Ch1-河道水流、泥沙特性2014021

•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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+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++粘滞水扩散层吸附层水结粘双电层束缚水吸附水膜自由水泥沙颗粒中性水层内外层水合结（）192、泥沙颗粒周围的吸附水膜②、粘结水的特征颗粒表面的负电荷对吸附层范围内的粘结水的吸引力约一万个大气压。在这样大的压力下，粘结水的密度达到1.2-2.4g/cm3，平均为2.0g/cm3。粘结水在力学性质上与固体物质完全相同，具有极大的粘滞性、弹性和抗剪强度。它没有传递静水压力的能力。+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++粘滞水水结粘束缚水吸附水膜自由水水合结（）扩散层吸附层双电层泥沙颗粒中性水层内外层320（2）粘滞水①、粘滞水的含义：围绕在粘结水外面的水分子虽然也受到静电引力场的作用，但距颗粒表面距离愈远，受到的静电引力场的强度愈小，水分子所失去的自由活动的能力也愈少，而且排列得比较疏松，不整齐，仅有轻微的定向。这部分水被称为粘滞水。+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++粘滞水扩散层吸附层水结粘双电层束缚水吸附水膜自由水泥沙颗粒中性水层内外层水合结（）421（2）粘滞水②、粘滞水的特征粘滞水的密度虽没有粘结水那么大，但仍比普通液态水的要大，为1.3-1.74g/cm3，也具有较高的粘滞性和抗剪强度，不能传递静水压力。+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++粘滞水扩散层吸附层水结粘双电层束缚水吸附水膜自由水泥沙颗粒中性水层内外层水合结（）422（3）束缚水与自由水•粘结水和粘滞水统称束缚水。•束缚水外面的水分子几乎不再受静电引力的作用，保持着原有自由活动的能力，称为自由水。+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++粘滞水扩散层吸附层水结粘双电层束缚水吸附水膜自由水泥沙颗粒中性水层内外层水合结（）423（4）吸附水膜对于粘结水和粘滞水（束缚水），其水分子部分地或完全地失去自由活动能力，在颗粒周围形成了一个水膜，此膜称为吸附水膜。吸附水膜是泥沙颗粒与水相互作用的产物，从力学角度上看，是固态相与液态相的过渡类型。束缚水吸附水膜5+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++粘滞水扩散层吸附层水结粘双电层束缚水吸附水膜自由水泥沙颗粒中性水层内外层水合结（）24（4）吸附水膜吸附水膜的厚度•双电层的厚度就是束缚水的厚度，也就是吸附水膜的厚度。吸附水膜与反离子层大体上是一致的东西。•吸附水膜的厚度主要取决于颗粒的矿物成分和水的化学成分（水的pH值，离子的种类和浓度），其厚度一般为0.1μm数量级。525（4）吸附水膜吸附水膜的厚度•粗颗粒泥沙，水膜所占容积远较泥沙的体积为小，作用不大；因此粗颗粒泥沙的性质完全取决于泥沙本身的性质。•细颗粒泥沙，水膜不但和泥沙颗粒不可分离，而且重要性超过了泥沙颗粒，这就是极细的泥沙颗粒的性质常因矿物组成和水中电解质的改变而有很大不同的缘故。5•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274、絮凝和分散现象（双电层及吸附水膜对细颗粒泥沙性质及运动规律的影响）泥沙颗粒愈细，重力对它的作用就越微弱，而颗粒之间的相互作用则愈来愈重要。当带有吸附水膜的两颗泥沙相互靠近时，会形成公共的吸附水膜与公共的扩散层。•细颗粒泥沙的公共吸附水膜++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++------------------------------------------------------+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++------------------------------------------------------+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++828㈤、絮凝和分散现象1、细颗粒泥沙间的斥力与引力相邻的颗粒表面虽然带同号的电荷，应该互相排斥，但由于颗粒间的分子引力，即范德华力的作用，相邻的泥沙颗粒又能互相吸引。细颗粒泥沙的公共吸附水膜++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++----------------