泥沙颗粒基本性质

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。

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‎。

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。

1.泥沙主要有哪些特性？(1）矿物的物理特性①比重——矿物容重与水容重之比:泥沙的比重一般都在2.60～2.70之间，通常取用2.65。

②硬度——硬度是表示矿物抵抗外界机械作用的能力。

(2)几何特性泥沙的几何特征指泥沙的形状和粒径。

①泥沙的粒径：泥沙颗粒的大小，以颗粒直径来表示，简称粒径，其符号为D(或d)，单位mm。

1）等容粒径：等容粒径是指体积与泥沙颗粒相等的球体直径。

D=abc/3,或者D=3√abc。

2）筛分粒径（筛径）：沙粒的中轴长度是比较接近等容粒径的，因此筛析法所测的粒径可近似地看成等容粒径。

3）沉降粒径（沉径）②圆度——指颗粒棱和角的尖锐程度。

定义：颗粒最尖锐棱角的曲率半径除以颗粒最大内切圆的半径。

③球度—反映沙粒形状的特征系数，沃德尔(wadell)定义：与颗粒体积的球体直径（等容粒径）和颗粒外接球直径之比。

用Ψ表示。

④比表面积，定义——泥沙颗粒的表面积与其体积之比。

⑤泥沙的群体特性（级配曲线）。

粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线。

⑥孔隙率与孔隙比。

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。

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)（3）泥沙的重力特性①密度：密度——颗粒单位体积内所含的质量。

②容重（重度）：容重（重度）——泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值。

③比重：比重——固体泥沙颗粒重量与同体积4℃水的重量之比。

无量纲，一般泥沙比重：=2.65。

④有效容重系数（有效密度系数）泥沙在水中运动状态，既与泥沙容重有关，又与水的容重有关，在分析计算时，常出现相对数值，为简便起见，令：γγγ-=saρρρ-=sa常取a=1.65。

⑤干容重单位体积沙样经过100~105℃温度烘干后，其重量与原状沙样整个体积的比值，称为泥沙的干容重。

符号：sγ'单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；⑥浑水容重：单位体积浑水的重量，单位：N/m3，tf/m3，kgf/m3；⑦含沙量：单位体积浑水中固体泥沙颗粒所占比例，⑧水下休止角（φ）在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的稳定的倾斜面，此面与水平面的交角称为泥沙的水下休止角。

第11卷第1期中国水运V ol.11N o.12011年1月Chi na W at er Trans port Janury 2011收稿日期：3作者简介：宋晓阳（），女，河海大学港口航道与海岸工程专业。

粉沙质海岸泥沙特性及其影响宋晓阳（河海大学，江苏南京210000）摘要：航道淤积一直是各大港口面临的棘手难题之一，文中概述了粉沙质海岸泥沙性质及其对航道淤积产生的影响，并以黄骅港粉沙淤泥质海岸为例，依据现场实测资料具体介绍了粉沙质海岸表层泥沙的分布规律和运动特征，以及形成航道淤积的条件及过程，最后指出了航道可能出现的淤积模式和相关治理对策。

关键词：粉沙质泥沙；航道淤积；分布规律；运动特征；治理对策中图分类号：TV 142文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）01-0127-02一、引言航道是船舶进出港口的主要通道，因此一旦发生泥沙淤积将直接影响到港口的正常运营甚至造成事故。

鉴于粉沙质海岸泥沙起动流速小、沉降速度低、沉积密实快的水力特征，粉砂质泥沙一旦流入航道极容易使航道发生淤积。

因此粉沙淤泥质泥沙对港口航道造成的淤积不容忽视，不断出现的粉沙质海岸港口（如黄骅港、潍坊港、京唐港、东营港等）和航道淤积事故要求进一步加深这方面的研究。

二、粉沙质海岸的泥沙特性和运动规律即及其对航道淤积的影响1．粉沙质海岸的泥沙特性和运动规律沙质海岸泥沙颗粒较粗，淤泥质海岸泥沙颗粒较细，这是两种类型海岸相互区别的表面特征。

就泥沙性质而言，前者为松散的无粘性沙，后者为粘性沙。

泥沙粒径由粗到细，其粘性有无到有，这中间是一个渐变过程，而处于这一渐变过程的泥沙就是所谓的粉沙质海岸泥沙。

关于粉沙质海岸泥沙的界定目前尚无统一标准，依据泥沙性质和港口界的普遍认识，一般定义滩面泥沙中值粒径介于0.03mm ~0.12mm 。

其基本的水力学特征是：起动流速小、沉降流速大、沉积密实快，在波浪、潮流作用下，泥沙活跃，易悬易沉，大浪作用下在临底床面上还会产生浓度很高的含水沙体层。