河流动力学-C1泥沙特性

1第一章泥沙特性本章内容简介2泥沙的几何特性细颗粒泥沙的物化特性泥沙的重力特性泥沙的水力特性以上各特性的计算方法1.1.01.1泥沙的几何特性几何特性：形状、大小、群体性、xe第一章泥沙特性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采样粒径D来表示。xe第一章泥沙特性3/16VD3cbaD㈠等容粒径定义：体积与泥沙颗粒容积相等的球体直径。公式：常用单位：mm㈡算术平均粒径定义：长、中、短轴的算术平均值。公式：1.1.11.1泥沙的几何特性一、泥沙的粒径㈢几何平均粒径xe第一章泥沙特性6/3D6/abc3/1abcD定义：长、中、短轴的几何平均值，相当于椭球体的等容粒径。公式：(椭球体的体积＝球体的体积)㈣筛分粒径定义：通过筛分法获得的粒径近似值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xe第一章泥沙特性2D值与粒径D的关系-3-2-101234567D(mm)8.004.002.001.000.500.250.1250.0630.0320.0160.008常用：-分级法，由Krumbein(克伦宾)提出；公式：原因：泥沙粒经分布大致呈现对数正态分布的特特性特点：可用小的值变化表示相当大的粒径变化范围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：一第一章泥沙特性泥沙颗粒分类标准(我国水利工程界)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)。xe第一章泥沙特性※粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。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㈠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。※实例(粒配曲线实例随PPt.xls)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可反映沙样颗粒的大小和范围；⑵可反映沙样组成的均匀程度。xe第一章泥沙特性a、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。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xe第一章泥沙特性niiniiimmPPDD11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(图)。⑵平均粒径Dm：按粒经组所占重量百分比的加权平均值粒径(例)。⑶均方差：表示泥沙组成的非均匀程度,＝0均匀，越大越不均匀。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二第一章泥沙特性25750DDS2exp250DDm均匀沙=0，Dm＝D50；非均匀沙0，DmD50。9.151.84lnDD⑷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：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㈠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)1.1.31.1泥沙的几何特性三、泥沙的孔隙率㈡天然沙孔隙率的一般规律三第一章泥沙特性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。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1.1第一章泥沙特性DDDe66/32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；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。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ye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反离子层，即～。•双电层：吸附层＋扩散层。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㈠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，平均2.0g/cm3。粘滞水的密度可达1.3~1.7/cm3。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。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、絮凝一第一章泥沙特性颗粒间受力：均带负电荷→相斥；分子引力→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。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～。絮凝：细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程(絮团的形成过程)，叫～。1.2.21.2细颗粒泥沙的物理化学特性二、絮团的压密特性1.2第一章泥沙特性1.3.11.3泥沙的重力特性一、泥沙的容重和密度㈠密度：单位密实体积的质量rs=2.55~2.75t/m3,平均2.65t/m3㈡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)一第一章泥沙特性1.65,泥沙常取rrrgggssa1.3.21.3泥沙的重力特性二、泥沙的干容重和干密度㈠概念ye第一章泥沙特性)1()1(nnssssgggg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干容重与孔隙率n的关系㈢影响干容重的主要因素：⑴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。如：D≤0.04mm，gs’＝0.55~1.25t/m3D0.2mm，gs’＝1.4~1.7t/m3)mm0.1(095.0exp472.089.1)mm0.1(441.11131DDDDDDDsg1.3.21.3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：⑵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。二第一章泥沙特性TKssTlg0gg如：官厅水库淤厚10m处，gs’＝1.47~1.55t/m31m处，gs’＝0.73~1.30t/m3⑶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。⑷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。1.3.31.3泥沙的重力特性三、泥沙的水下休止角㈠概念1.3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的坡面倾角，，°f＝tg㈡水下休止角与粒径D的关系天津大学研究，(°)与D(mm)有如下关系(图)：㈢水下休止角的其它影响因素：⑴泥沙的粒配⑵泥沙颗粒的形状……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，用于悬沙输移理论、沉沙池设计等。xe第一章泥沙特性dRed㈠沉降的过程①gsg，初始，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最后，重力＝阻力，加速度＝0，泥沙匀速下沉，沉速趋于稳定。㈡沉速的定义单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度，，cm/s㈢沙粒雷诺数定义：反映泥沙沉降形式的无量刚参数物理意义：沙粒惯性力与水流粘滞力的对比。1.4.11.4泥沙的水力特性一、泥沙沉降的不同形式㈣沉降的形式一第一章泥沙特性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②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。③过渡状态下降Red=0.5~1000,泥沙沉降状态处于二者之间。泥沙沉降形式主要与什么参数有关？1.4.21.4泥沙的水力特性二、球体的沉速㈠绕流阻力计算xe第一章泥沙特性gDCFD2422g)(edDRfC度、水流紊动强度、形状、方位、表面粗糙阻力系数采用对称绕流阻力公式：1.4.21.4泥沙的水力特性二、球体的沉速㈡水下重力计算xe第一章泥沙特性36DWsgggDCDgDCWFsDsDgggggg34624322＝＝沉速的计算演变为CD的计算！㈢沉速计算1.4.21.4泥沙的水力特性二、球体的沉速㈣CD和不同形式的沉速计算已有的研究成果(图1-6)：xe第一章泥沙特性①层流状态：CD与Red为直线关系，即CD=24/Red，则：ggg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：gDsggg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：gDCsDggg34＝公式中多了一个参数：CD＝f(,D),的计算式为隐函数。1.4.21.4泥沙的水力特性二、球体的沉速㈤实例计算1xe第一章泥沙特性已知：球体颗粒D=3.5mm，＝10-6m2/s，sg=2.65T/m3，请计算。解：①假定处于层流状态：则ggg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gDsggg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1.4.21.4泥沙的水力特性二、球体的沉速㈤实例计算2(Fig)二第一章泥沙特性已知：球体颗粒D=3.5mm，＝10-6m2/s，sg=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：gDCsDggg34＝＝DRed则有：23234gggDgRCsedD＝，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(=