第4章 河流泥沙运动规律

第四章 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：
n
pidi
dm
i 1
100
（4-6）
式中：n 为粒径分组数。对于同一沙中值粒径 d 50 表示在全部沙样中，大于和小于这一粒径的泥沙质量刚好相等。其
求法是：在粒配曲线的纵坐标上找出 p 50%，其对应的横坐标即为 d 50 。
关于平均粒径与中值粒径两者之间的关系，可用下式表达
2
d m d 50 e 2 式中： 为沙样粒径分配的均方差，其值为
图 4-1 泥沙颗粒级配曲线
从泥沙的颗粒级配曲线上不仅可以看出泥沙粒径的大小和沙样的均匀程度，还可以查出 某些特征粒径。如图 4-1 所示，推移质曲线表示沙样组成较均匀，且粒径较粗；悬移质曲线 则表示沙样组成不均匀，且粒径较细。沙样的均匀程度，可用如下的非均匀系数或称拣选系 数来表示
99
d 75 d 25
除等容粒径外，也可用泥沙颗粒的长、中、短三轴的算术平均值或几何平均值来表示泥
沙的粒径，计算式如下
d 1 (a b c) 3
（4-3）
或
d 3 abc
（4-4）
在实际工作中，除大颗粒卵石粒径，需要一颗颗去量测其长轴、中轴和短轴的长度，用 上述公式计算颗粒的平均粒径外，对于哪些不易量测的较细泥沙通常用筛分析法、水分析法 来确定其粒径，相应于这些方法确定的粒径分别称为筛分粒径和沉降粒径。
（4-5）
式中： d75 表示粒配曲线上相应于 p 75%的粒径； d25 表示粒配曲线上相应于 p 25%的粒
径。非均匀系数等于 1，则为均匀沙样；愈大于 1，沙样愈不均匀。
从粒配曲线上，可查出常用的一些特征粒径，如泥沙的平均粒径 d m 、中值粒径 d 50 等。 泥沙的平均粒径 d m 是沙样中各种泥沙粒径的加权平均值，其求法是：首先将沙样按粒 径变化情况分成若干组，在粒配曲线上定出各组沙的上、下限粒径 d max 和 d min ，以及各组 泥 沙 在 整 个 沙 样 中 所 占 的 重 量 百 分 比 pi 。 然 后 求 出 各 组 沙 的 平 均 粒 径 d i (d max d min ) / 2 ，再按下式求出沙样的平均粒径
3
b
2
c
a b
（4-1）
98
式中： a 、 b 、 c 分别为泥沙颗粒的长、中、短三轴。
泥沙颗粒的大小，通常用泥沙的直径来表示。天然泥沙颗粒形状极不规则，直径不易 确定，常采用等容粒径，即与泥沙颗粒相等的球体的直径，作为泥沙粒径。设某一颗沙的体
积为V ，则其等容粒径 d 为
6V d 3
（4-2）
通常将泥沙粒径按大小分类，粒径分类定名的原则，既要表示出不同的粒径级泥沙某些性质
上的显著差异和性质变化的规律性，又能使各级分界粒径尺度成为一定的比例。我国 SL42 —92《河流泥沙颗粒分析规程》[1]规定河流泥沙分类应符合表 4-1 的标准。
表 4-1 河流泥沙分类
（单位：mm）
黏粒
粉砂
砂粒
砾石
卵石