第三节 河流泥沙的基本特性
【免费下载】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。
泥沙颗粒基本性质
（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。
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
泥沙颗粒基本性质ppt课件
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。
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
（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。
溶，而铝、铁、硅等元素尚有残留。如高岭土
4）铁铝化类型
硅酸盐矿物全部分解，转变为以次生铁、铝矿物和高岭 基
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
石粘土矿物为主。如红土
岩
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。
根劈作用(root wedging)
第三节 河流泥沙的基本特性
第三节河流泥沙的基本特性一、几何特性泥沙的几何特性指泥沙颗粒的形状、粒径及其组成。
泥沙的形状棱角峥嵘、极不规则，常可近似地视为球体或椭球体。
泥沙粒径的求法：对于较大颗粒的卵石、砾石，可以通过称重求其等容粒径。
所谓等容粒径，就是体积V与泥沙颗粒体积相等的球体的直径，即d=(6V/π)1/3。
或者，通过量出颗粒的长轴a、中轴b、短轴c，算其几何平均粒径 d=abc，这实际上是将泥沙颗粒视为椭球体而求得的椭球体的等容粒径。
对于较细颗粒的泥沙，实际工作中，通常采取筛分析法或沉降分析法求其粒径。
筛析法的作法是，将孔径不同的公制标准筛，按孔径上大下小原则叠置在一起，放在振动机上，将沙样倒在最上一级筛上，把经振动后恰通过的筛孔孔径作为该颗粒的粒径，并称此粒径为筛径。
采用沉降法求其粒径并称为沉降Array粒径，其原理是，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((3-2))反算出粒径。
泥沙的组成常用粒配曲线表示。
即通过沙样颗粒分析，求出其中各粒径级泥沙的重量及小于某粒径泥沙的总重量，算出小于某粒径的泥沙占总沙样的重量百分数，在半对数纸上图3-3 半对数纸上的泥沙粒配曲线绘制如图3-3 所示的泥沙粒配曲线。
据此粒配曲线，可反映沙样粒径的粗细及其组成的均匀性。
如图3-3 所示，Ⅰ、Ⅱ两组沙样相比较，沙样Ⅰ的组成要粗些、均匀些；沙样Ⅱ的组成要细些、不均匀些。
根据图3-2示粒配曲线，易于确知沙样的中值粒径d50。
它的意义是，沙样中大于和小于这一粒径的泥沙重量各占50％。
在实际工作中，通常可以中值粒径d50作为沙样的代表粒径。
二、重力特性1．泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥沙的容重γS，单位为N／m3。
泥沙颗粒实有质量与实有体积的比值，称为泥沙的密度ρs，单位为t／m3或kg ／m3。
泥沙的容重γS 与密度ρs 的关系：γS =ρs .g 。
这里g 为重力加速度。
工程上，泥沙密度常取ρs =2.65t/m 3 = 2650 kg ／m 3由于河流泥沙处在水中运动，其实际容重应为（γS -γ），因此在工作中，常采用有效容重系数a 表示其重力特性。
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。
++ + +
CH1河道水流、泥沙特性
• 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
河道水流的流速分布
卡曼-普兰特尔（Th.von.Darman-L.Prandtl）对数流速分布公式
umax u 1 1n h
• 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
通常采用实测的方法来确定Ks，即测出河槽的流速分布和 U*，再用槽壁流速公式反推粗糙高。
也有人用床沙情况来初估Ks，如对于均匀床沙，采用 Ks=0.7d，d为床沙粒径；如对于非均匀床沙，采用 Ks=d65，d65为床沙组成中出现概率是65%的粒径；不同 实验条件不同，仅供参考。
槽壁流速公式:
8.5
几个概念简析
0.5
3.30 15.3 41.1 71.9 93.5 98.8 100
• 习题3
• 用规范公式和张瑞谨公式分别计算水温24 ℃ （相应ν ＝0.0091cm2/s)，粒径d分别为0.01、 0.05、0.1、0.5、1.0、2.0、10.0、20.0mm的 沙粒的沉降速度，取 s 2.65 g / cm3
摩阻流速U*：
τ U*= gRJ =
治河及工程泥沙第3讲
20
5、泥沙起动流速公式应用 （１）U＜Uc （２） U＞Uc （３） U＝Uc 泥沙不起动，河床稳定 泥沙起动，河床冲刷 河床冲刷终止
21
谢 谢！
14
（４）含沙量对沉速的影响 当水中含沙量达一定值后，沙粒在沉降过程 中相互影响，这时泥沙颗粒不再是自由沉降，而 是形成群体沉降。含沙量对沉速的影响随粒径粗 细的不同也会有一些差异。 不论泥沙粗细，颗粒下沉时都会引起向上的 水流运动和激发紊流；同时浑水容重的增大会使 颗粒有效容重减小，这些都使得含沙量增加时泥 沙沉速减小。
２、泥沙起动 床面上的泥沙在一定水流条件作用下，受力平衡 状态被破坏，由原来的静止状态转变为运动状态的力 学过程。
19
３、泥沙起动条件 泥沙起动时的临界水流条件，称为临界水力指 标。 （１）水流垂线平均流速（起动流速） （２）床面水流切应力(起动拖曳力) ４、泥沙起动流速公式 沙莫夫公式 Uc=4.6h1/6d1/3 d>0.2mm
5
三、泥沙的水力特性
1、沉降速度的概念 ①定义 单位颗粒泥沙在静止的无限大清水中等速下 沉的速度叫沉降速度也叫沉速。
符号ω表示 单位cm/s
6
泥沙雷诺数Ｒed=d/
泥沙颗粒沉降运动状态 (a)Ｒed<0.5层流区沉降；(b)0.5<Ｒed<1000过渡区沉降； (c)Ｒed<1000紊流区沉降
2
（二）泥沙的干密度 1、定义： 从淤积体中取出的沙样经过100℃~105℃的恒温 烘干后，其质量与原状沙样的体积之比。 用ρs ＇ 表示单位 kg/m3
泥沙干密度不仅与构成它的岩石成分有关，而 且与泥沙沉降过程中的所形成的孔隙有关。而孔隙 大小又与泥沙粗细程度、埋藏深浅、淤积历时长短 有关。 ρs ＇最大=1700kg/m3 ρs ＇最小=300kg/m3
河道水流和泥沙的一般特性
河流动力学
精选课件
29
泥沙的粒径（续）
对较粗的天然沙粒测量成果的统计分析表 明，沙粒的中轴长度，和其长、中、短三 轴的几何乎均值(即等容粒径)接近相等且 略大
对于粒径在0.062~32.0mm之间的沙粒，一 般采用筛析法
用筛析法量得的粒径应相当于各粒径组界 限沙粒的中轴长度。可以近似地看成等容 粒径，或者直接称为筛径
河流动力学
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32
河流动力学
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33
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％，
不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成 不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性
河流动力学
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26
河流泥沙的几何特性
河流动力学
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27
泥沙的粒径
泥沙的几何特性系指泥沙颗粒的形状和大小， 或者说泥沙颗粒的形状与粒径
泥沙的粒径
泥沙的粒径是泥沙颗粒大小的量度
所谓等容粒径，就是体积与泥沙颗粒相等的球体的 直径。设某一颗沙的体积为v，则其等容粒径为， 单位mm
河道水流和泥沙的一般特性
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1
河道水流的一般特性
河流动力学
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2
河道水流的基本特性
天然河道中的水流属于明渠流，在很多情 况下可以沿用水力学中明渠流的有关结果
二相流特性 三维性 不恒定性 非均匀性
河流动力学
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3
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。
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。
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。
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
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§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；
河道中流泥沙粒径特性分析
河道中流泥沙粒径特性分析河道是自然界非常重要的水系，它们在地球上扮演着非常重要的角色。
对于河道的管理和保护是我们必须要重视的问题。
其中，河道中流泥沙粒径特性也是一个需要特别注意的方面。
因为它对于河道的运输能力，沙生态环境以及河道水质污染等方面都会产生深远的影响。
以下将对河道中流泥沙粒径特性进行分析和探讨。
一、泥沙粒径特性的定义泥沙是指河道中由细粒子构成的自然物质。
泥沙的颗粒大小涵盖了各个级别，但普遍认为直径大于0.063mm，小于2mm的是泥沙。
而泥沙粒径特性是指泥沙中的颗粒分布情况，其中包括平均粒径、中位数等。
泥沙平均粒径代表了泥沙中颗粒大小的级别，中位数则是将泥沙粒径按照从小到大排序后的中间值。
二、泥沙粒径特性的影响1. 河道的运输能力泥沙粒径特性对于河道运输能力产生着非常大的影响。
粒径小的泥沙颗粒会使得河道输沙量大而且流速较低，因此会使得河道中堆积淤泥，进而导致水位上升，增加洪水的发生概率。
而颗粒大的泥沙则会使得输沙率较低，导致河道下切速度慢，河道产生平缓的河谷地貌。
不同级别的河道对于泥沙颗粒大小的要求是不同的，在对于河道的管理和维护时，需要根据不同河道的特性来参考泥沙粒径特性。
2. 河道生态环境的改变河道中的泥沙粒径大小在生态环境中也有着非常重要的作用。
颗粒大小比较均匀的泥沙会对于河道水体质量的影响比较小，因为它们能够承载更多生态物种。
而泥沙粒径大小差距较大时，泥沙缓冲能力变弱，河道中的氧气含量也会下降，这会对于那些依靠氧气呼吸的水生生物产生很大的影响。
3. 河道水质污染在某些极端情况下，河道中大量的泥沙粒径大小差距很大，这会影响到水体的净化处理。
因为大颗粒的泥沙难以分解且不易沉淀，会直接影响到水体自净的能力，从而导致水体污染较为严重。
此外，在一些污染较为严重的地区，大规模的泥沙淤积会产生腐烂并且产气，从而危害河道和河岸周边的生态环境和自然景观。
三、结论泥沙粒径特性是河道管理和保护的一个非常重要的方面。
河流动力学课程报告专题一泥沙的特性
《河流动力学》课程报告专题一：泥沙的特性一、概述泥沙运动的基本规律和河道的演变基本规律是河流动力学这一学科的主要部分。
因此研究泥沙的特性，并对影响泥沙运动特性直接相关的因素进行概念定义、参数化和尺度化等工作，显得十分重要。
以此为基础可以更有效集中的来分析其中的规律性。
当然这其中也应该考虑到泥沙运动本身的复杂性，孤立因素的考虑必须与整体实际分析相结合，本部分概念的介绍以及相关参数的确定过程体现了这一理念。
本部分主要涉及泥沙的粒径、密实重率、干容重和水力粗度这几个概念。
二、主要知识要点1.泥沙粒径的确定方法、特征值及其意义泥沙的粒径是用以量度泥沙颗粒的大小的。
由于泥沙颗粒本身形状不规则，大小不等，所以需要用等容粒径（或球状粒径）来表示泥沙颗粒的大小。
等容粒径即是容积与泥沙相等的球体的直径，可测出容积后用相关数学公式进行换算。
不过测容积本身比较复杂，实际工作中常用筛分析法、比重法等来确定泥沙的粒径。
并用粒配曲线来更清晰地表明泥沙各大小颗粒的组成情况，可以清楚地判断其粒配是否均匀。
根据粒配曲线，可以采用粒径的某种特征值来表达沙样粒径的相对大小，常用的有两个，一个是中值粒径（粒配曲线中与纵坐标50%相应的粒径），一个是平均粒径（分组并加权平均计算的方法得出）。
粒径大小是泥沙的一个重要特性。
粗粒泥沙没有粘粒，细沙则具有粘性，因此粒径不同会表现出不同的运动状态；较细的泥沙有较大的空隙率和较小的干容重，泥沙多半是棱角峥嵘的。
应注意问题：（1）粒径分析应该细致进行，保证结果的精度，以建立可靠的粒径资料。
（2）天然河道往往上有泥沙粗下游细，不能把泥沙的沿程磨损作为主要因素去解释这一现象，主要原因可归结到不同的水流情况。
2. 泥沙的密实重率、干容重以及影响干容重的因素泥沙的密实重率，是泥沙各个颗粒实有的重量与泥沙各个颗粒实有的体积的壁纸，一般说来变化不大，常取γs=2650kg/m3泥沙的干容重γ'是沙样烘干后的重量与原状沙样的整个体积（包括泥沙颗粒实体和空隙）的比值。
泥沙基础知识点总结
泥沙基础知识点总结一、泥沙的组成泥沙主要由矿物颗粒、有机物质和微生物组成。
矿物颗粒是泥沙中最主要的组成部分，通常由石英、长石、云母等矿物组成。
有机物质是由植物和动物残骸、分解产生的有机物质构成。
微生物是指在泥沙中起着重要作用的微生物，它们可以分解有机物质，促进泥沙颗粒的团聚和固化。
二、泥沙的来源1. 地表岩石的风化和侵蚀：地表的岩石受到风化、冻融和化学侵蚀等作用，产生大量的碎屑颗粒，最终形成泥沙。
2. 河流和湖泊沉积：河流和湖泊中的水流不断侵蚀岩石和土壤，将颗粒物质携带到河流和湖泊，形成底部和河岸的泥沙沉积。
3. 海洋泥沙：海洋中的泥沙通常是由陆地上的风化和侵蚀所形成，也包括一些生物的壳体和遗骸。
三、泥沙的特性1. 粒径分布：泥沙的粒径范围很广，从微观的黏土颗粒到粗大的砾石颗粒都有，通常根据粒径大小将泥沙分为泥、沙和砾石等不同级别。
2. 密度和比重：泥沙的密度和比重与其组成成分有关，通常泥沙的密度范围从1.5g/cm3到2.7g/cm3左右。
3. 流化特性：泥沙在水流中的流体力学特性非常重要，它直接影响到河流、湖泊和海洋的泥沙运移和沉积过程。
四、泥沙运移泥沙在自然环境中会随着水流、风力和重力等力量而运动和分布。
泥沙运移是由于各种外力作用下，泥沙颗粒产生流动、悬浮、输移和沉积的过程。
泥沙运移和沉积是地貌演变和水资源开发利用的重要基础。
泥沙运移的形式包括固体泥沙流动和悬移运动、以及泥沙颗粒的卵石流动和跃移。
五、泥沙沉积泥沙颗粒的沉积是由于水流的减速和携带能力减小，使得泥沙颗粒沉降到水体底部或河岸。
泥沙沉积是水文地质、水资源开发和环境保护的关键课题。
泥沙沉积对地貌演变、水资源开发和生态环境等具有重要影响。
六、泥沙的环境效应1. 地貌和土地资源：泥沙是地表形成的重要因素，它对地质和地貌的演变起着关键作用，也是土地资源的重要组成部分。
2. 水资源和水环境：泥沙对河流、湖泊和水库的水质和水库清进行着重要的影响，同时也是水资源开发和水环境保护的重要问题。
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第三节河流泥沙的基本特性
一、几何特性
泥沙的几何特性指泥沙颗粒的形状、粒径及其组成。
泥沙的形状棱角峥嵘、极不规则，常可近似地视为球体或椭球体。
泥沙粒径的求法：对于较大颗粒的卵石、砾石，可以通过称重求其等容粒径。
所谓等容粒径，就是体积V与泥沙颗粒体积相等的球体的直径，即d=(6V/π)1/3。
或者，通过量出颗粒的长轴a、中轴b、短轴c，算其几何平均粒径 d=abc，这实际上是将泥沙颗粒视为椭球体而求得的椭球体的等容粒径。
对于较细颗粒的泥沙，实际工作中，通常采取筛分析法或沉降分析法求其粒径。
筛析法的作法是，将孔径不同的公制标准筛，按孔径上大下小原则叠置在一起，放在振动机上，将沙样倒在最上一级筛上，把经振动后恰通过的筛孔孔径作为该颗粒的粒径，并称此粒径为筛
径。
采用沉降法求其粒径并称为沉降Array粒径，其原理是，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((3-2))反算出粒径。
泥沙的组成常用粒配曲线表示。
即通过沙样颗粒分析，求出其中各粒
径级泥沙的重量及小于某粒径泥沙
的总重量，算出小于某粒径的泥沙占
总沙样的重量百分数，在半对数纸上
图3-3 半对数纸上的泥沙粒配曲线
绘制如图3-3 所示的泥沙粒配曲线。
据此粒配曲线，可反映沙样粒径的粗
细及其组成的均匀性。
如图3-3 所示，Ⅰ、Ⅱ两组沙样相比较，沙样Ⅰ的组成要粗些、均匀些；沙样Ⅱ的组成要细些、不均匀些。
根据图3-2示粒配曲线，易于确知沙样的中值粒径d50。
它的意义是，沙样中大于和小于这一粒径的泥沙重量各占50％。
在实际工作中，通常可以中值粒径d50作为沙样的代表粒径。
二、重力特性
1．泥沙的容重与密度
泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥沙的容重γS，单位为N／m3。
泥沙颗粒实有质量与实有体积的比值，称为泥沙的密度ρs，单位为t／m3或kg ／m3。
泥沙的容重γS 与密度ρs 的关系：γS =ρs .g 。
这里g 为重力加速度。
工程上，泥沙密度常取ρs =2.65t/m 3 = 2650 kg ／m 3
由于河流泥沙处在水中运动，其实际容重应为（γS -γ），因此在工作中，常采用有效容重系数a 表示其重力特性。
a= γγ
γ-s =ρρ
ρ-s (3-1)
其中γ、ρ分别为水的容重和密度。
2．泥沙的干容重与干密度
沙样经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γ，，单位为N ／m 3。
其质量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙
的干密度ρ, ，单位为t ／m 3或kg ／m 3。
，干密度ρ,与干容重γ，的关系：ρ=γ，
/g 。
研究泥沙干容重的理论意义在于，在河床冲淤变化分析中，冲淤泥沙的重量G 与体积V 的关系，需通过干容重γ
，换算，即G =γ，V 。
三、沉降特性
泥沙因其容重较水为大，在水中必然往下沉降。
泥沙的沉降特性是指，泥沙在水中下沉时的状态及其沉降速度。
泥沙沉速的定义为，泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度。
泥沙沉速常用符号ω表示，单位cm/s 。
研究得知，球体沉速一般公式为
ω = d C 34
gd s γγγ- (3-2)
式中，C d 为阻力系数，与沙粒雷诺数R ed 有关，R ed =ωd/ν，其中ν为水的运动粘滞性系数，ω、d 分别为泥沙的沉速和粒径。
C d 由试验确定。
对于泥沙来说，虽然其颗粒形状与球体不同，但其沉降的物理特性理应一致。
因此，上面球体的沉速公式应该同样适用于泥沙。
只是由于泥沙的形状不规则，阻力系数C d 应该较球体略大。
泥沙沉速是河流泥沙的重要特性之一。
在许多情况下，它反映着泥沙在与水流相互作用时对运动的抗拒能力。
在同样水流条件下，水流中的泥沙沉速越大，则泥沙发生沉降的倾向越大；河床上的泥沙沉速越大，则泥沙参与运动的倾向越小。
因此，在河流泥沙研究与河道演变分析中，与泥沙沉速无关的课题是很少的。