泥沙颗粒基本性质

1、u第一章：水流、泥沙的基本性质第一章：水流、泥沙的基本性质u泥沙泥沙：指所有在流体中运动或受水流、风力：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、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、固体颗粒碎屑（钱宁、1983）。粒径大小可）。粒径大小可差数十差数十数万倍。粒径大小一般变化在数万倍。粒径大小一般变化在0.001100.0mm 。Pm2.5 和和Pm10u本章主要内容：河道水流基本特性、单颗粒本章主要内容：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；泥沙特性；群体泥沙颗粒特性；泥沙沉速；含沙水体（浑水）特性。含沙水体（浑水）特性

2、。u1、河道水流的二相性：液相、河道水流的二相性：液相-水（连续介质水（连续介质）和固相）和固相-沙（非连续介质的颗粒群体）。两沙（非连续介质的颗粒群体）。两相流理论。相流理论。u2、河道水流的三维性：河道断面不规则，、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。顺直段很短，宽深比小，尤其是山区河流。u3、河道水流的非恒定性：来水来沙随时间、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。变化；河床处于不断的变化中。u4、河道水流的非均匀性：、河道水流的非均匀性：u5、不平衡输沙；、不平衡输沙；1 河道水流基本特性河道水流基本特性2 岩石风化岩石风化u

3、一、风化作用一、风化作用(weathering)：岩石和矿物在地表环境中，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。变化的过程。u1、物理风化、物理风化(physical weathering )：指岩石在外力影响下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，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。变成分的过程。u(1) 温度作用（热胀冷缩）温度作用（热胀冷缩） 引起岩石内外胀缩不一致，岩石是引起岩石内外胀缩不一致，岩石是热不良导体。热不良导体。u(2) 结冰作用结冰作

4、用（冰劈作用）（冰劈作用）u(3) 风和水的磨蚀作用风和水的磨蚀作用 风沙风沙u磨蚀岩石，使之表面裸露，磨蚀岩石，使之表面裸露，u加速物加速物 理风化。理风化。 发生在风化初期。发生在风化初期。2. 化学风化化学风化(chemical weathering)指岩石在外界条件的影响下，引起化学成分的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。改变，产生新的物质的过程。（1）溶解作用溶解作用 (solution) 水是一种极性溶剂，岩石中的矿水是一种极性溶剂，岩石中的矿物都是无机盐，物都是无机盐， 虽然占绝大部分的硅酸盐和铝硅酸盐矿物虽然占绝大部分的硅酸盐和铝硅酸盐矿物溶解度

5、很小，溶解度很小， 但很长的地质年代中，水溶解的规模是相当但很长的地质年代中，水溶解的规模是相当大的，大的， 况且地表的水常常溶有况且地表的水常常溶有CO2、NO2以及有机酸等，以及有机酸等， 这样大大提高了水的溶解能力。这样大大提高了水的溶解能力。风化作用风化作用（2）水化作用）水化作用(hydration) 指无水矿物与水结合成指无水矿物与水结合成为含水矿物的作用。为含水矿物的作用。 CaSO42H2O CaSO4.2H2O2Fe2O33H2O 2Fe2O3.nH2O 赤铁矿赤铁矿 褐铁矿褐铁矿 （）水解（）水解(hyrolysis)和碳酸化作用和碳酸化作用水解水解2KAlSi3O83H2

6、O Al2Si2O5(OH) 4SiO22KOH 钾长石钾长石 高岭石高岭石碳酸化水解作用碳酸化水解作用2KAlSi3O8CO22H2O AlSi2O5(OH)4SiO2K2CO3 CO2溶于水时，对碳酸盐的溶解力，较纯水增强几十倍。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。子取代。风化作用风化作用（）（）氧化作用氧化作用(oxidation)：空气中的氧在有水的条件下，氧空气中的氧在有水的条件下，氧化能力很强。化能力很强。2FeS22H2O7O2 FeSO42H2SO4湿润的条件下含铁、

7、硫的矿物（含变价元素）普遍地进行着氧湿润的条件下含铁、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。化过程。深色矿物（因含二价铁）容易风化。风化作用风化作用3. 生物风化生物风化( biological weathering指岩石中的矿物在生物及其分泌物或有机质分解产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。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。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

8、初期主微生物、植物根系、动物等，在岩石风化初期主要是低等生物如细菌要是低等生物如细菌、真菌真菌、 地衣等。地衣等。根劈作用根劈作用(root wedging)风化作用阶风化作用阶段段1)1)碎屑残积：碎屑残积：物理风化为主，化学成分基本不变。物理风化为主，化学成分基本不变。2 2）钙质残积类型：）钙质残积类型：因为岩石矿物经化学风化生成的易溶性钾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、钠、钙、镁的氯化物和硫酸盐，受流水作用逐渐淋溶流失，而失，而碳酸钙碳酸钙相对积累相对积累。3 3）硅铝化类型）硅铝化类型 ：岩石中的矿物受长期风化，可溶性氯化物岩石

9、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，而溶，而铝、铁、硅铝、铁、硅等元素尚有残留。如高岭土等元素尚有残留。如高岭土4 4）铁铝化类型）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。如红土石粘土矿物为主。如红土u土壤土壤u残积层残积层u基岩基岩u风化壳风化壳u二、黄土成因二、黄土成因(research of loess genesis)及黄土演变及黄土演变u黄土（黄土（loess)为干寒气候环境的产物，是一种为干寒气候环境

10、的产物，是一种“母岩母岩”而并不是真正的而并不是真正的“土壤土壤”。u黄土物质来源：不是主要来自于沙漠环境，而是来黄土物质来源：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。源青藏高原第四纪冰川和冰缘作用区。u 黄土成因有不同的假说黄土成因有不同的假说:u(1) 黄土风成说黄土风成说:是李希霍芬（是李希霍芬（Von Richthofen(1882年年）和奥勃鲁契夫在）和奥勃鲁契夫在19世纪末叶提出的世纪末叶提出的“低空理论低空理论”（subaerial theory)，即，即“风成说风成说”，认为黄土分，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布在干早沙漠区的外

11、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，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。天长日久形成厚层的黄土。u风成说依据：风成说依据：（1）矿物成分粉粒为主符合风力搬运）矿物成分粉粒为主符合风力搬运特点；（特点；（2）结构特点：土质疏松，大孔隙，湿陷性）结构特点：土质疏松，大孔隙，湿陷性u二、黄土成因二、黄土成因u(2)残积说残积说：认为黄土是在干燥气候条件下，由：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。性质与风化壳的黄土化作用有关。u(3)

12、黄土多成因说黄土多成因说:认为黄土是由多种地质作用，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。早期堆积物和基岩风化碎屑物。u(4)洪积说洪积说： 李明光多次赴黄土高原、青藏高原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、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碰撞，释放出巨大能量，

13、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，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。干燥黄土得以保存。黄土特性黄土特性：u（1）矿物成分：主要以石英、长石等稳定矿）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。貌单元上，符合风力搬运特点。u（2）结构特点：土质疏松、多大孔隙、具湿）结构特点：土质疏松、多大孔隙、具湿陷等

14、特性。多为块状结构，无节理。陷等特性。多为块状结构，无节理。三、土壤三、土壤u土壤是以风化产物和松散堆积物为母质，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，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）和具有植物生长所需的有机质（腐殖层）和无机质（无机质（N、P、K）、微量元素和水分与）、微量元素和水分与孔隙。土壤呈灰色、灰黑色，厚度孔隙。土壤呈灰色、灰黑色，厚度0.5m2.5m。u（一）、土壤的结构：（一）、土壤的结构：u土壤剖面成层：表层为腐殖层土壤剖面成层：表层为腐殖层A层，团粒层，团粒，孔隙；中间是淋溶层，孔隙；中间是淋溶层 B层，

15、矿物、有机层，矿物、有机质淋溶；底层是沉淀层质淋溶；底层是沉淀层C层。层。u（二）、土壤的可蚀性或抗侵蚀性（二）、土壤的可蚀性或抗侵蚀性u 国外：土壤的可蚀性分为可分离性（国外：土壤的可蚀性分为可分离性（detachability)和可和可搬运性（搬运性（transportability)。u 国内常用抗侵蚀性：分为抗冲性和抗蚀性。土壤的抗蚀国内常用抗侵蚀性：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，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

16、分散系数表示。侵蚀率和分散系数表示。u 土壤的抗蚀能力和土壤机械组成、化学特性、土壤被复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，很快就分裂定的结构，当其

17、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。久，完全不被破坏或者仅部分地分裂成为小的团聚体。（三）（三） 气候与土壤气候与土壤（主要决定着成土过程中水热条（主要决定着成土过程中水热条件）件）水热水热 ： 一方面一方面影响母质风化过程速度及物质的淋溶；影响母质风化过程速度及物质的淋溶； 另一方面另一方面控制了植物和微生物的生长决控制了植物和微生物的生长决 定了有机质的积累和分解。定了有机质的积累和分解。气候对土壤性质的影响气候对土壤性质的影响(1)对土壤矿物

18、的风化及其组成的影响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对土壤胶体性质的影响(4)强烈地影响土壤风化和淋溶度。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不同气候下土壤的形成分析南方湿热南方湿热 风化强烈风化强烈 盐基淋失多盐基淋失多 土壤土壤pH低低 原生矿物少，且粘土矿物以原生矿物少，且粘土矿物以Ki值较低值较低 的高岭石为主的高岭石为主南方湿热南方湿热 生物生长旺盛生物生长旺盛 微生物活动强烈微生物活动强烈 有机质积累少有机质积累少H/F（胡敏酸与富里酸之比）（胡敏酸与富里酸之比）0.

19、5 东北地区冷湿东北地区冷湿 风化不强风化不强 盐基淋失少（盐基饱和）盐基淋失少（盐基饱和） pH高高 东北地区东北地区冷湿冷湿 有机质分解慢，积累多，但品质较差，有机质分解慢，积累多，但品质较差，C/N 高高 H/F低低 u（四）土壤类型：决定于气候和植被（四）土壤类型：决定于气候和植被五：泥沙资源五：泥沙资源u传统的观点是认为泥沙是有害的；传统的观点是认为泥沙是有害的；u泥沙迁移造就了广袤富庶的大平原。长江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；三角洲、珠江三角洲；u河道有序采砂；河道有序采砂；采砂量多大合适？采砂量多大合适？u三峡引航道年淤积砂量三峡引航道年淤积砂量200

20、万万1000万方，万方，如何利用该泥沙资源；如何利用该泥沙资源；u高含沙水流输送、流化床充分燃烧；高含沙水流输送、流化床充分燃烧；u黄河下游泥沙淤背工程；黄河下游泥沙淤背工程；u黄河口泥沙淤积使海上采油变为陆上开采黄河口泥沙淤积使海上采油变为陆上开采。3 颗粒的个体特性颗粒的个体特性u一、泥沙颗粒的大小一、泥沙颗粒的大小粒径粒径u1 1、等容粒径（、等容粒径（nominal diameter)nominal diameter)：体积相当的球：体积相当的球体直径。体直径。适用于卵石以上的较大颗粒适用于卵石以上的较大颗粒u2 2、平均粒径：、平均粒径：粗颗粒粗颗粒u3 3、筛分粒径、筛分粒径(se

21、ive diameter)(seive diameter)：停留在：停留在D1D1，通过，通过D2D2的平均粒径。的平均粒径。相当于等容粒径相当于等容粒径适用于砾石、沙粒适用于砾石、沙粒313166 sWVD 3/cbaD 3abcD u4 4、沉降粒径、沉降粒径(fall diameter )(fall diameter )：粒径小于：粒径小于0.1mm0.1mm。0.1mmC2C2C10C1浓度扩散层电位21吸附层1价离子扩散层1价离子2价离子02价离子扩散层距粘粒表面距离u7 7、电位的大小电位的大小( (双电层的厚度双电层的厚度) )与离子的浓度与离子的浓度和价数的关系和价数的关系 电

22、解质浓度越小或离子价数越低，扩散层越厚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。电势越大，双电层的厚度越厚。 电位21距粘粒表面距离吸附层C2浓度扩散层C1C2C2C10C1浓度扩散层电位21吸附层1价离子扩散层1价离子2价离子02价离子扩散层距粘粒表面距离u7 7u3、絮凝与分散、絮凝与分散(DLVO理论）理论）u泥沙颗粒越细，重力作用越弱，颗粒之间的相互作用则泥沙颗粒越细，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起来，同时也

23、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成集合体的作用为“凝聚作用凝聚作用”，扩散层很薄，凝聚作，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，颗粒重新分离为重新分离为“分散作用分散作用”。+-+- - -+ + +5 5 泥沙颗粒的沉速泥沙颗粒的沉速u一、泥沙颗粒沉降一、泥沙颗粒沉降u沉速概念：沉速概念：单颗粒单颗粒泥沙在无边界影响静止清泥沙在无边界影响静止清水中均匀沉降的速度水中均匀沉降的速度（fall velocity)，由于，由于粒径越粗，沉速越大，也称水力粗度。粒径越粗，沉速越大，也称水力粗度。u沉降过程分析

24、：沉降过程分析：u实测资料表明，泥沙沉降的运动状态与颗粒实测资料表明，泥沙沉降的运动状态与颗粒雷诺数雷诺数 有关。有关。dReu过渡区过渡区u层流时层流时u紊流紊流u二、球体颗粒沉降二、球体颗粒沉降u1)从绕流分析从绕流分析u阻力阻力FD：u阻力系数：阻力系数：CD（量纲（量纲分析）分析）uempricalu2)力学分析力学分析 u层流时，层流时，STOKES 公式公式u过渡区过渡区u紊流紊流oseen)Re1631 (Re24dddC4 . 0Re16Re24dddCoseen)Re1631 (Re24dddCu三、天然沙沉降三、天然沙沉降u代表性公式代表性公式u（1）张瑞瑾公式思路）张瑞瑾

25、公式思路:从泥沙沉降的过渡区力从泥沙沉降的过渡区力学分析。学分析。u（2）窦国仁公式思路：从泥沙沉降的过渡区）窦国仁公式思路：从泥沙沉降的过渡区绕流分离区分析绕流分离区分析u相对而言相对而言, ,单颗泥沙在静水中的沉降特单颗泥沙在静水中的沉降特性已基本明确性已基本明确, ,而群体颗粒的沉降规律相而群体颗粒的沉降规律相当复杂当复杂, ,对其沉降规律还认识不透。对其沉降规律还认识不透。u四、影响沉速的主要因素四、影响沉速的主要因素u（一）颗粒形状的影响，绕流阻力修正系数（一）颗粒形状的影响，绕流阻力修正系数Ku（二）含沙浓度的影响（二）含沙浓度的影响u1、非均匀粗颗粒泥沙的群体沉速非均匀粗颗粒泥沙

26、的群体沉速u2、粘性细颗粒泥沙的群体沉速粘性细颗粒泥沙的群体沉速u当颗粒浓度较低时，絮团之间不搭接，单个絮当颗粒浓度较低时，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，整体缓慢团搭接联成絮网，沉速大幅度下降，整体缓慢下沉。下沉。u（三）含盐度影响（三）含盐度影响u一方面增加水的容重和粘性，减小颗粒沉速，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。试验另一方面使细颗粒絮凝成团，增大沉速。试验表明盐度在表明盐度在04.0，沉速达到一个稳定值。，沉速达到一个稳定值。u（四）水流紊

27、动（四）水流紊动u单粒受紊动影响小，但絮团受的影响大。影响单粒受紊动影响小，但絮团受的影响大。影响（1）增加颗粒碰撞，增强絮凝，（）增加颗粒碰撞，增强絮凝，（2）局部剪）局部剪切力加大，引起絮凝的破碎。提出切力加大，引起絮凝的破碎。提出“动水沉速动水沉速”6 6 含沙水体（浑水）性质含沙水体（浑水）性质u一浑水的容重、含沙量一浑水的容重、含沙量u混合比含沙量、体积比含沙量，重量比含沙量，混合比含沙量、体积比含沙量，重量比含沙量，u二、含沙水流的流型二、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u推移质（推移质（bed load) 在床面附近以滚动、滑动在床面附近以滚

28、动、滑动或跳跃方式运动的泥沙。也称：或跳跃方式运动的泥沙。也称：“底沙底沙”u悬移质（悬移质（suspend load)悬浮在水流中随水流一悬浮在水流中随水流一起运动的泥沙。也称：起运动的泥沙。也称：“悬沙悬沙”u床沙（床沙（bed material):静止在床面上的泥沙。静止在床面上的泥沙。u推移质与悬移质的区别推移质与悬移质的区别：u（1）运动规律不同：输沙率与水流的切力关）运动规律不同：输沙率与水流的切力关系不同，输沙量不同。如宜昌卵石推移质系不同，输沙量不同。如宜昌卵石推移质76万万吨，沙质推移质吨，沙质推移质878万吨，悬沙输沙万吨，悬沙输沙5亿吨。亿吨。u（2）能量来源不同：推移质消耗水流的时均）能量来源不同：推移质消耗水流的时均势能，增大阻力；悬沙来自紊动动能。对阻