第2章泥沙的一般特性
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第三章泥沙颗粒基本特性某一河段内水流中的泥沙颗粒既可能直接来自于流域、也可能是从上游河床上冲刷起动而来的。
水体挟带了大量泥沙颗粒后,可能会引起某些物理特性发生变化,如流变性质等。
3.1 风化过程从流域中输运到河流里的泥沙中,既有粗大的卵砾石和沙粒,也有细小的粘土颗粒。
粗泥沙源自岩石和矿物风化而成的碎屑,而地表土的流失是细颗粒的来源。
3.1.1 风化岩石和矿物在地表(或接近地表)环境中,受物理、化学和生物作用,发生体积破坏和化学成分变化的过程,称为风化作用。
风化作用受气候、岩石成分、结构构造、植被、地形和时间等因素影响。
在风化的初期,以物理风化为主。
物理风化作用使岩石在原地发生崩解,形成残留于原地的岩石碎屑,物理风化作用形成的岩石碎屑最小粒径可达0.02mm左右,岩石化学成分基本不变,只能形成少量的蛭石、伊利石、绿泥石等风化程度较低的粘土矿物。
在物理风化作用的基础上,进一步发生化学风化(溶解、水解、碳酸盐化等)。
卤族元素(I,F,Cl ,Br)和氯化物(KCl,NaCl)容易随水流失,而碳酸盐和硫酸盐难于溶解,以含钙矿物(方解石CaCO3,石膏CaSO4)等形式残留在风化层中,使Ca相对富集,故称这一阶段为钙质残留阶段或富钙阶段。
化学风化作用的深入进行将使硅酸盐矿物晶体破坏,铝硅酸盐矿物分解出的另一部分硅和铝在地表结合形成各种粘土矿物,其化学通式为Al2O3·m SiO2·n H2O,依地表水介质环境由弱碱性→酸性的变化,分别形成伊利石(水云母)、蒙脱石(胶岭石)与高岭石等粘土矿物。
通常蒙脱石、高岭石形成于湿润气候条件,而伊利石则是较干冷气候条件的产物。
化学风化作用的最后阶段,硅酸盐全部分解,地表粘土矿物也可分解,可以迁移的元素均已析出。
风化碎屑中主要形成大量铁、铝和SiO2胶体矿物,以水铝石(A12()3·n H2O,铝土矿,或有Fe、Mn混入)、水赤铁矿(Fe2O3·3H2O)、褐铁矿(Fe2O3)、针铁矿等为主。
浅谈河流泥沙及淤积防治措施随着我国水利水电建设事业的蓬勃发展,河流泥沙防治措施越来越多,河工模型设计理论和试验技术均获得了显著的成就,并具有自身特点,现已成为解决各种水利工程问题的一种普遍公认的有效工具,其在河流治理开发与保护中的作用也愈来愈大。
标签:河流泥沙;淤积现象;河工模型一、泥沙及其特性(一)什么是泥沙泥沙是河水挟带的岩土颗粒。
天然河流中常常挟带着大量的泥沙,河流中的泥沙主要是流域表面的土壤受暴雨或融雪冲刷后,汇入河流而形成的。
河槽本身的冲刷,包括河底冲刷和河岸冲刷,也是河流泥沙的一个来源。
此外,风沙的沉积会使河流的含沙量增加,不过这部分泥沙所占的比重很小。
(二)泥沙的特性有泥沙颗粒的特性和泥沙群体的特性两种。
泥沙颗粒的特性主要有:1、重度,单位体积泥沙颗粒的重量,以千克/米3表示,其数值随泥沙的岩性不同而异,矿物成分主要是石英和长石,泥沙的重度一般约2650千克/米3。
2、粒径,泥沙颗粒大小的一种量度,有不同方法表示。
常用的有等容粒径即体积与泥沙颗粒相等的球体的直径;筛径,即用具有不同孔径的标准筛,对泥沙进行分筛求出的粒径;沉降粒径,即根据粒径与沉降速度的关系算出的粒径等。
3、沉速,指泥沙颗粒在无边界静水内的沉降速度,以米/秒或毫米/秒表示。
它也可作为泥沙颗粒大小的一种量度,故又称泥沙的水力粗度。
沉速综合反映颗粒和水的特性,因河流泥沙而是泥沙运动的一个重要参数。
4、细粒泥沙表面的物理化学性质,主要决定于颗粒表面双电层和吸附水膜的性质。
细颗粒泥沙的絮凝和分散等现象都与双电层和吸附水膜的结构有关。
(三)影响河流挟沙的因素影响河流挟沙的因素很多,综合起来有两个:一是气候因素,二是下垫面因素,气候因素中影响最大的是降水。
干旱地区植被较差,土壤含水量不足,使土壤变得松散,很容易被地面径流冲到河中。
降水强度的大小对河流挟沙也有影响。
降水强度大,地面径流增加,侵蚀加剧,使泥沙增多。
下垫面因素,如土壤、植被和地形等的差异,都会影响河流泥沙含量的多少。
(0)河流动力学概念:研究冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后河道水流、泥沙运动规律和河床演变规律及其应用的学科。
主要研究内容: 水流结构:研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;泥沙运动:研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理; 河床演变:研究河流的河床形态、演变规律以及人为干扰引起的再造床过程; 河床变形预测:研究预测水流、泥沙运动及河床冲淤演变的方法.研究方法: 理论分析, 室内试验,现场观测,数值计算(1)河道水流的基本特性:河道水流的二相特性;河道水流的三维性;河道水流的不恒定性;河道水流的不均匀性河道水流的水流结构:主流,副流,环流二维明渠流速的分布规律:1.直线层,也成粘滞底层,切应力只有粘滞切力,流速按直线分布2.过渡层,粘滞切力与紊动切力同时存在,流动是层流和紊流的过渡区,该层没有统一的流速分布公式,近似按直线层或对数层公式计算3.对数层,切应力主要是紊动切应力,流速按对数分布4外层区.在对数层以上到水面的区间,切力主要是紊动力,流速分布常以缺速公式表示,故也称缺速区。
流速分布要受上部边界影响,与边壁糙率也有一定关系。
河道水流阻力分解图:见ppt1 76页明渠二维流的阻力损失表达方式:见ppt1 77页(3)按运动状态分,泥沙的运动形式有:(床沙),推移质、悬移质泥沙交换现象:推移质泥沙运动特点:间歇性、置换性、速度小、跳跃性、数量少、消耗时均能量 悬移质泥沙运动特点:速度大、悬浮性、置换性、数量多、消耗紊动能冲泄质:河流挟带的泥沙中粒径较细的部分,且在河床中数量很少或基本不存在的泥沙。
床沙质:河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分,且在河床中大量存在的泥沙。
两者主要区别:1.前者是非造床质泥沙,后者是造床质。
2.前者粒径较小,后者粒径较大3.前者在水流中的含量不仅取决于水流条件,还与河段上游流域供沙条件有关。
推移质~悬移质与床沙质~冲泄质命名的区别:前者按运动方式分;后者按造床作用、颗粒大小和泥沙来源分。
(0)河流动力学概念:研究冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后河道水流、泥沙运动规律和河床演变规律及其应用的学科。
主要研究内容: 水流结构:研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;泥沙运动:研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理; 河床演变:研究河流的河床形态、演变规律以及人为干扰引起的再造床过程; 河床变形预测:研究预测水流、泥沙运动及河床冲淤演变的方法.研究方法: 理论分析, 室内试验,现场观测,数值计算(1)河道水流的基本特性:河道水流的二相特性;河道水流的三维性;河道水流的不恒定性;河道水流的不均匀性河道水流的水流结构:主流,副流,环流二维明渠流速的分布规律:1.直线层,也成粘滞底层,切应力只有粘滞切力,流速按直线分布2.过渡层,粘滞切力与紊动切力同时存在,流动是层流和紊流的过渡区,该层没有统一的流速分布公式,近似按直线层或对数层公式计算3.对数层,切应力主要是紊动切应力,流速按对数分布4外层区.在对数层以上到水面的区间,切力主要是紊动力,流速分布常以缺速公式表示,故也称缺速区。
流速分布要受上部边界影响,与边壁糙率也有一定关系。
河道水流阻力分解图:见ppt1 76页明渠二维流的阻力损失表达方式:见ppt1 77页(3)按运动状态分,泥沙的运动形式有:(床沙),推移质、悬移质泥沙交换现象:推移质泥沙运动特点:间歇性、置换性、速度小、跳跃性、数量少、消耗时均能量 悬移质泥沙运动特点:速度大、悬浮性、置换性、数量多、消耗紊动能冲泄质:河流挟带的泥沙中粒径较细的部分,且在河床中数量很少或基本不存在的泥沙。
床沙质:河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分,且在河床中大量存在的泥沙。
两者主要区别:1.前者是非造床质泥沙,后者是造床质。
2.前者粒径较小,后者粒径较大3.前者在水流中的含量不仅取决于水流条件,还与河段上游流域供沙条件有关。
推移质~悬移质与床沙质~冲泄质命名的区别:前者按运动方式分;后者按造床作用、颗粒大小和泥沙来源分。
泥沙动水沉降速度1. 引言泥沙动水沉降速度是指在水流中泥沙颗粒由于重力作用下沉降的速度。
泥沙动水沉降速度的研究对于河流、湖泊、海洋等水体的水质管理和水资源开发具有重要意义。
本文将从泥沙的特性、沉降速度的计算方法、影响因素以及应用领域等方面进行详细介绍。
2. 泥沙的特性泥沙是指由颗粒状固体物质组成的悬浮物质,在自然界中广泛存在于河流、湖泊、海洋等水体中。
泥沙颗粒的大小可以从粉尘级别到沙砾级别不等,其主要成分包括矿物质、有机质和水分。
泥沙颗粒的形状和密度是影响其沉降速度的重要因素。
通常情况下,颗粒越大、形状越规则,其沉降速度越快。
此外,泥沙颗粒的密度也会影响其沉降速度,密度越大的颗粒沉降速度越快。
3. 沉降速度的计算方法泥沙动水沉降速度的计算方法有多种,常用的方法包括斯托克斯公式和牛顿公式。
3.1 斯托克斯公式斯托克斯公式是根据颗粒在流体中的受力平衡原理推导出来的。
公式如下:V=2g(d p−d f)9η其中,V表示沉降速度,g表示重力加速度,d p表示颗粒的密度,d f表示流体的密度,η表示流体的粘度。
3.2 牛顿公式牛顿公式是根据颗粒在流体中的运动规律推导出来的。
公式如下:V=F m其中,V表示沉降速度,F表示颗粒所受到的重力,m表示颗粒的质量。
4. 影响因素泥沙动水沉降速度受到多种因素的影响,主要包括颗粒大小、形状、密度以及流体的粘度等。
4.1 颗粒大小和形状颗粒大小和形状是影响泥沙动水沉降速度的重要因素。
通常情况下,颗粒越大、形状越规则,其沉降速度越快。
4.2 颗粒密度颗粒密度是指单位体积颗粒的质量,也是影响沉降速度的重要因素。
密度越大的颗粒沉降速度越快。
4.3 流体粘度流体的粘度是指流体内部分子间相互作用力的大小,也是影响泥沙动水沉降速度的重要因素。
粘度越大的流体,泥沙颗粒的沉降速度越慢。
5. 应用领域泥沙动水沉降速度的研究在许多领域中具有重要应用价值。
5.1 水质管理了解泥沙动水沉降速度可以帮助我们评估水体中的悬浮物质沉降速度,从而更好地进行水质管理。
泥沙(Sediment)的特性泥沙几何特性细颗粒泥沙的物理化学特性电化学性质悬浮在水中的细颗粒泥沙表面会发生各种物理化学作用,物理化学作用的强弱与颗粒比表面积的大小有关。
比表面积:颗粒表面积与其体积之比。
间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重力的相对大小。
双电层颗粒表面离子层及其周围的反离子层(吸附层及扩散层)构成颗粒的双电层,双电层外属中性水。
絮凝和分散现象分散的颗粒互相吸引,聚合成结构疏松、类似棉花团的较大团粒或团块(中间有很大的孔隙,包围密封了大量水分),称为絮团。
细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程叫做絮凝。
泥沙的重力特性泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量(或质量)与实有体积之比称为泥沙的容重(或密度)平均值平均值有效容重系数(有效密度系数)泥沙的干容重与干密度泥沙的干容重(或干密度)是指除水分后的沙样重量(或质量)与沙样体积之比。
泥沙的干容重与泥沙的容重不同,它的变化幅度较大,这是由于泥沙颗粒间空隙变化较大的缘故泥沙淤积深度愈深,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。
泥沙的水下休止角在静水中的泥沙,由于摩擦力的作用,可以形成一定的倾斜面而不致塌落,此倾斜面的角度φ称为泥沙的水下远休止角,其正切函数即为泥沙的水下摩擦系数f。
泥沙的水力特性泥沙沉降的不同形式单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度,简称沉速(cm/s)沙粒雷诺数泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉,附近的水体几乎不发生紊乱现象,这时的绕流状态属于层流。
泥沙沿摆动的轨迹下沉;颗粒首部为层流,尾部为紊流,绕流属于过渡状态。
泥沙颗粒脱离铅垂线,沿螺旋形轨迹下沉,其周围的水体布满漩涡,这时的绕流状态属于紊流。
其他因素对沉速的影响泥沙的形状对沉速的影响对于几何平均粒径D相同的不同石块,形状越扁平,其阻力系数越大,沉速越小水质对沉速的影响含沙量对沉速的影响粗颗粒泥沙颗粒下沉时引起的向上水流。
Chap1 泥沙特性本章知识要点:泥沙粒径表达形式泥沙的组成与粒配曲线比表面积的意义双电层与结合水泥沙干容重及其影响因素泥沙沉速与层流、紊流、过渡区絮凝现象● 泥沙来源:①流域地表冲蚀而来;②从原河床上冲起的。
● 土壤侵蚀最严重的黄河中游的黄土高原永定河和西辽河流域,相当于地表每年普遍冲掉0.6毫米的厚度,加上人类活动,如盲目开垦等,含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流,年均含沙量高达300公斤/m 2以上,而南部一些省份,年均含沙量不足1公斤/m 2。
§1-1 泥沙的几何特性一、泥沙的粒径● 泥沙的不同形状与它们在水流中的运动状态有关,较粗的沿河底推移前进,碰撞机会多,动量较大易磨损;反之不易磨损而保持棱角峥嵘的外貌。
为比较不同泥沙颗粒的形状、大小的异同,必须有某些指标对它们进行对比。
泥沙的形状的表达方式● 球度系数:(因为泥沙接近于球体,所以以球体作参照物)与沙粒等体积的球体的表面积与泥沙的实际表面积之比(与球接近的程度)。
研究表明,球度系数相等的两颗泥沙,在水中的流体动力特性大致相同。
由于球度系数难以测定(V 可用排水、称重法确定,但表面积难以测定),常用泥沙的长、中、短三个轴a, b, c ,按下式近似表示:Φ=1942年克来拜因提出)● 形状系数:ab c S P = 1、 等容粒径:泥沙颗粒的大小通常用泥沙颗粒直径来表示,泥沙颗粒形状不规则,难以确定泥沙的粒径,实际中采用等容粒径来表示。
即:与泥沙颗粒体积相等的球体直径。
(泥沙体积可用称重、排水等方法测出:W V g ρ=)——对比水力学中表面粗糙度∆的确定 136V d π⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中:V 为泥沙颗粒的体积。
2、算术平均粒径:用长、中、短轴(a 、b 、c )的算数平均值来表征泥沙粒径3、几何平均粒径:d =当泥沙形状为椭球体时,等容粒径与几何平均粒径相同(V=лabc/6=лd 3/6)4、中轴长度:接近而偏大于几何平均粒径(较粗天然沙测量的结果)5、筛径:仅对于单颗的卵石、砾石等可以通过称重,再除以泥沙的重率,得到体积而后求其等容粒径,或直接量测其三轴长度,再求其平均值。
Chap1 泥沙特性本章知识要点:泥沙粒径表达形式泥沙的组成与粒配曲线比表面积的意义双电层与结合水泥沙干容重及其影响因素泥沙沉速与层流、紊流、过渡区絮凝现象● 泥沙来源:①流域地表冲蚀而来;②从原河床上冲起的。
● 土壤侵蚀最严重的黄河中游的黄土高原永定河和西辽河流域,相当于地表每年普遍冲掉0.6毫米的厚度,加上人类活动,如盲目开垦等,含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流,年均含沙量高达300公斤/m 2以上,而南部一些省份,年均含沙量不足1公斤/m 2。
§1-1 泥沙的几何特性一、泥沙的粒径● 泥沙的不同形状与它们在水流中的运动状态有关,较粗的沿河底推移前进,碰撞机会多,动量较大易磨损;反之不易磨损而保持棱角峥嵘的外貌。
为比较不同泥沙颗粒的形状、大小的异同,必须有某些指标对它们进行对比。
泥沙的形状的表达方式● 球度系数:(因为泥沙接近于球体,所以以球体作参照物)与沙粒等体积的球体的表面积与泥沙的实际表面积之比(与球接近的程度)。
研究表明,球度系数相等的两颗泥沙,在水中的流体动力特性大致相同。
由于球度系数难以测定(V 可用排水、称重法确定,但表面积难以测定),常用泥沙的长、中、短三个轴a, b, c ,按下式近似表示:Φ=1942年克来拜因提出)● 形状系数:ab c S P = 1、 等容粒径:泥沙颗粒的大小通常用泥沙颗粒直径来表示,泥沙颗粒形状不规则,难以确定泥沙的粒径,实际中采用等容粒径来表示。
即:与泥沙颗粒体积相等的球体直径。
(泥沙体积可用称重、排水等方法测出:W V g ρ=)——对比水力学中表面粗糙度的∆确定 136V d π⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中:V 为泥沙颗粒的体积。
2、算术平均粒径:用长、中、短轴(a 、b 、c )的算数平均值来表征泥沙粒径1()3d a b c =++3、几何平均粒径:d =当泥沙形状为椭球体时,等容粒径与几何平均粒径相同(V=лabc/6=лd 3/6)4、中轴长度:接近而偏大于几何平均粒径(较粗天然沙测量的结果)5、筛径:仅对于单颗的卵石、砾石等可以通过称重,再除以泥沙的重率,得到体积而后求其等容粒径,或直接量测其三轴长度,再求其平均值。
水库变动回水区泥沙冲淤特性分析发布时间:2021-05-20T03:43:14.019Z 来源:《防护工程》2021年4期作者:沈俊学[导读] 根据泥沙的基本特征及其运动规律,并结合一般水库变动回水区的基本特点,论述分析正常蓄水下变动回水区输沙过程及河段冲淤特性,揭示了航道调整的内在机理,总结了水沙条件变化和河段冲淤规律。
重庆交通大学重庆 400074摘要:根据泥沙的基本特征及其运动规律,并结合一般水库变动回水区的基本特点,论述分析正常蓄水下变动回水区输沙过程及河段冲淤特性,揭示了航道调整的内在机理,总结了水沙条件变化和河段冲淤规律。
为水库泥沙淤积,特别是变动回水区泥沙淤积的治理提供理论依据。
关键词:变动回水区;泥沙淤积;冲淤特性第1章引言1.1研究背景及意义1.1.1水库泥沙淤积现状自1949年开始,我国开始大搞水利。
中国的水利建设,不论是从规模,还是从数量上,在全球都位于前几位[1]。
统计资料表明,长江所建水库数量差不多有4.6万[2]。
截至2006年底,在黄河区域,已经建成的水利设施19025座。
为了整治黄河流域建成水库的泥沙问题,于2004年以来,连续开展了小北干流放淤试验,淤积粗砂211.96万吨。
尽管如此,水库中仍然淤积大量上游来沙。
20世纪末期研究了黄河上及长江上游区域水库泥沙状况。
研究数据显示,截至1992年,共有11931座水库建于长江上游总共建。
其中,大型水库有13座,其年淤积率0.68%。
截至1989年,共计601座小型以上的水库建成于黄河区域上,其总容量达到522.5亿立方米,被泥沙淤积的占库容21%。
其中,干流中的淤积占总库容19%;支流占26%。
在河北西北部怀来县与延庆县界修建的官厅水库,淤积库容达到40%。
泾河支流建成的巴家嘴水库,至 2004 年 8 月淤积库容达到64.6%。
1.1.2研究意义在人类面临水库泥沙淤积问题持续加剧,但与此同时,人类对于水资源需求不断增加的情势下,人类必须重视泥沙淤积问题。
泥沙(Sediment)的特性泥沙几何特性细颗粒泥沙的物理化学特性电化学性质悬浮在水中的细颗粒泥沙表面会发生各种物理化学作用,物理化学作用的强弱与颗粒比表面积的大小有关。
比表面积:颗粒表面积与其体积之比。
间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重力的相对大小。
双电层颗粒表面离子层及其周围的反离子层(吸附层及扩散层)构成颗粒的双电层,双电层外属中性水。
絮凝和分散现象分散的颗粒互相吸引,聚合成结构疏松、类似棉花团的较大团粒或团块(中间有很大的孔隙,包围密封了大量水分),称为絮团。
细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程叫做絮凝。
泥沙的重力特性泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量(或质量)与实有体积之比称为泥沙的容重(或密度)平均值平均值有效容重系数(有效密度系数)泥沙的干容重与干密度泥沙的干容重(或干密度)是指除水分后的沙样重量(或质量)与沙样体积之比。
泥沙的干容重与泥沙的容重不同,它的变化幅度较大,这是由于泥沙颗粒间空隙变化较大的缘故泥沙淤积深度愈深,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。
泥沙的水下休止角在静水中的泥沙,由于摩擦力的作用,可以形成一定的倾斜面而不致塌落,此倾斜面的角度φ称为泥沙的水下远休止角,其正切函数即为泥沙的水下摩擦系数f。
泥沙的水力特性泥沙沉降的不同形式单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度,简称沉速(cm/s)沙粒雷诺数泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉,附近的水体几乎不发生紊乱现象,这时的绕流状态属于层流。
泥沙沿摆动的轨迹下沉;颗粒首部为层流,尾部为紊流,绕流属于过渡状态。
泥沙颗粒脱离铅垂线,沿螺旋形轨迹下沉,其周围的水体布满漩涡,这时的绕流状态属于紊流。
其他因素对沉速的影响泥沙的形状对沉速的影响对于几何平均粒径D相同的不同石块,形状越扁平,其阻力系数越大,沉速越小水质对沉速的影响含沙量对沉速的影响粗颗粒泥沙颗粒下沉时引起的向上水流。