1泥沙特性

第一章泥沙特性水流挟带的泥沙沉积于河床-河床淤积水流从床面上攫取泥沙带走-河床冲刷前言：要研究泥沙运动规律，首先应了解泥沙的基本特性，包括：1.几何特性：形状、大小及群体泥沙的组合特性2.重力特性：容重、干容重3.水力特性：沉速4.细颗粒泥沙的物理化学特性(粘性沙)河床演变泥沙是水流与河床相互作用的中介泥沙运动规律是河流动力学研究的重要内容之一1本章内容框架1.泥沙的几何特性2.细颗粒泥沙特性3.泥沙的重力特性4.泥沙的水力特性第一章泥沙特性本章介绍泥沙的主要特性及其计算方法。1.1泥沙的几何特性几何特性：形状、大小、群体性第一章泥沙特性粒径级配孔隙率第一眼看到快男超女，你首先观察什么？1.1.11.1泥沙的几何特性(一)泥沙的粒径※泥沙颗粒的大小通常用粒径D来表示第一章泥沙特性3/16VD3cbaD㈠等容粒径定义：容积与泥沙颗粒体积相等的球体的直径㈡算术平均粒径定义：长、中、短轴的算术平均值㈢几何平均粒径6/3D/6abc3/1abcD定义：将泥沙视为椭球体，求其等容粒径(球体)㈣筛分粒径(0.075mm)或水析粒径(0.075mm)定义：通过筛分法(标准筛)或水析法(静水沉速)获得的粒径近似值比重计法1.1.11.1泥沙的几何特性(一)泥沙的粒径㈤泥沙粒径分级法第一章泥沙特性2DΦ值与粒径D的关系(表1-1)Φ-3-2-101234567D(mm)8.004.002.001.000.500.250.1250.0630.0320.0160.008常用：Φ-分级法，由Krumbein(克伦宾)提出；公式：原因：泥沙粒径分布大致呈现对数正态分布的特性特点：可用小的Φ值范围(-3~7)表示相当大的粒径范围(8~0.008mm)2logD1.1.11.1泥沙的几何特性(一)泥沙的粒径㈥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(表1-2)粘粒粉沙沙粒砾石卵石漂石粒径(mm)0.0050.05220200||||||||||1/2001/20220200泥沙石1.1.21.1泥沙的几何特性(二)沙样组成与粒配曲线※河流泥沙具有群体性，颗粒大小不一、含量不等，如何表示其组成特性？第一章泥沙特性※粒配曲线(颗粒级配)：粒径-含量关系曲线(图1-1)1.1.21.1泥沙的几何特性(二)沙样组成与粒配曲线㈠粒配曲线的绘制方法和过程第一章泥沙特性⑴取样筛分，获取各粒径组Di泥沙的重量⑵统计出小于和等于各粒径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以粒径Di为横坐标(对数坐标，从大到小)，小于和等于粒径Di的沙重百分比pi为纵坐标(普通坐标)绘制D~p粒配曲线1.1.21.1泥沙的几何特性(二)沙样组成与粒配曲线㈡粒配曲线反映的特性⑴可反映沙样颗粒的总体大小(粒径范围)⑵可反映沙样组成的均匀程度(级配状况)第一章泥沙特性1.1.21.1泥沙的几何特性(二)沙样组成与粒配曲线第一章泥沙特性a、b较陡，粒径变化范围窄，组成较均匀，但a较粗，b较细c很缓，粒径变化范围大，各组粒径含量接近，组成不均匀，级配良好d很陡，粒径变化范围小，组成均匀请想想:砼搅拌中要求组成沙级配良好，对应均匀沙或非均匀沙？1.1.21.1泥沙的几何特性(二)沙样组成与粒配曲线㈢粒配曲线反映的定量特征值-代表粒径第一章泥沙特性111100nniiiiiimniiDPDPDP9.151.84lnDD⑴中值粒径D50：表示大于和小于该粒径的泥沙重量各占一半⑵平均粒径Dm：按粒径组所占重量百分比的加权平均值粒径⑶均方差σ：表示泥沙组成的非均匀程度，＝0均匀，越大越不均匀25750DDS⑷分选系数(非均匀系数)S0：＝1均匀，越大越不均匀。2exp250DDm均匀沙s=0，Dm＝D50；非均匀沙s0，DmD50(天然沙的常态)Dm与D50的关系：1.1.31.1泥沙的几何特性(三)泥沙的孔隙率㈠孔隙率与孔隙比第一章泥沙特性⑴孔隙率n：沙样中孔隙的体积与沙样总体积之比。n=V孔/V总⑵孔隙比e：沙样中孔隙的体积与沙样颗粒体积之比。e=V孔/(V总-V孔)1.1.31.1泥沙的几何特性(三)泥沙的孔隙率第一章泥沙特性㈡天然沙孔隙率的一般规律(影响因素)⑴粒径：沙样越粗，孔隙率越小(细沙表面积大，颗粒间摩擦、吸附及搭成构架的作用强)•粗砂：39～40％；中沙：41～48％；细沙：44-49％；粘土絮凝后可达90％⑵均匀程度：•均匀沙的孔隙率最大•因非均匀沙粗颗粒间孔隙由细颗粒填充⑶形状：圆滑的、棱角不分明的沙样孔隙率较小⑷沉积时间：越长，孔隙率越小•铁板沙(天津的海滩)、晃滩沙1.1.41.1泥沙的几何特性(四)泥沙的比表面积㈠比表面积的定义第一章泥沙特性泥沙颗粒的表面积与其体积之比㈡比表面积的意义颗粒越小，比表面积越大:粒径分别为1微米(10-6)、1厘米(10-2)的球体，前者比表面积为后者的10000倍反映泥沙颗粒的物理化学作用与重力作用的相对大小，比表面积越大(亲水性越强)，物理化学作用越大。234/26/6DDD1.3.11.3泥沙的重力特性一、泥沙的容重和密度㈠泥沙密度：单位密实体积的质量rs=2.55~2.75t/m3，平均2.65t/m3㈡泥沙容重：单位密实体积的重量gs=rsg平均2.65*9.8=26kN/m3㈢有效容重(密度)系数：水下相对有效重量(质量)第一章泥沙特性1.65,泥沙常取rrrgggssaSsSmVrSSsVWg1.3.21.3泥沙的重力特性二、泥沙的干容重和干密度㈠概念第一章泥沙特性1(1)ssssnngggg干容重：单位松散体积的重量，gs’＝2.94~16.66kN/m3干密度：单位松散体积的质量，rs’＝0.3~1.7t/m3㈡干容重与容重、孔隙率n的关系干容重主要用于计算冲淤体积(含孔隙)：'ssWVg冲淤总孔VWVVWSSSs'g⑶淤积历时：影响排水固结充分程度→影响孔隙率n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1.3.21.3泥沙的重力特性二、泥沙的干容重和干密度㈢影响干容重的主要因素：⑴粒径：影响孔隙率n粒径↑，n↓，gs’↑，变化范围↓；粒径↓，n↑，gs’↓，变化范围↑如：D=0.005mm，s’＝0.56~1.35t/m3；D=0.08mm，s’＝1.4~1.7t/m3⑵淤积厚度：影响土的自重应力，自身固结压缩→影响孔隙率n淤积越深，gs’越大，变化范围越小；淤积越浅，gs’越小，变化范围越大官厅水库淤厚10m，gs’＝14.4~15.2KN/m3；1m，gs’＝7.15~12.7KN/m3第一章泥沙特性1''lgsTsKTrr⑷级配：影响孔隙率n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1ssngg不变1.3.31.3泥沙的重力特性三、泥沙的水下休止角㈠概念第一章泥沙特性D27.15.32水下休止角：泥沙在静水下自然堆积而不塌落的坡面倾角，°水下摩擦系数：f＝tg㈡水下休止角Φ与粒径D的关系㈢水下休止角的其它影响因素：⑴粒配⑵形状……天津大学，试验范围：Ｄ=0.2~4.37mm说明:粒径越大，水下休止角越大，摩擦系数越大，坡度越陡1.2.11.2细颗粒泥沙的物理化学特性(一)电化学性质㈠颗粒吸附结构第一章泥沙特性⑴细颗粒泥沙在含有电解质的水中，周围会形成双电层•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：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正离子层，即～•双电层=吸附层＋扩散层•水中正离子浓度越大，双电层厚度越小1.2.11.2细颗粒泥沙的物理化学特性(一)电化学性质㈠颗粒吸附结构第一章泥沙特性粘结水的引力可达到1万个大气压，密度可达1.2~2.4g/cm3，等同于固体，具有很大的粘滞性、弹性和抗剪强度，不能传递静水压力粘滞水的密度可达1.3~1.7/cm3，具有较大的粘滞性和抗剪强度，不能传递静水压力束缚水的厚度一般0.1mm，最厚可达2mm•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：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=粘结水＋粘滞水⑵细颗粒泥沙表面负电荷吸引水分子，周围会形成束缚水2HO颗粒间受力•均带同号负电荷→相斥•分子引力(范德华力)→相吸•一般情况：扩散层薄，粒间力=净引力；扩散层厚，粒间力=净斥力1.2.11.2细颗粒泥沙的物理化学特性(一)电化学性质㈡絮团、絮凝第一章泥沙特性两粘土颗粒相互接近时，会形成公共的双电层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～，絮团形成的过程即称絮凝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沙、砾石、卵石类粗颗粒泥沙一旦沉积到河底，不再压密细颗粒泥沙，特别是粘土颗粒在沉积时会连结成絮团，在自重或其他外力的作用下，沉积固结过程如下：a.絮团集合成蜂窝结构，含水量高，密度低b.絮团聚合体连结破坏，逐渐压实c.絮团间连结破裂，絮团排列成层d.絮团间孔隙消失，颗粒密集排列→均匀结构'lgstr加速阶段匀速阶段(沉速)重力绕流阻力初始阶段玻璃容器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，用于悬沙输移及沉积计算(沉沙池设计等)第一章泥沙特性㈠沉降的过程①初始，γsγW，重力阻力，加速下沉②沉速增加→阻力逐渐增大，而重力恒定，加速度减小③当重力＝阻力，加速度＝0，泥沙匀速下沉，沉速趋于稳定2242mDmDuDFCr定义：反映泥沙沉降形式的无量纲参数1.4.11.4泥沙的水力特性一、泥沙沉降的不同形式第一章泥沙特性eDDR㈡沉速的定义单颗粒泥沙在静止的无限大的清水中匀速下沉的速度，(cm/s)沉速反映泥沙在与水流相对运动时对机械运动(水流携带)的抵抗能力(沉速越大，泥沙沉淀的倾向越强)㈢沙粒雷诺数物理意义：沙粒惯性力(↓)与水流粘滞力(↑)的对比•沙粒雷诺数小，表明粘滞力影响大，泥沙沉降时周围绕流表现为层流•沙粒雷诺数大，表明惯性力影响大，泥沙沉降时周围绕流表现为紊流泥沙沉降形式主要与什么参数有关？eDDR粘性流体中绕流包括沙粒表面摩擦阻力和形状阻力两部分：前者-固边界的边界层引起的摩擦阻力；后者-物体后部的流动分离(漩涡)使得物体前面的压力大于后部，产生了压力差1.4.11.4泥沙的水力特性一、泥沙沉降的不同形式㈣沉降的形式第一章泥沙特性①层流状态下降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③紊流状态下降ReD1000，螺旋形下沉，颗粒本身也转动，周围水体布满漩涡②过渡状态下降-寺庙僧庵，水缸硬币ReD=0.5~1000，摆动下沉，颗粒前部为层流，尾部为紊流，周围水体层紊过渡(a)层流绕流状态wake(b)过渡状态strong(c)紊流状态1.4.21.4泥沙的水力特性二、球体的沉速第一章泥沙特性eDdRCf形状、方位、表面粗糙度、水流紊动强度、22344263sDsDFWCDDgDgCgggggg＝＝(3)沉速计算-静水、匀速沉速的计算演变为CD的计算！(2)水下有效重力(向下)36DWsgg(1)绕流阻力(向上)2242DDFCr采用对称绕流阻力公式：阻力系数1.4.