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1、第一章 泥沙特性,泥沙的几何特性泥沙颗粒的形状、大小以及群体泥沙的组合特性。,泥沙的定义：是指在流体中运动或受水流、风力、波浪及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑。,11 泥沙的几何特性,一、泥沙的粒径,泥沙的颗粒大小，通常用泥沙的直径来表示。,等容粒径：与泥沙颗粒体积相等的球体的直径。（简称为粒径，常用单位：mm。）,算术平均粒径：,一、泥沙的粒径,几何平均粒径：,-分级法表示泥沙的粒径,一、泥沙的粒径,式中：D为粒径（）；为指数。,值与粒径D的关系,一、泥沙的粒径,泥沙颗粒分级标准,一、泥沙的粒径,二、沙样组成与粒配曲线,下一页,返回,上一页,粒配曲线：小于粒径D泥沙重量占总数的百分比曲
2、线越平缓粒径越不均匀粒径的大小中值粒径D50平均粒径Dm，常大于D50沙样的均匀程度分选系数（非均匀系数）：S0=(D75/D25)1/2S0=1 沙样均匀；越大越不均匀,二、沙样组成与粒配曲线,从图中可以反映两个方面的问题：,二、沙样组成与粒配曲线,每一组沙样中的泥沙粒径大小及其变化范围。,每一组沙样组成的均匀程度。,如：颗粒曲线a组成较粗，曲线b组成较细；,曲线d组成较均匀，曲线c组成不均匀。,三、特征粒径,表示某一沙样中泥沙粒径的大小，一般采用两种表示方法：,中值粒径d50，它表示大于、小于该粒径的泥沙重量各占整个沙样的一半，P=50%。,平均粒径dm，它是各档泥沙粒径的加权平均值。,三
3、、特征粒径,公式：,n划分的组次,Di各组泥沙的平均粒径，它是将粒配曲线的纵坐标（p）按变化情况分成若干组，在横坐标（D）上定出各组泥沙粒径的上、下限粒径Dmax 和Dmin。Di=(Dmax+Dmin),pi各组泥沙在整个沙样中所占重量的百分比。,非均匀系数,三、特征粒径,=1，均匀；愈大愈不均匀。,或,值愈小，组成愈均匀。,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。,四、泥沙的孔隙率,五、细颗粒泥沙的物理化学特性,物理化学作用的强弱与颗粒比表面积的大小有关，所谓比表面积就是颗粒表面积与其体积之
4、比，对于球体其比表面积的表达式为：,这样D=1m与D=1mm的沙粒相比，前者为后者的一千倍，最主要的是细颗粒泥沙有絮凝现象产生。,泥沙颗粒的重率 泥沙的干容重 泥沙的水下休止角,12 泥沙的重力特性,一、泥沙颗粒的容重,泥沙的容重泥沙颗粒单位体积的重量（无空隙）常用符号s。,工程单位吨力/米3或公斤力/米3（国际单位：牛顿/米3）。,根据资料，天然河流中泥沙容重变化范围一般均在2.552.75吨力/米3之间，实际工作中常用其平均值s=2.65吨力/米3。,分析计算中常出现,一、泥沙颗粒的容重,a 为无因次数，有效容重系数（有效密度系数），通常取 a=1.65。,二、泥沙的干容重,定义：单位体积
5、的沙样干燥后泥沙的重量叫“干容重”，用c表示，一般c s。,获得干容重的方法：取原状沙样量出它的体积（含有孔隙、水、空气等），然后放进烘箱里烘干，称出它的重量，求出重量与原状沙样体积的比值，这样得到泥沙的干容重。,工程单位仍是吨力/米3或公斤力/米3，所不同是，干容重的变化范围较大，其数值在0.31.7吨力/米3之间。,影响的主要因素是：泥沙颗粒的大小、组成的均匀程度、淤积的深度、淤积的历时等。此外，泥沙的化学成分、淤积环境、水文条件等。,二、泥沙的干容重,泥沙粒径较粗的泥沙干容重大，变化 范围小；反之，粒径较细的泥沙干容重小，变化范围大。主要是孔隙率的影响。,二、泥沙的干容重,泥沙淤积深度愈
6、深，其干容重愈大，变 化范围愈小；反之，淤积深度愈浅，其干容重愈小，且变化幅度愈大。主要是受压影响。,干容重随淤积历时的增加而趋向于一个稳定值。,三、泥沙的水下休止角,定义：泥沙在水中，由于颗粒之间的阻力作用，在静止时自成一定的坡面，坡面与水平面所成的角度叫做“水下休止角”。,f0=tg，f0 称休止阻力系数。,f 0对于散颗粒一般随粒径的减小而减小，如砾石f0=0.6；沙f0=0.5；粉沙f0=0.3。空隙率 0.7时，就近于浑水f0 0。,上一页,基本概念 绕流阻力 沉速公式,13 泥沙的水力特性（泥沙的沉速）,一、基本概念,1.沉降速度基本概念,如果取W泥沙颗粒的有效重量；F泥沙颗粒受到
7、的阻力。,写成方程：W=F,定义：泥沙单颗粒在静止的清水中作匀速下沉时的速度，称为泥沙的沉降速度，简称沉速。符号，常用单位cm/s。,一般说来，泥沙的颗粒粗，相应的沉速大，泥沙颗粒细，相应的沉速小，所以可以根据沉速的大小来反映泥沙颗粒的大小，又称沉速为水力粗度。,一、基本概念,用电影摄影机拍摄的泥沙下沉的过程以及从理论分析可知，泥沙下沉时，处于加速运动的时间是很短的。一般石英质泥沙，重率s=2.65吨力/米3,在D=3时，这个时间常不到1/10秒；在D=1时，不到1/20秒。粒径越细，加速过程所经过的时间越短。,一、基本概念,一、基本概念,1.泥沙沉降的不同形式沙粒雷诺数ReD=D/判断三种沉
8、降形式的主要指标三种沉降形式层流区：ReD 1000过渡区：ReD 0.51000,上一页,2.沉速的基本公式,一、基本概念,CD 为阻力系数，与泥沙形状、方位、表面粗糙、水流紊动强度、沙粒雷诺数（ReD=D/）有关。,对于单颗粒球体在无限水体中匀速下沉时，其沉降机理可视为对称绕流运动，其绕流阻力为：,有效重量（力）,一、基本概念,匀速下沉时，阻力F应与球体在水中受到的有效重力W相等。F=W,一、基本概念,D;/s;2/s,这样解出沉速,这是确定沉速的基本公式，这里的难点是CD是一个未知数，所以关键是找出阻力系数CD的规律，且CD ReD有关，ReD=D/。,二、绕流阻力,由于水流跟泥沙颗粒表
9、面之间产生摩擦，要形成阻力这部分阻力称为表面阻力，又称粘滞阻力。,当泥沙颗粒下降时，在尾部会出现一些空隙，由于液体的连续性，周围水体将流过来填补，从而形成小的漩涡，引起副压力，它和泥沙前端的正压力合并起来形成的阻力，称为形状阻力，又称惯性阻力。,归纳起来，泥沙在水中下沉的时候，由于水流跟泥沙颗粒之间发生相互作用所产生的阻力，我们统称为绕流阻力，它由表面阻力和形状阻力两部分组成。,二、绕流阻力,CD 与ReD的关系：根据理论是实验表明，绕流阻力规律主要与绕流流态有关，而流态与沙粒雷诺数有关ReD=D/,二、绕流阻力,上一页,1.当ReD 0.5,二、绕流阻力,泥沙颗粒直线下沉，四周水体紧贴泥沙颗
10、粒，背后不发生分离现象，绕流呈层流状态，此时，绕流阻力主要是表面阻力在1851年G.G.Stokes以粘滞性流体的一般运动方程作基础，忽略因水质点的加速度，从理论上推导出球体在层流区内所受阻力。,F=3D(/m3m2/sm/sm=m/s2),二、绕流阻力,改写,这样,Stokes导出了在层流状态下的绕流阻力系数。,当F=W，Stokes导出球体层流区公式，Stokes公式。,二、绕流阻力,长期以来，有些人认为泥沙形状不是球体，而是近似于椭球体，所以阻力系数应大些，建议乘以4/3，这样就得到,2.当ReD 1000时,二、绕流阻力,泥沙颗粒呈盘旋下沉，周围水体发生强烈的扰动，颗粒背后有明显的分离
11、现象，绕流呈紊流状态，此时绕流阻力主要是形状阻力。根据实验，这时的绕流阻力系数CD接近一个常数0.45。,在球体情况下，CD 0.45,二、绕流阻力,对于天然泥沙,CD=1.2（由于形状不规则，阻力系数大一些）,对于球体,对于泥沙,3.当0.5 ReD 1000,二、绕流阻力,泥沙颗粒呈摆动下沉，这时绕流属过渡状态，其绕流阻力既有表面阻力，又有形状阻力，关系比较复杂。1910年，奥辛部分地考虑了惯性项（忽略高阶无穷小）求出比较精确的计算公式,这就是过渡状态的绕流阻力系数，这一结果与实验资料不太符合，且随着雷诺数增大，偏差也大。,二、绕流阻力,对于层流区，紊流区的绕流阻力问题，结果都比较可靠，基
12、本上得到了满意的解答，但对于过渡区的绕流阻力问题，在目前来讲仍处于一个不很清楚的问题。因此，在计算沉速时，就不得不借助于实验来求沉速的公式。先用实验资料来确定ReD与CD的关系，再计算沉速。,二、绕流阻力,二、绕流阻力,很多方法都是从球体出发，但天然泥沙并非球体，它在下沉时受到的阻力比球体大，其阻力系数通常根据实验确定，关于泥沙的沉速，中外学者提出不少。基本原理、基本方法大同小异所得公式结构相近过渡区复杂，各家公式百花齐放,岗恰洛夫公式,三、沉速公式,层流区(D 0.15)：,紊流区(D 1.5)：,三、沉速公式,过渡区(0.15 D 1.5)：考虑层流区和紊流区沉速公式的结构形式，认为在过渡
13、区来说，几个主要变量的次方，应该介于层流区与紊流区之间。考虑量纲法则得到过渡区沉速公式,三、沉速公式,反映粒径和温度变化改变粘滞性影响的一个附加因素。,沙玉清公式,三、沉速公式,层流区(D 0.1)：,紊流区(D 2)：,三、沉速公式,过渡区(0.1 D 2)：引进两个无因次判数，一个名为沉速判数Sa，是沙粒雷诺数D/及阻力系数CD的函数。,三、沉速公式,另一个名为粒径判数，是沙粒雷诺数与沉速判数的函数。,三、沉速公式,张瑞瑾公式,三、沉速公式,泥沙下沉时的有效重力,K1为泥沙体积系数,泥沙下沉时颗粒所受阻力,K2和K3都是无因次系数,由W=F 得到,三、沉速公式,并通过大量的泥沙实测资料得出
14、:C1=13.95,C2=1.09,则,三、沉速公式,此公式可满足层流区、紊流区和过渡区的要求。,层流区,紊流区,窦国仁公式,三、沉速公式,既然在过渡区，绕流阻力有表面阻力和形状阻力两部分组成，所以过渡区总阻力F总=F表+F形。,绕流属层流状态时，因为泥沙颗粒背后不发生分离现象，在泥沙的表面全部处于滞性状态，泥沙所受的阻力是F表。当进入过渡状态时，泥沙表面一部分面积仍然受到表面阻力F表，而剩下的那一部分的面积由于水流的分离现象，产生了形状阻力。根据实验观察，这个分离区域的大小，可以用分离角来表示。所以F表、F形有关。,三、沉速公式,三 沉速公式,上一页,雷诺数ReD 表示惯性力与粘滞阻力的对比
15、关系，而过渡区绕流阻力的变化过程正是粘滞阻力和惯性阻力的互相消长过程，因此这个分离角应该与雷诺数有关=f(ReD)。,三、沉速公式,随着ReD的增大而增大，但增长率随ReD的增大而减小。用微分方程表示即,三、沉速公式,（A比例系数常数）,积分后,（C积分常数）,=lg4 ReD,当ReD0.25时，泥沙周围没有分离现象，这时=0，绕流呈层流状态。,三、沉速公式,当ReD350时，泥沙周围布满着涡体，此时=，绕流呈紊流状态。,把这两个边界条件代入得到：C=0.25；A=0.434。,（以弧度计）,这就是过渡状态分离角随ReD的变化规律。,三、沉速公式,适用条件：ReD=0.25350;=0。,当
16、T=15，相应泥沙直径D=0.22.0。但规定ReD 350，取=。,建立F表、F形之间的关系,三、沉速公式,表面阻力,K颗粒形状的修正系数。球体K=1；泥沙K=4/3。关于泥沙表面受粘滞阻力作用的修正系数，实际上是分离区外的球冠面积与整个球面积的比值。,（可见当=0，1=1，层流；=，1=0，紊流）,三、沉速公式,0,形状阻力,三、沉速公式,完全紊流CD=1.2,2关于泥沙受形状阻力作用的修正系数。,过渡状态时，形状阻力应相应减小，减小后的紊流阻力仍遵循牛顿阻力定律：,（A分离角范围内球冠的水平投影面积）,据圆,三、沉速公式,修正系数,这样总阻力：,三、沉速公式,F总=F表+F形,过渡区阻力
17、系数,三、沉速公式,泥沙在水中的有效重力,令W=F总，解出：,三、沉速公式,资料范围：ReD=0.25350,当T=15时，D=0.22.0。,如果根据上述，当ReD 350，取=。,三、沉速公式,这公式实际上适用整个层流、过渡和紊流三种流态，是一个带普遍性的公式。,公式的应用，由于等式右边分母中ReD含有，所以必须试算。,方法：假定，算ReD和，代入公式中计算，检验与假设是否相符，如相符则计算成立，否则重新计算。,边界条件对沉速的影响 含沙浓度对沉速的影响 动水对沉速的影响 絮凝对沉速的影响,14 影响沉降速度的因素,在沉速公式中，推导时一般都假定水体范围为无穷大，不考虑边界条件的影响。这在
18、实际工作中是不可能的，特别是在试验室研究沉速规律时，所采用的仪器尺寸都比较小，有必要考虑边界条件的影响问题，一般有四种。,一、边界条件对沉速的影响,a)泥沙颗粒在圆柱形的量筒中下沉,一、边界条件对沉速的影响,认为在圆柱形边界的存在将使球体沉速减小。,0标准沉速（无限水体中）受边界条件影响下的沉速D0 量筒直径,b)圆球靠近一垂直边壁下沉S 至边壁的距离,一、边界条件对沉速的影响,c)圆球在两个垂直边壁之间下沉,一、边界条件对沉速的影响,中央位置下沉,靠近一边L/4处下沉,d)圆球下沉时接近水平底面S 至底边的距离,一、边界条件对沉速的影响,四种情况以a)、b)、d)三种情况边界影响为最大，c)
19、种情况边界影响较小（系数比较）但总的情况都使沉速减小。,一、边界条件对沉速的影响,实际工作中，在层流沉降范围，只要离容器或水体边壁的距离大于23，就可以不考虑边壁的影响。,如果水流中同时存在许多的泥沙颗粒，则对于任何一颗泥沙来讲，其它的沙粒存在都会对它的沉速产生影响，这主要表现在以下三个方面。,二、含沙浓度对沉速的影响,当单颗粒泥沙在下沉时，必然会引起周围水体也发生运动，在同时存在许多颗粒时，由于这些沙粒与液体比较起来是坚实而不易变形的。因此，在它们附近的水流就会受到阻尼而不能自由运动，这样就等于增加了液体的粘滞性，从而使泥沙的沉速降低。,二、含沙浓度对沉速的影响,泥沙在沉降的过程中同时也带动
20、了周围的水体、液体也伴随着向下运动。如果液体延伸到较远（不受边界影响）则任何一颗泥沙都会因其它沙粒的运动而增加下沉速度。另一方面，如液体受到边界约束，根据水流的连续定律，一部分水流的下降必然会同时引起相同体积的水流上升。此时，在沙粒附近的水流运动方向向下，而在远离沙粒的地方水流运动方向向上。这样根据不同泥沙的相对位置，它们的沉降速度就有一部分因此而加快，也有一部分会因此而减慢。,二、含沙浓度对沉速的影响,含沙量的存在将使得浑水的比重较清水的加大，从而使液体中的每一颗泥沙所受到的浮力加大，进而影响到泥沙的沉速。,二、含沙浓度对沉速的影响,由于含沙量影响沉速的问题比较复杂，含沙量的高低对沉速的影响
21、又有所不同。,二、含沙浓度对沉速的影响,(A)低含沙量浓度时对均匀沙沉速的影响(B)高含沙量浓度时对均匀沙沉速的影响(C)混合沙的沉降规律,具体表现为：,三、动水对沉速的影响,由于水流脉动，使作用在沙粒上的外力不能经常保持平衡，再加以涡体的旋转作用，颗粒在下沉时不断打转，不能以最稳定的方位下沉，故使泥沙沉速减小。,由于脉动流速的大小和方向都不断因时、因地而改变，使沙粒在沉降中有时受到加速运动，有时受到减速运动。这时，作用在沙粒上的阻力除了水流的正常阻力以外，还要加上因为加（减）速运动而产生的额外阻力，也使泥沙沉速减小。,三、动水对沉速的影响,水流中存在紊动，将使颗粒顶部的分离点位置以及颗粒表面
22、的压力分布发生变化，从而使颗粒所承受的阻力减小或增大。,三、动水对沉速的影响,（一）细颗粒泥沙的絮凝现象,四、絮凝对沉速的影响,泥沙颗粒越细，单位体积的泥沙颗粒所具有的表面面积（比表面积）越大。这时在颗粒表面的物理、化学作用也就越显著，使得细颗粒之间相互吸引，形成絮团下沉。当泥沙颗粒越细时，它的重力作用就愈越弱，而颗粒之间的相互作用则愈强烈重要。,四、絮凝对沉速的影响,双电层现象（电解质）水中存在电解质泥沙颗粒表面带负电荷静电引力吸附层+扩散层（热运动扩散）表面离子层+（吸附层+扩散层）双电层双电层外为中性水,四、絮凝对沉速的影响,束缚水（水分子）泥沙颗粒表面带负电荷，泥沙颗粒引力水分子具有极
23、性氢氧原子分端分布形成束缚水粘结水+粘滞水（厚0.1-2m）粘结水：引力大（1万个大气压），密度高（1.2-2.4g/），如混凝土，不能传递静水压力粘滞水：密度高（1.3-1.7g/），具较大粘滞性和抗剪强度，不能传递静水压力,四、絮凝对沉速的影响,产生絮凝现象泥沙颗粒间分子引力相互吸引颗粒表面带同号电荷相互排斥分散的泥沙颗粒相互吸引，聚合成结构松散的絮团,相邻颗粒在一定条件下结合成集合体的现象叫做“絮凝”现象。,四、絮凝对沉速的影响,泥沙颗粒絮凝后，形成较大的团粒（空隙大、水份多），称为“絮团”。在一般情况下，它会因重力作用而加大沉速，但当含沙量增大到超过某一程度，絮团在整个容器内形成联结的
24、蜂窝结构，沉降的趋势反而受阻碍，使沉速降低。,（二）产生絮凝现象的泥沙粒径范围,四、絮凝对沉速的影响,颗粒越细，絮凝越强 密尼奥根据长期从事海岸泥沙研究工作的经验，把小于0.03的泥沙统称为淤泥质，认为有明显絮凝。,四、絮凝对沉速的影响,黄委水利所在做静水沉降试验中发现不含0.01以下细颗粒的混合沙，其平均沉速随含沙量变化的规律与均匀沙的规律基本一致，而含有细颗粒成分时则有完全不同的规律，认为0.01作为划分有无絮凝现象的泥沙粒径界限。,四、絮凝对沉速的影响,刘家驹在作海岸淤泥质回淤研究时发现，0.03以下的泥沙淤积情况相差不多，则把0.03作为一个标准来划分淤泥质或絮凝的标准。,四、絮凝对沉
25、速的影响,（三）影响絮团沉速的因素,粒径的影响,密尼奥采用絮凝因素F,其中F50和D50分别为絮团和泥沙基本颗粒的沉速。,泥沙基本颗粒愈粗，则絮凝的作用愈弱，大于0.03的泥沙颗粒其絮凝作用便不显著了。泥沙基本颗粒愈细，其絮凝因素愈大，即所形成的絮团的沉速比基本颗粒的沉速大得越多。因而，絮凝的结果将使得絮团之间的沉速差别远小于泥沙基本颗粒之间沉速的差别，其平均沉速一般在0.150.6/s之间，一般我们取0.00040.0005m/s左右。,四、絮凝对沉速的影响,含盐度的影响,四、絮凝对沉速的影响,在小含盐度范围内，絮团的沉速因含盐度的增加而迅速增大。当含盐度超过某一值以后，含盐度的进一步增大对絮团平均沉速没有很大的影响。含沙量愈大，曲线转折处相应的含盐度愈小。如果浑水的含沙量较高（超过10/m3),则在高含盐度时可能出现絮凝结构，使沉速转而减小。,上一页,水质影响,四、絮凝对沉速的影响,如水中有分散剂，则泥沙不易絮凝，从而使细颗粒泥沙下沉速度极为缓慢。,含沙量的影响,四、絮凝对沉速的影响,絮凝作用和絮团的沉速对含沙量变化反映很敏感，在含有盐分的河水和海水中，絮团沉速随含沙量增大而逐渐加大，直到15/m3左右为最大。含沙量超过15/m3后，沉速随含沙量增大而减小。,四、絮凝对沉速的影响,泥沙颗粒形状、温度的影响,
