第一章 泥沙特性2008

6
D3
(1.18)
3、沉速推导： F＝W

D
2
CD

4
2
2g
＝ s

6
D 3 ＝
s 4 gD 3C D
不同的沉降状态，CD具有不同的计算方法，分别如下。 ①层流状态：CD与Red为直线关系，即CD=24/Red，则：
1 s D2 ＝ g 18
紊 流 时 ： C D 与 R e d 为 无 关 ， 基 本 为 一 常 数 ， C D ≈ const.。 过 渡 状 态 时 ： CD与 Red成 曲 线 关 系 ， 数 学 上 难 以 描 述 。
二、球体的沉速
CD与Red关系 曲线
二、球体的沉速
2、水下重力计算：
W s
(1.2)
3、算术平均粒径：长、中、短轴的算术平均值
D a b c 3
4、筛分粒径：通过筛分法获得的粒径近似值
(1.3)
一、泥沙的粒径
4.泥沙颗粒分级标准
二、沙样组成(群体性)
1、粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线 .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
第一章 泥沙特性
前言：
由于水流条件的变化，有时水流挟带的泥沙沉积于河床，有 时水流从床面上攫取泥沙，从而造成河床淤积或冲刷，引起河床 演变。泥沙运动在其中扮演着重要角色，因此，泥沙运动规律是 河流动力学研究的重要内容之一。 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 4.对于细颗粒泥沙：还有物理化学特性；对于粘性土壤，还有生 物化学特性。
本章介绍泥沙的主要特性及其计算方法。
第一节 ㈠泥沙的粒径 一、泥沙的粒径
6V D
1/ 3
泥沙的几何特性
1、等容粒径：与泥沙颗粒容积相当的球体直径 (1.1)
2、几何平均粒径：相当于椭球体的等容粒径
D abc
1/ 3
abc / 6 ＝球体的体积 D 3 / 6 ) (椭球体的体积
s ＝ 13.95 1.09 gD 13.95 D D
2
(1.35)
三、泥沙的沉速
4、 原 水 电 部 推 荐 公 式 ：
① 层 流 区 (D<0.1mm)：
1 s D2 ＝ g 18
② 紊 流 区 ： (D >1.5 mm)
(1.27)
＝ 1.14
s gD

(球 体 常 数 ： 1.72)
(1.28)
③ 过 渡 区 ： (0.1<D<2.0mm)
Sa g
1/ 3
s

1/ 3
1/ 3
D
g 1/ 3 s 2/3
1/ 3
s
W V
密实不含空隙的体积
2、常见值范围：＝2.55～2.75T/m 3 ，通常取平均值 s ＝2.65T/m 3 。 3、有效比重：泥沙水下比重与水的比重之比，为无量刚值， a＝1.65。
a
s
水的比重＝1 T/m 3
(1.11)
二、泥沙的干容重与干密度
1、定义：泥沙沙样重量与沙样整个体积(含空隙)之比，单位同比重。 W 堆积含空隙的体积 V 2、常见值范围：＝0.3～1.7T/ m3，变化范围很广。 3、影响干容重的因素： ①泥沙粒径：颗粒越大， 越大，变化范围小；颗粒越小， 越小，变化 范围大。如：D≤0.04mm， ＝0.55~1.25 T/ m3 D>0.2mm， ＝1.4~1.7 T/ m3 因为颗粒越小，空隙率e就越大。 韩其为研究得到： 3 D 1.41 D 4 1 1.89 0.472exp 0.095 D D1 D1
(1 .2 3)
＝ 1.068
s gD
( 球 体 常 数 ： 1.72)
(1.24)
③ 过 渡 区 ： (0 .15< D<1.5mm)
g 2/3 s ＝ 1 / 3

2/3
D
(1 .25)
1 0.037 T 3.7 D (T： 温 度 ℃ ； D 0 ＝ 0.15 c m) ＝0.081lg 83 D 0
R ed =
d =11.00×3.5/1000/10 -6 =38500>0.5，假定不符，不属层流
②假定处于紊流状态：则
＝ 1.72
s 2.65 1 9.8 3.5 / 1000＝ 0.41(m/s) gD ＝ 1.72 1
d Red= =0.41×3.5/1000/10 -6=1432.1>1000， 假 定 符 合 ， 属 紊 流
32.5 1.27D
试验范围：Ｄ=0.2~4.37mm。
(1.10)
第四章 泥沙的水力特性
一、泥沙沉降的不同形式
1、沉降过程： ①重力>阻力，加速下沉。 ②阻力逐渐增大，而重力恒定，加速度减小。 ③重力＝阻力，加速度＝0，泥沙匀速下沉，沉 速趋于稳定 2、沉速概念： 单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度 (cm/s)。
d
一、泥沙沉降的不同形式
3、沉降状态： ①沙粒雷诺数Red= d (沙粒惯性力与水流粘滞力的对比) 。 ②沉降状态： a、层流状态下降； b、紊流状态下降； c、过渡状态下降：
二、球体的沉速
1、 阻 力 计 算 公 式 ： 球 体 沉 降 为 对 称 绕 流 ， 其 阻 力 F与 2 成 正 比 ：
•黄河的河漫滩沉积物就因孔隙 率的不同而有“铁板抄”与“晃 滩沙”的区别。
第二节 一、电化学性质
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
4 D 2 / 4 6 3 D D / 6
（颗粒越细，该值越大） •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。
T 0 K lg T
历 时 T的 干 容 重 初始干容重
(1-12)
④泥沙组成：组成越均匀，空隙率越大， 越小；组成越不均匀， 空隙率越小， 越大。
二、泥沙的水下休止角
• 泥沙水下休止角(°)：
f tgφ
• 根据天津大学研究成果，泥沙水下休止角(°)与粒径D(mm) 有如下关系：
(球 体 常 数 ： 1/18)
1.36b)
② 紊 流 区 ： ((常 温 下 D>4.0mm， R e d >1000)
＝1.044
s gD
(球 体 常 数 ： 1.72)
(1.37)
③ 过 渡 区 ： (常 温 下 0.1mm< D < 4.0mm， 0.5< R e d < 1000)
(Stocks 公 式 ， 即 球 体 公 式 )
（ 1.19)
s ＝1.068 gD
(冈 恰 洛 夫 公 式 )
(1.25)
③ 过 渡 区 ： ( 0.1< D <1.5 mm)： 冈 恰 洛 夫 早 期 公 式
( D 1.0mm) ( D 1.0mm)
二、泥沙的干容重与干密度
3、影响干容重的因素：
②淤积厚度：淤积越厚， 越大，变化范围小；淤积越浅， 越小，变化 范围大 如：官厅水库淤厚 10m处， ＝1.47~1.55 T/ m3；1m处， ＝0.73~1.30 T/ m3 因为淤积越厚，压得更密实；通常河床下层沙比上层沙的 大。 ③沉积历时：沉积越长， 越大；沉积越短， 越小；并且随沉积历时的 增加而趋向一个稳定值，其中大颗粒稳定历时短，而细颗粒 稳定历时长。
(平方关系)
(1.18)
②紊流状态：CD与Red为无关，基本为一常数，CD≈0.45。则：
＝ 1.72
s gD
(平方根关系)
(1.21)
③过渡状态：CD与Red成曲线关系，数学上难以描述。则：
＝
s 4 gD 3C D
(1.23)
公式中多了一个参数：CD＝f( ,D), 的计算式为隐函数。
(1.5)
1 D84 D50 D D 2 50 16
(1.6)
三、泥沙的空隙率
• 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。 • 对各类泥沙孔隙率一般为 粗沙：的孔隙率39％～40％， 中沙：41％-48％， 细沙：44％—49％。
(1 .26)
三、泥沙的沉速
2、 沙 玉 清 公 式 ： (仍 以 D的 大 小 判 断 流 态 ) ① 层 流 区 ( D <0 . 1 m m ) ， 与 冈 恰 洛 夫 完 全 一 致 。
1 s D2 ＝ g 24
② 紊 流 区 ： (D>2.0mm)
(球 体 常 数 ： 1/18)
lg S a
3.790 lg 5.777 39
2 2

(1.29~1.31)
计算过程：
D
式 (1.30)

式 (1.31)
Sa
式 (1.29)

三、泥沙的沉速
3、 张 瑞 瑾 公 式 ：
① 层 流 区 (常 温 下 D<0.1mm， R e d <0.5)
1 s D2 ＝ g 25.1
二、压密过程与物理性质的变化 • 沙、砾石、卵石类粗颗粒泥沙一旦沉积到河底，不再压密。
• 细颗粒泥沙，特别是粘土颗粒在沉积时会连结成絮团， 在 自重或其他外力的作用下，沉积固结过程如下：
第三节
一、泥沙的容重与密度
泥沙的重力特性
1、定义 s ：泥沙颗粒单位体积的重量(T/m 3 、KN/m 3 )。
一、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
（2）双电层的电位变化
•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ψ0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ζ电位。 •ζ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。
F CD

4
D 2
2
2g
(1.1 4 )
CD— — 阻 力 系 数 ，
CD f (形状、方位、表面粗糙 度、水流紊动强度、 ed ) R
层 流 时 ： CD与 Red为 直 线 关 系 ， 斯 托 克 斯 导 出 ：
F 3D，其中CD 24 / Red
(1.15、 16 )
二、沙样组成(群体性)
2、中值粒径D50：表示大于和小于该粒径的泥沙重量各占一半。
3、平均粒径Dm：粒径按其所占重量的百分比为权的加权平均值
Dm
D
i 1
n
im i
P
100
(1.4)
4、拣选系数非均匀系数)：表示泥沙组成的非均匀程度，＝1 均匀，越大越不均匀

D75 D 25
5、均方差 ：也表示泥沙组成的非均匀程度，＝1 均匀，越大越不均匀
பைடு நூலகம்
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。
1、 冈 恰 洛 夫 公 式 ： (以 D的 大 小 判 断 流 态 )
① 层 流 区 (D<0.15mm)
1 s D2 ＝ g 24
② 紊 流 区 ： (D>1.5 mm)
(球 体 常 数 ： 1/18 )
二、球体的沉速
4、 计 算 实 例 1： 已 知 ： 球 体 颗 粒 D=3.5mm， ＝ 10 - 6 m 2 /s， s =2.65T/m 3 ， 请 计 算 。
解：①假定处于层流状态：则
1 2.65 1 (3.5 / 1000) 2 1 s D2 9.8 ＝ ＝11.00(m/s) ＝ g 6 18 1 10 18