Ch1河道水流泥沙特性2014

1、,本章内容： 1、天然河道水流特性； 2、河流泥沙的来源及几何特性； 3、细颗粒泥沙的物理化学特性； 4、泥沙的重力特性； 5、泥沙沉速； 6、泥沙分类。,第一章：河道水流、泥沙基本特性,河流是河床和水流两部分相互作用下的水流泥沙运动。河道由泥土、沙砾、卵石和顽石等组成。河道水流与明渠水流有较大差异 1、河道水流的两相性：水（连续介质）和沙（非连续介质的颗粒群体）。（two phase flow-两相流) （1）重力、（2）惯性力、（3）阻力 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，尤其是弯曲河流。 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

2、道水流的非均匀性： 5、不平衡输沙；,1.1 河道水流基本特性,第一章：河道水流、泥沙基本特性,河道水流的流型：河道水流的雷诺数一般都比较大，其流型一般居于阻力平方区。 河道水流的主流与副流：主流（又称正流、元生流）是水流沿着河槽总方向的流动 。 与主流相对应的有副流（又称次生流）。 如环流次生流：在比较顺直 的河段中，当流量随时间变 化剧烈时，常常产生微弱的 环流。 河湾水流：是河道中常见的 水流现象，一种三元流动。 实际是横向运动与纵向运动 结合的螺旋流。,不同情况下的环流结果,河道水流的垂线流速分布 卡曼-普兰特尔（Th.von.Darman-L.Prandtl）对数流速分布公式 对数及

3、反三角函数流速分布 指数公式,1.2 泥沙特性,泥沙概念 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0.001100.0mm 。 泥沙来源：主要来自岩石的风化，土壤侵蚀，火山喷发产生的火山灰、生物骨骼、贝壳分解及人类各种生产活动的废弃物。 河流泥沙的来源可以分为两类：一类是来自流域降雨形成的地面径流对地表的冲蚀，通常称为水土流失；另一类是从原河床沉积层冲刷起来的。河流泥沙在运动过程中与床沙相互交换，塑造了不断变化的河床形态。,要研究泥沙运动规律，首先应了解泥沙的基本特性，它包括： 1）几

4、何特性：泥沙颗粒的形状、大小及群体泥沙的组合特性 2）重力特性：泥沙颗粒的容重与淤积泥沙的干容重 3）水力特性：泥沙颗粒的沉降速度,本节介绍泥沙的主要特性及其计算方法。,一、单个泥沙颗粒的大小粒径 1、等容粒径（nominal diameter) ：体积相当的球体直径；粗颗粒 2、平均粒径：算术平均和几何平均；粗颗粒 2、筛分粒径(seive diameter) ：刚好能通过筛孔的粒径；停留在D1，通过D2的平均粒径；细颗粒 3、沉降粒径（fall diameter)：粒径小于0.1mm。0.1mm的细沙 克伦宾提出的分级表示泥沙的粒径。,泥沙分类 分类方式：依据颗粒大小 我国水利工程界分类：

5、,一,二、沙样组成与粒配曲线(群体性) 1、粒配曲线：表示天然沙组成特性的曲线 .绘制过程：取样烘干筛分称重点线求各种特征值 .曲线坐标：半对数坐标,1.1.2,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；,统计出小于和等于各粒经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)，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）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。,三、泥沙的群体特性,粒配曲线反映的特性 可反映沙样 颗粒的大

6、小 和范围； 可反映沙样 组成的均匀程度。,xe,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。,三、沙样组成(群体性),（3）泥沙颗粒形状SF:,(1)代表粒径： 中值粒径:d50(median size)：级配曲线中p=50%对应的粒径。 算术平均粒径（mean diamnter): Dm，几何平均粒径dmg （2）非均匀特性：拣选系数和均方差（几何标准偏差）,一、电化学性质,第三节细颗粒泥沙的物理化学特性,1、比表面积,：泥沙颗粒表面积与其体积之比.,比表面积的意义：反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对大小。,越大，物化作用就越大。,（颗粒越细，该值越大）,一

7、、电化学性质,2、双电层及吸附水膜的特性,（1）细泥沙颗粒在含有电解质的水中，颗粒周围会形成双电层、吸附水膜。,细泥沙颗粒表面带有负电荷，吸引反离子，形成吸附层（固定层）扩散层,细泥沙颗粒表面带有负电荷，同时也吸引水分子，形成粘结水粘滞水束缚水,19,2、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。,3,20,（2）粘滞水 、粘滞水的含义 ： 围绕在粘结水外

8、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。,4,21,（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。,4,22,（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。,4,23,（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

9、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,5,24,（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。,5,25,（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

10、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,泥沙颗粒表面带负电荷后，就有一定的电位值，此电位值与扩散层外的自由电位之差称为热力学电位，或0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，或电位。 电位的数值及双电层的厚度与水中电解质的离子浓度及价数有关。,（2）双电层的电位变化,27,4、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

11、的吸附水膜与公共的扩散层。 细颗粒泥沙的公共吸附水膜,8,28,、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,8,29,2、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,9,30,3、絮团与絮凝（絮凝作用） 分散的细颗粒泥

12、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，包围密封了大量水分），称为絮团。 细颗粒泥沙在一定条件（水质中含有较多的细颗粒泥沙，特别是再含有复杂的化学成分时）下彼此聚合的过程称为絮凝或絮凝作用。 4、分散作用 如果扩散层厚，那么扩散层中的离子非但没有受到较大的吸引力，反而由于这种离子具有较大的活动性，使土粒互相分离。,9,31,5、絮凝作用与分散作用在实际中的运用 如要加速泥沙颗粒的沉淀，就应减小颗粒表面的电位，使扩散层变薄，促使颗粒聚凝，这时可以加入一些含有高价离子的絮凝剂，如明矾、绿矾、氯化钙等。 增加高价离子的效果与增加电解质浓度所产生的效果是相同的。 另一

13、方面，如要破坏泥沙的絮凝作用，阻挠泥沙的沉淀，就应加入含有低价离子离子的反凝剂，如碳酸钠，氢氧化铵等。,10,3、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”。,一、泥沙的容重与密度,第四节泥沙的重力特性,一、泥沙的容重,泥沙矿物成分:主要是石英和长石，影响泥沙容重。,二、泥沙淤积物干容重,（1）泥沙淤积物干容重 （specific weig

14、ht) 沙样烘干后（100-105的重量与原状沙样体积的比值。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。 干容重变化为3001700kg/ m3，变化范围较大。 影响干容重的主要因素有：粒径，淤积历时，埋藏的深度和环境等。,四、泥沙的孔隙率,孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称为孔隙率 。,泥沙孔隙率因沙粒的大小及均匀度、沙粒的形状、沉积的情况以及沉积后受力大小及历时长短而有不同。,对各类泥沙孔隙率： 粗沙：3940， 中沙：41 48， 细沙：44 49。 影响孔隙率的因素： 1）颗

15、粒大小；2）颗粒组成；3）颗粒形；4）泥沙沉积方式。,（1）泥沙粒径对干容重的影响；,（2）干容重与淤积深度和淤积历时关系；,（3）泥沙的水下休止角：静水中的泥沙由于摩擦力作用，堆积成一定角度的稳定倾斜面。,（4）干容重与淤积深度和淤积历时关系；,例题,某河段长10km，平均河宽800m，一次高含沙洪水过后的淤积物总重量为1000万t，若淤积泥沙的平均粒径为0.1mm，求该河段平均淤积厚度。 =1200kg/m3,1)、沉速概念： 单颗粒泥沙在无边界影响的静止的清水中匀速下沉的速度。符号：，又称为 水力粗度。,2)、沙粒雷诺数概念 Red= (沙粒惯性力与水流粘滞力的对比),一、泥沙沉降的不同

16、形式,第五节泥沙的沉速（水力粗度）(settling velocity),实测资料表明，泥沙沉降的运动状态与颗粒雷诺数有关。,层流（滞性）状态下降 Red0.5, 垂线下沉，颗粒不发生摆动、转动、滚动，周围水体不发生紊乱现象,过渡状态下降,紊流状态下降 Red1000, 左摇右摆下沉，颗粒本身也转动，周围水体也紊动。,泥沙沉降的力学分析,泥沙沉降状态主要与什么参数有关？,有效重力是重力与浮力的差,1、绕流阻力计算,xe,绕流阻力系数,采用对称绕流阻力公式：球体沉降为对称绕流，其阻力F与 2成正比：,二、球体的沉速,二、球体的沉速,CD与Red关系 曲线, 层流时：CD与Red为直线关系，斯托克

17、斯(stokes)导出： 紊流时：CD与Red为无关，基本为一常数，CDconst.。 过渡状态时：CD与Red成曲线关系，数学上难以描述。,CD与Red的关系,2、水下重力计算,xe,沉速的计算演变为 CD的计算！,3、沉速计算,二、球体的沉速,4、CD和不同形式的沉速计算 已有的研究成果(图2-2)：,二、球体的沉速,二、球体的沉速,计算实例2：,三、泥沙的沉速,天然泥沙为非球体，下沉阻力对于球体，阻力系数多通过试验确定。 相同体积，泥沙阻力球体阻力，泥沙沉速球体沉速,三、泥沙的沉速,阻力叠加原理要掌握！,三、泥沙的沉速,(1.31),(1.30),(1.32),二、泥沙的沉降速度,层流区

18、，采用冈恰洛夫层流公式； 过渡区，采用沙玉清的过渡区公式； 紊流区，采用沙玉清紊流区公式； 在实际工作中，常采用张瑞瑾各区统一公式计算沉速。,规范推荐公式,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,二、含沙浓度对沉降速度影响,（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：,第六节 泥沙分类,习题,第一章 河道水流泥沙特性思考题,ye,1、 泥沙主要有哪些特性？ 2、泥沙粒径的表示方法有哪几种？其中等容粒径如何计算？ 3、何为粒配曲线、中值粒径和平均粒径？并掌握绘制方法。 4、何为干容重？影响干容重的四