河流動力學(xué)2008-C1泥沙特性for教學(xué)樓

1、08.2.27(1周)三08.2.29(1周)五1第一章 泥沙特性u本章內(nèi)容簡介本章內(nèi)容簡介l泥沙的幾何特性l細(xì)顆粒泥沙的物化特性l泥沙的重力特性l泥沙的水力特性l以上各特性的計算方法1.1.01.1 泥沙的幾何特性 u幾何特性：幾何特性：形狀、大小、群體性、第一章 泥沙特性1.1.11.1 泥沙的幾何特性 一、泥沙的粒經(jīng)泥沙顆粒的大小泥沙顆粒的大小通常采樣粒經(jīng)D來表示。第一章 泥沙特性3/16VD3cbaDu等容粒經(jīng)等容粒經(jīng)定義：體積與泥沙顆粒容積相等的球體直徑。公式：常用單位：mmu算術(shù)平均粒經(jīng)算術(shù)平均粒經(jīng)定義：長、中、短軸的算術(shù)平均值。公式：1.1.11.1 泥沙的幾何特性 一、泥沙的粒

2、經(jīng)u幾何平均粒經(jīng)幾何平均粒經(jīng)第一章 泥沙特性6/3D6/abc3/1abcD 定義：長、中、短軸的幾何平均值，相當(dāng)于橢球體的等容粒徑。公式： (橢球體的體積 球體的體積 )u篩分篩分粒經(jīng)粒經(jīng)定義：通過篩分法獲得的粒徑近似值1.1.11.1 泥沙的幾何特性 一、泥沙的粒經(jīng)u泥沙粒經(jīng)分級法泥沙粒經(jīng)分級法第一章 泥沙特性 2D值與粒經(jīng)D的關(guān)系-3-2-101234567D(mm) 8.00 4.002.001.000.500.25 0.125 0.063 0.032 0.016 0.008常用：f-分級法，由Krumbein(克倫賓)提出；公式：原因：泥沙粒經(jīng)分布大致呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布的特特性特點(diǎn)：可

3、用小的f值變化表示相當(dāng)大的粒經(jīng)變化范圍1.1.11.1 泥沙的幾何特性 一、泥沙的粒經(jīng)u泥沙分類泥沙分類分類方式：依據(jù)顆粒大小我國水利工程界分類：第一章 泥沙特性泥沙顆粒分類標(biāo)準(zhǔn)(我國水利工程界)粘粒粉沙沙粒礫石卵石漂石粒經(jīng)(mm) 0.005 0.05 2 20 200 | | | | | 1/200 1/20 2 20 200 泥 沙 石1.1.21.1 泥沙的幾何特性 二、沙樣組成與粒配曲線河流泥沙河流泥沙具有群體性，顆粒大小不一，含量多少不等，我們?nèi)绾稳コ浞直硎酒涮匦裕谑翘岢隽肆Ｅ淝€(級配曲線)。第一章 泥沙特性粒配曲線粒配曲線：表示天然沙顆粒組成的曲線。1.1.21.1 泥沙的幾

4、何特性 二、沙樣組成與粒配曲線u粒配曲線的繪制方法和過程粒配曲線的繪制方法和過程第一章 泥沙特性取樣篩分，獲取各粒經(jīng)組 Di 泥沙的重量重量；統(tǒng)計出小于和等于小于和等于各粒經(jīng)Di 的沙重，并算出其占總重的百分比pi；準(zhǔn)備半對數(shù)坐標(biāo)紙(橫坐標(biāo)為對數(shù)分格，縱坐標(biāo)是普通分格)；以粒經(jīng)Di 為橫坐標(biāo)(對數(shù)坐標(biāo)，從大到小從大到小)，小于和等于小于和等于粒經(jīng)Di 的沙重百分比pi 為縱坐標(biāo)(普通坐標(biāo))繪制Dp粒配曲線。實(shí)例實(shí)例 (粒配曲線實(shí)例隨PPt.xls)1.1.21.1 泥沙的幾何特性 二、沙樣組成與粒配曲線u粒配曲線反映的特性粒配曲線反映的特性可反映沙樣 顆粒的大小 和范圍；可反映沙樣 組成的均勻

5、 程度。第一章 泥沙特性a、b組成較均勻，變化范圍窄，但a 較粗，b較細(xì)。c組成不均勻，變化范圍大，各組粒經(jīng)含量接近。d組成很均勻，變化范圍小。1.1.21.1 泥沙的幾何特性 二、沙樣組成與粒配曲線u粒配曲線反映的定量特征值粒配曲線反映的定量特征值第一章 泥沙特性niiniiimmPPDD119 .151 .84lnDD中值粒徑中值粒徑D50：表示大于和小于該粒徑的泥沙重量各占一半(圖)。平均粒徑平均粒徑Dm：按粒經(jīng)組所占重量百分比的加權(quán)平均值粒徑(例) 。2.25end均方差均方差 ：表示泥沙組成的非均勻程度,0均勻，越大越不均勻 。1.1.21.1 泥沙的幾何特性 二、沙樣組成與粒配曲線

6、u粒配曲線反映的定量特征值粒配曲線反映的定量特征值第一章 泥沙特性25750DDS 2exp250DDm均勻沙 =0，DmD50；非均勻沙 0，DmD50 。9 .151 .84lnDD分選系數(shù)分選系數(shù)(非均勻系數(shù)非均勻系數(shù))S0：仍表示泥沙組成的非均勻程度，1均勻，越大越不均勻 。Dm與與 D50的關(guān)系的關(guān)系：1.1.31.1 泥沙的幾何特性 三、泥沙的孔隙率u孔隙率與孔隙比孔隙率與孔隙比第一章 泥沙特性孔隙率孔隙率n：沙樣中孔隙的體積與沙樣總體積之比。 n=V孔隙/V總 。孔隙比孔隙比e：沙樣中孔隙的體積與沙樣顆粒體積之比。 e=V孔隙/(V總- V孔隙)1.1.31.1 泥沙的幾何特性

7、三、泥沙的孔隙率u天然沙孔隙率的一般規(guī)律天然沙孔隙率的一般規(guī)律第一章 泥沙特性沙樣越粗，孔隙率越??； 粗砂：3940；中沙：4148；細(xì)沙：44-49；粘土絮凝后可達(dá)90均勻沙的孔隙率最大；形狀圓滑的、棱角不分明的沙樣孔隙率較小；沉積時間越長，孔隙率越小。1.1.41.1 泥沙的幾何特性 四、泥沙的比表面積u比表面積的定義比表面積的定義第一章 泥沙特性DDDe66/32泥沙顆粒的表面積與其體積之比。u比表面積的意義比表面積的意義顆粒越小，比表面積越大；反映泥沙顆粒的物化作用與重力作用物化作用與重力作用的相對大小，其值 越大，物化作用就越大。1.2.11.2 細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性 一、電化學(xué)

8、性質(zhì)u顆粒吸附結(jié)構(gòu)顆粒吸附結(jié)構(gòu)第一章 泥沙特性細(xì)顆粒泥沙在含有電解質(zhì)的水中，細(xì)顆粒泥沙在含有電解質(zhì)的水中，周圍會形成雙電層周圍會形成雙電層。 吸附層吸附層：細(xì)顆粒主要成分為粘土礦物，其表面常帶有負(fù)離子，吸引不純凈水中的正離子，這種牢固吸附在顆粒表面周圍的反離子層，稱為。 擴(kuò)散層擴(kuò)散層：吸附層離子電荷不足以平衡顆粒表面的全部電荷，因此在吸附層外還有一層反離子層，即。 雙電層雙電層：吸附層擴(kuò)散層。1.2.11.2 細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性 一、電化學(xué)性質(zhì)u顆粒吸附結(jié)構(gòu)顆粒吸附結(jié)構(gòu)第一章 泥沙特性粘結(jié)水粘結(jié)水的引力可達(dá)到1萬個大氣壓，密度可達(dá)1.22.4g/cm3，平均2.0 g/cm3。粘滯水粘滯

9、水的密度可達(dá)1.31.7/cm3。束縛水束縛水的厚度一般0.1mm，最厚可達(dá)2mm。 粘結(jié)水粘結(jié)水：水分子具有極性，因靜電引力作用，吸附層內(nèi)水分子失去自由活動的能力而整齊、緊密地排列在一起，這層水稱為。 粘滯水粘滯水：擴(kuò)散層內(nèi)的水分子所受引力較小，水分子排列較稀松，僅有輕微的定向，這層水叫。 束縛水束縛水：粘結(jié)水粘滯水。細(xì)顆粒泥沙表面負(fù)電荷吸引水分細(xì)顆粒泥沙表面負(fù)電荷吸引水分子，周圍會形成束縛水子，周圍會形成束縛水。1.2.11.2 細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性 一、電化學(xué)性質(zhì)u絮團(tuán)、絮凝絮團(tuán)、絮凝第一章 泥沙特性顆粒間受力顆粒間受力：均帶負(fù)電荷相斥；分子引力相吸。一般情況：擴(kuò)散層薄，粒間力凈引力

10、；擴(kuò)散層厚，粒間力凈斥力。兩粘土顆粒相互接近時，會形成兩粘土顆粒相互接近時，會形成公共公共的雙電層的雙電層。絮團(tuán)絮團(tuán)：分散細(xì)顆粒相互吸引，聚合成結(jié)構(gòu)松散、類似棉花團(tuán)的較大團(tuán)?；驁F(tuán)塊，稱為。絮凝絮凝：細(xì)顆粒泥沙在一定條件下彼此聚合的過程(絮團(tuán)的形成過程)，叫。1.2.21.2 細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性 二、絮團(tuán)的壓密特性第一章 泥沙特性1.3.11.3 泥沙的重力特性 一、泥沙的容重和密度u密度密度：單位密實(shí)體積的質(zhì)質(zhì)量 rs= 2.552.75t/m3,平均2.65t/m3u容重容重：單位密實(shí)體積的重重量 gs= rs g 平均2.65*9.8=26kN/m3u有效容重有效容重(密度密度)系數(shù)

11、系數(shù)：水下相對有效重量(質(zhì)質(zhì)量)第一章 泥沙特性1.65 , 泥沙常取rrrgggssa1.3.21.3 泥沙的重力特性 二、泥沙的干容重和干密度u概念概念第一章 泥沙特性)1 ()1 (nnssssgggg干容重干容重：單位松散體積的重重量， gs 2.9416.66kN/m3干密度干密度：單位松散體積的質(zhì)質(zhì)量，rs 0.31.7t/m3u干容重與孔隙率干容重與孔隙率n的關(guān)系的關(guān)系u影響干容重的主要因素影響干容重的主要因素：泥沙顆粒大小的影響泥沙顆粒大小的影響：顆粒越大， gs越大，變化范圍??； 顆粒越小， gs越小，變化范圍大。 如：D0.04mm， gs 0.551.25t/m3 D0.

12、2mm， gs 1.41.7 t/ m3)mm0 . 1(095. 0exp472. 089. 1)mm0 . 1(441. 11131DDDDDDDsg1.3.21.3 泥沙的重力特性 二、泥沙的干容重和干密度u影響干容重的主要因素影響干容重的主要因素：泥沙淤積厚度的影響泥沙淤積厚度的影響：淤積越厚， gs越大，變化范圍越??； 淤積越淺， gs越小，變化范圍越大。第一章 泥沙特性TKssTlg0gg 如：官廳水庫淤厚10m處，gs 1.471.55 t/ m3 1m處，gs 0.731.30 t/ m3泥沙淤積歷時的影響泥沙淤積歷時的影響：沉積越短， gs越??； 沉積越長， gs越大，然后趨

13、于穩(wěn)定值； 大顆粒穩(wěn)定歷時短，細(xì)顆粒穩(wěn)定歷時長。泥沙組成的影響泥沙組成的影響：組成越均勻，孔隙率越大， gs越??； 組成越不均勻，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u概念概念第一章 泥沙特性D27. 15 .32水下休止角水下休止角：泥沙在靜水下自然堆積的坡面傾角， ，ftg u水下休止角水下休止角與粒徑與粒徑D的關(guān)系的關(guān)系天津大學(xué)研究，()與D(mm)有如下關(guān)系(圖)： u水下休止角的其它影響因素水下休止角的其它影響因素：泥沙的粒配泥沙顆粒的形狀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沉速，用于懸沙輸移理論、沉沙池

14、設(shè)計等。第一章 泥沙特性dRedu沉降的過程沉降的過程 gsg ，初始，重力阻力，加速下沉；沉速增加阻力逐漸增大，而重力恒定，加速度減小；最后，重力阻力，加速度0，泥沙勻速下沉，沉速趨于穩(wěn)定。u沉速的定義沉速的定義單顆粒泥沙在靜止的無限大的清水水體中勻速下沉的速度，cm/su沙粒雷諾數(shù)沙粒雷諾數(shù)定義定義： 反映泥沙沉降形式的無量剛參數(shù)物理意義物理意義：沙粒慣性力與水流粘滯力的對比 。1.4.11.4 泥沙的水力特性 一、泥沙沉降的不同形式u沉降的形式沉降的形式第一章 泥沙特性層流狀態(tài)下降層流狀態(tài)下降Red1000, 左搖右擺下沉，顆粒本身也轉(zhuǎn)動，周圍水體也紊動。過渡狀態(tài)下降過渡狀態(tài)下降 Red

15、=0.51000, 泥沙沉降狀態(tài)處于二者之間。 泥沙沉降形式主要泥沙沉降形式主要與什么參數(shù)有關(guān)？與什么參數(shù)有關(guān)？1.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球體的沉速u繞流阻力計算繞流阻力計算第一章 泥沙特性gDCFD2422g)(edDRfC度、水流紊動強(qiáng)度、形狀、方位、表面粗糙阻力系數(shù)阻力系數(shù)采用對稱繞流阻力公式：1.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球體的沉速u水下重力計算水下重力計算第一章 泥沙特性36DWsgggDCDgDCWFsDsDgggggg34624322沉速的計算演變?yōu)槌了俚挠嬎阊葑優(yōu)镃D的計算！的計算！u沉速計算沉速計算1.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球體的沉速uCD和不

16、同形式的沉速計算和不同形式的沉速計算已有的研究成果(圖1-6)：第一章 泥沙特性1.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球體的沉速u實(shí)例計算實(shí)例計算1第一章 泥沙特性1.4.21.4 泥沙的水力特性 二、球體的沉速u實(shí)例計算實(shí)例計算2 (Fig)第一章 泥沙特性1.4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速泥沙泥沙并非球體，沉速沉速應(yīng)有所不同，目前存在多家公式。第一章 泥沙特性1.4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速第一章 泥沙特性(D 8 ( 計算過程： D j Sa 式(1.31) 式(1.32) 式(1.30) 1.4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速第一章 泥沙特性1.

17、4.31.4 泥沙的水力特性 三、泥沙的沉速第一章 泥沙特性1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素前述理想沉速：前述理想沉速：第一章 泥沙特性單顆粒、靜水、均勻、無限體、清水等，自然界不存在。實(shí)際河流情況：實(shí)際河流情況：群體、動水、非勻速、有界、渾水、含雜質(zhì)、紊動等。因此需要一定修正。因此需要一定修正。目前有一定研究成果，主要研究目前有一定研究成果，主要研究形狀形狀、水質(zhì)水質(zhì)、含水含水量量對沉速的影響，但不很成熟。對沉速的影響，但不很成熟。1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素u泥沙顆粒形狀對沉速的影響泥沙顆粒形狀對沉速的影響第一章 泥沙特性gDabcabc

18、CsDggg3/23/472. 145. 0紊流區(qū)對于球體：對于球體：a=b=c, CD=0.45,與前面一樣；與前面一樣；對于偏平體：越偏平，沉速越小。對于偏平體：越偏平，沉速越小。請問：什么形狀的泥沙顆粒沉速最大？請問：什么形狀的泥沙顆粒沉速最大？泥沙難以量測形狀，但礫、卵、塊石等存在a、b、c三軸；方位不同，下沉受阻面積及阻力不一樣，自然不一樣；但通常會自動調(diào)整到與短軸c方向一致，即阻力最大的方向；目前有研究成果：1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素u水質(zhì)對沉速的影響水質(zhì)對沉速的影響第一章 泥沙特性水質(zhì)對沉速的影響主要體現(xiàn)在D0.03mm的細(xì)顆粒泥沙；水中雜質(zhì)易使細(xì)顆

19、粒形成絮團(tuán)而成為大顆粒，沉速加大；在含鹽度10時，含鹽度越大，沉速越大。1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素u含沙量對沉速的影響含沙量對沉速的影響第一章 泥沙特性nVS-1sVS55. 61s粗顆粒粗顆粒：泥沙存在水流粘性增大沉速減小； 附近其它泥沙下沉本水體上升沉速減??； 含沙濃度增大水體比重增大浮力增大沉速減小。 錢寧研究： Batchelor研究：細(xì)顆粒細(xì)顆粒：因與其附近細(xì)顆粒泥沙產(chǎn)生絮凝而使沉速增大，但僅限制在含沙量15kg/m3。1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素u邊界對沉速的影響邊界對沉速的影響近壁沉速遠(yuǎn)壁沉速；近底沉速遠(yuǎn)底沉速；D/B越小，沉速越大有界沉速無界沉速第一章 泥沙特性1.4.41.4 泥沙的水力特性 四、影響沉速的其它因素u紊動對沉速的影響紊動對沉速的影響第一章 泥沙特性影響原因影響原因 紊