2019第2章-泥沙的一般特性

河流动力学概论第2章泥沙的一般特性主要内容1泥沙的来源，风化，土壤侵蚀；2泥沙的一般矿物组成及矿物特性3泥沙的几何特性，粒径、圆度、球度、粒径级配曲线等4泥沙的重力特性，容重、比重、干容重、浑水容重、水下休止角、泥沙的沉降速度及计算公式等。5泥沙的物理化学特性，比表面积、絮凝和分散等§2-1泥沙的来源一、岩石风化•河流泥沙的最根本来源是岩石的风化。•风化——岩石和矿物在地表环境中，受各种物理、化学和生物作用，岩石发生体积破坏和化学成份发生改变的过程。•风化种类：物理风化：岩石在原地发生的崩解化学风化：岩石发生的蚀变（溶解、水解、碳酸盐化）生物风化：•风化影响因素：气候、岩石成分、结构构造、植被、地形、时间•气候是影响风化的主要因素；风化作用作为侵蚀和搬运的前提条件§2-1泥沙的来源二、泥沙来源分类（1）流域来沙。即流域地表的冲蚀；土壤侵蚀•狭义——指地面土壤在外营力下被分离、搬运以及沉积的整个过程•广义——内外营力作用下，地表物质（包括土坡、母质、风化物和岩石）的分离、搬运以及沉积的整个过程§2-1泥沙的来源三、土壤侵蚀•侵蚀模数（输沙量模数）——每平方公里地面每年冲蚀泥沙量（单位：t/km2.a）•含沙量——每单位体积河水中的泥沙重量表示河流的含沙量。（单位：kgf/m3）§2-1泥沙的来源三、土壤侵蚀•我国北方土壤侵蚀比南方严重，最严重的是黄河中游的黄土高原、永定河和西河流域。输沙模数Ｍ１000t/(km2.a)。•陕北的皇甫川、窟野河、无定河、延河流域，输沙模数达到１0,000~20,000t/(km2.a)，相当于地面每年普遍冲刷6~12mm的厚度。§2-1泥沙的来源三、土壤侵蚀水土流失（soilLoss)包括水和土的流失两个方面。它与土壤侵蚀概念不同。从侵蚀作用力来看，为水力侵蚀，水土流失量是指离开某一范围的地表物质总和，一般土壤侵蚀量大于水土流失量。土壤侵蚀与产沙（sedimentyield)也是两个不同的概念，产沙是指侵蚀的土壤量能够到达流域出口的泥沙量。因此，产沙小于侵蚀量，两者之间用泥沙输移比表示。如以长江上游宜昌，20世纪80年代平均侵蚀量为15.7亿吨，同期宜昌站输出沙量5.49亿吨§2-1泥沙的来源二、泥沙来源分类。（1）流域来沙。即流域地表的冲蚀；（2）河床上冲起的沙。即河床的冲刷；在运动过程中，二者存在着置换作用。（3）风沙（一般不考虑）§2-2泥沙的矿物组成一、矿物成份泥沙来源于岩石风化，则风化岩石的矿物成分决定泥沙的矿物成分；不同的风化方式对岩石矿物成分的影响程度不同，因此风化方式也影响泥沙的矿物成分。•（1）物理风化——原生矿物如：石英、长石、云母等。•（2）化学风化——次生矿物如：次生二氧化硅，蒙脱石，高岭土等§2-2泥沙的矿物组成二、矿物的物理特性•（1）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•（2）硬度——硬度是表示矿物抵抗外界机械作用的能力。综合统计，长江悬沙中硬度5的矿物平均约达80%，而水轮机过流部件金属材料硬度一般5，这是过流金属部件受磨损的基本原因。14长轴a中轴b短轴c泥沙颗粒形状11泥沙的形状总的来说，颗粒越大，形状越圆滑；颗粒越小，形状越复杂。常见的砾石、卵石外形一般呈椭球体。泥沙的几何特征指泥沙的形状和粒径。§2-3泥沙的几何特性1612沉降粒径（沉降法，适用于粉沙、粘土）水析法筛分粒径（适用于砾石、沙粒）筛析法等容粒径（称重法，适用于卵石以上的较大颗粒）尺量法泥沙粒径测量和计算方法有三种：泥沙颗粒的大小，通常以颗粒直径来表示，简称粒径，其符号为D（或d），单位mm。一、泥沙的粒径17313166sWVD13①测定泥沙颗粒的重量（或体积）⒉计算测量方法等容粒径是指体积与泥沙颗粒相等的球体直径。⒈定义㈠、等容粒径(2-1)183/cbaD3abcD14㈠、等容粒径(2-3)用几何平均值表示粒径(2-2)用其算术平均值表示粒径②将泥沙看成椭球体，直接测量其长轴a、中轴b、短轴c⒉计算测量方法19D筛析法示意图1D215两筛之间泥沙颗粒的粒径可以用两筛网孔径的算术平均值或几何平均值计算。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。㈡、筛分粒径（筛径）表2-1筛号与孔径之间的关系21筛孔孔径D上下两筛中径Di介于上下两筛孔间的重量百分比△pi(mm)(mm)(%)1.1681.0010.480.8330.7115.290.5890.50321.680.4170.35652.230.2950.25218.390.2080.1781.480.1470.1260.10.1040.0890.050.074262216这样所求出的粒径实质上是与泥沙颗粒密度相同、沉速相等的球体直径。对于粒径在0.062mm以下粉粒和粘粒，已不可能进一步筛分，只能采用沉降法，如：比重计法、粒径计法、吸管法等。这些方法的基本原理是，通过测量沙粒在静水中的沉降速度，按照粒径与沉速的关系式换算成粒径。所得粒径实际上为具有简样比重同样沉速的球体直径。也叫沉降粒径，或简称沉径。。㈢、沉降粒径（沉径）23㈣泥沙按粒径大小分类1、分类原则•表示出不同粒径级泥沙性质上的显著差异和性质变化的规律性；•各级分界粒径尺度成一定的比例。2、φ值分级尺度把以mm为单位的粒径取以2为底的对数并乘以“－1”，从而使得都是整数φ值。每一分级粒径D可表示为D＝2－φ或（1-4）（φ为整数，D的单位为mm）D2log1724•运用该方法，可以把变化相当大的粒径范围用变化不大的整数φ来表示，φ值越大表示粒径越细。…2n…232221202-12-22-3…2-n…粒径………84210.50.250.125………Φ值…-n…-3-2-10123…n…18253、水利工程界分类表2-2泥沙颗粒分级标准泥沙分类粘粒粉沙沙粒砾石卵石漂石粒径大小（mm）0.0050.05～0.0052～0.0520～2200～2020019§2-3泥沙的几何特性二、圆度——指颗粒棱和角的尖锐程度。文特沃斯（wentworth）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（2-3）r——颗粒最尖锐棱角的曲率半径，R——颗粒最大内切圆的半径。（2-4）ri——颗粒的平面投影图像上各角曲率半径RrRNrNi/沃德尔（wadell)§2-3泥沙的几何特性三、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（2-5）3131231)6(1)()(VaabcaabcaDn1.1.4四、比表面积1.1DDDe66/32（1）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。§2-3泥沙的几何特性泥沙颗粒的形状及其成因•泥沙颗粒的最初形状取决于岩石母质和风化作用，随后在输运过程中因继续受到物理、化学及生物作用而不断改变其形状，改变的程度或最终形成的形状取决于搬运介质（水、空气和冰川运动）和搬运方式（滑动、滚动、跳动、悬浮或颗粒流等）•圆度在流水搬运初期迅速增加，然后增加速度变缓，直至完全变圆为止。•球度则以一个缓慢而稳定的速度增加。§2-3泥沙的几何特性四、泥沙的群体特性（级配曲线）河流泥沙具有群体性，颗粒大小不一，含量多少不等，我们如何去充分表示其特性，于是提出了粒配曲线(级配曲线)。粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。32筛孔孔径D上下两筛中径Di介于上下两筛孔间的重量百分比△pi(mm)(mm)(%)1.1681.0010.480.8330.7115.290.5890.50321.680.4170.35652.230.2950.25218.390.2080.1781.480.1470.1260.10.1040.0890.050.0743328泥沙粒配曲线01020304050607080901000.1110粒径D(mm)小于某粒径沙重百分数(%)D84.1D15.91.1.2㈠粒配曲线的绘制方法和过程㈠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。§2-3泥沙的几何特性35㈡、粒配曲线的意义⒈表征泥沙颗粒的粗细和沙样的均匀程度。⒉可直接查出小于某粒径的泥沙在总沙样中所占的重量百分数；也可查出总沙样中某重量百分数泥沙的上限粒径。21D50=0.0073mm1.1.2xea、b组成较均匀，变化范围窄，但a较粗，b较细。§2-3泥沙的几何特性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。§2-3泥沙的几何特性四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）（2）粒径分布的特征值上限粒径——在总沙样中占某重量百分数的泥沙的上限粒径。如D5,D10,D50等等。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。（2-6）niiimpDD11001§2-3泥沙的几何特性四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）Dmg——几何平均粒径，即粒径取对数后进行平均运算，最终求得的平均粒径值称为几何平均粒径。反映沙样的代表粒径因：（2-7）均方差：表示泥沙组成的非均匀程度,＝0均匀，越大越不均匀，反映沙样粒径的变化范围大小。niiimgpDD1ln1001ln)ln1001exp(1niiimgpDD9.151.84lnDD1.1.2二25750DDS2exp250DDm均匀沙=0，Dm＝D50；非均匀沙0，DmD50。9.151.84lnDD分选系数(非均匀系数)S0：仍表示泥沙组成的非均匀程度，＝1均匀，越大越不均匀。⑸Dm与D50的关系：§2-3泥沙的几何特性四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）虽然泥沙中值粒径与几何平均粒径并不完全相等，但其差别一般不大，所以可以用泥沙中值粒径近似代替几何平均粒径。1.1.3五、孔隙率与孔隙比㈠⑴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。⑵孔隙比e：沙样中孔隙的体积与沙样颗粒体积之比。e=V孔隙/(V总-V孔隙)§2-3泥沙的几何特性1.1.3天然沙孔隙率的一般规律三⑴沙样越粗，孔隙率越小；粗砂：39～40％；中沙：41～48％；细沙：44-49％；粘土絮凝后可达90％⑵均匀沙的孔隙率最大；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。§2-3泥沙的几何特性四、泥沙的粒配曲线（级配曲线）§2-4泥沙的重力特性一、泥沙的一般重力特性（1）密度密度——颗粒单位体积内所含的质量。国际单位：千克/米3kg/m3；克/米3g/m3；工程单位：吨/米3t/m3，公斤/米3kg/m3；一般泥沙密度：=2650kg/m3;（2）容重（重度）容重（重度）——泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值。国际单位：牛/米3N/m3；工程单位：吨力/米3tf/m3，公斤力/米3kgf/m3；一般泥沙容重：=25970N/m3=26kN/m3=2650kgf/m3;§2-4泥沙的重力特性一、泥沙的一般重力特性（3）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，令或常取a=1.65.sasa§2-4泥沙的重力特性一、泥沙的一般重力