细颗粒泥沙基本特性试验报告

细颗粒泥沙基本特性试验报告

姓名：陶安

学号：21409112

日期：2012-11-13

联系方式：antao1990@

一、实验内容

1、环形水槽操作演示

2、分析泥沙粒径特性

3、粒径计管絮凝现象观察

二、基本特性测定的实验方法

1、环形水槽

环形水槽（结构如图1所示）由上、下盘及驱动控制系统三部分组成。下盘为一外径D=150cm、内径D= lO8cm、槽宽21cm、槽深45cm的有机玻璃环槽，上盘为一有机玻璃环片覆盖在下槽水面上，高度可任意调节以控制水深。上、下盘各由一台无级调速电机带动，上下盘相向转动，在切力作用下产生水流。由于水槽的曲率，会出现横向副流，但通过对上下盘转速比的合理调配，可使横向副流降低非常小的程度，从而达到较均匀稳定的流场。另外，在下盘槽壁设有多个取样孔，以便在需要时在不同水深处取得浑水样品，用来测定随时间与水探不同，含沙浓度的变化情况。

与常见的循环水槽相比，环形水槽具有几方面的特点:

①、无流入口和流出口的影响，水槽内所有断面的水流状态是一样的，并相当于一个无限长的水槽，满足细颗粒泥沙在盐水条件下絮凝过程所需时间和漫长沉降距离的要求，水槽运动所形成的水流运动既可以是恒定均匀流，也可以随时间而改变，从而可以模拟相应的潮汐水流运动。

②、无回水装置和消能设施，不破坏泥沙的絮凝状态，亦即泥沙能在与现场条件相似的絮凝状态下沉降、起动和输移。

③、实验水槽体积小，操作方便，适用性广，试验水深、水体含沙量、含盐度、水流速度可方便地进行调节。

对于某一流速，占初始悬沙总量一定比值的泥沙总处于悬浮状态，也就是说悬沙浓度和初始浓度的比值是底部切力的函数。根据这一特性，就可通过环形水槽试验得到不同初始含沙量，不同水流条件下泥沙平衡浓度，不淤流速，起动流速，以及泥沙沉速等泥沙水力特性。

利用环形水槽，用各种不同条件的泥沙，水介质等就可分析出不同条件下的不同泥沙的水力特性，分析各种条件下泥沙和淤积量关系。

图1 环形水槽结构示意图

2、泥沙粒径特性

a、颗粒分析：直接法、间接法

颗粒分析包括两方面：一是测定样品的颗粒大小；二是测量样品中不同粒径组的沙量（常用质量占沙样总质量的百分数表达）。

直接法

ⅰ尺量法：卡尺或直尺测量，适用于大于100mm的颗粒。

ⅱ容积法：根据颗粒排开水的体积计算颗粒的等容粒径。盛水容器直径不宜大于颗粒直径的一倍。

ⅲ摄影测量法：用摄影机自河床表面以上1~2m拍摄河床表层的床沙（并放一参考尺作比较）照片，在室内投影放大，测量其粒径。

ⅳ筛析法：用于分析历经为0.1~100mm的沙、砾石和卵石样品。

间接法

ⅰ清水沉降法：适用于粒径为0.05~2.0mm的沙样。常用的有粒径计（0.05~0.5mm）和累积沉降管法（0.062~2.0mm）。实验室主要研究细颗粒泥沙的性质，采用粒径计法。

ⅱ混匀沉降法：适用粒径为0.002~0.05mm的泥沙颗粒分析。有吸管法（假定沙洋中有粗、中、细三种颗粒，并均匀分布于沉降筒各处，此时从任何位置吸取一定容积的悬液，并通过烘干称重，则可求含沙量）、比重计法（方法同吸管法，只是比重计不是采用烘干称重，而是将比重计置于试样悬液中，根据比重计上的刻度读数以测定试样浓度）、消光法（光线通过有泥沙的浑水时，光线强度将被消弱，消弱的光强，与泥沙的浓度成正比，通过测定

光强的变化，可以得出泥沙浓度的变化，进而确定泥沙级配）等。

ⅲ离心沉降法：用于粒径小于0.005mm的胶粒分析。

3、细颗粒泥沙絮凝特性观察

研究手段主要包括、现场测量、物理模型（静水沉降、动水沉降等）和数学模型，多采用各种方法相结合的形式。

絮凝是细颗粒泥沙的重要特性之一，由于特殊的电化学特性，在含有电解质的水中发生物理化学作用，表面有带负电荷的离子。同时，离解出来的阳离子，则被吸引在颗粒周围，组成离子圈。因为水分子由一个氧原子O2-和两个氢原子H+所组成，所以土粒表面，又吸着水分子，构成了“水膜”。这部分水又叫“分子水”，分子水可分内外两层，内层叫“胶结水”，外层叫“胶滞水”见图2。至于水膜以外的分子水，就再不受土粒吸力的约束，可以自由活动，称为“自由水”。土粒表面与胶结水的相互吸力非常强大，可达1万个大气压；土粒与胶结水结合在一起不能分离，使胶结水的性质类似固体。胶滞水在胶结水的外面，仍保持液体状态，但由于受巨大的吸力作用有较高的粘滞性，另外从分子水的电离特征来看，也可以分成内外两层，内层叫“吸附层”外层叫“扩散层”；总称为“双电层”。

图2 分子水双电层示意图

细颗粒泥沙发生絮凝必须具备两个条件：其一是颗粒必须发生碰撞；其二颗粒碰撞要有部分泥沙粘结在一起。要满足上述条件颗粒之间需存在布朗运动、不等速沉降以及紊动作用。

影响细颗粒泥沙絮凝的因素较多，主要包括盐度、粒径、含沙量、有机质、矿物成分、紊动强度等方面。

①紊动的影响：

絮团大小与紊动强度的关系不是单向的，紊动对絮团的影响影响有两个相反的趋势：（1）水体紊动增加了颗粒之间的碰撞机会，从而可以形成较大的絮团，使颗粒沉速增大；（2）水体紊动引起的剪切力使絮团直径和沉速受到制约，在紊动强度足够大时，大絮团受到紊动剪切作用而破裂，水体中絮团大小和沉速将随紊动增强而减小。

②矿物组成对絮凝的影响

不同的泥沙自然矿物成分不同，并且它们的结构体系、粒径等等物理性质都不相似，因此造成絮凝程度的不同。细颗粒泥沙（粘土矿物）属于层状硅酸盐，主要构造单元是二维排列的硅-氧四面体和二维排列的铝或镁-氧-氢氧八面体。在大多数粘土矿物中，这样的四面体片和八面体片以不同方式叠合着。从细颗粒泥沙的结构的分析中可以得出泥沙本身对絮凝有着很大的影响。

③含盐量的影响

在含盐量较小时，随着盐度的增大，絮凝作用增强，但当盐度增大到一定值后，盐度的增加不会进一步促进絮凝，反而有可能起到微小的絮散作用。

阳离子类型对细颗粒泥沙絮凝强度也有一定影响，高价离子比低价离子的絮凝作用强。海水中对絮凝作用的影响顺序为：Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞Na+，由于胶体颗粒表面带负电，阳离子价数越高，对胶体粒子表面的静电吸附产生的作用就越大，故2价离子的絮凝能力大于1价离子。Ca2+的絮凝能力大于Mg2+的原因是Ca2+ 的水合半径比Mg2+小，再是Ca2+容易与水体中腐殖酸结合生成腐殖酸钙沉淀。

④有机物的影响

在河口地区，相当多的泥沙颗粒上吸附了有机物，采用流式细胞仪对长江口悬浮颗粒进行的研究表明，长江口悬浮体中，具有有机性的颗粒数占总颗粒数的60％～75％，由此可见，研究细颗粒泥沙的絮凝应充分考虑有机物的影响。关于有机物究竟是促进还是抑制细颗粒泥沙的絮凝，存在不同意见。近来更多的研究表明，有机物的作用增加了絮凝体的稳定性，对有机和无机物的吸附起着重要作用。

⑤从理论上讲，温度对于絮凝的影响是双重：温度升高使颗粒双电层厚度增加，俩颗粒间的排斥力增大，不利于俩颗粒的碰撞絮凝；温度升高加剧了颗粒的布朗运动，增加颗粒碰撞概率，对絮凝有利。

⑥含沙量的影响

絮凝的直接原因在于泥沙颗粒的碰撞,碰撞导致泥沙颗粒粘结.悬浮体系泥沙浓度越大,