chap1泥沙特性

1、韩智明韩智明钱宁钱宁:泥沙运动力学应该是内容更广泛的泥沙运动力学应该是内容更广泛的“泥沙学泥沙学”的一个组成部分。的一个组成部分。6 66 6可供直接饮用的河流和淡水湖泊可供直接饮用的河流和淡水湖泊10.17万万 3km图中单位为图中单位为地下地下海洋海洋冰川冰川沼泽沼泽湖泊湖泊山河山河大气大气自然界自然界中的水中的水1.0 河道水流基本特性河道水流基本特性u河道水流的流型河道水流的流型：河道水流的雷诺数一般都比较大，其流型一：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。般居于阻力平方区。u河道水流的河道水流的主流主流与副流与副流：主流（又称正流、元生流）主流（又称正流、元生流）是

2、水流沿是水流沿着河槽总方向的流动着河槽总方向的流动 。u与主流相对应的有与主流相对应的有副流副流（又称次生流）（又称次生流）。如。如环流次生流环流次生流：在比：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。流。u分散流分散流：河流涨水时，两岸水位低于断面中间水位，产生河底：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。水流向两岸分散的两个环流，两岸淤积，中间冲刷。u集合流集合流：河流退水时，产生的向河底集聚的两个微弱环流，两：河流退水时，产生的向河底集聚的两个微弱环流，两岸冲

3、刷，中间淤积。岸冲刷，中间淤积。u河湾水流河湾水流：是河道中常见的水流现象，一种三元流动。实际是：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。横向运动与纵向运动结合的螺旋流。河道水流的流速分布河道水流的流速分布卡曼卡曼- -普兰特尔（普兰特尔（Th.von.Darman-L.PrandtlTh.von.Darman-L.Prandtl）对数流速分布）对数流速分布公式公式 对数及反三角函数流速分布对数及反三角函数流速分布 指数公式指数公式max11uuhnukymax12211212arctan1122aaaUunnarctanukaaaaa1muymUh水力侵蚀

4、类型水力侵蚀类型冰川侵蚀类型冰川侵蚀类型风力侵蚀类型风力侵蚀类型冻融侵蚀类型冻融侵蚀类型重力侵蚀类型重力侵蚀类型土土壤壤侵侵蚀蚀类类型型混合侵蚀类型混合侵蚀类型化学侵蚀类型化学侵蚀类型生物侵蚀类型生物侵蚀类型泥沙粒经分级法泥沙粒经分级法 2D常用：常用：- -分级法，由分级法，由Krumbein(Krumbein(克伦宾克伦宾) )提出；提出；公式：公式：原因：泥沙粒经分布大致呈现对数正态分布的特特性原因：泥沙粒经分布大致呈现对数正态分布的特特性特点：可用小的特点：可用小的f值变化表示相当大的粒经变化范围值变化表示相当大的粒经变化范围D2log 分类方式：依据颗粒大小分类方式：依据颗粒大小我国

5、水利工程界分类：我国水利工程界分类：l 球度系数球度系数32)()(cbabl 形状系数形状系数abcSP a, b, ca, b, c为泥沙的长、中、短三个轴为泥沙的长、中、短三个轴长 轴 a中 轴 b短 轴 c泥 沙 颗 粒 形 状gWVl 等容粒径等容粒径l 算术平均粒径算术平均粒径)(31cbaD3abcDl 几何平均粒径几何平均粒径313166 sWVD D筛析法示意图1D2151516161212D D5050=0.0073mm=0.0073mm平均粒径平均粒径：中值粒径中值粒径： 50d2575dd。25d，75d 1650508421DDDD niiniiimppDD11 式中

6、，式中， 为第为第i i组泥沙的代表粒径。组泥沙的代表粒径。 n n 为沙样按粒径大小的分组数。为沙样按粒径大小的分组数。 实质上是以各组泥沙的重量百分数为权重的加权平均值。实质上是以各组泥沙的重量百分数为权重的加权平均值。iD9 .151 .84lnDD均方差均方差s s ：表示泥沙组成的非均匀程度：表示泥沙组成的非均匀程度, ,0 0均匀，越大均匀，越大越不均匀越不均匀 。25750DDS 2exp250DDm均匀沙均匀沙 =0，DmD50；非均匀沙；非均匀沙 0，DmD50 。分选系数分选系数( (非均匀系数非均匀系数) )S S0 0：仍表示泥沙组成的非均匀程：仍表示泥沙组成的非均匀程

7、度，度，1 1均匀，越大越不均匀均匀，越大越不均匀 。D Dm m与与 D D5050的关系：的关系：2502 eDDm 为泥沙粒径组成的均方差。为泥沙粒径组成的均方差。孔隙率与孔隙比孔隙率与孔隙比孔隙率孔隙率n n：沙样中孔隙的体积与沙样总体积之比。：沙样中孔隙的体积与沙样总体积之比。 n n= =V V孔隙孔隙/ /V V总总 孔隙比孔隙比e e：沙样中孔隙的体积与沙样颗粒体积之比。：沙样中孔隙的体积与沙样颗粒体积之比。 e e= =V V孔隙孔隙/(/(V V总总- - V V孔隙孔隙) )u天然沙孔隙率的一般规律天然沙孔隙率的一般规律沙样越粗，孔隙率越小；沙样越粗，孔隙率越小； 粗砂：

8、粗砂：39394040；中沙：；中沙：41414848；细沙：；细沙：44-4944-49；粘土絮凝后可达；粘土絮凝后可达9090均匀沙的孔隙率大均匀沙的孔隙率大, ,不均匀沙的孔隙率小；不均匀沙的孔隙率小；形状圆滑的、棱角不分明的沙样孔隙率较小；形状圆滑的、棱角不分明的沙样孔隙率较小；沉积时间越长，孔隙率越小沉积时间越长，孔隙率越小；泥沙的孔隙率反映了颗粒与颗粒之间相互结构松紧的程度。泥沙的孔隙率反映了颗粒与颗粒之间相互结构松紧的程度。(5)(5)埋深越大，孔隙率越小。埋深越大，孔隙率越小。在分析计算中淤沙的稳定孔隙率一般取在分析计算中淤沙的稳定孔隙率一般取0.40.4。 最小孔隙率，虽然随

9、粒径的缩小也略有增最小孔隙率，虽然随粒径的缩小也略有增加，但比较稳定，平均在加，但比较稳定，平均在0.40.4附近。附近。 淤沙的最大孔隙率，淤沙的最大孔隙率，随着粒径的缩小而增随着粒径的缩小而增高，变化幅度较大；高，变化幅度较大；粒径大小粒径大小与孔隙率的关系与孔隙率的关系2366DDDl 泥沙的颗粒愈细，其比表面积愈大。泥沙的颗粒愈细，其比表面积愈大。l 力学意义：物理化学作用（表面积）与重力作用力学意义：物理化学作用（表面积）与重力作用（体积）之比（体积）之比胶核胶核硅酸根（负电）硅酸根（负电）氢离子（正电）氢离子（正电）外层内层22322ymSiO HO nSiOxHn x H（硅酸胶

10、体的胶团公式） （硅酸胶体的胶团公式） 胶核胶核 吸附层吸附层 扩散层扩散层（硅酸胶体的胶团公式） 三、水的电化学作用三、水的电化学作用颗粒间受力：均带负电荷颗粒间受力：均带负电荷相斥；分子引力相斥；分子引力相吸。一般情况：扩散相吸。一般情况：扩散层薄，粒间力净引力；扩散层厚，粒间力净斥力。层薄，粒间力净引力；扩散层厚，粒间力净斥力。两粘土颗粒相互接近时，会形成两粘土颗粒相互接近时，会形成公共公共的双电层。的双电层。絮团：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絮团：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。粒或团块，称为。絮凝：细颗粒泥沙在一定条件下

11、彼此聚合的过程絮凝：细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程( (絮团的形成过程絮团的形成过程) )，叫。叫。絮团、絮凝絮团、絮凝絮凝与分散絮凝与分散(DLVO(DLVO理论）理论） 泥沙颗粒越细，重力作用越弱，颗粒之间的相互作用则俞来俞重要，泥沙颗粒越细，重力作用越弱，颗粒之间的相互作用则俞来俞重要，存在于颗粒之间的吸附水膜促使它们连接起来，同时也有排斥作用。相邻存在于颗粒之间的吸附水膜促使它们连接起来，同时也有排斥作用。相邻颗粒在一定条件下结合成集合体的作用为颗粒在一定条件下结合成集合体的作用为“凝聚作用凝聚作用”，扩散层很薄，凝，扩散层很薄，凝聚作用强，反之如果扩散层很厚，排斥力大于吸附力，

12、颗粒重新分离为聚作用强，反之如果扩散层很厚，排斥力大于吸附力，颗粒重新分离为“分散作用分散作用”。一、泥沙颗粒的重率一、泥沙颗粒的重率 s sl 天然沙的重率：天然沙的重率： 24.9924.9926.95KN/m26.95KN/m3 3，取，取 25.97KN/m25.97KN/m3 3l 在分析计算中，常出现相对数值在分析计算中，常出现相对数值（ s s-)/ -)/ 有效容重系数有效容重系数32650mkgs/ 泥沙密度一般取泥沙密度一般取65. 1ssa 容重由容重由泥沙的矿物组成决定。一般分为胶体分散矿物、轻矿泥沙的矿物组成决定。一般分为胶体分散矿物、轻矿物和重矿物。泥沙矿物成分物和

13、重矿物。泥沙矿物成分: :主要是石英和长石，影响泥沙硬度。主要是石英和长石，影响泥沙硬度。二、泥沙的干容重二、泥沙的干容重 （specific weight) 泥沙粒径的影响泥沙粒径的影响干容重变化范围较大，约为干容重变化范围较大，约为0.350.351.751.75之间之间沙样经沙样经100105温度烘干后，其重量（或质量）与原状沙样整个体积的比值温度烘干后，其重量（或质量）与原状沙样整个体积的比值u概念概念)1 ()1 (nnssss干容重干容重：单位松散体积的重重量， s 2.9416.66kN/m3干密度干密度：单位松散体积的质质量，s 0.31.7t/m3u干容重与孔隙率干容重与孔隙

14、率n的关系的关系u影响干容重的主要因素影响干容重的主要因素：泥沙颗粒大小的影响泥沙颗粒大小的影响：颗粒越大， s越大，变化范围小； 颗粒越小， s越小，变化范围大。 如：D0.04mm， s 0.551.25t/m3 D0.2mm， s 1.41.7 t/ m3)mm0 . 1(095. 0exp472. 089. 1)mm0 . 1(441. 11131DDDDDDDsu影响干容重的主要因素：影响干容重的主要因素：泥沙淤积厚度的影响：淤积越厚，泥沙淤积厚度的影响：淤积越厚， s越大，变化范围越小；越大，变化范围越小； 淤积越浅，淤积越浅， s越小，变化范围越大。越小，变化范围越大。TKssT

15、lg0 如：官厅水库淤厚如：官厅水库淤厚10m处，处， s 1.471.55 t/ m3 1m处，处， s 0.731.30 t/ m3泥沙淤积历时的影响：沉积越短，泥沙淤积历时的影响：沉积越短， s越小；越小； 沉积越长，沉积越长， s越大，然后趋于稳定值；越大，然后趋于稳定值； 大颗粒稳定历时短，细颗粒稳定历时长。大颗粒稳定历时短，细颗粒稳定历时长。泥沙组成的影响：组成越均匀，孔隙率越大，泥沙组成的影响：组成越均匀，孔隙率越大， s越小；越小； 组成越不均匀，孔隙率越小，组成越不均匀，孔隙率越小， s越大。越大。lgsTsLKT 淤积厚度的影响淤积厚度的影响 淤积历时的影响淤积历时的影响干

16、容重与淤积深度和淤积历时关系干容重与淤积深度和淤积历时关系二、泥沙的水下休止角二、泥沙的水下休止角(泥沙在静水下自然堆积的坡面倾角泥沙在静水下自然堆积的坡面倾角)WW cosW sintgWWfcossin水下休止角与泥沙的水下摩擦系数的关系水下休止角与泥沙的水下摩擦系数的关系151532.5 1.27d天津大学研究天津大学研究二、球体的沉速二、球体的沉速WF重力d阻力gDCDgDCWFsDsD34624322沉速计算沉速计算泥沙在水流中的有效重力泥沙在水流中的有效重力泥沙沉降阻力泥沙沉降阻力C CD D和不同形式的沉速计算和不同形式的沉速计算已有的研究成果已有的研究成果层流状态：层流状态：C

17、 CD D与与R Reded为直线关系，即为直线关系，即C CD D=24/=24/R Reded，则：，则： (平方关系平方关系) 紊流状态：紊流状态：C CD D与与R Reded为无关，基本为一常数，为无关，基本为一常数，C CD D0.450.45。则：。则： (平方根关平方根关系系) 过渡状态：过渡状态：C CD D与与R Reded成曲线关系，数学上难以描述。则：成曲线关系，数学上难以描述。则：公式中多了一个参数：公式中多了一个参数：C CD Df(f( ,D), 的计算式为隐函数。的计算式为隐函数。 DDF33 gDCDFD24322 DDDCRe2424 2181DgsgDs7

18、2. 1dRed沙粒雷诺数反映泥沙沉降形式的无量刚参数沙粒雷诺数反映泥沙沉降形式的无量刚参数物理意义：沙粒惯性力与水流粘滞力的对比物理意义：沙粒惯性力与水流粘滞力的对比 。eDeDDRRC163124eDDRC24三、绕流状态及绕流阻力三、绕流状态及绕流阻力泥沙运动泥沙运动状态状态示意图示意图 运动特点运动特点 （颗粒周围水（颗粒周围水体流态）体流态） 沙粒铅直下沉， 周围水体几沙粒铅直下沉， 周围水体几乎不发生紊动现象。乎不发生紊动现象。 颗粒摆动下沉， 颗粒后的水体颗粒摆动下沉， 颗粒后的水体开始发生扰动、产生漩涡。开始发生扰动、产生漩涡。 颗粒盘旋下沉，附近水体产生颗粒盘旋下沉，附近水体

19、产生强烈的扰动和涡动。强烈的扰动和涡动。 DRe 5 . 0Re D 10005 . 0Re D 1000Re D 运动状态运动状态 （绕流流态）（绕流流态） 层流区层流区 （滞流区滞流区，滞性区），滞性区） 过渡区（介流区）过渡区（介流区） 紊流区紊流区（紊动区紊动区） 四、泥沙沉速四、泥沙沉速（一）岗恰洛夫公式（一）岗恰洛夫公式1 1）层流区（）层流区（D0.15mmD1.5mmD1.5mm）17. 1 DCgDs 068. 1紊流区泥沙沉降阻力值大致在紊流区泥沙沉降阻力值大致在0.9-1.4之间岗恰洛夫取之间岗恰洛夫取gDCsD3417. 1 DC2/32/31/3()sgD3 3）过渡

20、区（）过渡区（0.15D1.5mm0.15D1.5mm）1 0.03703.70.08lg83()TDD 沉沉速速公公式式 沉沉速速与与各各变变量量的的关关系系 层层流流区区 2241gDs 与与2D， g g、 s（有有效效容容重重系系数数）的的一一次次方方及及1 成成正正比比 过过渡渡区区 Dgs3/23/13/2 与与D、与与g g 和和 s的的2 2/ /3 3 次次方方、及及3/1 成成正正比比 紊紊流流区区 gDs 068. 1 与与D、g g 和和 s（有有效效容容重重系系数数）的的1 1/ /2 2 次次方方及及0成成正正比比 备备注注 TDD037. 0107 . 383lg

21、081. 0 （二）沙玉清公式（二）沙玉清公式1 1）层流区（）层流区（D0.1mmD2mmD2mm）1.14sgD2124sDg沙玉清取紊流区泥沙沉降的阻力系数沙玉清取紊流区泥沙沉降的阻力系数02. 1 DC3 3）过渡区（）过渡区（0.15D1.5mm0.15D1.5mm） 14334Re32ssDDggDDCaS 343ReaDDSC 3/13/13/13/1Re34 DDsaCgS 、沉降判数、沉降判数 与粒径判数与粒径判数323131313131/Re DggDSssaD DffSa， 39777. 5lg790. 3lg22 aS39374. 5lg386. 3lg23/223/1

22、 D3/13/13/13/1Re34 DDsaCgS 沙玉清过渡区泥沙沉速的实用算式沙玉清过渡区泥沙沉速的实用算式 （三）张瑞瑾公式（三）张瑞瑾公式2232 DkDkF 31DkWs WF 31232121kkCkkC ，dCgDCdCs 1221 mmD41 . 0 09. 195.1321 CC，DgDDs 95.1309. 195.132 223 DkF DkF2 31DkWs gDs 044. 1 26 .251gDs mmD4 mmD1 . 0 （四）窦国仁公式（四）窦国仁公式gdCRdFded2sin4)cos1 (21)1631 (422263dWSgdRRseded212)si

23、n2 . 1)cos1 (21)1631 (32134(（四）我国原水利电力部规范推荐公式（四）我国原水利电力部规范推荐公式 作作者者 层层流流区区 过过渡渡区区 紊紊流流区区 各各区区统统一一式式 S St to ok ke es s 2181gDs （D D0 0. .1 1m mm m） 张张瑞瑞瑾瑾 26 .251gDs （D D0 0. .1 1m mm m） gDs 044.1 ( (D D4 4m mm m) ) DgDDs 95.1309. 195.132 冈冈恰恰洛洛夫夫 2241gDs （D D0 0. .1 15 5m mm m） Dgs3/23/13/2 gDs 068

24、.1 ( (D D1 1. .5 5m mm m) ) 沙沙玉玉清清 2241gDs （D D0 0. .1 1m mm m） 2790. 3lgaS 39777.5lg2 gDs 14.1 ( (D D2 2. .0 0m mm m) ) 一、一、泥沙颗粒形状对沉速的影响泥沙颗粒形状对沉速的影响gDabcabcCsD3/23/472. 145. 0紊流区对于球体：对于球体：a a= =b b= =c c, , C CD D=0.45,=0.45,与前面一样；与前面一样；对于偏平体：越偏平，沉速越小。对于偏平体：越偏平，沉速越小。泥沙难以量测形状，但砾、卵、块石等存在泥沙难以量测形状，但砾、卵

25、、块石等存在a a、b b、c c三轴三轴；方位不同，下沉受阻面积及阻力不一样，自然方位不同，下沉受阻面积及阻力不一样，自然w w不一样；不一样；但通常会自动调整到与短轴但通常会自动调整到与短轴c c方向一致，即阻力最大的方方向一致，即阻力最大的方向；向；目前有研究成果：目前有研究成果：影响沉速的其它因素影响沉速的其它因素水质对沉速的影响主要水质对沉速的影响主要体现在体现在D0.03mm的细颗粒的细颗粒泥沙；泥沙；水中杂质易使细颗粒形水中杂质易使细颗粒形成絮团而成为大颗粒，沉成絮团而成为大颗粒，沉速加大；速加大；在含盐度在含盐度10时，含盐时，含盐度越大，沉速越大。度越大，沉速越大。二、二、水质对沉速的影响水质对沉速的影响m 名