量含沙量重量含沙量有有Swkgf/m3浑水总体积泥沙所占重量 vS浑水总体积泥沙颗粒的体积

5、vS表2-1常用的含沙量表达方式8 2-1 2-1 泥沙泥沙的来源的来源三、三、 土壤侵蚀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黄土高原、永定河永定河和西河流域西河流域。输沙模数000t/(km2.a)。陕北的皇甫川皇甫川、窟野河窟野河、无定河无定河、延延河流域河流域，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。9 2-1 2-1 泥沙的泥沙的来源来源三、土壤侵蚀三、土壤侵蚀l水土流失水土流失（soil Loss) soil Loss) 包括水和土的流失两个方面。它与土壤侵包括水和土的流失两个方面。它与土壤侵蚀概念不同

6、。从侵蚀作用蚀概念不同。从侵蚀作用 力来看，为水力侵力来看，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。质总和，一般土壤侵蚀量大于水土流失量。l土壤侵蚀与产沙土壤侵蚀与产沙（sediment yield)sediment yield) 也是两个不同的概念，产沙是指侵蚀的土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。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，如以长江上游宜昌，2020世纪世纪808

7、0年代平均侵蚀年代平均侵蚀量为量为15.715.7亿吨，同期宜昌站输出沙量亿吨，同期宜昌站输出沙量5.495.49亿亿吨吨10 2-1 2-1 泥沙的泥沙的来源来源三、土壤侵蚀三、土壤侵蚀土壤侵蚀的危害表现为：土壤侵蚀的危害表现为：（1 1）水资源和土壤资源恶化。年流失耕地表）水资源和土壤资源恶化。年流失耕地表层土壤层土壤1cm1cm，流失的养分相当于，流失的养分相当于40004000万万t t的化的化肥量。肥量。（2 2）农田、耕地水沙为害。沟壑纵横切割造）农田、耕地水沙为害。沟壑纵横切割造成耕地大面积破坏。成耕地大面积破坏。（3 3）对下游水系的危害。河床抬高，防洪能）对下游水系的危害。河

8、床抬高，防洪能力下降，湖泊面积缩小，调蓄能力减小。力下降，湖泊面积缩小，调蓄能力减小。（4 4）流域内水库淤积、库容减少、水利设施）流域内水库淤积、库容减少、水利设施效率降低。效率降低。112-1 2-1 泥沙的来源泥沙的来源二、二、 泥沙来源分类泥沙来源分类。（1 1）流域来沙流域来沙。即流域地表的冲蚀；。即流域地表的冲蚀；（2 2）河床上冲起的沙河床上冲起的沙。即河床的冲刷；。即河床的冲刷； 在运动过程中，二者存在着置换作用。在运动过程中，二者存在着置换作用。（3 3）风沙风沙（一般不考虑）（一般不考虑）122-2 2-2 泥沙的矿物组成泥沙的矿物组成一、矿物成份一、矿物成份 泥沙来源于岩

9、石风化，则风化岩石的矿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物成分决定泥沙的矿物成分；不同的风化不同的风化方式对岩石矿物成分的影响程度不同，因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。此风化方式也影响泥沙的矿物成分。 （1 1）物理风化物理风化原生矿物原生矿物 如如：石英、长石、云母等。石英、长石、云母等。 （2 2）化学风化化学风化次生矿物次生矿物 如：次生二氧化硅，蒙脱石，高如：次生二氧化硅，蒙脱石，高岭土等岭土等132-2 2-2 泥沙的矿物组成泥沙的矿物组成二、二、矿物的物理特性矿物的物理特性 （1 1） 比重比重 矿物容重与水容重之比。矿

10、物容重与水容重之比。 泥沙的比重一般都在泥沙的比重一般都在2.602.702.602.70之间，通常之间，通常取用取用2.652.65 （2 2） 硬度硬度 硬度是表示矿物抵抗外界机械作用的硬度是表示矿物抵抗外界机械作用的能力。能力。 综合统计，长江悬沙中硬度综合统计，长江悬沙中硬度55的矿物平均约的矿物平均约达达80%80%，而水轮机过流部件金属材料硬度一般，而水轮机过流部件金属材料硬度一般55，这是过流金属部件受磨损的基本原因。这是过流金属部件受磨损的基本原因。14长 轴 a中 轴 b短 轴 c泥 沙 颗 粒 形 状1111泥沙的形状总的来说，颗粒越大，形状越圆滑；泥沙的形状总的来说，颗粒

11、越大，形状越圆滑；颗粒越小，形状越复杂。常见的砾石、卵石外颗粒越小，形状越复杂。常见的砾石、卵石外形一般呈椭球体。形一般呈椭球体。泥沙的几何特征指泥沙的泥沙的几何特征指泥沙的形状和粒径形状和粒径。2-3 2-3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性152-3 2-3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性一、一、泥沙的粒径泥沙的粒径 泥沙颗粒的大小一般用粒径（泥沙颗粒的大小一般用粒径（sizesize）来表示，（或：粒度）。常用的粒径表来表示，（或：粒度）。常用的粒径表示定义和计算方法有三种：示定义和计算方法有三种： （1 1）等容粒径等容粒径 （2 2）筛分粒径筛分粒径 （3 3）沉降粒径沉降粒径161212

12、沉降粒径沉降粒径（沉降法，（沉降法，适用于粉沙、粘土适用于粉沙、粘土）v水析法水析法筛分粒径筛分粒径（适用于砾石、沙粒适用于砾石、沙粒）v筛析法筛析法等容粒径等容粒径（称重法，（称重法，适用于卵石以上的较大颗粒适用于卵石以上的较大颗粒）v尺量法尺量法泥沙粒径测量和计算方法有三种：泥沙粒径测量和计算方法有三种：泥沙颗粒的大小，通常以泥沙颗粒的大小，通常以颗粒直径颗粒直径来表示，来表示，简称简称粒径粒径，其符号为其符号为D D（或（或d d），单位），单位mmmm。一、泥沙的粒径一、泥沙的粒径17313166 sWVD 1313 测定泥沙颗粒的重量（或体积）测定泥沙颗粒的重量（或体积） 计算测量方

13、法计算测量方法等容粒径是指体积与泥沙颗粒相等的球体直径。等容粒径是指体积与泥沙颗粒相等的球体直径。 定义定义、等容粒径、等容粒径(2-1)(2-1)18 3/cbaD 3abcD 1414、等容粒径、等容粒径(2-3)(2-3)用几何平均值表示粒径用几何平均值表示粒径(2-2)(2-2)用其算术平均值表示粒径用其算术平均值表示粒径 将泥沙看成椭球体，直接测量其长轴将泥沙看成椭球体，直接测量其长轴a a、中轴、中轴b b、短轴、短轴c c 计算测量方法计算测量方法19D筛 析 法 示 意 图1D21515两筛之间泥沙颗粒的粒径可以用两筛网孔径两筛之间泥沙颗粒的粒径可以用两筛网孔径的算术平均值或几

14、何平均值计算。的算术平均值或几何平均值计算。沙粒的中轴长度是比较接近等容粒径的，因此沙粒的中轴长度是比较接近等容粒径的，因此筛析法所测的粒径可近似地看成等容粒径。筛析法所测的粒径可近似地看成等容粒径。、筛分粒径（筛径）、筛分粒径（筛径）20表2-1 筛号与孔径之间的关系21筛筛 孔孔 孔孔 径径D D 上上 下下 两两 筛筛 中中 径径D D i i 介介 于于 上上 下下 两两 筛筛 孔孔 间间 的的 重重 量量 百百分分 比比 p p i i ( ( m m m m ) ) ( ( m m m m ) ) ( ( % % ) ) 1 1 . . 1 1 6 6 8 8 1 1 . . 0

15、0 0 0 1 1 0 0 . . 4 4 8 8 0 0 . . 8 8 3 3 3 3 0 0 . . 7 7 1 1 1 1 5 5 . . 2 2 9 9 0 0 . . 5 5 8 8 9 9 0 0 . . 5 5 0 0 3 3 2 2 1 1 . . 6 6 8 8 0 0 . . 4 4 1 1 7 7 0 0 . . 3 3 5 5 6 6 5 5 2 2 . . 2 2 3 3 0 0 . . 2 2 9 9 5 5 0 0 . . 2 2 5 5 2 2 1 1 8 8 . . 3 3 9 9 0 0 . . 2 2 0 0 8 8 0 0 . . 1 1 7 7 8

16、8 1 1 . . 4 4 8 8 0 0 . . 1 1 4 4 7 7 0 0 . . 1 1 2 2 6 6 0 0 . . 1 1 0 0 . . 1 1 0 0 4 4 0 0 . . 0 0 8 8 9 9 0 0 . . 0 0 5 5 0 0 . . 0 0 7 7 4 4 2626221616这样所求出的粒径实质上是与泥沙颗粒密度这样所求出的粒径实质上是与泥沙颗粒密度相同、沉速相等的球体直径。相同、沉速相等的球体直径。对于粒径在对于粒径在0.062mm0.062mm以下粉粒和粘粒，已不以下粉粒和粘粒，已不可能进一步筛分，只能采用沉降法，如：可能进一步筛分，只能采用沉降法，如：

17、比比重计法、粒径计法、吸管法重计法、粒径计法、吸管法等。等。 这些方法的基本原理是，这些方法的基本原理是，通过测量沙通过测量沙粒在静水中的沉降速度，按照粒径与沉速的粒在静水中的沉降速度，按照粒径与沉速的关系式换算成粒径关系式换算成粒径。所得粒径实际上为具有。所得粒径实际上为具有简样比重同样沉速的球体直径。也叫沉降粒简样比重同样沉速的球体直径。也叫沉降粒径，或简称沉径。径，或简称沉径。、沉降粒径（沉径）、沉降粒径（沉径）23 泥沙按粒径大小分类泥沙按粒径大小分类1 1、分类原则、分类原则 表示出不同粒径级泥沙性质上的显著差异和性质变表示出不同粒径级泥沙性质上的显著差异和性质变化的规律性；化的规律

18、性； 各级分界粒径尺度成一定的比例。各级分界粒径尺度成一定的比例。2 2、值分级尺度值分级尺度 把以把以mmmm为单位的粒径取以为单位的粒径取以2 2为底的对数并乘以为底的对数并乘以 “1 1”，从而使得都是整数，从而使得都是整数值。值。 每一分级粒径每一分级粒径D D可表示为可表示为 D D2 2 或或 （1-41-4） （ 为整数，为整数，D D的单位为的单位为mmmm）D2log 171724 运用该方法，可以把变化相当大的粒径运用该方法，可以把变化相当大的粒径范围用变化不大的整数范围用变化不大的整数来表示，来表示，值值越大表示粒径越细。越大表示粒径越细。 2n 23 22 21 20

19、2-1 2-2 2-3 2-n 粒径 8 4 2 1 0.5 0.25 0.125 值 -n -3 -2 -1 0 1 2 3 n 1818253 3、水利工程界分类、水利工程界分类表表2-2 2-2 泥沙颗粒分级标准泥沙颗粒分级标准泥沙分类 粘粒 粉沙 沙粒 砾石 卵石 漂石 粒径大小 （mm） 200 191926272-3 2-3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性二、二、圆度圆度 指颗粒棱和角的尖锐程度。指颗粒棱和角的尖锐程度。文特沃斯（文特沃斯（wentworthwentworth）定义：颗粒最尖锐棱角的曲率半）定义：颗粒最尖锐棱角的曲率半径除以颗粒最大内切圆的半径径除以颗粒最大内切圆的半

20、径 （2-3）r r颗粒最尖锐棱角的曲率半径，颗粒最尖锐棱角的曲率半径，R R颗粒最大内切圆颗粒最大内切圆的半径。的半径。 （2-4）r ri i颗粒的平面投影图像上各角曲率半径颗粒的平面投影图像上各角曲率半径Rr RNrNi/ 沃德尔沃德尔（wadell)282-3 2-3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性三、三、球度球度 反映沙粒形状的特征系数反映沙粒形状的特征系数沃德尔沃德尔(wadell)(wadell)定义：定义：与颗粒体积的球体直径与颗粒体积的球体直径（等容粒径）和颗粒外接球直径之比。（等容粒径）和颗粒外接球直径之比。用用表示表示 （2-52-5）3131231)6(1)()( Vaa

21、bcaabcaDn 291.1.4四、比表面积四、比表面积DDDe66/32（1）定义）定义泥沙颗粒的表面积与其体积之比。泥沙颗粒的表面积与其体积之比。（2）比表面积的意义）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 泥沙的几何特性泥沙的几何特性30泥沙颗粒的形状及其成因泥沙颗粒的形状及其成因泥沙颗粒的泥沙颗粒的最初形状取决于岩石母质和风化作用最初形状取决于岩石母质和风化作用，随后在输运过程中因继续受到物理、化学及生物作用随后在输运过程中因继续受到物理、化学及生物作用而不断改变其形状，改变的程度或最终

22、形成的形状取而不断改变其形状，改变的程度或最终形成的形状取决于决于搬运介质搬运介质（水、空气和冰川运动水、空气和冰川运动）和）和搬运方式搬运方式（滑动、滚动、跳动、悬浮或颗粒流滑动、滚动、跳动、悬浮或颗粒流等）等）圆度在流水搬运圆度在流水搬运初期迅速增加初期迅速增加，然后增加速度变缓，然后增加速度变缓，直至完全变圆为止。直至完全变圆为止。球度则以一个球度则以一个缓慢而稳定缓慢而稳定的速度增加。的速度增加。312-3 2-3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性四、四、泥沙的泥沙的群体特性群体特性（级配曲线）（级配曲线） 河流泥沙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，

23、于是提出了粒配曲线(级配曲线)。粒配曲线粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。32筛筛 孔孔 孔孔 径径D D 上上 下下 两两 筛筛 中中 径径D D i i 介介 于于 上上 下下 两两 筛筛 孔孔 间间 的的 重重 量量 百百分分 比比 p p i i ( ( m m m m ) ) ( ( m m m m ) ) ( ( % % ) ) 1 1 . . 1 1 6 6 8 8 1 1 . . 0 0 0 0 1 1 0 0 . . 4 4 8 8 0 0 . . 8 8 3 3 3 3 0 0 . . 7 7 1 1 1 1 5 5 . . 2 2 9 9 0 0 . . 5 5 8 8

24、 9 9 0 0 . . 5 5 0 0 3 3 2 2 1 1 . . 6 6 8 8 0 0 . . 4 4 1 1 7 7 0 0 . . 3 3 5 5 6 6 5 5 2 2 . . 2 2 3 3 0 0 . . 2 2 9 9 5 5 0 0 . . 2 2 5 5 2 2 1 1 8 8 . . 3 3 9 9 0 0 . . 2 2 0 0 8 8 0 0 . . 1 1 7 7 8 8 1 1 . . 4 4 8 8 0 0 . . 1 1 4 4 7 7 0 0 . . 1 1 2 2 6 6 0 0 . . 1 1 0 0 . . 1 1 0 0 4 4 0 0 . .

25、 0 0 8 8 9 9 0 0 . . 0 0 5 5 0 0 . . 0 0 7 7 4 4 332828D D84.184.1D D15.915.9341.1.2u粒配曲线的绘制方法和过程粒配曲线的绘制方法和过程取样筛分，获取各粒经组 Di 泥沙的重量重量；统计出小于和等于小于和等于各粒经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)；以粒经Di 为横坐标(对数坐标，从大到小从大到小)，小于和等于小于和等于粒经Di 的沙重百分比pi 为纵坐标(普通坐标)绘制Dp粒配曲线。2-3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性35、粒配曲线的意义、粒配曲线的

26、意义 表征泥沙颗粒的粗细和沙样的均匀程度。表征泥沙颗粒的粗细和沙样的均匀程度。 可直接查出小于某粒径的泥沙在总沙样中所可直接查出小于某粒径的泥沙在总沙样中所占的重量百分数；也可查出总沙样中某重量占的重量百分数；也可查出总沙样中某重量百分数泥沙的上限粒径。百分数泥沙的上限粒径。2121D D5050=0.0073mm=0.0073mm361.1.2a、b组成较均匀，变化范围窄，组成较均匀，变化范围窄，但但a 较粗，较粗，b较细。较细。2-3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性c组成不均匀，变化范围组成不均匀，变化范围大，各组粒经含量接近。大，各组粒经含量接近。d组成很均匀，组成很均匀，变化范围小。变化

27、范围小。37 2-3 2-3 泥沙的几何泥沙的几何特性特性 四、四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）泥沙的粒配曲线（级配曲线）（2 2）粒径分布的特征值粒径分布的特征值上限粒径上限粒径在总沙样中占某重量百分数的泥在总沙样中占某重量百分数的泥沙的上限粒径。如沙的上限粒径。如D D5 5,D,D1010,D,D5050等等。等等。D D5050中值粒径，小于该粒径和大于该粒径的中值粒径，小于该粒径和大于该粒径的泥沙颗粒各占泥沙颗粒各占50%50%。DmDm平均粒径，即各粒径组平均粒径的重量平均粒径，即各粒径组平均粒径的重量百分比的加权平均值。百分比的加权平均值。 （2-62-6） niiimpDD110

28、0138 2-3 2-3 泥沙的几何泥沙的几何特性特性 四、四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）泥沙的粒配曲线（级配曲线）D Dmgmg几何平均粒径，即粒径取对数后进行平几何平均粒径，即粒径取对数后进行平均运算，最终求得的平均粒径值称为几何平均均运算，最终求得的平均粒径值称为几何平均粒径。粒径。反映沙样的代表粒径反映沙样的代表粒径因：因： （2-72-7） 均方差均方差 ：表示泥沙组成的非均匀程度表示泥沙组成的非均匀程度, ,0 0均均匀，越大越不均匀，反映沙样粒径的变化范围匀，越大越不均匀，反映沙样粒径的变化范围大小。大小。 niiimgpDD1ln1001ln)ln1001exp(1 niiim

29、gpDD9 .151 .84lnDD39401.1.225750DDS 2exp250DDm均匀沙 =0，DmD50；非均匀沙 0，DmD50 。9 .151 .84lnDD分选系数分选系数(非均匀系数非均匀系数)S0：仍表示泥沙组成的非均匀程度，1均匀，越大越不均匀 。Dm与与 D50的关系的关系： 2-3 泥沙的几何特性泥沙的几何特性 四、四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）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，但其差别一般般 不大，所以可以用泥沙中值粒径近似代替几何平均粒径。不大，所以可以用泥沙中值粒径近似代

30、替几何平均粒径。411.1.3u五、孔隙率与孔隙比五、孔隙率与孔隙比孔隙率孔隙率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 泥沙的几何特性泥沙的几何特性421.1.3u天然沙孔隙率的一般规律天然沙孔隙率的一般规律沙样越粗，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 泥沙的几何特性泥沙的几何特性 四、四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）泥沙的粒配曲线（级配曲线）4

31、32-4 2-4 泥沙的重力特性泥沙的重力特性一、一、泥沙的一般重力特性泥沙的一般重力特性 （1 1）密度）密度密度密度颗粒单位体积内所含的质量。颗粒单位体积内所含的质量。国际单位：千克国际单位：千克/ /米米3 3 kg/m kg/m3 3 ；克；克/ /米米3 3 g/m g/m3 3 ；工程单位：吨工程单位：吨/ /米米3 3 t/m t/m3 3，公斤，公斤/ /米米3 3 kg/m kg/m3 3；一般泥沙密度：一般泥沙密度：=2650 kg/m=2650 kg/m3 3; ; （2 2）容重（重度）容重（重度）容重（重度）容重（重度）泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值。泥沙颗粒实有重

32、量与实有体积的比值。国际单位：牛国际单位：牛/ /米米3 3 N/m N/m3 3 ；工程单位：吨力工程单位：吨力/ /米米3 3 tf/m tf/m3 3，公斤力，公斤力/ /米米3 3 kgf/m kgf/m3 3；一般泥沙容重：一般泥沙容重：=25970N/m=25970N/m3 3=26 kN/m=26 kN/m3 3=2650 kgf/m=2650 kgf/m3 3; ; 44 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性一、一、泥沙的一般重力特性泥沙的一般重力特性 （3 3）比重）比重比重比重固体泥沙颗粒重量与同体积固体泥沙颗粒重量与同体积4 4水的重量水的重量之比。之比。无量纲，

33、一般泥沙比重：无量纲，一般泥沙比重：=2.65 =2.65 （4 4）有效容重系数（有效密度系数）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，令值，为简便起见，令 或或 常取常取a=1.65.a=1.65. sa sa45 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性一、一、泥沙的一般重力特性泥沙的一般重力特性（5 5）干容重）干容重单位体积单位体积沙样经过沙样经过100105100105温度烘干后，温度烘干后，其重量与原状沙样整个

34、体积的比值，称为泥其重量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙的干容重。沙的干容重。符号：符号： ，单位：，单位： N/m N/m3 3 ，tf/mtf/m3 3，kgf/mkgf/m3 3；s干容重干容重：单位松散体积的重量单位松散体积的重量， s 2.9416.66kN/m3干密度干密度：单位松散体积的质量单位松散体积的质量， s 0.31.7t/m3461.3.2)1 ()1 (nnssssu干容重与孔隙率干容重与孔隙率n的关系的关系u影响干容重的主要因素影响干容重的主要因素：泥沙颗粒大小的影响泥沙颗粒大小的影响：颗粒越大， s越大，变化范围小； 颗粒越小， s越小，变化范围大。 如：D0.

35、04mm， s 0.551.25t/m3 D0.2mm， s 1.41.7 t/ m3)mm0 . 1(095. 0exp472. 089. 1)mm0 . 1(441. 11131DDDDDDDs471.3.2u影响干容重的主要因素影响干容重的主要因素：泥沙淤积厚度的影响泥沙淤积厚度的影响：淤积越厚， s越大，变化范围越小； 淤积越浅， s越小，变化范围越大。TKssTlg0 如：官厅水库淤厚10m处，s 1.471.55 t/ m3 ,1m处，s 0.731.30 t/ m3泥沙淤积历时的影响泥沙淤积历时的影响：沉积越短， s越小； 沉积越长， s越大，然后趋于稳定值； 大颗粒稳定历时短，

36、细颗粒稳定历时长。泥沙组成的影响泥沙组成的影响：组成越均匀，孔隙率越大， s越小； 组成越不均匀，孔隙率越小， s越大。48 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性一、一、泥沙的一般重力特性泥沙的一般重力特性 （6 6）浑水容重浑水容重 单位体积浑水的重单位体积浑水的重量量，单位：，单位： N/m N/m3 3 ，tf/mtf/m3 3，kgf/mkgf/m3 3； （7 7）含沙量含沙量单位体积浑水中固体泥沙颗单位体积浑水中固体泥沙颗粒所占比例，粒所占比例， 重量含沙量重量含沙量 体积比含沙量体积比含沙量m VSWS浑水总体积泥沙颗粒的体积 VS浑水总体积泥沙所占重量 WSvsvsvv

37、wmSSSSS)()1()1( vswSS 49SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSWWSSVVSSVWSSSVSVSWVSWVSVSVVSSVSVSWVSWVSWWSVVS1)(1)()1 ( 单位体积浑水重量1)()(重量比含沙量)(体积积比含沙)kg/m(含沙量3间的关系：间的关系无量刚浑水重量泥沙所占重量：无量刚浑水体积泥沙所占体积：量量，单位浑水体积的泥沙重浑水体积泥沙所占重量：50 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性一、一、泥沙的一般重力特性泥沙的一般重力特性（8 8）水下休止角水下休止角 在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定在静水中的泥沙，由于摩擦

38、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休止角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，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，则越尖利，则越大。越大。D27. 15 .32天津大学研究，天津大学研究， ()与与D(mm)有如下关系：有如下关系： 51 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性一、一、泥沙的一般重力特性泥沙的一

39、般重力特性（9 9）水下摩擦系数水下摩擦系数泥沙的水下休止角的正切值。泥沙的水下休止角的正切值。 （2-112-11）泥沙的水下摩擦系数对于分散颗粒一般随粒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。径的减少而减小。 tan fWW cosW sin tgWWf cossin522-4 2-4 泥沙的重力特性泥沙的重力特性二、二、泥沙的沉降速度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静水中的泥沙沉速是泥沙颗粒的重要基本特性（1 1）定义：定义：所谓泥沙的所谓泥沙的沉降速度沉降速度，一般都是指达到等速，一般都是指达到等速运动以后的下沉速度。运动以后的下沉速度。由于粒径愈粗

40、，沉降速度愈大，因此，又称由于粒径愈粗，沉降速度愈大，因此，又称水力粗度水力粗度它反映泥沙在与水流相互作用时对运动的抗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。参与运动的倾向越小。53 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度（2 2）泥沙沉速）泥沙沉速设粒径为设粒径为D D的圆形粒径泥沙在水体中作等速沉降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。运动，其重力作用与阻力相等。重力（下沉力）：重力（下沉力）：54 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重

41、力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度（2 2）泥沙沉速）泥沙沉速设粒径为设粒径为D D的圆形粒径泥沙在水体中作等速沉降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。运动，其重力作用与阻力相等。阻力：阻力：55(2) (2) 泥沙的沉速泥沙的沉速球体沉降阻力球体沉降阻力牛顿绕流阻力的一般表达式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圆球沉降时，水体对球体施加的阻力为 (1-14)(1-14)WFgVACFD22 gDCFD2422 56 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度重力：重力：阻力：阻力： C CD

42、D泥沙阻力系数泥沙阻力系数；阻力系数阻力系数C CD D的计算方法与绕流流态有关，在层流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。和紊流的不同情况下量值差别很大。6)(3DWs 2422 DCFD 246)(223 DCDFWDs gDCsD )(1342 57 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度 DRed 实践证明，实践证明，泥沙颗粒在静水中下沉时的运动泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数有关。状态与沙粒雷诺数有关。58 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度 DRed 59

43、 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度 DRed 60 DD Re泥沙运动泥沙运动状态状态示意图示意图 运动特点运动特点 （颗粒周围水（颗粒周围水体流态）体流态） 沙粒铅直下沉， 周围水体几沙粒铅直下沉， 周围水体几乎不发生紊动现象。乎不发生紊动现象。 颗粒摆动下沉， 颗粒后的水体颗粒摆动下沉， 颗粒后的水体开始发生扰动、产生漩涡。开始发生扰动、产生漩涡。 颗粒盘旋下沉，附近水体产生颗粒盘旋下沉，附近水体产生强烈的扰动和涡动。强烈的扰动和涡动。 DRe 5 . 0Re D 10005 . 0Re D 1000Re D 运动状态运动状态 （绕流流态）（

44、绕流流态） 层流区层流区 （滞流区滞流区，滞性区），滞性区） 过渡区（介流区）过渡区（介流区） 紊流区紊流区（紊动区紊动区） 泥沙沉降的运动形式泥沙沉降的运动形式61（3 3）球体沉降的阻力系数球体沉降的阻力系数（求解圆球沉降的关键参数！）（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（球体的阻力系数与雷诺数的关系图（CDReD曲线）曲线）62 试验结果分析： 、球体沉降时的运动状态处于滞流区、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，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；沙粒雷诺数成线性关系；63球体层流区阻力系数的理论解球体层流区阻力系

45、数的理论解 StokesStokes从理论上求得，圆球在层流区所从理论上求得，圆球在层流区所受的阻力为受的阻力为 由牛顿绕流阻力所得的圆球绕流阻力的一由牛顿绕流阻力所得的圆球绕流阻力的一般表达式般表达式 于是，得于是，得 DDF33 gDCDFD24322 DDDCRe2424 64 试验结果分析： 、球体沉降时的运动状态处于紊流区，沉、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，接近于不计。阻力系数与沙粒雷诺数无关，接近于常数常数 ；45. 0 DC65 试验结果分析： 、球体下沉处于过渡区，沉

46、降阻力中粘滞、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。由阻力和紊动阻力都不能忽略。由C CD D ReReD D图可图可知，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系知，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系。66（5 5）球体沉速的一般表达式）球体沉速的一般表达式列出圆球沉降时力的平衡方程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可得球体在静水中沉速的一般表达式 gDCDDs246223 gDCsD 3467（6）层流区、紊流区和过渡区圆球沉速公式）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（、层流区圆球沉速公式（ ） 将将 代入球体在静水中沉速的一般表

47、达式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，又称此式即为层流区的球体沉速公式，又称Stokes公式公式。5 . 0Re D 2181gDs DCD24 gDCsD 3468、紊流区圆球沉速公式、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，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代入球体在静水中沉速的一般表达式 45. 0 DCgDs 72. 1gDCsD 3469过渡区球体沉速 过渡区，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲过渡区，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系。线关系。 gDCsD 3470过渡区沉速公式（过渡区沉速公式（ ） 张瑞

48、瑾各区统一沉速公式（武大公式） 过渡区的阻力过渡区的阻力泥沙的有效重力泥沙的有效重力取取其中，其中，k k1 1,k,k2 2 为过渡区系数，经简单换算，得为过渡区系数，经简单换算，得利用实测资料，确定利用实测资料，确定得，得，2232 DkDkF 31DkWs WF gDkdkkdkks 1212123444mmD41 . 0 266. 4223. 121 kk，DgDDs 95.1309. 195.132 71 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度（7 7）球体）球体沉速计算公式沉速计算公式1 1、 沉沉降滞流区降滞流区2 2、 沉沉降紊动区降紊

49、动区3 3、 沉沉降过渡区降过渡区5 .0 edR 2)(181Dgs 1000 edRgDs )(72. 1 10005 .0 edRgDCgDCsDsD )(134)(134 mmDRed076.01 .0 或mmDRed4 .01000 或721.4.2u实例计算实例计算1 2-4 泥沙的重力特性泥沙的重力特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度731.4.2u实例计算实例计算2 (Fig) 2-4 泥沙的重力特性泥沙的重力特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度74Fig1-y675、岗恰洛夫公式、岗恰洛夫公式 层流区沉速公式（层流区沉速公式（ ） 球体层流区沉速公式（球体层流区沉速公

50、式（StokesStokes公式）公式） 泥沙沉降阻力大于球体沉降阻力，天然泥沙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沉速应较球体沉速小，所以应该乘以一个小于于1 1的系数。的系数。 泥沙在层流区的岗恰洛夫沉速公式为泥沙在层流区的岗恰洛夫沉速公式为 mmD15. 0 2181gDs 2224118175. 0gDgDss 泥沙并非球体，沉速应有所不同，目前存在多家公式泥沙并非球体，沉速应有所不同，目前存在多家公式。76 紊流区沉速公式（紊流区沉速公式（ ）紊流区泥沙沉降阻力值大致在紊流区泥沙沉降阻力值大致在0.9-1.40.9-1.4之间之间岗恰洛夫取岗恰

51、洛夫取泥沙沉降阻力为泥沙沉降阻力为 泥沙在水流中的有效重力为泥沙在水流中的有效重力为 将阻力系数带入将阻力系数带入 ，并令，并令便得泥沙在紊流区的沉速公式便得泥沙在紊流区的沉速公式 17. 1 DCgDCFD2422 63DWs gDs 068. 1mmD5 . 1 FWF 77 过渡区沉速公式（ ）mmD5 . 115. 0 沉沉速速公公式式 沉沉速速与与各各变变量量的的关关系系 层层流流区区 2241gDs 与与2D， g g、 s（有有效效容容重重系系数数）的的一一次次方方及及1 成成正正比比 过过渡渡区区 Dgs3/23/13/2 与与D、与与g g 和和 s的的2 2/ /3 3 次

52、次方方、及及3/1 成成正正比比 紊紊流流区区 gDs 068. 1 与与D、g g 和和 s（有有效效容容重重系系数数）的的1 1/ /2 2 次次方方及及0成成正正比比 备备注注 TDD037. 0107 . 383lg081. 0 T T为水温，为水温，D0D01.5mm1.5mm，计算时，计算时D D与与D0D0的单位应该一致。的单位应该一致。78、沙玉清沉速公式、沙玉清沉速公式 层流区沉速公式（层流区沉速公式（ ） 与岗恰洛夫的考虑相同，得出与岗恰洛夫完与岗恰洛夫的考虑相同，得出与岗恰洛夫完全一致的公式全一致的公式 紊流区沉速公式（紊流区沉速公式（ ）沙玉清取紊流区泥沙沉降的阻力系数

53、沙玉清取紊流区泥沙沉降的阻力系数得，得，mmD1 . 0 2241gDs mmD2 02. 1 DCgDs 14. 179 过渡区沉速公式（过渡区沉速公式（ ）、沉降判数 与粒径判数令 mmD21 . 0 14334Re32ssDDggDDCaS 343ReaDDSC 3/13/13/13/1Re34 DDsaCgS 80令令 沙玉清过渡区泥沙沉速的实用算式沙玉清过渡区泥沙沉速的实用算式 3/23/13/13/13/13/1Re DggDSssaD DffSa， 39777. 5lg790. 3lg22 aS39374. 5lg386. 3lg23/223/1 D811.4.3821.4.3

54、8384 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度层流区，采用层流区，采用StokesStokes公式；公式；过渡区，采用沙玉清的过渡区公式；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；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。在实际工作中，常采用张瑞瑾各区统一公式计算沉速。851.4.4前述理想沉速：前述理想沉速：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：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。因此需要一定修正。目前有一定研究成果，主

55、要研究目前有一定研究成果，主要研究形状形状、水质水质、含水量含水量对对沉速的影响，但不很成熟。沉速的影响，但不很成熟。 2-4 泥沙的重力特性泥沙的重力特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度86 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度（7 7）影响泥沙沉速其它因素）影响泥沙沉速其它因素871.4.4u泥沙颗粒形状对沉速的影响泥沙颗粒形状对沉速的影响gDabcabcCsD3/23/472. 145. 0紊流区对于球体：对于球体：a=b=c, CD=0.45,与前面一样；与前面一样；对于偏平体：越偏平，沉速越小。对于偏平体：越偏平，沉速越小。泥沙难以量测

56、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：88 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度（7 7）影响泥沙沉速其它因素）影响泥沙沉速其它因素89 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度（7 7）影响泥沙沉速其它因素）影响泥沙沉速其它因素90 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度（7 7）影响泥沙沉速其它因素）影响泥沙沉速其它因素91 2-4 2-4 泥沙

57、的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度（7 7）影响泥沙沉速其它因素）影响泥沙沉速其它因素92 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度（5 5）天然沙（静水）天然沙（静水）沉速计算公式沉速计算公式93 2-4 2-4 泥沙的重力泥沙的重力特性特性二、二、泥沙的沉降速度泥沙的沉降速度（6 6）（天然沙）群体沉速）（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。将对它的沉降产生影响。可以分四种情况来考虑：可以分四种情况来考虑：非粘性粗颗粒泥沙的群体

58、沉速，粘性颗粒泥沙的群体沉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。合沙的群体沉速。u非粘性均匀粗颗粒泥沙的群体沉速。非粘性均匀粗颗粒泥沙的群体沉速。低含沙量：低含沙量： 高含沙量：高含沙量： 5 . 0024. 11vkS mvS )1(0 942-5 2-5 细颗粒泥沙的物理化学性细颗粒泥沙的物理化学性质质泥沙的物理化学性质主要指细颗粒泥沙的物理泥沙的物理化学性质主要指细颗粒泥沙的物理化学性质。化学性质。 由于细颗粒泥沙的比表面积很大，有较强由于细颗粒泥沙的比表面积很大，有

59、较强的吸附作用，故细颗粒泥沙表面的物理化学作的吸附作用，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。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。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。表面积有关。95+- - -+ + +扩散层吸附层双电层泥沙颗粒中性水层内外层96一、电化学性质一、电化学性质1 1、泥沙颗粒周围的双电层、泥沙颗粒周围的双电层泥沙颗粒表面一般带有负电荷泥沙颗

60、粒表面一般带有负电荷(1)(1)、双电层的内层、双电层的内层+- - -+ + +扩散层吸附层双电层泥沙颗粒中性水层内外层2 2泥沙颗粒比表面积很大，泥沙颗粒比表面积很大，具有较强的吸附作用，具有较强的吸附作用，吸附负离子后与其牢固吸附负离子后与其牢固结合，组成结合，组成“负离子层负离子层”即为双电层的内层。即为双电层的内层。971 1、泥沙颗粒周围的双电层、泥沙颗粒周围的双电层+- - -+ + +扩散层吸附层双电层泥沙颗粒中性水层内外层2 22 2、双电层的外层、双电层的外层 、吸附层、吸附层 、扩散层、扩散层表面带负电荷的细颗表面带负电荷的细颗粒泥沙在含电解质的粒泥沙在含电解质的水中，由