泥沙颗粒基本性质
第二章泥沙颗粒基本特性
第三章泥沙颗粒基本特性某一河段内水流中的泥沙颗粒既可能直接来自于流域、也可能是从上游河床上冲刷起动而来的。
水体挟带了大量泥沙颗粒后，可能会引起某些物理特性发生变化，如流变性质等。
3.1 风化过程从流域中输运到河流里的泥沙中，既有粗大的卵砾石和沙粒，也有细小的粘土颗粒。
粗泥沙源自岩石和矿物风化而成的碎屑，而地表土的流失是细颗粒的来源。
3.1.1 风化岩石和矿物在地表(或接近地表)环境中，受物理、化学和生物作用，发生体积破坏和化学成分变化的过程，称为风化作用。
风化作用受气候、岩石成分、结构构造、植被、地形和时间等因素影响。
在风化的初期，以物理风化为主。
物理风化作用使岩石在原地发生崩解，形成残留于原地的岩石碎屑，物理风化作用形成的岩石碎屑最小粒径可达0.02mm左右，岩石化学成分基本不变，只能形成少量的蛭石、伊利石、绿泥石等风化程度较低的粘土矿物。
在物理风化作用的基础上，进一步发生化学风化(溶解、水解、碳酸盐化等)。
卤族元素(I，F，Cl ，Br)和氯化物(KCl，NaCl)容易随水流失，而碳酸盐和硫酸盐难于溶解，以含钙矿物(方解石CaCO3，石膏CaSO4)等形式残留在风化层中，使Ca相对富集,故称这一阶段为钙质残留阶段或富钙阶段。
化学风化作用的深入进行将使硅酸盐矿物晶体破坏，铝硅酸盐矿物分解出的另一部分硅和铝在地表结合形成各种粘土矿物,其化学通式为Al2O3·m SiO2·n H2O,依地表水介质环境由弱碱性→酸性的变化，分别形成伊利石(水云母)、蒙脱石(胶岭石)与高岭石等粘土矿物。
通常蒙脱石、高岭石形成于湿润气候条件，而伊利石则是较干冷气候条件的产物。
化学风化作用的最后阶段，硅酸盐全部分解，地表粘土矿物也可分解，可以迁移的元素均已析出。
风化碎屑中主要形成大量铁、铝和SiO2胶体矿物，以水铝石(A12()3·n H2O，铝土矿，或有Fe、Mn混入)、水赤铁矿(Fe2O3·3H2O)、褐铁矿(Fe2O3)、针铁矿等为主。
浅谈河流泥沙及淤积防治措施
浅谈河流泥沙及淤积防治措施随着我国水利水电建设事业的蓬勃发展，河流泥沙防治措施越来越多，河工模型设计理论和试验技术均获得了显著的成就，并具有自身特点，现已成为解决各种水利工程问题的一种普遍公认的有效工具，其在河流治理开发与保护中的作用也愈来愈大。
标签：河流泥沙；淤积现象；河工模型一、泥沙及其特性（一）什么是泥沙泥沙是河水挟带的岩土颗粒。
天然河流中常常挟带着大量的泥沙，河流中的泥沙主要是流域表面的土壤受暴雨或融雪冲刷后，汇入河流而形成的。
河槽本身的冲刷，包括河底冲刷和河岸冲刷，也是河流泥沙的一个来源。
此外，风沙的沉积会使河流的含沙量增加，不过这部分泥沙所占的比重很小。
（二）泥沙的特性有泥沙颗粒的特性和泥沙群体的特性两种。
泥沙颗粒的特性主要有：1、重度，单位体积泥沙颗粒的重量，以千克/米3表示，其数值随泥沙的岩性不同而异，矿物成分主要是石英和长石，泥沙的重度一般约2650千克/米3。
2、粒径，泥沙颗粒大小的一种量度，有不同方法表示。
常用的有等容粒径即体积与泥沙颗粒相等的球体的直径；筛径，即用具有不同孔径的标准筛，对泥沙进行分筛求出的粒径；沉降粒径，即根据粒径与沉降速度的关系算出的粒径等。
3、沉速，指泥沙颗粒在无边界静水内的沉降速度，以米/秒或毫米/秒表示。
它也可作为泥沙颗粒大小的一种量度，故又称泥沙的水力粗度。
沉速综合反映颗粒和水的特性，因河流泥沙而是泥沙运动的一个重要参数。
4、细粒泥沙表面的物理化学性质，主要决定于颗粒表面双电层和吸附水膜的性质。
细颗粒泥沙的絮凝和分散等现象都与双电层和吸附水膜的结构有关。
（三）影响河流挟沙的因素影响河流挟沙的因素很多，综合起来有两个：一是气候因素，二是下垫面因素，气候因素中影响最大的是降水。
干旱地区植被较差，土壤含水量不足，使土壤变得松散，很容易被地面径流冲到河中。
降水强度的大小对河流挟沙也有影响。
降水强度大，地面径流增加，侵蚀加剧，使泥沙增多。
下垫面因素，如土壤、植被和地形等的差异，都会影响河流泥沙含量的多少。
河流动力学第三章 泥沙特性
三、泥沙的水下休止角
– 定义：静水中、不致塌落的倾角 – 影响因素：泥沙粒径、级配及形状 – 变化范围：32º－39 º
三、泥沙的水下休止角 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： 32.5 1.27d
抛石
➢ 0.5 ＜Red＜1000时，由于Cd 为ω及d的函数，目 前无合适的计算公式，只能借助实验资料来计算
ω及Red。
21
22
三、泥沙的沉速
– 天然泥沙不是球体，需要考虑差异 – 基本原理、基本方法大同小异 – 相关研究较多，但所得公式结构相近 – 过渡区复杂，各家公式百花齐放 – 水电部规范综合了多家公式
– 特点
♥ 包含孔隙在内： s ＝ s (1－e) ♥ 变幅较大：最大1.7t/m3，最小0.3t/m3 ♥ 原因：孔隙变化较大
二、泥沙的干容重与干密度
– 影响因素
♥ 泥沙粒径 ➢ 颗粒越细其值越小：
D<0.005mm0.56t/m3 ➢ 颗粒越细变幅越大：0.56－1.35t/m3 ♥ 泥沙淤积厚度 ➢ 淤积深度越深干容重越大，变幅越小
1.72 s gd 0.41 m / s
Red= D/ =0.41×3.5/1000/10-6=1432.1>1000，假定符合，
属紊流
泥沙的水力特性
四、其他影响因素
– 泥沙形状
♥ 细颗粒不重要 ♥ 砾石、卵石、块石应考虑（越扁平，沉速越小）
– 水质
♥ 絮凝的影响 ♥ 出现絮凝后，沉速增加，一般0.4－0.5mm/s
D
(
6V
)1/
3
第三章 泥沙特性
泥沙颗粒）的双电层。
+
+ +
+
+吸
++ + +
附
层
扩散层
内 泥沙颗粒 层 外层 中性水
双电层
32
1、泥沙颗粒周围的双电层
2、双电层的外层 ①、吸附层 ②、扩散层
①、吸附层（固定 层，不活动层）
紧靠内层的反离子， 由于受静电引力大， 便与颗粒表面牢固 地结合在一起，称 吸附层。
++ + +
+
+
+ ++
c很缓，粒径变 化范围大，各组 粒径含量接近， 组成不均匀，级 配良好
请想想:砼搅拌中要求组成沙级配良好，对应均匀沙或非均匀沙？
第三章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
(二)沙样组成与粒配曲线
第三章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
(二)沙样组成与粒配曲线
1.1.2
第三章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
+ +
+ +
+ +
+
+ +
+
+吸
++ + +
附
层
内 泥沙颗粒 层 外层
双电层
扩散层 中性水
33
1、泥沙颗粒周围的双电层 2、双电层的外层 ①、吸附层 ②、扩散层
②、扩散层（活动层）
扩散层：距内层较远的 反离子与颗粒表面结合 的就不牢固，具有一定 的活动性，这一层叫做 扩散层。
++ + +
大凌河中下游泥沙颗粒特征分析
作用 ， 粗颗粒泥沙对下 游河道 的沉积具 有较大 的贡献 ， 而细颗 粒 泥沙输 出流域的几率更 大 。泥沙 粒径 的不同对下 游河道 淤
积 的影 响 也 不 同 ， 径 大 于 ００ ｍ 的粗 颗 粒 泥 沙 对 下游 河 道 粒 ．５ｍ
沙 ） 。
收稿 日期 ： ０ — ４０ ２ ９ ０ －２ ０
由表 １可见 ， 流域不 同位置悬移质泥沙粒径 表现 出明显的 差异性 ， 造成各 测站 泥沙 粒径 特征 不 同的 主要原 因是 泥沙 来 源、 侵蚀形式 、 侵蚀 程度 、 地质 地貌 、 土地利 用及泥 沙输移 过程
的不 同 ， 不 同粒 径 的泥 沙 也 将 对 下 游 沉 积 的发 生 起 到不 同 的 而
市 的南圈河与南井 子之 间注人渤海 。河长 ４ ５ｋ 流域面积为 ３ ｍ， ２ ４ ｍ ， 中辽宁省 境 内面积为 ２ ３ ｍ 。大 凌河 流域 ３５ ９ｋ 其 ０８ ５ｋ 处于半干旱半湿润的大陆 性气候 区 ， 特点是 温度变 化较大 ， 其 夏季炎热多雨 ， 冬春少雨干燥 ； 降水主要集 中在 汛期 ， 汛期 降水 量 占全年的 ８ ％左右 。 ０ 笔者所采用 的悬移质 泥沙粒径 、 含沙量 、 流量 均为相应 径 水文站观测资料 。选择悬 移质泥沙 颗粒 中大 于 ０ ０ ｍ和小 ． ５ｍ 于 ００ ｍ 的沙重百分数及泥沙中值粒径 （ ） ．１ｍ ｄ 来表征悬移质 泥沙的粒度特征 … ， 将这两个粒径组和 与径 流量 、 含沙量进 行相关关 系分析 ， 以反映侵蚀产沙过程 。
摘
要： 通过 统计 大凌 河流域 １ ８－ ２０ ９ ８ ０ １年的泥沙颗粒观 测资料 ， 大凌河泥 沙颗 粒特征在 不 同时间与空间条件 下的 对
第4章 河流泥沙运动规律
第一节 河流泥沙特性
河流泥沙运动规律与泥沙的特性密切相关。因此，在研究河流泥沙运动规律之前，首先
要了解泥沙的特性。
（一）河流泥沙的分类
河流泥沙分类方法有多种，如按泥沙粒径的大小进行分类，按泥沙在河流中的运动状态
分类等，这里主要介绍这两种分类的方法。
1．按泥沙粒径的大小分类
河流泥沙粒径，大至 1～2m 的漂石，小至 0.004mm 以下黏粒，大小相差可达数百万倍。
2．泥沙颗粒级配特性 河流中的泥沙是由许许多多粒径不同的泥沙颗粒组成。从这些泥沙中取出一部分有代表 性的沙样进行颗粒分析，沙样中各种粒径的泥沙相对含量（以百分比计），称为泥沙的颗粒 级配。泥沙的颗粒级配常用粒配曲线表示，这种粒配曲线通常都画在半对数坐标纸上，其横 坐标为粒径，纵坐标为小于此粒径的泥沙占沙样总重量或质量的百分比，如图 4-1 所示。泥 沙的颗粒级配特性是影响泥沙运动的主要因素。 在解决实际问题时，为了便于分析，常将床沙、推移质和悬移质 3 种泥沙的颗粒级配曲 线绘在同一张图上，如图 4-1 所示。从图中可以看出，悬移质的沙样颗粒较推移质的为小， 而推移质的沙样较床沙的均匀。推移质、床沙和悬移质 3 者比较起来悬移质最细，床沙最粗， 曲线亦相应自右至左分布。
漂石
＜0.004 0.004～0.062 0.062～2.0 2.0～16.0 16.0～250.0 ＞250.0
2．按泥沙在河流中的运动状态分类 按照泥沙的运动状态，可将泥沙分为床沙(亦称河床质)、推移质及悬移质 3 大类。床沙 是组成河床表面静止的泥沙。推移质是沿河床床面滚动、滑动或跳跃前进的泥沙，一般粒径 比较粗。它们是由近底水流对床面颗粒在绕流运动过程中所产生的水流作用力推动的结果， 它们的运动范围都在床面附近的区域。推移质运动呈明显的间歇性，往往运动一阵，停止一 阵。运动时为推移质，静止时为床沙，推移质与床沙经常彼此交换。当河床上有一定数量的 推移质向前运动的时候，河床表面往往形成起伏的沙波。推移质前进的速度远较水流速度为 小，但它在水流作用下，有一个增速过程，即运动速度由小到大。这种增速过程，要消耗水 流的能量。悬移质是随水流浮游前进的泥沙，一般粒径较小。悬移质运动的速度基本上与水 流运动速度相同，浮游的位置时上时下，较细的泥沙能上升至接近水面，较粗的泥沙有时甚 至回到河床上与床沙发生置换。维持泥沙悬浮的能量，来自水流的紊动动能。在靠近床面附 近，各种泥沙在不断地交换，推移质与床沙之间，悬移质和推移质之间都在交换，很难把它 们截然分开。就同一种粒径的泥沙来说，在某一河段可能是停止不动的床沙，在另一河段可 能作推移质或悬移质运动。在同一断面上亦因流速不同，会出现不同的运动状态，因此泥沙 运动状态除取决于泥沙本身的粒径外还取决于水流条件。 （二）泥沙的几何特性 1．泥沙颗粒的形状和大小 河流泥沙形状极不规则。常见的卵石、砾石，外形比较圆滑，有圆球状的，有椭球状的 也有片状的，但均无尖角和棱线。沙类和粉土类泥沙外形多有尖角和棱线。黏土类泥沙一般 呈扁平状或针状。泥沙颗粒的形状，常用球度系数表示，它是指泥沙颗粒的实际表面积与之 等体积的球体的表面积之比，其表达式如下：
河流动力学2-泥沙特性
Chap1 泥沙特性本章知识要点：泥沙粒径表达形式泥沙的组成与粒配曲线比表面积的意义双电层与结合水泥沙干容重及其影响因素泥沙沉速与层流、紊流、过渡区絮凝现象● 泥沙来源：①流域地表冲蚀而来；②从原河床上冲起的。
● 土壤侵蚀最严重的黄河中游的黄土高原永定河和西辽河流域，相当于地表每年普遍冲掉0.6毫米的厚度，加上人类活动，如盲目开垦等，含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流，年均含沙量高达300公斤/m 2以上，而南部一些省份，年均含沙量不足1公斤/m 2。
§1－1 泥沙的几何特性一、泥沙的粒径● 泥沙的不同形状与它们在水流中的运动状态有关，较粗的沿河底推移前进，碰撞机会多，动量较大易磨损；反之不易磨损而保持棱角峥嵘的外貌。
为比较不同泥沙颗粒的形状、大小的异同，必须有某些指标对它们进行对比。
泥沙的形状的表达方式● 球度系数：（因为泥沙接近于球体，所以以球体作参照物）与沙粒等体积的球体的表面积与泥沙的实际表面积之比（与球接近的程度）。
研究表明，球度系数相等的两颗泥沙，在水中的流体动力特性大致相同。
由于球度系数难以测定（V 可用排水、称重法确定，但表面积难以测定），常用泥沙的长、中、短三个轴a, b, c ，按下式近似表示：Φ=1942年克来拜因提出）● 形状系数：ab c S P = 1、 等容粒径：泥沙颗粒的大小通常用泥沙颗粒直径来表示，泥沙颗粒形状不规则，难以确定泥沙的粒径，实际中采用等容粒径来表示。
即：与泥沙颗粒体积相等的球体直径。
（泥沙体积可用称重、排水等方法测出：W V g ρ=）——对比水力学中表面粗糙度的∆确定 136V d π⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中：V 为泥沙颗粒的体积。
2、算术平均粒径：用长、中、短轴（a 、b 、c ）的算数平均值来表征泥沙粒径1()3d a b c =++3、几何平均粒径：d =当泥沙形状为椭球体时，等容粒径与几何平均粒径相同（V=лabc/6=лd 3/6）4、中轴长度：接近而偏大于几何平均粒径（较粗天然沙测量的结果）5、筛径：仅对于单颗的卵石、砾石等可以通过称重，再除以泥沙的重率，得到体积而后求其等容粒径，或直接量测其三轴长度，再求其平均值。
水利工程泥沙的危害及应对措施
１ ． ２ 对 水 轮 机 的危 害 在多 泥沙 的河 流 中， 泥沙 的存 在为 泥沙水流气蚀 的产生 或 提前 发生创造 了条件 。在 水电站 中 ， 泥 沙使水轮机 流道 内的流 场和压 力场发 生了畸形 ， 并且对 水轮机过 流部件 的表 面产生反 复 的冲击 和切 削使 水轮机 的局部产生 巨大的磨损 。流速 、 含沙 量、 时间与材料磨蚀强度关 系式 Ｗ＝ Ｋ Ｖ ２ ． ６ － ３ ． ５ Ｓ Ｏ ｔ 。 。 式中， 为含沙 液体相 对于试件 的流速 ， ｍ ／ ｓ ； ｓ 为含沙量 ， ｋ ｇ ／ ｍ。 ； ｔ 为磨蚀 时间 ， ｈ 。从上 面的两个式子 中可以看 出 ， 水 轮 机 的 破 坏 与 沙 粒
的粒径有关 ， 粒径越大 ， 材料损失 的质 量越 大 ， 相反粒径越小 ， 材 料 损失 的质 量越 小 。水 流 中的含沙 量也 与材料 的磨 蚀强度 有 关， 含沙量越小 ， 材料 的磨蚀强度越小 。 １ － ３ 对坝体的影响 １ ） 随着泥 沙在坝体前 的淤积 ， 泥沙 的压力增 大了坝体 的压 应力 ， 尤其在坝踵处最 为明显 。另外 ， 上游坝坡度增加 的幅度较 下游坝坡大 ， 随着坝高的增加 ， 上游坝坡压应力增加的幅度减小 ， 但 当坝高超过一定高度时 ， 泥沙压力对下游坝坡的影响加剧 。 ２ ） 泥沙压力使坝体 的应力变得不均匀 ， 破坏 了应力 状态 ， 因 此在多 沙河流 的坝体设计 的过程 中， 应考虑 到泥沙压 力对坝体 受 力的影响。 ２ 泥沙危害的防治措施 泥 沙的危害范围很广泛 ， 它的破 坏性不容忽视 。因此 ， 对于 水 利水 电建设 来说 ， 一 方 面必 须 了解河 流的泥 沙特性 ； 另一 方 面， 要采取合理 的工程措施 防止或减少泥沙进入引水渠道。 ２ ． １ 河 流 的 泥 沙 特 性 泥沙 的特性 分为 泥沙颗粒 的特性和泥 沙群体 的特性两种 。
泥沙特性
第二节 细颗粒泥沙的物理化学特性
一、电化学性质
1、比表面积
颗粒比表面积间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重 力作用的相对大小。 比表面积越大，颗粒表面的物理化学作用越突出。
• 均带同号负电荷→相斥 • 分子引力(范德华力)→相吸 • 一般情况： 扩散层薄，粒间力=净引力 扩散层厚，粒间力=净斥力
二、压密过程与物理性质的变化
絮团
絮团聚合体
网架结构
颗粒密集
聚合体破坏
网架破坏
u沙、砾石、卵石类粗颗粒泥沙一旦沉积到河底，不再压密 u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
2、粒配曲线反应的特征
（1）可反映沙样颗粒的总体大小(粒径范围) （2）可反映沙样组成的均匀程度(级配状况) a、b曲线较陡，表示粒 径变化范围窄，组成较 均匀，但a 泥沙颗粒较 粗，b泥沙颗粒较细 C曲线很缓，表 示粒径变化范围 大，各组粒径含 量接近，组成不 均匀，级配良好 d曲线很陡，表 示粒径变化范围 小，组成均匀
粘结水的引力可达到1万个 大气压，密度可达1.2-2.4g/cm3， 等同于固体，具有很大的粘滞 性、弹性和抗剪强度，不能传 递静水压力。 粘滞水的密度可达1.3-1.7 g/cm 3 ，具有较大的粘滞性和抗 剪强度，不能传递静水压力。 束缚水的厚度一般0.1mm， 最厚可达2mm
4、絮团和絮凝现象 分散细颗粒相互吸引，聚合成结构松散、类似棉花团的较 大团粒或团块，称为絮团，絮团形成的过程即称絮凝。 两粘土颗粒相互接近时， 会形成公共的双电层。 颗粒间受力：
Ch1 河道水流、泥沙特性2014021
u y 1 m U h
m
§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0.001~100.0mm 。 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 n
Dm
D
i 1
im i
P
100
（2）非均匀特性：拣选系数φ 和均方差σ（几何标准 1 D84 D50 偏差） D75
第一章：河道水流、泥沙基本特性
• • • • • • • 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
§1.1 河道水流基本特性 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、河道水流的非均匀性： 5、不平衡输沙；
泥沙的特性
泥沙（Sediment）的特性泥沙几何特性细颗粒泥沙的物理化学特性电化学性质悬浮在水中的细颗粒泥沙表面会发生各种物理化学作用，物理化学作用的强弱与颗粒比表面积的大小有关。
比表面积：颗粒表面积与其体积之比。
间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重力的相对大小。
双电层颗粒表面离子层及其周围的反离子层（吸附层及扩散层）构成颗粒的双电层，双电层外属中性水。
絮凝和分散现象分散的颗粒互相吸引，聚合成结构疏松、类似棉花团的较大团粒或团块（中间有很大的孔隙，包围密封了大量水分），称为絮团。
细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程叫做絮凝。
泥沙的重力特性泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量（或质量）与实有体积之比称为泥沙的容重（或密度）平均值平均值有效容重系数（有效密度系数）泥沙的干容重与干密度泥沙的干容重（或干密度）是指除水分后的沙样重量（或质量）与沙样体积之比。
泥沙的干容重与泥沙的容重不同，它的变化幅度较大，这是由于泥沙颗粒间空隙变化较大的缘故泥沙淤积深度愈深，其干容重愈大，变化范围愈小；反之，淤积深度愈浅，其干容重愈小，且变化幅度愈大。
泥沙的水下休止角在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的倾斜面而不致塌落，此倾斜面的角度φ称为泥沙的水下远休止角，其正切函数即为泥沙的水下摩擦系数f。
泥沙的水力特性泥沙沉降的不同形式单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度，简称沉速（cm／s）沙粒雷诺数泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉，附近的水体几乎不发生紊乱现象，这时的绕流状态属于层流。
泥沙沿摆动的轨迹下沉；颗粒首部为层流，尾部为紊流，绕流属于过渡状态。
泥沙颗粒脱离铅垂线，沿螺旋形轨迹下沉，其周围的水体布满漩涡，这时的绕流状态属于紊流。
其他因素对沉速的影响泥沙的形状对沉速的影响对于几何平均粒径D相同的不同石块，形状越扁平，其阻力系数越大，沉速越小水质对沉速的影响含沙量对沉速的影响粗颗粒泥沙颗粒下沉时引起的向上水流。
第二章 泥沙颗粒基本特性
9 试分别给出：圆球的重力与阻力的平衡表达式(极 限沉速状态下)；层流绕流和紊流绕流两种状态下的 圆球沉速表达式；绕流流态从层流向紊流过渡状态 下约圆球沉速表达式。
16 比重为2.65的石块质量为5kg，求其等容粒径。
答： Dn
( 6W
s
1
)3
1.5333
17 一粒天然泥沙颗粒的主要成分为斜长石(比重为 2.65)，恰好能通过10号筛，求此颗粒的大致重量。 (提示：颗粒的形状可近似认为是椭球体。）
答：能通过10号筛，则粒径为a=2mm；
V a3 2 103 3 4.19 109
1 n
ln Dmg
100
ln Di
i 1
• pi
6 某海滩的沙粒粒度范围是＝1.4～3.6，试给出以毫 米为单位的颗粒粒径范围。
答：-1.4=log2x1 ;-3.6=log2x2 x1=0.379; x2=0.082
粒径范围是：(0.082~0.379)
7 细颗粒泥沙有什么特殊性质?试说明该种性质在实 际工程中的重要意义。
13 泥沙颗粒的存在为什么能影响浑水的粘性系数和 流变特性?
答：由于泥沙颗粒表面是带有电荷的，它的存在使浑水粘性 系数增大，加之其运动时就可以影响不同流层间的剪切应 力，其切变率与剪切应力都改变了，因此流变特性也就受 到了影响。
14 什么是推移质?什么是悬移质?它们在物理本质上 有什么不同?对实际的河床演变过程有什么不同的影 响?
泥沙课后习题讲解
1.泥沙主要有哪些特性？(1）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。
(2)几何特性泥沙的几何特征指泥沙的形状和粒径。
①泥沙的粒径：泥沙颗粒的大小，以颗粒直径来表示，简称粒径，其符号为D(或d)，单位mm。
1）等容粒径：等容粒径是指体积与泥沙颗粒相等的球体直径。
D=abc/3,或者D=3√abc。
2）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。
3）沉降粒径（沉径）②圆度——指颗粒棱和角的尖锐程度。
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。
③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。
④比表面积，定义——泥沙颗粒的表面积与其体积之比。
⑤泥沙的群体特性（级配曲线）。
粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。
⑥孔隙率与孔隙比。
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。
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)（3）泥沙的重力特性①密度：密度——颗粒单位体积内所含的质量。
②容重（重度）：容重（重度）——泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值。
③比重：比重——固体泥沙颗粒重量与同体积4℃水的重量之比。
无量纲，一般泥沙比重：=2.65。
④有效容重系数（有效密度系数）泥沙在水中运动状态，既与泥沙容重有关，又与水的容重有关，在分析计算时，常出现相对数值，为简便起见，令：γγγ-=saρρρ-=sa常取a=1.65。
⑤干容重单位体积沙样经过100~105℃温度烘干后，其重量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙的干容重。
符号：sγ'单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；⑥浑水容重：单位体积浑水的重量，单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；⑦含沙量：单位体积浑水中固体泥沙颗粒所占比例，⑧水下休止角（φ）在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的稳定的倾斜面，此面与水平面的交角称为泥沙的水下休止角。
粉沙质海岸泥沙特性及其影响
第11卷第1期中国水运V ol.11N o.12011年1月Chi na W at er Trans port Janury 2011收稿日期：3作者简介：宋晓阳（），女，河海大学港口航道与海岸工程专业。
粉沙质海岸泥沙特性及其影响宋晓阳（河海大学，江苏南京210000）摘要：航道淤积一直是各大港口面临的棘手难题之一，文中概述了粉沙质海岸泥沙性质及其对航道淤积产生的影响，并以黄骅港粉沙淤泥质海岸为例，依据现场实测资料具体介绍了粉沙质海岸表层泥沙的分布规律和运动特征，以及形成航道淤积的条件及过程，最后指出了航道可能出现的淤积模式和相关治理对策。
关键词：粉沙质泥沙；航道淤积；分布规律；运动特征；治理对策中图分类号：TV 142文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）01-0127-02一、引言航道是船舶进出港口的主要通道，因此一旦发生泥沙淤积将直接影响到港口的正常运营甚至造成事故。
鉴于粉沙质海岸泥沙起动流速小、沉降速度低、沉积密实快的水力特征，粉砂质泥沙一旦流入航道极容易使航道发生淤积。
因此粉沙淤泥质泥沙对港口航道造成的淤积不容忽视，不断出现的粉沙质海岸港口（如黄骅港、潍坊港、京唐港、东营港等）和航道淤积事故要求进一步加深这方面的研究。
二、粉沙质海岸的泥沙特性和运动规律即及其对航道淤积的影响1．粉沙质海岸的泥沙特性和运动规律沙质海岸泥沙颗粒较粗，淤泥质海岸泥沙颗粒较细，这是两种类型海岸相互区别的表面特征。
就泥沙性质而言，前者为松散的无粘性沙，后者为粘性沙。
泥沙粒径由粗到细，其粘性有无到有，这中间是一个渐变过程，而处于这一渐变过程的泥沙就是所谓的粉沙质海岸泥沙。
关于粉沙质海岸泥沙的界定目前尚无统一标准，依据泥沙性质和港口界的普遍认识，一般定义滩面泥沙中值粒径介于0.03mm ~0.12mm 。
其基本的水力学特征是：起动流速小、沉降流速大、沉积密实快，在波浪、潮流作用下，泥沙活跃，易悬易沉，大浪作用下在临底床面上还会产生浓度很高的含水沙体层。
泥沙颗粒基本性质
发生在风化初期。
风化作用
2. 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 改变，产生新的物质的过程。
（1）溶解作用 (solution) 水是一种极性溶剂，岩石中的矿 物都是无机盐， 虽然占绝大部分的硅酸盐和铝硅酸盐矿物 溶解度很小， 但很长的地质年代中，水溶解的规模是相当 大的， 况且地表的水常常溶有CO2、NO2以及有机酸等， 这样大大提高了水的溶解能力。
▪ 一、粒径分布及级配曲线
▪ （1）泥沙颗粒的粒径尺度：自然界中泥沙的 粒径变化很大，从1m的漂石，到0.001mm的粘 粒。Krumbein提出Φ值分级尺度。取以2为底 的对数并乘以（-1）。
0.05~2.0mm
▪ 细沙 fine sand 0.062~0.25mm
▪ 粉沙 silt 0.004~0.062mm
0.005~0.05mm
二、颗粒形状
▪ （1）圆度 (roundess) 。颗 粒棱和角的尖锐 程度。圆度相等 的颗粒，形状可 能不同。如图。 圆度相等，形状 不同。
▪ （2）表面结构 ：显微镜下观测的
C/N 高 H/F低
▪ （四）土壤类型：决定于气候和植被
五：泥沙资源
▪ 传统的观点是认为泥沙是有害的；
▪ 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；
▪ 河道有序采砂；采砂量多大合适？ ▪ 三峡引航道年淤积砂量200万～1000万方，
如何利用该泥沙资源；
▪ 高含沙水流输送、流化床充分燃烧； ▪ 黄河下游泥沙淤背工程；
▪ 黄河口泥沙淤积使海上采油变为陆上开采 。
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（四）土壤类型：决定于气候和植被
五：泥沙资源 传统的观点是认为泥沙是有害的； 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； 河道有序采砂；采砂量多大合适？ 三峡引航道年淤积砂量200万～1000万方， 如何利用该泥沙资源； 高含沙水流输送、流化床充分燃烧； 黄河下游泥沙淤背工程； 黄河口泥沙淤积使海上采油变为陆上开采 。
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。
风化作用
（４）氧化作用 (oxidation) ：空气中的氧在有水的条件下，氧 化能力很强。 2FeS2＋2H2O＋7O2 FeSO4＋2H2SO4
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。
diameter)：停留在D1，通过D2 的平均粒径。相当于等容粒径适用于砾石、沙粒
D a b c / 3
D 3 abc
4、沉降粒径(fall
diameter )：粒径小于 0.1mm。<0.1mm的细沙适用于粉沙、粘土. 如：比重计法、粒径计法、吸管法等。
泥沙颗粒分类：方法很多，结果有差别。
§2 岩石风化
一、风化作用(weathering)：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 变化的过程。 1、物理风化(physical weathering )：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 变成分的过程。
(1) 温度作用（热胀冷缩） 引起岩石内外胀缩不一致，岩石是 热不良导体。 (2) 结冰作用（冰劈作用） (3) 风和水的磨蚀作用 风沙 磨蚀岩石，使之表面裸露， 加速物 理风化。
发生在风化初期。
风化作用
2. 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 改变，产生新的物质的过程。
（1）溶解作用 (solution) 水是一种极性溶剂，岩石中的矿 物都是无机盐， 虽然占绝大部分的硅酸盐和铝硅酸盐矿物 溶解度很小， 但很长的地质年代中，水溶解的规模是相当 大的， 况且地表的水常常溶有CO2、NO2以及有机酸等， 这样大大提高了水的溶解能力。
中国 水文 ≥ 200mm 20~200mm 2~20mm
二、颗粒形状
（1）圆度
(roundess) 。颗 粒棱和角的尖锐 程度。圆度相等 的颗粒，形状可 能不同。如图。 圆度相等，形状 不同。 （2）表面结构 ：显微镜下观测的
颗粒表面细微形状 。
（3）球度（sphericity)wadell于1932年
3. 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 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 是物理和化学风化并存。 微生物、植物根系、动物等，在岩石风化初期主 要是低等生物如细菌、真菌、 地衣等。
不同气候下土壤的形成分析
南方湿热 风化强烈 盐基淋失多 土壤 pH 低 原 生 矿 物 少 ， 且 粘 土 矿 物 以 Ki 值 较 低 的高岭石为主 南方湿热 生物生长旺盛 微生物活动强烈 有机质积累少H/F（胡敏酸与富里酸之比）<0.5 东北地区冷湿 风化不强 盐基淋失少（盐基饱和） pH高 东北地区冷湿 有机质分解慢，积累多，但品质较差， C/N 高 H/F低
§1 河道水流基本特性
1、河道水流的二相性：液相-水（连续介质
）和固相-沙（非连续介质的颗粒群体）。两 相流理论。 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，尤其是山区河流。 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、河道水流的非均匀性： 5、不平衡输沙；
（二）、土壤的可蚀性或抗侵蚀性 国外：土壤的可蚀性分为可分离性（detachability)和可 搬运性（transportability)。 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 粒的分散和径流悬浮的能力。土壤的抗蚀性常用分散率， 侵蚀率和分散系数表示。 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 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 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 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。
定义：与颗粒同体积的球体直径和颗粒外 接球直径之比。Ф=1/a*(6V/3.14)0.333
Dn (abc)1 3 bc 1 6V ( 2 )1 3 ( )1 3 a a a a
(4)形状可用形状系数SF(shape
factor)
表示 泥沙颗粒形状最初取决于岩石母质和风化 作用，随后在输运过程中受物理、化学和 生物作用不断改变形状，一般是其圆度增 加的过程。
第一章：水流、泥沙的基本性质
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 0.001~100.0mm 。Pm2.5 和Pm10 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； 含沙水体（浑水）特性。
二、黄土成因
(2)残积说：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 性质与风化壳的黄土化作用有关。 (3)黄土多成因说: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 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 早期堆积物和基岩风化碎屑物。 (4)洪积说： 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 碰撞，释放出巨大能量，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 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。
粒径(mm) 0.01
赣江下游河床质钻孔资料分析结果：10-20mm粒组缺乏
§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； 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
பைடு நூலகம்
（5）卵石磨损。卵石在运动中经常与河
床发生磨檫使卵石的体积、重量和粒径沿 程减小。 （6）某种粒径的“短缺”现象。如瑞士 莱茵河河床质中，有5～100mm的砾卵石， 也有1mm的细沙，但很少存在1～5mm的颗 粒。一种解释认为是岩石崩解作用产生的 某一粒径短缺；另一种认为风化形成后， 在输运过程中细化了。
（三） 气候与土壤（主要决定着成土过程中水热条 件）
水热 ： 一方面影响母质风化过程速度及物质的淋溶； 另一方面控制了植物和微生物的生长决 定了有机质的积累和分解。 气候对土壤性质的影响
(1)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 (3)对土壤胶体性质的影响 (4)强烈地影响土壤风化和淋溶度。
根劈作用(root wedging)
风化作用阶段
碎 屑 残 积 阶 段
钙 质 残 积 阶 段
硅 铝 残 积 阶 段
铁 铝 残 积 阶 段
1)碎屑残积：物理风化为主，化学成分基本不变。 2）钙质残积类型：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 失，而碳酸钙相对积累。 3）硅铝化类型 ：岩石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 溶，而铝、铁、硅等元素尚有残留。如高岭土 4）铁铝化类型
（2）水化作用(hydration) 指无水矿物与水结合成 为含水矿物的作用。 CaSO4＋2H2O CaSO4.2H2O 2Fe2O3＋3H2O 2Fe2O3.nH2O 赤铁矿 褐铁矿
风化作用
（３）水解(hyrolysis)和碳酸化作用 水解 2KAlSi3O8＋3H2O Al2Si2O5(OH) ＋ 4SiO2＋2KOH 钾长石 高岭石 碳酸化水解作用 2KAlSi3O8＋CO2＋2H2O AlSi2O5(OH)＋4SiO2＋K2CO3 CO2溶于水时，对碳酸盐的溶解力，较纯水增强几十倍。
土 壤
残 积 层
风 化 壳
硅酸盐矿物全部分解，转变为以次生铁、铝矿物和高岭 基 岩 石粘土矿物为主。如红土
二、黄土成因(research of loess genesis)及黄土演变
黄土（loess)为干寒气候环境的产物，是一种“母岩
”而并不是真正的“土壤”。 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。 黄土成因有不同的假说: (1) 黄土风成说:是李希霍芬（Von Richthofen(1882年 ））和奥勃鲁契夫在19世纪末叶提出的“低空理论 ”（subaerial theory)，即“风成说”，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 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。 风成说依据：（1）矿物成分粉粒为主符合风力搬运 特点；（2）结构特点：土质疏松，大孔隙，湿陷性
黄土特性：
（1）矿物成分：主要以石英、长石等稳定矿