Ch1-河道水流、泥沙特性2014

•本章内容：•1、天然河道水流特性；•2、河流泥沙的来源及几何特性；•3、细颗粒泥沙的物理化学特性；•4、泥沙的重力特性；•5、泥沙沉速；•6、泥沙分类。第一章：河道水流、泥沙基本特性河流是河床和水流两部分相互作用下的水流泥沙运动。河道由泥土、沙砾、卵石和顽石等组成。河道水流与明渠水流有较大差异•1、河道水流的两相性：水（连续介质）和沙（非连续介质的颗粒群体）。（twophaseflow-两相流)•（1）重力、（2）惯性力、（3）阻力•2、河道水流的三维性：河道断面不规则，顺直段很短，宽深比小，尤其是弯曲河流。•3、河道水流的非恒定性：来水来沙随时间变化；河床处于不断的变化中。•4、河道水流的非均匀性：•5、不平衡输沙；§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：河道水流的雷诺数一般都比较大，其流型一般居于阻力平方区。•河道水流的主流与副流：主流（又称正流、元生流）是水流沿着河槽总方向的流动。•与主流相对应的有副流（又称次生流）。•如环流次生流：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。•实际是横向运动与纵向运动•结合的螺旋流。不同情况下的环流结果河道水流的垂线流速分布卡曼-普兰特尔（Th.von.Darman-L.Prandtl）对数流速分布公式对数及反三角函数流速分布指数公式max11uuhnukymax12211212arctan1122aaaUunnarctanukaaaaa1muymUh§1.2泥沙特性•泥沙概念泥沙：指所有在流体中运动或受水流、风力、波浪、冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑（钱宁、1983）。粒径大小可差数十~数万倍。粒径大小一般变化在0.001~100.0mm。泥沙来源：主要来自岩石的风化，土壤侵蚀，火山喷发产生的火山灰、生物骨骼、贝壳分解及人类各种生产活动的废弃物。•河流泥沙的来源可以分为两类：一类是来自流域降雨形成的地面径流对地表的冲蚀，通常称为水土流失；另一类是从原河床沉积层冲刷起来的。河流泥沙在运动过程中与床沙相互交换，塑造了不断变化的河床形态。•要研究泥沙运动规律，首先应了解泥沙的基本特性，它包括：•1）几何特性：泥沙颗粒的形状、大小及群体泥沙的组合特性•2）重力特性：泥沙颗粒的容重与淤积泥沙的干容重•3）水力特性：泥沙颗粒的沉降速度本节介绍泥沙的主要特性及其计算方法。•一、单个泥沙颗粒的大小——粒径•1、等容粒径（nominaldiameter)：体积相当的球体直径；粗颗粒•2、平均粒径：算术平均和几何平均；粗颗粒•2、筛分粒径(seivediameter)：刚好能通过筛孔的粒径；停留在D1，通过D2的平均粒径；细颗粒•3、沉降粒径（falldiameter)：粒径小于0.1mm。0.1mm的细沙•克伦宾提出的Φ—分级表示泥沙的粒径。泥沙分类分类方式：依据颗粒大小我国水利工程界分类：一泥沙颗粒分类标准(我国水利工程界)(5级6类)粘粒粉沙沙粒砾石卵石漂石粒经(mm)0.0050.05220200||||||||||1/2001/20220200泥沙石二、沙样组成与粒配曲线(群体性)1、粒配曲线：表示天然沙组成特性的曲线.绘制过程：取样→烘干→筛分→称重→点线→求各种特征值.曲线坐标：半对数坐标1.1.2㈠㈠粒配曲线的绘制方法和过程⑴取样筛分，获取各粒经组Di泥沙的重量；⑵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；⑶准备半对数坐标纸(横坐标为对数分格，纵坐标是普通分格)；⑷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。•（2）泥沙颗粒的粒径分布：粒径频率直方图和粒径频率累积曲线。三、泥沙的群体特性㈡粒配曲线反映的特性⑴可反映沙样颗粒的大小和范围；⑵可反映沙样组成的均匀程度。xea、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。三、沙样组成(群体性)•（3）泥沙颗粒形状SF:(1)代表粒径：中值粒径:d50(mediansize)：级配曲线中p=50%对应的粒径。算术平均粒径（meandiamnter):Dm，几何平均粒径dmg（2）非均匀特性：拣选系数φ和均方差σ（几何标准偏差）1001niiimmPDD2575DD1650508421DDDD四、泥沙的孔隙率孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称为孔隙率。•泥沙孔隙率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。•对各类泥沙孔隙率：粗沙：39％～40％，中沙：41％～48％，细沙：44％～49％。影响孔隙率的因素：1）颗粒大小；2）颗粒组成；3）颗粒形状；4）泥沙沉积方式。一、电化学性质第三节细颗粒泥沙的物理化学特性1、比表面积：泥沙颗粒表面积与其体积之比DDD66/4/432•比表面积的意义：反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对大小。越大，物化作用就越大。（颗粒越细，该值越大）一、电化学性质2、双电层及吸附水膜的特性（1）细泥沙颗粒在含有电解质的水中，颗粒周围会形成双电层、吸附水膜。•细泥沙颗粒表面带有负电荷，吸引反离子，形成吸附层（固定层）＋扩散层•细泥沙颗粒表面带有负电荷，同时也吸引水分子，形成粘结水＋粘滞水＝束缚水•泥沙颗粒表面带负电荷后，就有一定的电位值，此电位值与扩散层外的自由电位之差称为热力学电位，或ψ0电位。•在吸附层内，电位线性降落，所剩余的电位差，即吸附层与扩散层交界面的电位与扩散层外自由电位之差称为电动电位，或ζ电位。•ζ电位的数值及双电层的厚度与水中电解质的离子浓度及价数有关。（2）双电层的电位变化•3、絮凝与分散(DLVO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，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“凝聚作用”，•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，颗粒•重新分离为“分散作用”。一、泥沙的容重与密度第四节泥沙的重力特性1、定义s：泥沙颗粒单位体积的重量(T/m3、KN/m3)。ssVWs密实不含空隙的体积2、常见值范围：＝2.55～2.75T/m3，通常取平均值s＝2650kg/m3。3、有效比重：泥沙水下比重与水的比重之比，为无量刚值，a＝1.65。sa水的比重＝1000kg/m3一、泥沙的容重•泥沙矿物成分:主要是石英和长石，影响泥沙容重。ss二、泥沙淤积物干容重•（1）泥沙淤积物干容重（specificweight)•沙样烘干后（100-105℃的重量与原状沙样体积的比值。也称干密度。由于泥沙颗粒存在孔隙，干容重一般小于个体颗粒的容重。在分析河床冲淤变化时，泥沙冲淤的重量必须通过泥沙的干容重换算为泥沙冲淤体积。•干容重变化为300～1700kg/m3，变化范围较大。•影响干容重的主要因素有：粒径，淤积历时，埋藏的深度和环境等。''s（1）泥沙粒径对干容重的影响；（2）干容重与淤积深度和淤积历时关系；（3）泥沙的水下休止角：静水中的泥沙由于摩擦力作用，堆积成一定角度的稳定倾斜面。（4）干容重与淤积深度和淤积历时关系；例题•某河段长10km，平均河宽800m，一次高含沙洪水过后的淤积物总重量为1000万t，若淤积泥沙的平均粒径为0.1mm，求该河段平均淤积厚度。=1200kg/m3'1)、沉速概念：单颗粒泥沙在无边界影响的静止的清水中匀速下沉的速度。符号：ω，又称为水力粗度。2)、沙粒雷诺数概念Red=(沙粒惯性力与水流粘滞力的对比)d一、泥沙沉降的不同形式第五节泥沙的沉速（水力粗度）(settlingvelocity)实测资料表明，泥沙沉降的运动状态与颗粒雷诺数有关。层流（滞性）状态下降Red0.5,垂线下沉，颗粒不发生摆动、转动、滚动，周围水体不发生紊乱现象过渡状态下降紊流状态下降Red1000,左摇右摆下沉，颗粒本身也转动，周围水体也紊动。泥沙沉降的力学分析泥沙沉降状态主要与什么参数有关？有效重力是重力与浮力的差1、绕流阻力计算xegDCFD2422)(edDRfC度、水流紊动强度、形状、方位、表面粗糙绕流阻力系数采用对称绕流阻力公式：球体沉降为对称绕流，其阻力F与2成正比：二、球体的沉速二、球体的沉速CD与Red关系曲线①层流时：CD与Red为直线关系，斯托克斯(stokes)导出：②紊流时：CD与Red为无关，基本为一常数，CD≈const.。③过渡状态时：CD与Red成曲线关系，数学上难以描述。edDRCDF/243，其中eDeDDRRC163124eDDRC24CD与Red的关系2、水下重力计算xe36DWsgDCDgDCWFsDsD34624322＝＝沉速的计算演变为CD的计算！3、沉速计算二、球体的沉速①层流状态：CD与Red为直线关系，即CD=24/Red，则：2181Dgs＝(平方关系)②紊流状态：CD与Red为无关，基本为一常数，CD≈0.45。则：gDs1.72＝(平方根关系)③过渡状态：CD与Red成曲线关系，数学上难以描述。则：gDCsD34＝公式中多了一个参数：CD＝f(,D),的计算式为隐函数。4、CD和不同形式的沉速计算已有的研究成果(图1-6)：二、球体的沉速二、球体的沉速4、计算实例1：已知：球体颗粒D=3.5mm，＝10-6m2/s，s=2.65T/m3，请计算。解：①假定处于层流状态：则2181Dgs＝＝6210)1000/5.3(8.91165.2181＝11.00(m/s)Red=d=11.00×3.5/1000/10-6=385000.5，假定不符，不属层流②假定处于紊流状态：则gDs1.72＝＝1000/5.38.91165.21.72＝0.41(m/s)Red=d=0.41×3.5/1000/10-6=1432.11000，假定符合，属紊流4、计算实例1：已知：球体颗粒D=3.5mm，＝10-6m2/s，s=2.65T/m3，请计算。解：①假定处于层流状态：则2181Dgs＝＝6210)1000/5.3(8.91165.2181＝11.00(m/s)Red=d=11.00×3.5/1000/10-6=385000.5，假定不符，不属层流②假定处于紊流状态：则gDs1.72＝＝1000/5.38.91165.21.72＝0.41(m/s)Red=d=0.41×3.5/1000/10-6=1432.11000，假定符合，属紊流已知：球体颗粒D=2mm，＝10-6m2/s，s=2.65T/m3，请计算。解：①假定处于层流状态：则=3.59m/s,Red=71800.5,假定不符②假定处于紊流状态：则=0.31m/s,Red=6181000,假定不符③说明沉降处于过渡状态：需试算过渡状态计算公式为：gDCsD34＝＝DRed则有：23234DgRCsedD＝，已知粒径后，右边不含未知数5122210725.110)1000/2(1165.29.834＝edDRC查图1-6得Red=600(=0.5~1000符合过渡区)→=0.30m/s计算实例2：已知：球体颗粒D=2mm，＝10-6m2/s，s=2.65T/m3，请计算。解：①假定处于层流状态：则=3.59m/s,Red=71800.5,假定不符②