第2章泥沙的一般特性

S0
⑸Dm与 D50的关系：
D75 D25
ln D84.1 D15.9


>0，Dm>D50 。 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。
二
2 Dm D50 exp 2

均匀沙 =0，Dm ＝D50；非均匀沙
r——颗粒最尖锐棱角的曲率半径，R——颗粒最大内切 圆的半径。 r （2-4） 沃德尔 i /R N N （wadell) ri——颗粒的平面投影图像上各角曲率半径
§2-3 泥沙的几何特性
三、球度
——反映沙粒形状的特征系数 沃德尔(wadell)定义：与颗粒体积的球体直径 （等容粒径）和颗粒外接球直径之比。用Ψ表 示
17
23
• 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φ来表示，φ值越 大表示粒径越细。
… 2 … 2 粒径 … … … 8 4 2 1 0.5 0.25 0.125 … … …
n 3
2
2
2
1
2
0
2
-1
2
-2
2
-3
…
2
-n
…
Φ值
… -n … -3 -2 -1
0
1
2
3
…
n
…
18
24
3、水利工程界分类
1 3

1 3
(2-1)
13
17
㈠、等容粒径
⒉ 计算测量方法
② 将泥沙看成椭球体，直接测量其长轴a、中轴b、短轴c
用其算术平均值表示粒径
D a b c / 3
用几何平均值表示粒径
(2-2)
D abc
3
(2-3)
14
18
㈡、筛分粒径（筛径）
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。
表2-2
泥沙分类 粘粒
泥沙颗粒分级标准
粉沙 0.05～0.005 沙粒 2～0.05 砾石 20～2 卵石 200～20 漂石 >200
粒径大小（mm） <0.005
19
25
§2-3 泥沙的几何特性
二、圆度
——指颗粒棱和角的尖锐程度。
文特沃斯（wentworth）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 r （2-3） R
§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2.60~2.70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<5， 这是过流金属部件受磨损的基本原因。
Dn (abc)1 3 bc 1 3 1 6V 1 3 ( 2 ) ( ) （2-5） a a a a
1.1.4
§2-3 泥沙的几何特性
四、比表面积
（1）定义——泥沙颗粒的表面积与其体积之比。
D 6 e 3 D / 6 D
2
（2）比表面积的意义
颗粒越小，比表面积越大；
§2-1 泥沙的来源
三、土壤侵蚀
水土流失（soil Loss) 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（sediment yield) 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
•球度则以一个缓慢而稳定的速度增加。
§2-3 泥沙的几何特性
四、泥沙的群体特性（级配曲线） 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，于是提出了粒配曲线(级配曲线)。 粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。
筛孔孔径 D
(mm) 1.168
上下两筛中径 Di
(mm) 1.001
（2-7） 均方差 ：表示泥沙组成的非均匀程度,＝0均 匀，越大越不均匀，反映沙样粒径的变化范围 大小。
Dmg
1 n e xp( ln Di pi ) 100 i 1
ln D84.1 D15.9


1.1.2
§2-3 泥沙的几何特性
四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）
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 。
§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
§2-1 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
㈠
㈡、粒配曲线的意义
⒈ 表征泥沙颗粒的粗细和沙样的均匀程度。 ⒉ 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 百分数泥沙的上限粒径。
D50=0.0073mm
35
21
1.1.2
§2-3 泥沙的几何特性
a、b组成较均匀，变化范围窄， 但a 较粗，b较细。
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。
§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）
§2-3 泥沙的几何特性
泥沙的几何特征指泥沙的形状和粒径。 泥沙的形状总的来说，颗粒越大，形状越圆滑； 颗粒越小，形状越复杂。常见的砾石、卵石外 形一般呈椭球体。
长轴 a 中轴 b
短轴 c
泥沙颗粒形状
11
14
一、泥沙的粒径
泥沙颗粒的大小，通常以颗粒直径来表示， 简称粒径，其符号为D（或d），单位mm。 泥沙粒径测量和计算方法有三种：
小于某粒径沙重百分数(%)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 1
D84.1 D15.9
粒径D(mm) 0.1
泥沙粒配曲线
33
28
1.1.2
§2-3 泥沙的几何特性
㈠粒配曲线的绘制方法和过程 ⑴取样筛分，获取各粒经组 Di 泥沙的重量； ⑵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； ⑶准备半对数坐标纸(横坐标为对数分格，纵坐标是普通 分格)； ⑷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D~p粒配 曲线。
1 n Dm Di pi 100 i 1
（2-6）
§2-3 泥沙的几何特性
四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）
Dmg——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 粒径。反映沙样的代表粒径 1 n 因： ln Dmg ln Di pi
100 i 1
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。
16
22
㈣ 泥沙按粒径大小分类
1、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 化的规律性； • 各级分界粒径尺度成一定的比例。
2、φ值分级尺度
把以mm为单位的粒径取以2为底的对数并乘以 “－1”，从而使得都是整数φ值。 每一分级粒径D可表示为 D＝2－φ 或 log 2 D （1-4） （ φ为整数，D的单位为mm）
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
21
0.833 0.711 0.589 0.503 0.417 0.356 0.295 0.252 0.208 0.178 0.147 0.126 0.104 0.089 0.074
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㈢、沉降粒径（沉径）
对于粒径在0.062mm以下粉粒和粘粒，已不 可能进一步筛分，只能采用沉降法，如：比 重计法、粒径计法、吸管法等。 这些方法的基本原理是，通过测量沙 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。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 径，或简称沉径。。
D1
D2
筛析法示意图
两筛之间泥沙颗粒的粒径可以用两筛网孔径 的算术平均值或几何平均值计算。
15
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表2-1 筛号与孔径之间的关系
筛孔孔径 D
(mm) 1.168
上下两筛中径 Di
(mm来自百度文库 1.001
介于上下两筛孔间的重量百 分比△pi
(%) 0.48 5.29 21.68 52.23 18.39 1.48 0.1 0.05
xe
§2-3 泥沙的几何特性
四、泥沙的粒配曲线（级配曲线） （2）粒径分布的特征值
上限粒径——在总沙样中占某重量百分数的泥 沙的上限粒径。如D5,D10,D50等等。 D50——中值粒径，小于该粒径和大于该粒径的 泥沙颗粒各占50%。 Dm——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。
介于上下两筛孔间的重量百 分比△pi
(%) 0.48 5.29 21.68 52.23 18.39 1.48 0.1 0.05
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0.833 0.711 0.589 0.503 0.417 0.356 0.295 0.252 0.208 0.178 0.147 0.126 0.104 0.089 0.074
§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Ｍ>１ 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１ 0,000~20,000t/(km2.a)，相当于地面 每年普遍冲刷6~12mm的厚度。
尺量法 （称重法，适用于卵石以上的较大颗粒）
等容粒径
筛析法 水析法
（适用于砾石、沙粒） 筛分粒径 （沉降法，适用于粉沙、粘土） 沉降粒径
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16
㈠、等容粒径
⒈ 定义 等容粒径是指体积与泥沙颗粒相等的球体直径。 ⒉ 计算测量方法 ① 测定泥沙颗粒的重量（或体积）
6W 6V D s
反映泥沙颗粒的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。
1.1
泥沙颗粒的形状及其成因
•泥沙颗粒的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 而不断改变其形状，改变的程度或最终形成的形状取 决于搬运介质（水、空气和冰川运动）和搬运方式 （滑动、滚动、跳动、悬浮或颗粒流等） •圆度在流水搬运初期迅速增加，然后增加速度变缓， 直至完全变圆为止。
1.1.3
§2-3 泥沙的几何特性
五、孔隙率与孔隙比
⑴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 。 ⑵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)
㈠
1.1.3
§2-3 泥沙的几何特性
四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）