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 1

36V 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。对于较细的泥沙，例如：一般沙土，更不用

说粉土和粘土，在通常情况下不可用上述方法，通常用筛分法和水析法。

沙土：筛分法。采用公制标准筛，不难设想，用筛分法得出的粒径应相当于各粒径组界

限沙粒的中轴长度，接近等容粒径，称为筛径。

6、沉径：ω～D

对于粉土与粘土，已不可能进一步筛分，只能用水析法，如：比重计、粒径计、移液管

法等，这些方法的基本原理：通过测量沙粒在静水中的沉降速度，按照本书阐明的粒径D

与沉速ω的关系式换算成粒径。该粒径与筛径一样接近等容粒径但并不全等，称为沉降粒径，

简称沉径。

● 泥沙粒径是泥沙十分重要的物理量，但要通过测量得到精确的大小是困难的，因此我们

在进行一项具体的泥沙研究之前，必须对泥沙粒径的量测精度如何有清楚的了解，做到“胸

中有数”。

二、泥沙的组成与粒配曲线

1、研究意义：天然河流中的泥沙并非均匀的，不同组成的泥沙特点不一。通常采用泥沙的

粒配曲线来描述泥沙的集合特性。

2、绘制方法

由图可看出沙样的大小和均匀程度。如：沙样a 比沙样b 粒径粗；沙样a 比沙样c 组

成均匀。

● 采用对数分格，其意义在于缩小D 的图幅，以适应D 分布范围大的情况（粗细之间可相

差千百万倍）。

3、特征值：

a.平均粒径：1

max min 1()2n i i

pj i i d p d p d d d ==+∑∑即沙样内各种泥沙粒径的加权平均值。

● 我国常采用，pj 即拼音平均。

b.中值粒径：大于和小于该种粒径的泥沙重量各占沙样总重量的50%，其求法是在粒配曲线

中找出与p=50%对应的d ，记为50d

。一般认为：天然沙的平均粒径常大于中值粒径。

● 比较方便。欧美国家用得较多。 c.拣选系数：表明泥沙的均匀程度 2575d d =

ϕ（≥1）。25d ，75d 分别为粒配曲线上

75%25%p =和的粒径，ϕ越大，沙样越不均匀，ϕ=1，为均匀沙。

d.标准偏差：

8450501612d d d d σ⎛⎫=+

⎪⎝⎭（≥1），σ越小，沙样越均匀。

三、河流泥沙的分类

不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性质。分类定名的原则：既要表示出不

同泥沙性质上的显著差异和变化的规律性，又要能使各分界粒径尺度成为一定比例。我国

水利工程界分类情况见表1一2。此外表1一1所示克伦宾的ф—分类法被海洋部门广泛使

用。不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成（高岭土——粘土，石英——沙），不同粒径级

的颗粒具有不同的物理化学特性。

分类情况见表1一2。——与日常生活接近

● 提问：上述分级标准有何特点？

四、沙样的空隙率

泥沙中孔隙的容积占总容积的百分比称为孔隙率。泥沙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。

➢ 粗沙的孔隙率一般为39%～40%，中沙为41%～48%，细沙则为44%～49%，泥沙孔隙率的

下限比较稳定，平均在0.40左右。

➢ 粒径均匀的泥沙的孔隙率最大。

➢ 形状对孔隙率有较大的影响 。

➢ 沉积的方式对泥沙孔隙率也有很大影响。

§1－2 细颗粒泥沙的物理化学特性

● 悬浮在水中的泥沙能与水发生物理化学作用。如：粗沙子不能捏成形（一盘散沙），不

管干湿，但粘土加水后则能捏成形，说明加水后会产生某些作用，使颗粒间会有粘结力。