CH1河道水流、泥沙特性
CH1 水库泥沙
• （五）枢纽泥沙及施工期泥沙 • 坝前泥沙淤积后，泥沙压力是大坝水工设计中主要荷载之一。 泥沙淤积，尾水闸门启闭有困难，装机前进行必要的清理。 汛期基坑过水也会造成淤积，增加清基工作量。 • （六）变动回水区冲淤对航运影响 • 在水库变动回水区，泥沙淤积，水深变浅，造成通航困难。 库尾也是推移质泥沙集中堆积段，淤积后的泥沙很难清除， 俗称“铁板沙”。如丹江口水库，曾发生翻船事故。 • 引航道的淤积可能发生在上下游引航道内，引航道口门会形 成异重流淤积。当船闸或引航道的布置不当，会引起推移质 淤积。如葛洲坝船闸采用：“静水通航、动水冲沙”。 • （七）水库淤积可能加强水的自净，同时加重水库污染 • 大型水库，泥沙沉积，造成有害物质沉积，环境污染，淤没 鱼类产卵地，水温下降，影响鱼类产量。水流变缓，常年回 水区水动力减弱，易产生水质恶化。
Ch1: 水库泥沙淤积及控制
一、水库泥沙淤积 二、水库排沙 三、水库泥沙淤积计算 四、水库泥沙淤积防治
水库泥沙问题
• 一、泥沙淤积对淹没的影响 • 水库蓄水，库水位抬高，造成库区淹没；泥沙淤积 上延，形成“翘尾巴”，扩大淹没范围。如三门峡 水库淤积上延影响西安市的安全，被迫改建。 • 二、库区泥沙问题 • （1）库容损失，水库综合效益下降。修建水库后， 由于水沙条件发生变化，水库库区泥沙淤积，减少 了水库效益。（2）拦门沙坎问题泥沙淤积在库区 或支流的口门形成拦门沙坎。如黄河刘家峡水库的 支流兆河入汇形成拦沙坎。 • 我国的水库泥沙淤积问题比较严重，如长江流域水 库。
• 三、库容损失计算
• （1）水库淤积后剩余库容曲线计算：根据设计要求 计算出各种淤积年限的淤积量及其淤积部位，计算 出相应淤积年限的剩余库容，绘制其剩余库容曲线。 • （2）估算淤积年限
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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。
河流动力学2008-C1泥沙特性for教学楼
1.1.1
一、泥沙的粒经
➢常用：f-分级法，由Krumbein(克伦宾)提出；
➢公式： D 2
➢原因：泥沙粒经分布大致呈现对数正态分布的特特性
➢特点：可用小的f值变化表示相当大的粒经变化范围
值与粒经D的关系
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
D(mm) 8.00 4.00 2.00 1.00 0.50 0.25 0.125 0.063 0.032 0.016 0.008
已知：球体颗粒D=3.5mm， ＝10-6m2/s， g s =2.65T/m3，请计算 。 解：①假定处于层流状态：则
＝ 1
18
gs g g
g
D2
＝
1 18
2.65 1
1
9.8
(3.5 /1000 10 6
)
2
＝11.00(m/s)
Red=
d
=11.00×3.5/1000/10-6=38500>0.5，假定不符，不属层流
重百分比pi 为纵坐标(普通坐标)绘制D~p粒配曲线。
※实例 (粒配曲线实例随PPt.xls)
㈠
1.1.2
第一章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
二、沙样组成与粒配曲线
㈡粒配曲线反映的特性
➢⑴可反映沙样 颗粒的大小 和范围；
➢⑵可反映沙样 组成的均匀 程度。
a、b组成较均匀，变化范围窄， 但a 较粗，b较细。
㈡干容重与孔隙率n的关系
g s g s (1 n)
gs
g s
(1 n)
㈢影响干容重的主要因素：
➢⑴泥沙颗粒大小的影响：颗粒越大， gs’越大，变化范围小；
国家开放大学治河工程泥沙网上作业答案整理
7、泥沙球度系数可以反映出泥沙偏离球体的程度，球度系数ψ大，说明它与球体的偏离 C．小
8、已知d75=，d25=,泥沙的分选系数是 B．
9、不能满足通航要求的滩地称为
B．浅滩
10、沙样经（ ）的恒温烘干后，其质量与原状沙样体积的比值叫泥沙的干密度
B．1000C~1050C
6、/叫B.悬浮指标
6、泥沙的形状系数ＳＦ值越小，泥沙颗粒越A．扁
4、公式Uc=6d1/3为泥沙（A.起动）流速
4、永定河治理主要建设“四湖一线”，其中一线指的是C.一条循环工程管线
1、在历年水位流量关系曲线中，同一流量下，如水位逐年上升，则表明河床逐年A．淤高
3、当上游来沙量大于本河段挟沙能力时，水流因无力把全部来沙带走，便将部分泥沙（A.卸荷）河床发生（淤积）
13、水流垂线平均流速 U＞起动流速Uc ，则泥沙不起动，河床稳定
错误
14、水流垂线平均 U＝起动流速Uc，河床淤积终止 错误
15、推移质输沙率是指单位时间内通过河道断面的推移质的数量 正确
16、推移质单宽输沙率是指通过单位河宽推移质的数量用gb表示 正确
17、悬移质泥沙垂线分布是均匀的
错误
18、悬浮指标／(k u)表示泥沙悬浮是受重力作用和紊动扩散作用的 正确
B．松花江
8、永定河绿色生态走廊建设总投资预计为（）亿元 C．170
9、永定河绿色生态走廊建设的位置在 C．石景山
10、北京水系包括永定河水系、北运河水系、大清河水系、蓟运河水系和A．潮白河水系
8、反映泥沙级配均匀程度的分选系数φ越大，沙样越A.均匀
9、/愈大，说明相对含沙量沿垂线分布A.不均匀
8、某沙粒3个互相垂直的长、中、短轴分别为1.5 mm1.2 mm0.9 mm，该沙粒的形状系数为A．
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。
++ + +
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。
河道水流和泥沙的一般特性
河流动力学
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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
第2章 泥沙的一般特性
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。
15Biblioteka 19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) 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
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
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
12
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
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。
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：
1泥沙特性
前言： 水流挟带的泥沙沉积于河床->河床淤积 水流从床面上攫取泥沙带走->河床冲刷 河床演变
泥沙是水流与河床相互作用的中介 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，包括： 1.几何特性：形状、大小及群体泥沙的组合特性 2.重力特性：容重、干容重 3.水力特性：沉速 4.细颗粒泥沙的物理化学特性 (粘性沙)
力较小，水分子排列较稀松，仅有 轻微的定向，这层水叫～
• 束缚水=粘结水＋粘滞水
1.2.1 第一章 泥沙特性 1.2 细颗粒泥沙的物理化学特性
㈡絮团、絮凝
(一)电化学性质
两粘土颗粒相互接近时，会形成公共的双电层
颗粒间受力
• 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
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？
1.1.2 第一章 1.1 泥沙的几何特性
泥沙特性
(二)沙样组成与粒配曲线 ㈢粒配曲线反映的定量特征值-代表粒径
⑴中值粒径D50：表示大于和小于该粒径的泥沙重量各占一半 ⑵平均粒径Dm：按粒径组所占重量百分比的加权平均值粒径
abc / 6 D 3 / 6
1/ 3
㈣筛分粒径(>0.075mm)或水析粒径(<0.075mm)
定义：通过筛分法(标准筛)或水析法(静水沉速)获得的粒径近似值
比重计法
第一章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
㈤泥沙粒径分级法
公式：
(一)泥沙的粒径
1.1.1
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；
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。
CH1河道水流、泥沙特性
土壤侵蚀的危害表现为：
• （1）水资源和土壤资源恶化。年流失耕地表层土 壤1cm，流失的养分相当于4000万t的化肥量。
• （2）农田、耕地水沙为害。沟壑纵横切割造成耕 地大面积破坏。
通过D2的平均粒径；细颗粒 • 3、沉降粒径：粒径小于0.1mm。<0.1mm的细沙 • 泥沙颗粒分类：方法很多，结果有差别。
三、泥沙的群体特性
三、泥沙的群体特性
三、泥沙的群体特性
§1.3 泥沙的重力特性和浑水性质
§1.5 泥沙的重力特性和浑水性质 一、泥沙的容重
• 容重：泥沙颗粒的重量与其实际体积之比，用 s 。 s 与泥沙
表达形式3： τ= ρl2(dux/dy)2
普兰特根据动量传递原理或掺混长度理论得到。
1.2、 明渠水流的流速分布
一、明渠水流流速分布
一、明渠水流流速分布
一、明渠水流流速分布
一、明渠水流流速分布
一、明渠水流流速分布
κ卡门常数
爱因斯坦公式
8.5
上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，x为修正系数，其中糙壁x=1； 光壁和过渡壁面x是ks和δ的函数。）
n
曼宁公式
U*= gRJ ;
U =c
U*
g
§1.4 河流泥沙的来源与几何特性
• 一、泥沙的来源 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 。 主要来自岩石的风化，土壤侵蚀，火山喷发产生的
扬大水文学原理Ch11-12.
刷，有时也称为允许流速。起动流速是进行河道整治、渠道设计等
的基本要素。起动流速通常用经验公式估算。
第八页，编辑于星期一：十九点 三十二分。
v0 37.7d00.7.55R0.2
——沙玉清公式，可适用于粗沙河细沙
1
v0
0.014.47d0.5H6
d
——沙莫夫公式，仅适用于粗沙
第三节 坡面产沙计算
河流泥沙主要来源于坡面侵蚀，而坡面侵蚀又源于降雨径流。
因而，流域年平均产沙量与气候、土壤类型、地形、土地利用情
况、植被覆盖状况等因素有关。书上第205页给出了某流域年平均
降水量与年平均产沙量关系图，此图表明，最大产沙量发生在年平
均降水量300mm左右的地区。产沙预测类似于产流，也有两类模型
一、统计模型（理解产沙的影响因素） 所谓统计模型就是根据所掌握的流域实测降雨产流产沙资料， 研究和建立流域产沙量与其主要影响因素之间的经验关系。
力粗度等方式来描述。
1、河流泥沙的密度 —s —取自河流沙样中的各种颗粒的实际
重量之和与各个颗粒实际占有体积的比值，即
s
Ws V
2、河流泥沙的干容重 — 0—沙样烘干后的重量与原沙样体积
的比值。
第四页，编辑于星期一：十九点 三十二分。
0与 s之间存在下 0述 s/(1关 e)系：
e 式中： 为孔隙比，即沉积泥沙中孔隙体积与沙粒体积的比值。
3、悬沙的时空变化——悬移质泥沙随时间的变化及其空间分 布。悬沙随时间的变化以年为周期，最小含沙量通常出现在冬季，
最大含沙量与输沙率发生于洪水期。 悬沙沿水深方向的分布因重力和水流紊动作用而不均匀，一般
河底大，水面小，自下而上递减。洪、枯水期有所不同，洪水期泥 沙多来自坡面土壤侵蚀，颗粒较细，垂向分布均匀；枯水期泥沙则
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• 与主流相对应的有副流（又称次生流）。如环流次生流： 在比较顺直的河段中，当流量随时间变化剧烈时，常常产 生微弱的环流。
• 分散流：河流涨水时，两岸水位低于断面中间水位，产生 河底水流向两岸分散的两个环流，两岸淤积，中间冲刷。
离水面的距离；y1=h-0.2h=0.8h； y2=h-0.8h=0.2h；
u1=5.75U*lg(24h/Ks)
u2=5.75U*lg(6h/Ks)
Ks
lg h
0.778u1/u2-1.38
=
Ks
1-u1/u2
h,u1,u2
得Ks
多测几点流速，计算Ks和n值，以供 CH1河道水流校、核泥沙，特或性取平均。
一、明渠水流流速分布
κ卡门常数
爱因斯坦公式
8.5
上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，x为修正系数，其中糙壁x=1； 光壁和过渡壁面x是ks和δ的函数C。H）1河道水流、泥沙特性
明渠水流的流速分布
二、对数区流速分布
κ卡门常数
爱因斯坦公式
8.5
上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，x为修正系数，其中糙壁x=1； 光壁和过渡壁面x是ks和δ的函数C。H）1河道水流、泥沙特性
常用计算的推导
Ks和糙率n的计算：
例：先测得河流水深h,再测水流垂线上两点流速，如：测
得U0.2h=u1 ;U0.8h=u2，由流速分布公式：
U
c
=
U*
g
c=18lg(12.27R/Ks)
5.57u1/u2-5.27 c=
n
R1/6
u1/u2-1
n= 18lg 12.27R
Ks
(u1/u2-1)h1/6 n=
表达形式3： τ= ρl2(dux/dy)2
普兰特根据动量传递原理或掺混长度理论得到。
CH1河道水流、泥沙特性
1.2、 明渠水流的流速分布
一、明渠水流流速分布
CH1河道水流、泥沙特性
一、明渠水流流速分布
CH1河道水流、泥沙特性
一、明渠水流流速分布
CH1河道水流、泥沙特性
一、明渠水流流速分布
CH1河道水流、泥沙特性
8.5
几个概念简析
摩阻流速U*：
τ U*= gRJ =
0ρ
摩阻流速U*反映了水流的紊动情况，广泛应用在泥沙研究 中。 U*与脉动强度的数值大小相当。
τ0是起动拖曳力，即泥沙处于起动状态的床剪切力。 τ0=γhJ=ρU*2
CH1河道水流、泥沙特性
常用计算的推导
Ks和糙率n的计算： 例：先测得河流水深h,再测水流垂线上两点流速，如：从 水面测得U0.2h=u1 ;U0.8h=u2，由流速分布公式：
• 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； CH1河道水流、泥沙特性
• 河道水流的流型：河道水流的雷诺数一般都比较大，其流 型一般居于阻力平方区。
• 集合流：河流退水时，产生的向河底集聚的两个微弱环流， 两岸冲刷，中间淤积。
• 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。
CH1河道水流、泥沙特性
不同情况下的环流结果
CH1河道水流、泥沙特性
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
m
CH1河道水流、泥沙特性
CH1河道水流、泥沙特性
几个概念简析
粗糙高Ks：是天然壁面的当量粗糙高，它综合反映壁面粗 糙程度、形式和分布等因素对水流的影响。不仅只反映槽 壁的粗糙程度，同时还与粗糙的形式和分布状况有关。在 河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均匀的，也 是随机的，Ks是反映这些因素的一个综合参数。
umax u 11n h
u
ky
对数及反三角函数流速分布
U m a u x u k 1 1 n 1 1 2 a r c t a n 1 2 a 1 n 2 2 a a a a a 2 a r c t a n a 2 a
指数公式
u U
1m
y h
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:
CH1河道水流、泥沙特性
表达形式2：
紊动切应力
影响εm的几个量在量测和确定上都存在不少困
难，在实际计算中，通常由切应力和时均流速
ε 分布反推 值。 m
CH1河道水流、泥沙特性
紊动切应力表达式 在恒定二元均匀明流，水深为h，水力坡度为J，
作用于底壁的切应力为：τ0=rhJ；
根据理论与实测资料分析得到紊流切应力沿水
深按直线分布： τ=r(h-y)J= τ0 (1-y/h)
将实测的lg(h/Ks)代入上式，令R=h
5.57(u1/u2+0.95)
多测几点流速，计算Ks和n值，以供 CH1河道水流校、核泥沙，特或性取平均。
作业或习题
P16第一题；已知某河实测水深H=3.6米，三点法测得的流
速分别为U0.2=1.82m/s, U0.6=1.60m/s, U0.8=1.50m/s, 试 求河床的粗糙高度KS及曼宁糙率n。
第一章：河道水流、泥沙基本特性 1.1 紊流的形成与猝发
CH1河道水流、泥沙特性
紊动切应力
一、紊动切应力概念 由于涡漩混掺引起质点动量交换而产生脉动流
速及相应紊动切应力，也称附加切应力。
表达形式1：
式中，ux’uy’是指空间某点瞬时ux’和uy’在某时段的
时均值。
ux= ux+ ux’； uy= uy+ uy’； u u u 式中， x为瞬时值，CHx1河为道时水流均、泥值沙，特性 x’为X方向的脉动流
天然河流的阻力分为定床阻力和动床阻力， 清水阻力和挟沙水C流H1河阻道水力流、：泥沙特性
§1.3 河道水流基本特性
河流是河道和水流两部分相互作用下的水流运动。 河道由泥土、沙砾、卵石和顽石等组成，统称为泥 沙。
• 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）。
• （1）重力、（2）惯性力、（3）阻力