河流动力学2008-C1泥沙特性for教学楼

1、08.2.27(1周)三08.2.29(1周)五1第一章 泥沙特性u本章内容简介本章内容简介l泥沙的几何特性l细颗粒泥沙的物化特性l泥沙的重力特性l泥沙的水力特性l以上各特性的计算方法1.1.01.1 泥沙的几何特性 u几何特性：几何特性：形状、大小、群体性、第一章 泥沙特性1.1.11.1 泥沙的几何特性 一、泥沙的粒经泥沙颗粒的大小泥沙颗粒的大小通常采样粒经D来表示。第一章 泥沙特性3/16VD3cbaDu等容粒经等容粒经定义：体积与泥沙颗粒容积相等的球体直径。公式：常用单位：mmu算术平均粒经算术平均粒经定义：长、中、短轴的算术平均值。公式：1.1.11.1 泥沙的几何特性 一、泥沙的粒

2、经u几何平均粒经几何平均粒经第一章 泥沙特性6/3D6/abc3/1abcD 定义：长、中、短轴的几何平均值，相当于椭球体的等容粒径。公式： (椭球体的体积 球体的体积 )u筛分筛分粒经粒经定义：通过筛分法获得的粒径近似值1.1.11.1 泥沙的几何特性 一、泥沙的粒经u泥沙粒经分级法泥沙粒经分级法第一章 泥沙特性 2D值与粒经D的关系-3-2-101234567D(mm) 8.00 4.002.001.000.500.25 0.125 0.063 0.032 0.016 0.008常用：f-分级法，由Krumbein(克伦宾)提出；公式：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

3、用小的f值变化表示相当大的粒经变化范围1.1.11.1 泥沙的几何特性 一、泥沙的粒经u泥沙分类泥沙分类分类方式：依据颗粒大小我国水利工程界分类：第一章 泥沙特性泥沙颗粒分类标准(我国水利工程界)粘粒粉沙沙粒砾石卵石漂石粒经(mm) 0.005 0.05 2 20 200 | | | | | 1/200 1/20 2 20 200 泥 沙 石1.1.21.1 泥沙的几何特性 二、沙样组成与粒配曲线河流泥沙河流泥沙具有群体性，颗粒大小不一，含量多少不等，我们如何去充分表示其特性，于是提出了粒配曲线(级配曲线)。第一章 泥沙特性粒配曲线粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。1.1.21.1 泥沙的几

4、何特性 二、沙样组成与粒配曲线u粒配曲线的绘制方法和过程粒配曲线的绘制方法和过程第一章 泥沙特性取样筛分，获取各粒经组 Di 泥沙的重量重量；统计出小于和等于小于和等于各粒经Di 的沙重，并算出其占总重的百分比pi；准备半对数坐标纸(横坐标为对数分格，纵坐标是普通分格)；以粒经Di 为横坐标(对数坐标，从大到小从大到小)，小于和等于小于和等于粒经Di 的沙重百分比pi 为纵坐标(普通坐标)绘制Dp粒配曲线。实例实例 (粒配曲线实例随PPt.xls)1.1.21.1 泥沙的几何特性 二、沙样组成与粒配曲线u粒配曲线反映的特性粒配曲线反映的特性可反映沙样 颗粒的大小 和范围；可反映沙样 组成的均匀

5、 程度。第一章 泥沙特性a、b组成较均匀，变化范围窄，但a 较粗，b较细。c组成不均匀，变化范围大，各组粒经含量接近。d组成很均匀，变化范围小。1.1.21.1 泥沙的几何特性 二、沙样组成与粒配曲线u粒配曲线反映的定量特征值粒配曲线反映的定量特征值第一章 泥沙特性niiniiimmPPDD119 .151 .84lnDD中值粒径中值粒径D50：表示大于和小于该粒径的泥沙重量各占一半(图)。平均粒径平均粒径Dm：按粒经组所占重量百分比的加权平均值粒径(例) 。2.25end均方差均方差 ：表示泥沙组成的非均匀程度,0均匀，越大越不均匀 。1.1.21.1 泥沙的几何特性 二、沙样组成与粒配曲线

6、u粒配曲线反映的定量特征值粒配曲线反映的定量特征值第一章 泥沙特性25750DDS 2exp250DDm均匀沙 =0，DmD50；非均匀沙 0，DmD50 。9 .151 .84lnDD分选系数分选系数(非均匀系数非均匀系数)S0：仍表示泥沙组成的非均匀程度，1均匀，越大越不均匀 。Dm与与 D50的关系的关系：1.1.31.1 泥沙的几何特性 三、泥沙的孔隙率u孔隙率与孔隙比孔隙率与孔隙比第一章 泥沙特性孔隙率孔隙率n：沙样中孔隙的体积与沙样总体积之比。 n=V孔隙/V总 。孔隙比孔隙比e：沙样中孔隙的体积与沙样颗粒体积之比。 e=V孔隙/(V总- V孔隙)1.1.31.1 泥沙的几何特性

7、三、泥沙的孔隙率u天然沙孔隙率的一般规律天然沙孔隙率的一般规律第一章 泥沙特性沙样越粗，孔隙率越小； 粗砂：3940；中沙：4148；细沙：44-49；粘土絮凝后可达90均匀沙的孔隙率最大；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。1.1.41.1 泥沙的几何特性 四、泥沙的比表面积u比表面积的定义比表面积的定义第一章 泥沙特性DDDe66/32泥沙颗粒的表面积与其体积之比。u比表面积的意义比表面积的意义颗粒越小，比表面积越大；反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用物化作用与重力作用的相对大小，其值 越大，物化作用就越大。1.2.11.2 细颗粒泥沙的物理化学特性 一、电化学

8、性质u颗粒吸附结构颗粒吸附结构第一章 泥沙特性细颗粒泥沙在含有电解质的水中，细颗粒泥沙在含有电解质的水中，周围会形成双电层周围会形成双电层。 吸附层吸附层：细颗粒主要成分为粘土矿物，其表面常带有负离子，吸引不纯净水中的正离子，这种牢固吸附在颗粒表面周围的反离子层，称为。 扩散层扩散层：吸附层离子电荷不足以平衡颗粒表面的全部电荷，因此在吸附层外还有一层反离子层，即。 双电层双电层：吸附层扩散层。1.2.11.2 细颗粒泥沙的物理化学特性 一、电化学性质u颗粒吸附结构颗粒吸附结构第一章 泥沙特性粘结水粘结水的引力可达到1万个大气压，密度可达1.22.4g/cm3，平均2.0 g/cm3。粘滞水粘滞

9、水的密度可达1.31.7/cm3。束缚水束缚水的厚度一般0.1mm，最厚可达2mm。 粘结水粘结水：水分子具有极性，因静电引力作用，吸附层内水分子失去自由活动的能力而整齐、紧密地排列在一起，这层水称为。 粘滞水粘滞水：扩散层内的水分子所受引力较小，水分子排列较稀松，仅有轻微的定向，这层水叫。 束缚水束缚水：粘结水粘滞水。细颗粒泥沙表面负电荷吸引水分细颗粒泥沙表面负电荷吸引水分子，周围会形成束缚水子，周围会形成束缚水。1.2.11.2 细颗粒泥沙的物理化学特性 一、电化学性质u絮团、絮凝絮团、絮凝第一章 泥沙特性颗粒间受力颗粒间受力：均带负电荷相斥；分子引力相吸。一般情况：扩散层薄，粒间力净引力

10、；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。絮凝絮凝：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)，叫。1.2.21.2 细颗粒泥沙的物理化学特性 二、絮团的压密特性第一章 泥沙特性1.3.11.3 泥沙的重力特性 一、泥沙的容重和密度u密度密度：单位密实体积的质质量 rs= 2.552.75t/m3,平均2.65t/m3u容重容重：单位密实体积的重重量 gs= rs g 平均2.65*9.8=26kN/m3u有效容重有效容重(密度密度)系数

11、系数：水下相对有效重量(质质量)第一章 泥沙特性1.65 , 泥沙常取rrrgggssa1.3.21.3 泥沙的重力特性 二、泥沙的干容重和干密度u概念概念第一章 泥沙特性)1 ()1 (nnssssgggg干容重干容重：单位松散体积的重重量， gs 2.9416.66kN/m3干密度干密度：单位松散体积的质质量，rs 0.31.7t/m3u干容重与孔隙率干容重与孔隙率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， gs越大，变化范围小； 颗粒越小， gs越小，变化范围大。 如：D0.04mm， gs 0.551.25t/m3 D0.

12、2mm， gs 1.41.7 t/ m3)mm0 . 1(095. 0exp472. 089. 1)mm0 . 1(441. 11131DDDDDDDsg1.3.21.3 泥沙的重力特性 二、泥沙的干容重和干密度u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泥沙淤积厚度的影响：淤积越厚， gs越大，变化范围越小； 淤积越浅， gs越小，变化范围越大。第一章 泥沙特性TKssTlg0gg 如：官厅水库淤厚10m处，gs 1.471.55 t/ m3 1m处，gs 0.731.30 t/ m3泥沙淤积历时的影响泥沙淤积历时的影响：沉积越短， gs越小； 沉积越长， gs越大，然后趋

13、于稳定值； 大颗粒稳定历时短，细颗粒稳定历时长。泥沙组成的影响泥沙组成的影响：组成越均匀，孔隙率越大， gs越小； 组成越不均匀，孔隙率越小， gs越大。1.3.31.3 泥沙的重力特性 三、泥沙的水下休止角u概念概念第一章 泥沙特性D27. 15 .32水下休止角水下休止角：泥沙在静水下自然堆积的坡面倾角， ，ftg u水下休止角水下休止角与粒径与粒径D的关系的关系天津大学研究，()与D(mm)有如下关系(图)： u水下休止角的其它影响因素水下休止角的其它影响因素：泥沙的粒配泥沙颗粒的形状1.4.11.4 泥沙的水力特性 一、泥沙沉降的不同形式水力特性主要指沉速沉速，用于悬沙输移理论、沉沙池

14、设计等。第一章 泥沙特性dRedu沉降的过程沉降的过程 gsg ，初始，重力阻力，加速下沉；沉速增加阻力逐渐增大，而重力恒定，加速度减小；最后，重力阻力，加速度0，泥沙匀速下沉，沉速趋于稳定。u沉速的定义沉速的定义单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度，cm/su沙粒雷诺数沙粒雷诺数定义定义： 反映泥沙沉降形式的无量刚参数物理意义物理意义：沙粒惯性力与水流粘滞力的对比 。1.4.11.4 泥沙的水力特性 一、泥沙沉降的不同形式u沉降的形式沉降的形式第一章 泥沙特性层流状态下降层流状态下降Red1000, 左摇右摆下沉，颗粒本身也转动，周围水体也紊动。过渡状态下降过渡状态下降 Red

15、=0.51000, 泥沙沉降状态处于二者之间。 泥沙沉降形式主要泥沙沉降形式主要与什么参数有关？与什么参数有关？1.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球体的沉速u绕流阻力计算绕流阻力计算第一章 泥沙特性gDCFD2422g)(edDRfC度、水流紊动强度、形状、方位、表面粗糙阻力系数阻力系数采用对称绕流阻力公式：1.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球体的沉速u水下重力计算水下重力计算第一章 泥沙特性36DWsgggDCDgDCWFsDsDgggggg34624322沉速的计算演变为沉速的计算演变为CD的计算！的计算！u沉速计算沉速计算1.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球体的沉速uCD和不

16、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(图1-6)：第一章 泥沙特性1.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球体的沉速u实例计算实例计算1第一章 泥沙特性1.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球体的沉速u实例计算实例计算2 (Fig)第一章 泥沙特性1.4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速泥沙泥沙并非球体，沉速沉速应有所不同，目前存在多家公式。第一章 泥沙特性1.4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速第一章 泥沙特性(D 8 ( 计算过程： D j Sa 式(1.31) 式(1.32) 式(1.30) 1.4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速第一章 泥沙特性1.

17、4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速第一章 泥沙特性1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影响沉速的其它因素前述理想沉速：前述理想沉速：第一章 泥沙特性单颗粒、静水、均匀、无限体、清水等，自然界不存在。实际河流情况：实际河流情况：群体、动水、非匀速、有界、浑水、含杂质、紊动等。因此需要一定修正。因此需要一定修正。目前有一定研究成果，主要研究目前有一定研究成果，主要研究形状形状、水质水质、含水含水量量对沉速的影响，但不很成熟。对沉速的影响，但不很成熟。1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影响沉速的其它因素u泥沙颗粒形状对沉速的影响泥沙颗粒形状对沉速的影响第一章 泥沙特性gDabcabc

18、CsDggg3/23/472. 145. 0紊流区对于球体：对于球体：a=b=c, CD=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。请问：什么形状的泥沙颗粒沉速最大？请问：什么形状的泥沙颗粒沉速最大？泥沙难以量测形状，但砾、卵、块石等存在a、b、c三轴；方位不同，下沉受阻面积及阻力不一样，自然不一样；但通常会自动调整到与短轴c方向一致，即阻力最大的方向；目前有研究成果：1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影响沉速的其它因素u水质对沉速的影响水质对沉速的影响第一章 泥沙特性水质对沉速的影响主要体现在D0.03mm的细颗粒泥沙；水中杂质易使细颗

19、粒形成絮团而成为大颗粒，沉速加大；在含盐度10时，含盐度越大，沉速越大。1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影响沉速的其它因素u含沙量对沉速的影响含沙量对沉速的影响第一章 泥沙特性nVS-1sVS55. 61s粗颗粒粗颗粒：泥沙存在水流粘性增大沉速减小； 附近其它泥沙下沉本水体上升沉速减小； 含沙浓度增大水体比重增大浮力增大沉速减小。 钱宁研究： Batchelor研究：细颗粒细颗粒：因与其附近细颗粒泥沙产生絮凝而使沉速增大，但仅限制在含沙量15kg/m3。1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影响沉速的其它因素u边界对沉速的影响边界对沉速的影响近壁沉速远壁沉速；近底沉速远底沉速；D/B越小，沉速越大有界沉速无界沉速第一章 泥沙特性1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影响沉速的其它因素u紊动对沉速的影响紊动对沉速的影响第一章 泥沙特性影响原因影响原因 紊