泥沙顆粒基本性質(zhì)

泥沙顆?；拘再|(zhì)演示文稿當(dāng)前1頁，總共70頁。1、河道水流的二相性：液相-水（連續(xù)介質(zhì)）和固相-沙（非連續(xù)介質(zhì)的顆粒群體）。兩相流理論。2、河道水流的三維性：河道斷面不規(guī)則，順直段很短，寬深比小，尤其是山區(qū)河流。3、河道水流的非恒定性：來水來沙隨時間變化；河床處于不斷的變化中。4、河道水流的非均勻性：5、不平衡輸沙；§1河道水流基本特性當(dāng)前2頁，總共70頁。當(dāng)前3頁，總共70頁?！?巖石風(fēng)化一、風(fēng)化作用(weathering)：巖石和礦物在地表環(huán)境中，受物理、化學(xué)和生物作用，發(fā)生體積破壞和化學(xué)成分變化的過程。1、物理風(fēng)化(physicalweathering)：指巖石在外力影響下，機械地分裂成碎屑，只改變其大小與外形，而不改變成分的過程。(1)溫度作用（熱脹冷縮）引起巖石內(nèi)外脹縮不一致，巖石是熱不良導(dǎo)體。(2)結(jié)冰作用（冰劈作用）(3)風(fēng)和水的磨蝕作用風(fēng)沙磨蝕巖石，使之表面裸露，加速物理風(fēng)化。發(fā)生在風(fēng)化初期。當(dāng)前4頁，總共70頁。2.化學(xué)風(fēng)化(chemicalweathering)指巖石在外界條件的影響下，引起化學(xué)成分的改變，產(chǎn)生新的物質(zhì)的過程。（1）溶解作用(solution)水是一種極性溶劑，巖石中的礦物都是無機鹽，雖然占絕大部分的硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物溶解度很小，但很長的地質(zhì)年代中，水溶解的規(guī)模是相當(dāng)大的，況且地表的水常常溶有CO2、NO2以及有機酸等，這樣大大提高了水的溶解能力。風(fēng)化作用（2）水化作用(hydration)

指無水礦物與水結(jié)合成為含水礦物的作用。

CaSO4＋2H2OCaSO4.2H2O2Fe2O3＋3H2O2Fe2O3.nH2O

赤鐵礦褐鐵礦當(dāng)前5頁，總共70頁。（３）水解(hyrolysis)和碳酸化作用水解2KAlSi3O8＋3H2OAl2Si2O5(OH)＋4SiO2＋2KOH

鉀長石高嶺石碳酸化水解作用2KAlSi3O8＋CO2＋2H2OAlSi2O5(OH)＋4SiO2＋K2CO3

CO2溶于水時，對碳酸鹽的溶解力，較純水增強幾十倍。水解和碳酸化作用的實質(zhì)，礦物中的鹽基離子被氫離子取代。風(fēng)化作用當(dāng)前6頁，總共70頁。（４）氧化作用(oxidation)：空氣中的氧在有水的條件下，氧化能力很強。2FeS2＋2H2O＋7O2FeSO4＋2H2SO4濕潤的條件下含鐵、硫的礦物（含變價元素）普遍地進(jìn)行著氧化過程。深色礦物（因含二價鐵）容易風(fēng)化。風(fēng)化作用當(dāng)前7頁，總共70頁。3.生物風(fēng)化(biologicalweathering指巖石中的礦物在生物及其分泌物或有機質(zhì)分解產(chǎn)物的作用下，進(jìn)行的機械性破碎和化學(xué)分解過程。生物風(fēng)化的作用因素是生物及其代謝物發(fā)生的風(fēng)化是物理和化學(xué)風(fēng)化并存。微生物、植物根系、動物等，在巖石風(fēng)化初期主要是低等生物如細(xì)菌、真菌、

地衣等。根劈作用(rootwedging)當(dāng)前8頁，總共70頁。風(fēng)化作用階段1)碎屑?xì)埛e：物理風(fēng)化為主，化學(xué)成分基本不變。2）鈣質(zhì)殘積類型：因為巖石礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的易溶性鉀、鈉、鈣、鎂的氯化物和硫酸鹽，受流水作用逐漸淋溶流失，而碳酸鈣相對積累。3）硅鋁化類型：巖石中的礦物受長期風(fēng)化，可溶性氯化物及硫酸鹽遭到強烈淋失，甚至溶解度較小的碳酸鈣也被淋溶，而鋁、鐵、硅等元素尚有殘留。如高嶺土4）鐵鋁化類型硅酸鹽礦物全部分解，轉(zhuǎn)變?yōu)橐源紊F、鋁礦物和高嶺石粘土礦物為主。如紅土土壤殘積層基巖風(fēng)化殼當(dāng)前9頁，總共70頁。二、黃土成因(researchofloessgenesis)及黃土演變黃土（loess)為干寒氣候環(huán)境的產(chǎn)物，是一種“母巖”而并不是真正的“土壤”。黃土物質(zhì)來源：不是主要來自于沙漠環(huán)境，而是來源青藏高原第四紀(jì)冰川和冰緣作用區(qū)。

黃土成因有不同的假說:(1)

黃土風(fēng)成說:是李?；舴遥╒onRichthofen(1882年））和奧勃魯契夫在19世紀(jì)末葉提出的“低空理論”（subaerialtheory)，即“風(fēng)成說”，認(rèn)為黃土分布在干早沙漠區(qū)的外圍，是盛行的西北風(fēng)或北風(fēng)刮起地面的粉塵，并將它們搬出沙漠地帶沉積下來，天長日久形成厚層的黃土。風(fēng)成說依據(jù)：（1）礦物成分粉粒為主符合風(fēng)力搬運特點；（2）結(jié)構(gòu)特點：土質(zhì)疏松，大孔隙，濕陷性當(dāng)前10頁，總共70頁。二、黃土成因(2)殘積說：認(rèn)為黃土是在干燥氣候條件下，由下伏基巖經(jīng)風(fēng)化殘積作用形成的，黃土的許多性質(zhì)與風(fēng)化殼的黃土化作用有關(guān)。(3)黃土多成因說:認(rèn)為黃土是由多種地質(zhì)作用，如沖積作用、洪積作用、坡積作用、風(fēng)積作用和冰川作用等，在相似的氣候條件下逐漸堆積而成的，其物質(zhì)來源主要是區(qū)內(nèi)或鄰近地區(qū)的早期堆積物和基巖風(fēng)化碎屑物。(4)洪積說：

李明光多次赴黃土高原、青藏高原、西北等地考察。認(rèn)為歐亞板塊和印度板塊相碰撞，釋放出巨大能量，產(chǎn)生多次災(zāi)變性洪水，洪水從西北向東南方向漫滋，帶來大量黃土物質(zhì)，形成巨厚的黃土沉積并抬升，由于氣候干燥黃土得以保存。當(dāng)前11頁，總共70頁。黃土特性：（1）礦物成分：主要以石英、長石等穩(wěn)定礦物，粒度組分以粉粒為主。同層位的黃土連續(xù)分布在不同高度的坡地、高原、平川等地貌單元上，符合風(fēng)力搬運特點。（2）結(jié)構(gòu)特點：土質(zhì)疏松、多大孔隙、具濕陷等特性。多為塊狀結(jié)構(gòu)，無節(jié)理。當(dāng)前12頁，總共70頁。三、土壤土壤是以風(fēng)化產(chǎn)物和松散堆積物為母質(zhì)，經(jīng)生物和化學(xué)作用為主的成土改造作用，具有植物生長所需的有機質(zhì)（腐殖層）和無機質(zhì)（N、P、K）、微量元素和水分與孔隙。土壤呈灰色、灰黑色，厚度0.5m～2.5m。（一）、土壤的結(jié)構(gòu)：土壤剖面成層：表層為腐殖層A層，團(tuán)粒，孔隙；中間是淋溶層 B層，礦物、有機質(zhì)淋溶；底層是沉淀層C層。當(dāng)前13頁，總共70頁。（二）、土壤的可蝕性或抗侵蝕性國外：土壤的可蝕性分為可分離性（detachability)和可搬運性（transportability)。國內(nèi)常用抗侵蝕性：分為抗沖性和抗蝕性。土壤的抗蝕性系指土壤風(fēng)、水對土壤的機械破壞?？刮g性抵抗水對土粒的分散和徑流懸浮的能力。土壤的抗蝕性常用分散率，侵蝕率和分散系數(shù)表示。土壤的抗蝕能力和土壤機械組成、化學(xué)特性、土壤被復(fù)等有關(guān)，經(jīng)研究其與土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系極為密切。土壤結(jié)構(gòu)性愈好，則不是被水浸泡潰解，并能堅強地抵抗雨滴的打擊和徑流的沖刷。這是因為土壤結(jié)構(gòu)最主要的特點是它的穩(wěn)固性，即不易分裂為小團(tuán)聚體和機械元素的能力。不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其浸入水中或遭受雨打水沖時，很快就分裂為各自分開的顆粒，而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在水的作用下比較耐久，完全不被破壞或者僅部分地分裂成為小的團(tuán)聚體。當(dāng)前14頁，總共70頁。（三）

氣候與土壤（主要決定著成土過程中水熱條件）水熱：一方面影響母質(zhì)風(fēng)化過程速度及物質(zhì)的淋溶；

另一方面控制了植物和微生物的生長決定了有機質(zhì)的積累和分解。氣候?qū)ν寥佬再|(zhì)的影響(1)對土壤礦物的風(fēng)化及其組成的影響(2)對土壤有機質(zhì)含量和腐殖質(zhì)組成的影響(3)對土壤膠體性質(zhì)的影響(4)強烈地影響土壤風(fēng)化和淋溶度。當(dāng)前15頁，總共70頁。不同氣候下土壤的形成分析南方濕熱風(fēng)化強烈鹽基淋失多土壤pH低

原生礦物少，且粘土礦物以Ki值較低的高嶺石為主南方濕熱生物生長旺盛微生物活動強烈有機質(zhì)積累少H/F（胡敏酸與富里酸之比）<0.5東北地區(qū)冷濕風(fēng)化不強鹽基淋失少（鹽基飽和）pH高東北地區(qū)冷濕有機質(zhì)分解慢，積累多，但品質(zhì)較差，C/N高H/F低當(dāng)前16頁，總共70頁。（四）土壤類型：決定于氣候和植被當(dāng)前17頁，總共70頁。五：泥沙資源傳統(tǒng)的觀點是認(rèn)為泥沙是有害的；泥沙遷移造就了廣袤富庶的大平原。長江三角洲、珠江三角洲；河道有序采砂；采砂量多大合適？三峽引航道年淤積砂量200萬～1000萬方，如何利用該泥沙資源；高含沙水流輸送、流化床充分燃燒；黃河下游泥沙淤背工程；黃河口泥沙淤積使海上采油變?yōu)殛懮祥_采。當(dāng)前18頁，總共70頁。§3顆粒的個體特性一、泥沙顆粒的大小——粒徑1、等容粒徑（nominaldiameter)：體積相當(dāng)?shù)那蝮w直徑。適用于卵石以上的較大顆粒2、平均粒徑：粗顆粒3、篩分粒徑(seivediameter)：停留在D1，通過D2的平均粒徑。相當(dāng)于等容粒徑適用于礫石、沙粒當(dāng)前19頁，總共70頁。4、沉降粒徑(falldiameter)：粒徑小于0.1mm。<0.1mm的細(xì)沙適用于粉沙、粘土.如：比重計法、粒徑計法、吸管法等。泥沙顆粒分類：方法很多，結(jié)果有差別。粒徑小于0.1mm顆粒的分析方法比較復(fù)雜，原因有（1）細(xì)小顆粒由于鹽類及水化膜中離子作用常常粘聚在一起，形成集合體，使粒徑增大，細(xì)粒減少；（2）不能直接分出所要區(qū)分的粒組，必須經(jīng)過簡單換算。當(dāng)前20頁，總共70頁。當(dāng)前21頁，總共70頁。當(dāng)前22頁，總共70頁。當(dāng)前23頁，總共70頁。

D＝2－φ或當(dāng)前24頁，總共70頁。美國地球物理學(xué)會中國水文漂石boulders≥256mm≥200mm卵石cobbles64~256mm20~200mm礫石gravel2~64mm2~20mm粗沙coarsesand0.5~2.0mm中沙mediumsand0.25~0.5mm0.05~2.0mm細(xì)沙finesand0.062~0.25mm粉沙silt0.004~0.062mm0.005~0.05mm粘土clay≤0.004mm≤0.005mm當(dāng)前25頁，總共70頁。二、顆粒形狀（1）圓度(roundess)。顆粒棱和角的尖銳程度。圓度相等的顆粒，形狀可能不同。如圖。圓度相等，形狀不同。（2）表面結(jié)構(gòu)：顯微鏡下觀測的顆粒表面細(xì)微形狀。當(dāng)前26頁，總共70頁。（3）球度（sphericity)wadell于1932年定義：與顆粒同體積的球體直徑和顆粒外接球直徑之比。Ф=1/a*(6V/3.14)0.333(4)形狀可用形狀系數(shù)SF(shapefactor)表示泥沙顆粒形狀最初取決于巖石母質(zhì)和風(fēng)化作用，隨后在輸運過程中受物理、化學(xué)和生物作用不斷改變形狀，一般是其圓度增加的過程。當(dāng)前27頁，總共70頁。（5）卵石磨損。卵石在運動中經(jīng)常與河床發(fā)生磨檫使卵石的體積、重量和粒徑沿程減小。（6）某種粒徑的“短缺”現(xiàn)象。如瑞士萊茵河河床質(zhì)中，有5～100mm的礫卵石，也有1mm的細(xì)沙，但很少存在1～5mm的顆粒。一種解釋認(rèn)為是巖石崩解作用產(chǎn)生的某一粒徑短缺；另一種認(rèn)為風(fēng)化形成后，在輸運過程中細(xì)化了。當(dāng)前28頁，總共70頁。贛江下游河床質(zhì)鉆孔資料分析結(jié)果：10-20mm粒組缺乏當(dāng)前29頁，總共70頁。四、比表面積1.1（1）定義——泥沙顆粒的表面積與其體積之比。（2）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的相對大小，其值越大，物化作用就越大?！?-3泥沙的幾何特性當(dāng)前30頁，總共70頁。三、顆粒的密度、容重、比重容重：與泥沙的礦物組成決定。一般分為膠體分散礦物、輕礦物和重礦物。當(dāng)前31頁，總共70頁。當(dāng)前32頁，總共70頁。

§4泥沙顆粒群體特性泥沙顆粒群體特性（bulkpropertiesofsediment):包括粒徑分布（sizedistribution)、干容重(specificweight)、水下休止角(angleofrepose)、床面上的顆粒排列。

一、粒徑分布及級配曲線（1）泥沙顆粒的粒徑尺度：自然界中泥沙的粒徑變化很大，從1m的漂石，到0.001mm的粘粒。Krumbein提出Φ值分級尺度。取以2為底的對數(shù)并乘以（-1）。當(dāng)前33頁，總共70頁。當(dāng)前34頁，總共70頁。（2）泥沙顆粒的粒徑分布：粒徑頻率直方圖和粒徑頻率累積曲線。粒徑頻率直方圖粒徑頻率累積曲線當(dāng)前35頁，總共70頁。xea、b組成較均勻，變化范圍窄，但a較粗，b較細(xì)?！?-3泥沙的幾何特性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。當(dāng)前36頁，總共70頁。二、粒徑分布特征值(1)代表粒徑：平均粒徑（meandiamnter):dm（算術(shù)平均），dmg（幾何平均），中值粒徑:d50(median

size）（2）均方差σ和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg揀選系數(shù)φ（3）偏度：偏離對數(shù)正態(tài)分布的程度。（4）峰度：粒徑頻率分布的集中或尖銳程度。

當(dāng)前37頁，總共70頁。三、泥沙集合體的命名對于粒徑組成分不同的混合體，采用沉積巖石中的命名方法，即二元命名和三元命名當(dāng)前38頁，總共70頁。國際制(ISSS)土壤質(zhì)地分類三角圖當(dāng)前39頁，總共70頁。四、泥沙淤積物干容重（1）泥沙淤積物干容重（specificweight)單位體積的淤積物沙樣干燥后的重量,也稱干密度。由于泥沙顆粒存在孔隙，干容重一般小于個體顆粒的容重。在分析河床沖淤變化時，泥沙沖淤的重量必須通過泥沙的干容重?fù)Q算為泥沙沖淤體積。量綱：N/m3

，tf/m3，kgf/m3；影響干容重的主要因素有粒徑組成，淤積歷時，埋藏的深度和環(huán)境等。（2）干容重計算方法當(dāng)前40頁，總共70頁。當(dāng)前41頁，總共70頁。（3）泥沙粒徑對干容重的影響；當(dāng)前42頁，總共70頁。（4）干容重與淤積深度和淤積歷時關(guān)系；當(dāng)前43頁，總共70頁。泥沙的水下休止角在靜水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以堆積成一定角度的穩(wěn)定傾斜面而不致塌落，此傾斜面與水平面的角度為泥沙的水下休止角（angleofrepose)泥沙的水下休止角與粒徑、狀、和表面光滑度、不均勻系數(shù)均有關(guān)系。當(dāng)前44頁，總共70頁。五：常用模型沙的特性（1）常用模型沙及其特性指標(biāo)：顆粒容重（干容重）、粒徑、起動流速、沉速、水下休止角等。當(dāng)前45頁，總共70頁。（2）模型沙的選擇：是泥沙模型試驗研究中的關(guān)鍵技術(shù)。如起動流速比尺大、糙率比尺小的，可選擇容重小的輕質(zhì)沙如木屑。另外能大量制備、通用性強。（3）顆粒容重可調(diào)整的模型沙。BZY材料顆粒、容重可以調(diào)整。(4)模型沙的水下休止角。張幸農(nóng)，唐存本，新型BZY模型沙的研及其特性試驗研究制，泥沙研究，1995（1）。株洲精煤水下休止角中值粒徑（mm)0.020.070.4干沙休止角（°）493745水下休止角（°）383238當(dāng)前46頁，總共70頁。擬焦沙是由清華大學(xué)黃河研究中心同黃河水利科學(xué)研究院聯(lián)合研發(fā)的一種新型模型沙材料,它是根據(jù)模型設(shè)計對容重及級配等方面的要求,采用容重小且熱解效應(yīng)強的焦煤為原料,首先通過水選降低原料灰分,然后脫水并粉碎成顆粒狀,采取特殊工藝將煤粒部分脫去有機物及揮發(fā)分,經(jīng)過脫硫、脫氮和脫灰等工序改變其化學(xué)鍵,進(jìn)一步分選而成的。擬焦沙物理、化學(xué)性能比較穩(wěn)定,容重為1.70~1.90t/m3。任艷粉，姚棣，李遠(yuǎn)發(fā)等，擬焦沙阻力特性及水流挾沙能力試驗研究，人民黃河，2009（11）當(dāng)前47頁，總共70頁。六、細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性泥沙顆粒越細(xì)，顆粒比表面積越大。1、雙電層及吸附水當(dāng)前48頁，總共70頁。2、雙電層中電位：膠粒表面與液體界面上的電位為熱力學(xué)電位Ψ0；擴散層表面與自由溶液之間的電位差，稱為電動電位ζ。影響電動電位及擴散層厚度的因素:礦物成分，電解質(zhì)濃度，溶液的PH值等。當(dāng)前49頁，總共70頁。③、ζ電位的大小(雙電層的厚度)與離子的濃度和價數(shù)的關(guān)系

電解質(zhì)濃度越大或離子價數(shù)越高，擴散層越薄，ζ電勢越小，雙電層的厚度越薄。7當(dāng)前50頁，總共70頁。③、ζ電位的大小(雙電層的厚度)與離子的濃度和價數(shù)的關(guān)系

電解質(zhì)濃度越小或離子價數(shù)越低，擴散層越厚，ζ電勢越大，雙電層的厚度越厚。

7當(dāng)前51頁，總共70頁。3、絮凝與分散(DLVO理論）泥沙顆粒越細(xì)，重力作用越弱，顆粒之間的相互作用則俞來俞重要，存在于顆粒之間的吸附水膜促使它們連接起來，同時也有排斥作用。相鄰顆粒在一定條件下結(jié)合成集合體的作用為“凝聚作用”，擴散層很薄，凝聚作用強，反之如果擴散層很厚，排斥力大于吸附力，顆粒重新分離為“分散作用”。當(dāng)前52頁，總共70頁?！?泥沙顆粒的沉速一、泥沙顆粒沉降沉速概念：單顆粒泥沙在無邊界影響靜止清水中均勻沉降的速度ω（fallvelocity)，由于粒徑越粗，沉速越大，也稱水力粗度。沉降過程分析：實測資料表明，泥沙沉降的運動狀態(tài)與顆粒雷諾數(shù)有關(guān)。當(dāng)前53頁，總共70頁。過渡區(qū)層流時紊流當(dāng)前54頁，總共70頁。二、球體顆粒沉降1)從繞流分析阻力FD：阻力系數(shù)：CD（量綱分析）emprical2)力學(xué)分析層流時，STOKES公式過渡區(qū)紊流oseen當(dāng)前55頁，總共70頁。oseen當(dāng)前56頁，總共70頁。三、天然沙沉降代表性公式（1）張瑞瑾公式思路:從泥沙沉降的過渡區(qū)力學(xué)分析。（2）竇國仁公式思路：從泥沙沉降的過渡區(qū)繞流分離區(qū)分析當(dāng)前57頁，總共70頁。相對而言,單顆泥沙在靜水中的沉降特性已基本明確,而群體顆粒的沉降規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜,對其沉降規(guī)律還認(rèn)識不透。當(dāng)前58頁，總共70頁。當(dāng)前59頁，總共70頁。四、影響沉速的主要因素（一）顆粒形狀的影響，繞流阻力修正系數(shù)K當(dāng)前60頁，總共70頁。（二）含沙濃度的影響1、非均勻粗顆粒泥沙的群體沉速2、粘性細(xì)顆粒泥沙的群體沉速當(dāng)顆粒濃度較低時，絮團(tuán)之間不搭接，單個絮團(tuán)的沉速大于細(xì)顆粒個體沉速，濃度增加，絮團(tuán)搭接聯(lián)成絮網(wǎng)，沉速大幅度下降，整體緩慢下沉。（三）含鹽度影響一方面增加水的容重和粘性，