1、,本章內(nèi)容： 1、天然河道水流特性； 2、河流泥沙的來(lái)源及幾何特性； 3、細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性； 4、泥沙的重力特性； 5、泥沙沉速； 6、泥沙分類。,第一章：河道水流、泥沙基本特性,河流是河床和水流兩部分相互作用下的水流泥沙運(yùn)動(dòng)。河道由泥土、沙礫、卵石和頑石等組成。河道水流與明渠水流有較大差異 1、河道水流的兩相性：水（連續(xù)介質(zhì)）和沙（非連續(xù)介質(zhì)的顆粒群體）。（two phase flow-兩相流) （1）重力、（2）慣性力、（3）阻力 2、河道水流的三維性：河道斷面不規(guī)則，順直段很短，寬深比小，尤其是彎曲河流。 3、河道水流的非恒定性：來(lái)水來(lái)沙隨時(shí)間變化；河床處于不斷的變化中。 4、河

2、道水流的非均勻性： 5、不平衡輸沙；,1.1 河道水流基本特性,第一章：河道水流、泥沙基本特性,河道水流的流型：河道水流的雷諾數(shù)一般都比較大，其流型一般居于阻力平方區(qū)。 河道水流的主流與副流：主流（又稱正流、元生流）是水流沿著河槽總方向的流動(dòng) 。 與主流相對(duì)應(yīng)的有副流（又稱次生流）。 如環(huán)流次生流：在比較順直 的河段中，當(dāng)流量隨時(shí)間變 化劇烈時(shí)，常常產(chǎn)生微弱的 環(huán)流。 河灣水流：是河道中常見(jiàn)的 水流現(xiàn)象，一種三元流動(dòng)。 實(shí)際是橫向運(yùn)動(dòng)與縱向運(yùn)動(dòng) 結(jié)合的螺旋流。,不同情況下的環(huán)流結(jié)果,河道水流的垂線流速分布 卡曼-普蘭特爾（Th.von.Darman-L.Prandtl）對(duì)數(shù)流速分布公式 對(duì)數(shù)及

3、反三角函數(shù)流速分布 指數(shù)公式,1.2 泥沙特性,泥沙概念 泥沙：指所有在流體中運(yùn)動(dòng)或受水流、風(fēng)力、波浪、冰川及重力作用移動(dòng)后沉積下來(lái)的固體顆粒碎屑（錢(qián)寧、1983）。粒徑大小可差數(shù)十?dāng)?shù)萬(wàn)倍。粒徑大小一般變化在0.001100.0mm 。 泥沙來(lái)源：主要來(lái)自巖石的風(fēng)化，土壤侵蝕，火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰、生物骨骼、貝殼分解及人類各種生產(chǎn)活動(dòng)的廢棄物。 河流泥沙的來(lái)源可以分為兩類：一類是來(lái)自流域降雨形成的地面徑流對(duì)地表的沖蝕，通常稱為水土流失；另一類是從原河床沉積層沖刷起來(lái)的。河流泥沙在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與床沙相互交換，塑造了不斷變化的河床形態(tài)。,要研究泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，首先應(yīng)了解泥沙的基本特性，它包括： 1）幾

4、何特性：泥沙顆粒的形狀、大小及群體泥沙的組合特性 2）重力特性：泥沙顆粒的容重與淤積泥沙的干容重 3）水力特性：泥沙顆粒的沉降速度,本節(jié)介紹泥沙的主要特性及其計(jì)算方法。,一、單個(gè)泥沙顆粒的大小粒徑 1、等容粒徑（nominal diameter) ：體積相當(dāng)?shù)那蝮w直徑；粗顆粒 2、平均粒徑：算術(shù)平均和幾何平均；粗顆粒 2、篩分粒徑(seive diameter) ：剛好能通過(guò)篩孔的粒徑；停留在D1，通過(guò)D2的平均粒徑；細(xì)顆粒 3、沉降粒徑（fall diameter)：粒徑小于0.1mm。0.1mm的細(xì)沙 克倫賓提出的分級(jí)表示泥沙的粒徑。,泥沙分類 分類方式：依據(jù)顆粒大小 我國(guó)水利工程界分類：

5、,一,二、沙樣組成與粒配曲線(群體性) 1、粒配曲線：表示天然沙組成特性的曲線 .繪制過(guò)程：取樣烘干篩分稱重點(diǎn)線求各種特征值 .曲線坐標(biāo)：半對(duì)數(shù)坐標(biāo),1.1.2,粒配曲線的繪制方法和過(guò)程,取樣篩分，獲取各粒經(jīng)組 Di 泥沙的重量；,統(tǒng)計(jì)出小于和等于各粒經(jīng)Di 的沙重，并算出其占總重的百分比pi；,準(zhǔn)備半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙(橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)分格，縱坐標(biāo)是普通分格)；,以粒經(jīng)Di 為橫坐標(biāo)(對(duì)數(shù)坐標(biāo)，從大到小)，小于和等于粒經(jīng)Di 的沙重百分比pi 為縱坐標(biāo)(普通坐標(biāo))繪制Dp粒配曲線。,（2）泥沙顆粒的粒徑分布：粒徑頻率直方圖和粒徑頻率累積曲線。,三、泥沙的群體特性,粒配曲線反映的特性 可反映沙樣 顆粒的大

6、小 和范圍； 可反映沙樣 組成的均勻程度。,xe,c組成不均勻，變化范圍大，各組粒經(jīng)含量接近。,d組成很均勻，變化范圍小。,三、沙樣組成(群體性),（3）泥沙顆粒形狀SF:,(1)代表粒徑： 中值粒徑:d50(median size)：級(jí)配曲線中p=50%對(duì)應(yīng)的粒徑。 算術(shù)平均粒徑（mean diamnter): Dm，幾何平均粒徑dmg （2）非均勻特性：揀選系數(shù)和均方差（幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差）,一、電化學(xué)性質(zhì),第三節(jié)細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性,1、比表面積,：泥沙顆粒表面積與其體積之比.,比表面積的意義：反映泥沙顆粒的物化作用與重力作用的相對(duì)大小。,越大，物化作用就越大。,（顆粒越細(xì)，該值越大）,一

7、、電化學(xué)性質(zhì),2、雙電層及吸附水膜的特性,（1）細(xì)泥沙顆粒在含有電解質(zhì)的水中，顆粒周圍會(huì)形成雙電層、吸附水膜。,細(xì)泥沙顆粒表面帶有負(fù)電荷，吸引反離子，形成吸附層（固定層）擴(kuò)散層,細(xì)泥沙顆粒表面帶有負(fù)電荷，同時(shí)也吸引水分子，形成粘結(jié)水粘滯水束縛水,19,2、泥沙顆粒周圍的吸附水膜 、粘結(jié)水的特征 顆粒表面的負(fù)電荷對(duì)吸附層范圍內(nèi)的粘結(jié)水的吸引力約一萬(wàn)個(gè)大氣壓。在這樣大的壓力下，粘結(jié)水的密度達(dá)到1.2-2.4g/cm3，平均為2.0g/cm3。粘結(jié)水在力學(xué)性質(zhì)上與固體物質(zhì)完全相同，具有極大的粘滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度。它沒(méi)有傳遞靜水壓力的能力。,3,20,（2）粘滯水 、粘滯水的含義 ： 圍繞在粘結(jié)水外

8、面的水分子雖然也受到靜電引力場(chǎng)的作用，但距顆粒表面距離愈遠(yuǎn)，受到的靜電引力場(chǎng)的強(qiáng)度愈小，水分子所失去的自由活動(dòng)的能力也愈少，而且排列得比較疏松，不整齊，僅有輕微的定向。這部分水被稱為粘滯水。,4,21,（2）粘滯水 、粘滯水的特征 粘滯水的密度雖沒(méi)有粘結(jié)水那么大，但仍比普通液態(tài)水的要大，為1.3-1.74g/cm3，也具有較高的粘滯性和抗剪強(qiáng)度，不能傳遞靜水壓力。,4,22,（3）束縛水與自由水 粘結(jié)水和粘滯水統(tǒng)稱束縛水。 束縛水外面的水分子幾乎不再受靜電引力的作用，保持著原有自由活動(dòng)的能力，稱為自由水。,4,23,（4）吸附水膜 對(duì)于粘結(jié)水和粘滯水（束縛水），其水分子部分地或完全地失去自由活

9、動(dòng)能力，在顆粒周圍形成了一個(gè)水膜，此膜稱為吸附水膜。 吸附水膜是泥沙顆粒與水相互作用的產(chǎn)物，從力學(xué)角度上看，是固態(tài)相與液態(tài)相的過(guò)渡類型。 束縛水 吸附水膜,5,24,（4）吸附水膜 吸附水膜的厚度 雙電層的厚度就是束縛水的厚度，也就是吸附水膜的厚度。吸附水膜與反離子層大體上是一致的東西。 吸附水膜的厚度主要取決于顆粒的礦物成分和水的化學(xué)成分（水的pH值，離子的種類和濃度），其厚度一般為0.1m數(shù)量級(jí)。,5,25,（4）吸附水膜 吸附水膜的厚度 粗顆粒泥沙，水膜所占容積遠(yuǎn)較泥沙的體積為小，作用不大；因此粗顆粒泥沙的性質(zhì)完全取決于泥沙本身的性質(zhì)。 細(xì)顆粒泥沙，水膜不但和泥沙顆粒不可分離，而且重要性

10、超過(guò)了泥沙顆粒，這就是極細(xì)的泥沙顆粒的性質(zhì)常因礦物組成和水中電解質(zhì)的改變而有很大不同的緣故。,5,泥沙顆粒表面帶負(fù)電荷后，就有一定的電位值，此電位值與擴(kuò)散層外的自由電位之差稱為熱力學(xué)電位，或0電位。 在吸附層內(nèi)，電位線性降落，所剩余的電位差，即吸附層與擴(kuò)散層交界面的電位與擴(kuò)散層外自由電位之差稱為電動(dòng)電位，或電位。 電位的數(shù)值及雙電層的厚度與水中電解質(zhì)的離子濃度及價(jià)數(shù)有關(guān)。,（2）雙電層的電位變化,27,4、絮凝和分散現(xiàn)象 （雙電層及吸附水膜對(duì)細(xì)顆粒泥沙性質(zhì)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響） 泥沙顆粒愈細(xì)，重力對(duì)它的作用就越微弱，而顆粒之間的相互作用則愈來(lái)愈重要。 當(dāng)帶有吸附水膜的兩顆泥沙相互靠近時(shí)，會(huì)形成公共

11、的吸附水膜與公共的擴(kuò)散層。 細(xì)顆粒泥沙的公共吸附水膜,8,28,、絮凝和分散現(xiàn)象 1、細(xì)顆粒泥沙間的斥力與引力 相鄰的顆粒表面雖然帶同號(hào)的電荷，應(yīng)該互相排斥，但由于顆粒間的分子引力，即范德華力的作用，相鄰的泥沙顆粒又能互相吸引。 細(xì)顆粒泥沙的公共吸附水膜,8,29,2、雙電層及吸附水膜對(duì)細(xì)顆粒泥沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響 研究表明當(dāng)擴(kuò)散層薄，顆粒間距較小時(shí)，細(xì)顆粒間的電化學(xué)作用表現(xiàn)為凈引力，相鄰的細(xì)顆粒泥沙能夠彼此吸引而聚集在一起；當(dāng)擴(kuò)散層厚，顆粒間距較大時(shí)，細(xì)顆粒間的電化學(xué)作用表現(xiàn)為凈斥力，相鄰的細(xì)顆粒泥沙保持分散狀態(tài)。 細(xì)顆粒泥沙的公共吸附水膜,9,30,3、絮團(tuán)與絮凝（絮凝作用） 分散的細(xì)顆粒泥

12、沙互相吸引，聚合成結(jié)構(gòu)疏松、類似棉花團(tuán)的較大團(tuán)粒或團(tuán)塊（中間有很大的空隙，包圍密封了大量水分），稱為絮團(tuán)。 細(xì)顆粒泥沙在一定條件（水質(zhì)中含有較多的細(xì)顆粒泥沙，特別是再含有復(fù)雜的化學(xué)成分時(shí)）下彼此聚合的過(guò)程稱為絮凝或絮凝作用。 4、分散作用 如果擴(kuò)散層厚，那么擴(kuò)散層中的離子非但沒(méi)有受到較大的吸引力，反而由于這種離子具有較大的活動(dòng)性，使土?；ハ喾蛛x。,9,31,5、絮凝作用與分散作用在實(shí)際中的運(yùn)用 如要加速泥沙顆粒的沉淀，就應(yīng)減小顆粒表面的電位，使擴(kuò)散層變薄，促使顆粒聚凝，這時(shí)可以加入一些含有高價(jià)離子的絮凝劑，如明礬、綠礬、氯化鈣等。 增加高價(jià)離子的效果與增加電解質(zhì)濃度所產(chǎn)生的效果是相同的。 另一

13、方面，如要破壞泥沙的絮凝作用，阻撓泥沙的沉淀，就應(yīng)加入含有低價(jià)離子離子的反凝劑，如碳酸鈉，氫氧化銨等。,10,3、絮凝與分散(DLVO理論） 泥沙顆粒越細(xì)，重力作用越弱，顆粒之間的相互作用則俞來(lái)俞重要，存在于顆粒之間的吸附水膜促使它們連接起來(lái)，同時(shí)也有排斥作用。相鄰顆粒在一定條件下結(jié)合成集合體的作用為“凝聚作用”， 擴(kuò)散層很薄，凝聚 作用強(qiáng)，反之如果 擴(kuò)散層很厚，排斥 力大于吸附力，顆粒 重新分離為“分散作用”。,一、泥沙的容重與密度,第四節(jié)泥沙的重力特性,一、泥沙的容重,泥沙礦物成分:主要是石英和長(zhǎng)石，影響泥沙容重。,二、泥沙淤積物干容重,（1）泥沙淤積物干容重 （specific weig

14、ht) 沙樣烘干后（100-105的重量與原狀沙樣體積的比值。也稱干密度 。由于泥沙顆粒存在孔隙，干容重一般小于個(gè)體顆粒的容重。在分析河床沖淤變化時(shí)，泥沙沖淤的重量必須通過(guò)泥沙的干容重?fù)Q算為泥沙沖淤體積。 干容重變化為3001700kg/ m3，變化范圍較大。 影響干容重的主要因素有：粒徑，淤積歷時(shí)，埋藏的深度和環(huán)境等。,四、泥沙的孔隙率,孔隙率：泥沙中孔隙的容積占沙樣總?cè)莘e的百分比稱為孔隙率 。,泥沙孔隙率因沙粒的大小及均勻度、沙粒的形狀、沉積的情況以及沉積后受力大小及歷時(shí)長(zhǎng)短而有不同。,對(duì)各類泥沙孔隙率： 粗沙：3940， 中沙：41 48， 細(xì)沙：44 49。 影響孔隙率的因素： 1）顆

15、粒大小；2）顆粒組成；3）顆粒形；4）泥沙沉積方式。,（1）泥沙粒徑對(duì)干容重的影響；,（2）干容重與淤積深度和淤積歷時(shí)關(guān)系；,（3）泥沙的水下休止角：靜水中的泥沙由于摩擦力作用，堆積成一定角度的穩(wěn)定傾斜面。,（4）干容重與淤積深度和淤積歷時(shí)關(guān)系；,例題,某河段長(zhǎng)10km，平均河寬800m，一次高含沙洪水過(guò)后的淤積物總重量為1000萬(wàn)t，若淤積泥沙的平均粒徑為0.1mm，求該河段平均淤積厚度。 =1200kg/m3,1)、沉速概念： 單顆粒泥沙在無(wú)邊界影響的靜止的清水中勻速下沉的速度。符號(hào)：，又稱為 水力粗度。,2)、沙粒雷諾數(shù)概念 Red= (沙粒慣性力與水流粘滯力的對(duì)比),一、泥沙沉降的不同

16、形式,第五節(jié)泥沙的沉速（水力粗度）(settling velocity),實(shí)測(cè)資料表明，泥沙沉降的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與顆粒雷諾數(shù)有關(guān)。,層流（滯性）狀態(tài)下降 Red0.5, 垂線下沉，顆粒不發(fā)生擺動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、滾動(dòng)，周圍水體不發(fā)生紊亂現(xiàn)象,過(guò)渡狀態(tài)下降,紊流狀態(tài)下降 Red1000, 左搖右擺下沉，顆粒本身也轉(zhuǎn)動(dòng)，周圍水體也紊動(dòng)。,泥沙沉降的力學(xué)分析,泥沙沉降狀態(tài)主要與什么參數(shù)有關(guān)？,有效重力是重力與浮力的差,1、繞流阻力計(jì)算,xe,繞流阻力系數(shù),采用對(duì)稱繞流阻力公式：球體沉降為對(duì)稱繞流，其阻力F與 2成正比：,二、球體的沉速,二、球體的沉速,CD與Red關(guān)系 曲線, 層流時(shí)：CD與Red為直線關(guān)系，斯托克

17、斯(stokes)導(dǎo)出： 紊流時(shí)：CD與Red為無(wú)關(guān)，基本為一常數(shù)，CDconst.。 過(guò)渡狀態(tài)時(shí)：CD與Red成曲線關(guān)系，數(shù)學(xué)上難以描述。,CD與Red的關(guān)系,2、水下重力計(jì)算,xe,沉速的計(jì)算演變?yōu)?CD的計(jì)算！,3、沉速計(jì)算,二、球體的沉速,4、CD和不同形式的沉速計(jì)算 已有的研究成果(圖2-2)：,二、球體的沉速,二、球體的沉速,計(jì)算實(shí)例2：,三、泥沙的沉速,天然泥沙為非球體，下沉阻力對(duì)于球體，阻力系數(shù)多通過(guò)試驗(yàn)確定。 相同體積，泥沙阻力球體阻力，泥沙沉速球體沉速,三、泥沙的沉速,阻力疊加原理要掌握！,三、泥沙的沉速,(1.31),(1.30),(1.32),二、泥沙的沉降速度,層流區(qū)

18、，采用岡恰洛夫?qū)恿鞴剑?過(guò)渡區(qū)，采用沙玉清的過(guò)渡區(qū)公式； 紊流區(qū)，采用沙玉清紊流區(qū)公式； 在實(shí)際工作中，常采用張瑞瑾各區(qū)統(tǒng)一公式計(jì)算沉速。,規(guī)范推薦公式,1.4.4,前述理想沉速：,xe,單顆粒、靜水、均勻、無(wú)限體、清水等，自然界不存在。,實(shí)際河流情況：,群體、動(dòng)水、非勻速、有界、渾水、含雜質(zhì)、紊動(dòng)等。,因此需要一定修正。,目前有一定研究成果，主要研究形狀、水質(zhì)、含水量對(duì)沉速的影響，但不很成熟。,2-4 泥沙的重力特性二、泥沙的沉降速度,二、含沙濃度對(duì)沉降速度影響,（6）（天然沙）群體沉速 對(duì)渾水來(lái)說(shuō)，對(duì)其中任一顆泥沙來(lái)說(shuō)，其他顆粒的存在將對(duì)它的沉降產(chǎn)生影響。 可以分四種情況來(lái)考慮： 非粘性粗顆粒泥沙的群體沉速，粘性顆粒泥沙的群體沉速，粗顆粒泥沙在粘性顆粒漿液中沉速，非均勻顆?；旌仙车娜后w沉速。 非粘性均勻粗顆粒泥沙的群體沉速。 低含沙量： 高含沙量：,第六節(jié) 泥沙分類,習(xí)題,第一章 河道水流泥沙特性思考題,ye,1、 泥沙主要有哪些特性？ 2、泥沙粒徑的表示方法有哪幾種？其中等容粒徑如何計(jì)算？ 3、何為粒配曲線、中值粒徑和平均粒徑？并掌握繪制方法。 4、何為干容重？影響干容重的四