泥沙课后习题

1.泥沙主要有哪些特性？(1）矿物的物理特性比重——矿物容重与水容重之比:泥沙的比重一般都在2.60～2.70之间，通常取用2.65。硬度——硬度是表示矿物抵抗外界机械作用的能力。(2)几何特性泥沙的几何特征指泥沙的形状和粒径。泥沙的粒径：泥沙颗粒的大小，以颗粒直径来表示，简称粒径，其符号为D(或d)，单位mm。1）等容粒径：等容粒径是指体积与泥沙颗粒相等的球体直径。D=abc/3,或者D=3√abc。2）筛分粒径（筛径）：沙粒的中轴长度是比较接近等容粒径的，因此筛析法所测的粒径可近似地看成等容粒径。3）沉降粒径（沉径）圆度——指颗粒棱和角的尖锐程度。定义：颗粒最尖锐棱角的曲率半径除以颗粒最大内切圆的半径。球度—反映沙粒形状的特征系数，沃德尔(wadell)定义：与颗粒体积的球体直径（等容粒径）和颗粒外接球直径之比。用Ψ表示。④比表面积，定义——泥沙颗粒的表面积与其体积之比。⑤泥沙的群体特性（级配曲线）。粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。⑥孔隙率与孔隙比。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)（3）泥沙的重力特性密度：密度——颗粒单位体积内所含的质量。容重（重度）：容重（重度）——泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值。比重：比重——固体泥沙颗粒重量与同体积4℃水的重量之比。无量纲，一般泥沙比重：=2.65。④有效容重系数（有效密度系数）泥沙在水中运动状态，既与泥沙容重有关，又与水的容重有关，在分析计算时，常出现相对数值，为简便起见，令：sasa常取a=1.65。⑤干容重单位体积沙样经过100~105℃温度烘干后，其重量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙的干容重。符号：sγ单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；⑥浑水容重：单位体积浑水的重量，单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；⑦含沙量：单位体积浑水中固体泥沙颗粒所占比例，⑧水下休止角（φ）在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的稳定的倾斜面，此面与水平面的交角称为泥沙的水下休止角。⑨水下摩擦系数—泥沙的水下休止角的正切值。tanf（4）物理化学性质泥沙的物理化学性质主要指细颗粒泥沙的物理化学性质。由于细颗粒泥沙的比表面积很大，有较强的吸附作用，故细颗粒泥沙表面的物理化学作用显得特别突出，从而对细颗粒泥沙的运动产生重要的影响。细颗粒泥沙因物理化学作用而具有粘性，又称为粘性泥沙，简称粘粒。细颗粒泥沙的物理化学作用的大小与颗粒的比表面积有关。2.泥沙粒径的表示方法有哪四种？其中等容粒径如何计算？1）等容粒径，2）筛分粒径（筛径），3）沉降粒径（沉径）测定泥沙颗粒的重量（或体积）313166sWVD②将泥沙看成椭球体，直接测量其长轴a、中轴b、短轴c用其算术平均值表示粒径3/cbaD用几何平均值表示粒径3abcD3.何为粒配曲线、中值粒径和平均粒径？并掌握绘制方法。粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。D50：中值粒径，小于该粒径和大于该粒径的泥沙颗粒各占50%。Dm：平均粒径，即各粒径组平均粒径的重量百分比的加权平均值。粒配曲线的绘制方法和过程：①取样筛分，获取各粒经组Di泥沙的重量；②统计出小于和等于各粒经Di的沙重，并算出其占总重的百分比pi；③准备半对数坐标纸(横坐标为对数分格，纵坐标是普通分格)；④以粒经Di为横坐标(对数坐标，从大到小)，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D～p粒配曲线。4.何为干容重？影响干容重的四个主要因素是什么？干容重单位体积沙样经过100~105℃温度烘干后，其重量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙的干容重。符号：sγ单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；影响干容重的主要因素：①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。②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。③泥沙淤积历时的影响：沉积越短，gs’越小；沉积越长，gs’越大，然后趋于稳定值；大颗粒稳定历时短，细颗粒稳定历时长。④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。5.泥沙一般分哪三种沉降状态？采用什么方法判断？并掌握球体层流、紊流状态的沉降公式。6.什么是比表面积？其物理意义是什么？定义——泥沙颗粒的表面积与其体积之比。2）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的相对大小，其值越大，物化作用就越大。7.什么是絮凝现象？粗颗粒会发生絮凝现象吗？细颗粒泥沙在一定条件（水质中含有较多的细颗粒泥沙，特别是再含有复杂的化学成分时）下彼此聚合的过程称为絮凝或絮凝作用。8.掌握容重、干容重、孔隙率之间的换算关系。干容重与孔隙率n的关系：)1()1(nnssss9.影响天然泥沙沉速的因素有哪些？泥沙颗粒形状，水质，含沙量，边界，水体紊动第二章1.何谓泥沙的起动？受哪些因素的影响？泥沙的起动：在一定的条件下，床面泥沙由静止转为运动的现象。当着眼于特定床面多颗泥沙的起动时，则除流速和拖曳力脉动外，还受颗粒的大小、形状及位置差异的影响2.试推导对数型的起动流速公式。3.何谓泥沙的起动条件？实验室如何定性判别床面泥沙是否起动？泥沙的起动条件：当水流逐步加强到超过一定限度以后，床面的泥沙颗粒开始脱离静止状态而进入运动状态；决定这一临界状态的水流条件称为泥沙的起动条件。起动条件可用起动流速或起动拖曳力表示目前实验室将弱动即很少量的泥沙在运动作为泥沙起动的判别标准。4.何谓起动拖曳力？起动拖曳力：为泥沙处于起动状态的床面剪切力。其值等于单位面积床面上的水体重量在水流方向的分力，即。——水的容重；J——坡降。5.设水深为h=0.2m，对d＝0.05mm的泥沙颗粒，分别采用张瑞瑾公式、窦国仁公式和沙玉清公式计算临界起动平均流速值。1.什么是泥沙的沉速？沉速的定义：单颗粒泥沙在足够大的静止清水中等速下沉时的速度，称为泥沙的沉速。泥沙粒径一定，其沉降速度为一常数，又称水力粗度。用符号ω表示。定义的理解，应注意的几点：①泥沙在水中沉降时所受作用力②泥沙在水中沉降特点③研究泥沙沉降的意义2.如何判别层流、紊流、过渡区这三种绕流状态？①绕流雷诺数Re≤0.4：绕流流动为层流。紊流区圆球沉速公式（Red103）③层流向紊流过渡区的圆球沉速公式在过渡区，圆球绕流阻力系数从与Re的线性关系(粘滞阻力为主)，逐步变为与Re无关的常数(形状阻力为主)。3.试比较岗恰洛夫、沙玉清、张瑞瑾的泥沙沉速公式，说明在层流、紊流、过渡区中泥沙沉速的计算公式有何不同？4.论述含沙量对沉速的影响。含沙量（含沙浓度）：单位浑水中所含的泥沙的数量。①对于水体中含较多粗颗粒泥沙：下沉的泥沙引起的向上水流和激起的紊动浑水容重增加沉速减小。②对于水体中含较多细颗粒泥沙时：下沉的泥沙引起的向上水流和激起的紊动；浑水容重增加；浑水粘滞性增加；使得沉速减小；细颗粒泥沙和水中的电解质作用，将发生絮凝现象。含沙量较低（小于15kg/m3），形成互不相连的絮团，增大了颗粒粒径，造成沉速增加。含沙量进一步增大，絮团联成絮网结构，使得沉速大幅降低；含沙量对沉速的影响，取决于以上各因素的对比关系。5.用岗恰洛夫式、张瑞瑾式、沙玉清式分别计算粒径为d＝0.05mm，0.5mm，5.0mm的泥沙沉速，假定水温为20℃，运动粘滞系数为ν＝10-6m2/s。第四章：1.何谓推移质？何谓悬移质？它们各有什么特点？在床面附近，较粗颗粒的泥沙沿床面滑动、滚动、跳跃，甚至层移前进，经常与床沙彼此交换，前进速度远较水流速度小，泥沙这种运动形式称为推移运动，这一类泥沙称为推移质泥沙，简称推移质.特点：间歇性，置换性，速度小，跳跃性，数量少，消耗时均能量悬浮在水中运动，速度与水流速度基本相同的运动状态称为悬浮运动，这一类泥沙称为悬移质.速度大,悬浮性,置换性,数量多,消耗紊动能.2.了解推移质与悬移质的区别。推移质与悬移质在物理本质上的区别：（1）运动规律不同:推移质：运动取决于泥沙跳离床面时的受力情况。悬移质：运动不仅取决于泥沙跳离床面时的受力情况，还受悬浮作用的影响。⑵能量来源不同:推移质消耗时均能量，悬移质消耗紊动能量。⑶对河床的作用不同：推移质：增加河床稳定性，影响河床颗粒本身。悬移质：加大了水流的静水压力，可传递到河床颗粒孔隙间的水体，影响河床颗粒间的水体。3.悬移质形成条件是什么？4.按泥沙颗粒大小和来源分有哪两种？并简述其基本概念？哪种起主要造床作用？它们各有什么特点？可划分为冲泻质和床沙质；床沙质：河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分，且在河床中大量存在的泥沙。起造床作用。特点：粗颗粒，在床沙中大量存在悬移质中较细的一大部分以及推移质中的极少部分是床沙中很少或几乎不存在的，它们起源于上游的流域冲蚀，是被水流长途挟带输送到本河段的，因此称为冲泻质。冲泻质对河床冲淤变化（河床演变）影响不大，不参与造床，输沙率主要取决于上游。5.简述推移质—悬移质与床沙质—冲泄质命名的区别。(1)命名方式不同：推-悬：按运动方式分床-冲：按造床作用、颗粒大小和泥沙来源分(2)推移质≠床沙质，悬移质≠冲泻质：悬沙含有床沙质和冲泻质，只是冲泻质多，床沙质少；底沙也含有床沙质和冲泻质，只是冲泻质少，床沙质多。(3)床沙质与冲泻质在一定条件下可以相互转换：同一粒径颗粒，在上游是冲泻质，在下游可能是床沙质；同一粒径颗粒，在洪水期是冲泻质，在枯水期可能是床沙质；在库区，床沙质的粒径会更小。6.何为水流挟沙力？了解水流挟沙力与含沙量的关系。水流挟沙力是指在一定的水流、泥沙及边界条件下（包括水流总流的平均流速、过水断面面积、水力半径、清水水流的比降、浑水水流的比降、泥沙沉速、水的密度、泥沙的密度和床面组成等边界条件），水流所能挟带包括推移质和悬移质在内的全部沙量。含沙量挟沙力，河床发生淤积；---超饱和。含沙量挟沙力，河床发生冲刷；---次饱和。含沙量=挟沙力，河床保持不冲不淤的平衡状态。饱和输沙（饱和状态）----平衡输沙状态7.张瑞瑾水流挟沙力公式的基本思想是什么？了解其公式的物理含义。基本观点：悬移质泥沙具有制紊作用(“制紊假说”)a.悬浮泥沙的能量来自于水体的紊动能量；b.近底较浓的悬移质含沙量的存在使紊源受到抑止，引起水体紊动强度减弱，含沙水体的阻力损失减小；c.含沙量愈大，制紊作用愈强，阻力损失愈小。8.某河流的平均水深h＝1.5m，断面平均流速为U＝1.1m/s，水力坡降J＝3/10000，均匀床沙粒径为D＝0.6mm，水温t=20℃(υ=0.01cm2/s)，用张瑞瑾方法求悬移质挟沙力。第五章：1.何谓沙波？随着水流强度的增加，沙波经历哪些发展阶段？各阶段的平面形态有那些？沙波：水流强度达到一定强度后，推移质运动的集体形式。此时，床面呈起伏不平的波浪形态，并向下游移动，是推移质运动的主要形态，是构成河床地形的基本元素。2.简述沙波表面的泥沙运动状态。1)流速大的地方，泥沙运动速度快；流速小的地方，泥沙运动速度慢。2)流速正的地方，泥沙向下游运动；流速负的地方，泥沙向上游运动。3)水流的停滞点，同时也是泥沙的停滞点。4)迎流面流速大，流速逐渐增加，泥沙运动逐渐增强，在波峰处达到最大值。5)当沙粒越过波峰以后，沙粒受重力及漩涡作用而落入波谷，其中较细的一部分泥沙有可能越过波谷，而到达下一个迎流面上继续前进，绝大部分泥沙将落入波谷区在两个停滞点（漩涡区）内沉积下来。3.河道中为什么会产生沙波？认为沙波形成与水面波有关认为沙波的形成是河床组成的不均匀性与水流的不稳定性（脉动）的综合结果。认为沙波与交界面失去稳定形成波动有关。4.沙波运动的判别参数有哪些？（1）Shields数（2）沙粒Reynolds数Re*＝U*d/ν3）弗如德数（4）相对流速U*/ω（实质是Shields